化学实验在模型建构培养学生创新思维中的实践研究*

刘晓军 刘亚俊

一、模型建构过程即是创新的过程

模型建构是建构模型的过程，即当人们定量分析与研究实际问题时，需要开展调查研究，以便了解调查对象的信息，简化假设，分析内在的规律，再用符号与语言描述，表述成相应的模型，并用得到的模型结果解释实际问题，接受实际检验的过程。

1.模型与原型

在解决化学问题时，为了揭示事物的本质以及研究的方便，用化学的语言、方法从复杂的化学问题、条件和现象中经过简化、抽象得出化学模型的过程并进行相应的检验就是化学模型建构。模型和原型的关系如下关系式所示。

2.创新思维的概念

创新思维是由个别事实到一般原理的飞跃式思维。创新思维是思维的高级形式，是指人们在提出问题和解决问题的过程中，超越常规思维，通过分析和推理能独创和科学地解决问题的思维过程。其不是一种简单孤立的思维方式，而是一种逻辑思维和非逻辑思维、形象思维和抽象思维、发散思维和聚合思维等多种思维形式有机结合的高级思维方式。创新思维在原有事物的基础上有发展，就可构成创新。

模型建构和创新思维过程中均包含了对原有事物简化、抽象的发展过程，所以模型建构过程本身就是创新的过程。

二、化学实验在模型建构培养学生创新思维中的作用

在中学的教育教学中，化学是一门重要的基础自然科学课程，化学学科中重点关注微观粒子的组成以及结合方式，这都是人类对自然界思考后抽象出的模型，还有很多原理，例如电解原理模型、碰撞理论模型等。化学学科的特点使它以其自身的特点在培养学生的创新能力方面具有独特的优势。其中，化学实验在化学学科中扮演着重要的角色。

化学实验是培养学生创造性思维的重要手段。换言之，化学科学的发展史实际上就是以化学实验为手段，进行探索，发现新的规律、新物质的历史。在化学教学中，学生针对一定的问题设计实验方案再进行实验、收集数据。在学校中进行的创造性思维活动，其目的虽然不同于科学家的创造性活动，但其创造过程的实质是一致的，都是“发现问题—提出假设—设计实验—验证假投—得出结论”。这其中，化学实验是不可缺少的教学手段。

发散思维水平是衡量创新型人才素质高低的重要标尺。因此，要培养创新型人才，必须注意发散思维的培养。发散思维是创新思维的一种基本的思维方法。化学实验为发散思维的收敛提供了证据。

三、化学实验在模型建构中培养学生创新思维的实践

在课题组刘亚俊老师设计的电解池教学中，应用实验设计打开学生的发散思维和应用实验现象收敛验证学生的发散思维，从而完成电解原理的模型建构。在这一过程中，学生学习和思维发展的路径见表1。

表1 电解池教学整体框架设计

以电解在化学发展史上的重要意义为情境素材，让学生认识到电解的价值，并驱动思考电解的方法。

(1)电解熔融NaCl获得钠单质的演示实验。让学生抽取绘制电解池的装置模型建构电解原理模型1，充分理解电能在电解过程中的作用；其中电解熔融NaCl实验使用的容器为V形石英管，热源为丁烷喷灯，电源为学生电源，阳极为废旧电池拆下的直径4 mm、长4 cm的石墨碳棒电极，阴极为直径2 mm、长4 cm的Fe电极，碳棒和铁丝需事先深入V形管底部，但保持一定的距离，固体NaCl用量约装至V形石英管1.5 cm高处，以保证固体NaCl熔化后能没过V型管弯折处，整体实验装置如图1所示。

图1 电解熔融NaCl实验装置图

(2)电解水速率实验。在学生初步建构电解池模型之后，再以电解水反应速率慢的现象引导学生思考。在初三化学电解水实验中加入少量H2SO4或NaOH后，电解水产生氢气和氧气的速率加快，提问：加入其他电解质是否也可以加快电解水的速率？学生预测阴阳两极电解产物，以及两极pH值变化。具体实验设计如图2、图3所示，试剂盒中分别盛装的溶液有NaCl，Na2SO4和CuCl2溶液。

图2 电解微型实验装置

图3 pH试纸电解微型实验装置

(3)通过电解产物分析预测及实验验证。学生进一步认识微粒间的相互作用(离子得失电子)、相互竞争(不同离子的放电竞争)及相互转化(电极反应微粒和产物)，通过微观粒子的转化分析认识到宏观物质间的转化是依赖于外加能量(电能)实现的，完善电解原理模型；即在电极端存在放电竞争，阳离子放电顺序为：Cu2+＞ H+＞ Na+；阴离子放电顺序为：，存在放电竞争，最后返回原型分析电解AgNO3溶液的产物，再次感受电解(电能转化为化学能)在物质转化中的价值。这一路径也显示了学生思维培养和能力提升的过程， 即从对具体事物的理解到分析提取概括以及解决问题的能力，创新思维能力得以发展。

(4)讨论。以电解饱和食盐水为例，学生认为电极附近溶液pH值变化主要有两种观点，一种观点认为是溶液中H+和OH-迁移造成的溶液两极pH值变化，另一种观点认为是溶液中离子放电导致的两极pH值变化。两种观点的预测结果见表2。

表2 电解饱和食盐水两极pH值变化预测

两种观点相持不下，最后通过用时1分钟的微型电解实验，学生经历了无序的发散思维(各种现象的预测)，逐步梳理成为表2中的两种观点，最后通过实验，学生共同发现电解池中，放电为主的预测和结果一致，后经过讨论学生达成共识，认为在电解池中既有微粒的迁移又有微粒的放电，但放电速率大于迁移速率，使得溶液中电极附近的pH值变化表现为放电为主相一致的结论。

四、结语

学生以实验为载体，通过电解熔融NaCl实验提供给学生模型建构的原型，以最简单的溶质(熔融NaCl的分析)作为原型，原型中包含了模型的核心要素：电源，电极，电解质。在此基础上，学生通过思考复杂体系的电解产物及电极附近pH值的变化情况，培养学生的发散思维，发散思维由开始的无序到有序，学生讨论交流的过程就是发散思维被逐渐优化的过程，最后聚焦到两种观点之上，通过微型电解实验，提供实验的证据支持，因此，由于实验的微型化，学生的操作用时少，实验真正起到了收敛发散思维，并为收敛思维的进一步逻辑推理提供了证据。根据已有知识完善认识电解原理模型，在原有的认知模型基础上进行补充，认识到电解的本质是微粒在电极端得失电子的竞争。最后通过预测电解AgNO3溶液应用完善后的模型，通过微型电解实验再次检验完善后模型的正确与否，确定模型建构的完善性。

化学实验是化学教学中必不可少的一部分，但有必要把实验简单化、微型化，只有这样的实验才能在模型建构教学中更好地发挥创新思维培养的功能和价值。