指向培养学生高阶思维能力的“实验室制取氧气”的教学

穆小艳

摘要：以“实验室制氧气”为例，从药品选择、装置搭建、总结思路、方案评价等角度，培养学生分析、综合、评价等高阶思维能力。设计高阶学习活动，培养学生创新能力、问题解决能力、批判思维能力。

关键词：高阶思维能力;化学实验;氧气

文章编号：1008-0546（2022）06x-0081-03   中图分类号：G632.41   文献标识码： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.021

一、问题的提出

做实验并不等于科学探究，实验探究的宗旨是发现问题、解决问题。实验探究作为化学教学的一个重要内容，对于培养学生思维能力的重要性不言而喻。

高阶思维是指发生在高层次认知水平上的心智活动，它对应教育目标分类中的“分析、综合、评价”等高层次认知水平的能力，是创新能力、问题解决能力、批判思维能力的核心[1]。如何在初中化学实验课教学中培养学生的高阶思维能力？本文以“实验室制取氧气”为例，尝试从药品选择、装置搭建、总结思路、方案评价等角度，培养学生的创新能力、问题解决能力及批判思维能力。

二、教学案例

1.用高锰酸钾制氧气

（1）筛选实验原料

问题1：实验室想要制取氧气，首先要选择合适的化学药品。生活中常见的物质食盐（NaCl）、高锰酸钾（KMnO4）消毒片、双氧水（H2O2溶液）消毒液等是否可用于制氧气？

问题2：用高锰酸钾如何制取氧气？我们需要研究其性质。请同学们观察高锰酸钾固体以及高锰酸钾消毒片的相关使用说明，从中你能获得什么信息？你如何设计实验验证你的猜想？

生：观察药品外观，根据消毒片的使用说明猜测其性质，进行实验，探究是否溶于水。

物理性质：紫黑色固体，能溶于水。

设计意图：渗透化学研究物质的方法、思路及分类观。

（2）探讨气体发生装置

问题1：请同学们仔细观察高锰酸钾分解的化学方程式，分析该反应的生成物有哪些？猜测其他产物在通常情况会是什么状态？你猜测的依据是什么？

生：观察高锰酸钾加热制氧气的反应方程式，猜测产物的状态。

问题2：你能从图1中选择哪些仪器来完成该实验？你为什么选择这些仪器？你能把这些仪器搭建成装置吗？

生：观察所提供的药品和仪器，选择合适的仪器，搭建装置，进行实验。

问题3：①为何选择酒精灯？试管口为什么略向下倾斜？你搭建装置的顺序是什么？②实验的条件是什么？③如何检验是否产生了氧气？你观察到其他产物的状态了吗？在加热过程中你还有什么发现？

生：根据反应物的状态（固态）和反应条件（加热）选择仪器。向试管内伸入带火星的木条，木条复燃证明产生的气体为氧气。生成的锰酸钾和二氧化锰为固体。

问题4：加热过程中“蹦蹦跳跳”从管底向管口跑的固体成分是什么？如何检验？

师：取管口附近的固体于试管中，加水溶解，观察现象。

生：观察到溶液颜色为紫红色。

设计意图：让学生初步感知原理、装置的制约关系。实验室制取气体在原料的选择上，要综合考虑原料状态、反应条件、气体纯度等因素，培养学生思维的有序性和完整性，形成解决实际问题的高阶思维能力。

（3）比较气体收集方法

问题1：你会选择图2中的哪种方式收集氧气？你选择这种收集气体方法的依据是什么呢？

生：向上排空气集气法，因为氧气密度大于空气，通常情况下不与空气中其他成分反应;排水集气法，因为氧气不易溶于水，通常情况下不与水反应。

问题2：分别收集两瓶氧气，一瓶用于进行蜡烛燃烧实验，为了便于观察燃烧产物，你会选择哪种收集气体的方法？另一瓶氧气用于铁丝燃烧实验，为了便于在瓶底留水且获得的氧气更纯净，你又会选择哪种收集气体的方法？

设计意图：总结气体收集方法需要考虑的因素：气体的性质。学生围绕具有真实情境的化学问题，通过两种收集气体的方法比较，逐步养成用化学思维解决问题的习惯。

（4）分组实验

问题1：如何将气体发生装置和收集装置相连呢？请同学们搭建高锰酸钾制取氧气的装置，并尝试完成用两种方法收集氧气。那么按照什么步骤进行实验呢？

生：讨论。

问题2：同学们，想不想亲手制出氧气来？科学的态度、严谨的过程、规范的操作是实验成功的前提，请同学们认真阅读实验步骤，思考实验细节，正确进行实验。

师：观察学生的实验过程，用手机抓拍实验细节，实验结束后投屏讨论不规范的操作可能带来的后果。

设计意图：通过让学生动手操作及操作过程中生成新的问题，引导学生一步一步解决问题，在课本原有实验的基础上进行适度挖掘、再度创造，培养学生高阶思维。

（5）小结实验思路

问题1：刚才我们一起学习了氧气的制备，以后我们还会学习其他气体的制备，不管是哪种气体的制备，研究的方法和思路是相似的。你能总结出用高锰酸钾制取氧气的思路吗？

设计意图：师生共同建构气体制备的一般思路和方法的模型。通过引导学生梳理用高锰酸钾制取氧气的内容，抓住问题的主要特征，对问题进行抽象和概括，建构气体制备的一般思路和方法的认知模型。

2.用过氧化氢溶液制氧气

（1）初探实验装置

问题1：过氧化氢溶液与二氧化锰固体混合会立即产生大量氧气。根据信息，你会设计怎样的气体发生装置？

学生：从图3的装置中进行选择。

（2）再探实验步骤

问题1：如何利用上述气体发生装置和气体收集装置进行氧气的制取实验呢？

生：讨论、总结。两位学生演示双氧水制氧气实验，一位同学选择排水法收集氧气，一位同学选择向上排空气法收集氧气。

（3）深究实验原理

问题1：双氧水和二氧化锰混合究竟如何产生氧气？请同学们猜测二氧化锰在此反应中的作用？

问题2：你如何证明在该反应中二氧化锰是催化剂？

（4）对比实验方案

问题：我们已经学习了两种实验室制氧气的方案，你能从实验原理角度、实验装置角度等比较两种方案的优劣？

（5）迁移实验能力

问题1：根据氯酸钾制氧气的原理，你会选择哪套制取氧气（高锰酸钾制氧气或双氧水制氧气）的发生装置呢？

生：氯酸钾制氧气的发生装置与高锰酸钾制氧气的发生装置相同。

（6）总结实验思路

问题：我们已经学习了三种实验室制氧气的方法，你能总结出制取氧气的一般思路和方法吗？

学生：在教师的引导下，建立实验室制取氧气的一般思路（图4）。

设计意图：实验室制氧气的教学过程中，教师充分发挥“主导”作用，设计高阶学习活动，激发学生对比三种實验室制氧气的方法，建立气体制备的一般思路和方法。

三、结语

实验室制取氧气紧紧围绕两个活动展开，一是探究气体发生装置，二是探究气体收集方法[2]。通过两个活动的展开，以及课堂生成的问题，一步步引导学生建构气体制备的一般思路和方法模型，培养学生的化学观、实验观、对比观、环保观，提高了思维的深度，拓宽了思维的广度，培养了学生的高阶思维能力。

参考文献

[1]汤小梅.化学教学中高阶思维训练拓展设计[J].化学教学，2017（8）：21-24.

[2]中华人民共和国教育部.全日制义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.