依托变构学习模型的教学实践探究——以“物质的分离提纯”为例

江苏省前黄高级中学国际分校(213100) 葛蕊干

《普通高中化学课程标准(2017年版)》明确指出，化学教学应该“创设真实问题情境，促进学习方式转变”“学生化学学科核心素养的发展是一个自我建构、不断提升的过程，教师要紧紧围绕化学学科核心素养发展的关键环节，引导学生积极开展建构学习、探究学习和问题解决学习”[1]。基于变构学习模型的教学注重创设真实的教学情境，激活学生的原有认知，并在此基础上进行概念体系的“解构”和“建构”，从而创生新知、不断提升。

1 变构学习模型应用于高中化学教学的可行性

变构学习模型是20世纪80年代后期由瑞士科学教育专家安德烈·焦尔当教授团队提出的，对欧洲的科学教育产生了重要的影响。变构学习模型继承和发扬了皮亚杰的建构主义学说，同时可以弥补建构主义在解释真实复杂情境中的学习现象的不足[2]。华东师范大学的裴新宁教授对变构学习模型进行了深入的研究，裴教授指出，学生在进行研究之前，已经有了相关的概念系统，而学生的概念系统可能会成为学习的障碍。对于大多数学生而言，必须在指导性学习环境中借由“解构-建构”的方式，来战胜障碍[2]。吴涛在其博士学位论文中指出，“调用”变构学习模型，有利于改善我国科学学习和教学实践[3]；范韦芳在变构学习模型的指导下开展了高中化学“导致悖论”的教学设计[4]；许玉明在变构学习模型的指导下开展了“电解原理”的教学设计[5]。可见，变构学习模型可以为一线教学提供新思路，在解决真实复杂情境时尤为有效。

2 依托变构学习模型的教学基本程序

变构学习理论认为，有效学习应该是概念系统转换的过程，教师应当提供合适的学习环境，促使学生不断探索创新。在化学教学中基于变构学习模型，形成如图1所示的教学基本程序。

图1 基于变构学习理论的教学基本程序

3 依托变构学习模型的“分离提纯”教学分析

“物质的分离提纯”是化学的基本研究方法，是化学实验的重要内容。课标指出：初步学会物质分离、提纯等化学实验基础知识和基本技能；学习进行物质分离的化学实验及探究活动的核心思路与基本方法。在教学策略中还强调要选取真实的、有意义的、引发学生兴趣的探究问题；改变在实验中注重动手但缺少思考的现状，强调高阶思维过程。

“物质的分离提纯”是苏教版化学必修第一册专题2“研究物质的基本方法”的第1单元教学内容的一部分，教材的编排以人类认识与改造自然的实验方法的产生与发展为线索，在学科提炼方面引导学生思考物质分离提纯的思想方法，是化学实验的基础和重要内容。近年来的高考试卷中就有直接考查分离提纯的考题，如2019年全国卷Ⅱ理综化学第10题，该题考查了实验室从茶叶中提取咖啡因的实验流程。基于以上分析，教师先通过访谈交流等形式了解学生原有的概念体(学生已经知道分离可溶于水与难溶于水的两种固体混合物时，可以利用溶解性的差异进行溶解和过滤；了解可以根据溶解度的差异进行结晶操作)；再选取真实情境来促进学生概念体的解构与建构。本节课的教学设计思路如图2所示。

图2 “物质的分离提纯”教学设计思路

4 依托变构学习模型的“分离提纯”教学设计

4.1 环节一：预设情境，概念解构

引入：今天我们的故事要从一株神奇的中国小草说起。我们来一起猜猜看，看谁能抢先答出来。“世界闻名；诺贝尔奖；屠呦呦；疟疾；药品纯度要求高。”

生：青蒿。

实物展示：药店购买的青蒿中草药。

师：跟着屠呦呦团队的脚步，我们来查阅东晋葛洪《肘后备急方》，水渍青蒿。

实物展示：展示用水浸泡青蒿的试剂瓶。

问题1：阅读资料卡，选择合适的溶剂萃取青蒿素。

资料卡：青蒿素因提炼自青蒿叶而得名，是一种无色针状晶体，受热易分解。青蒿素可溶于乙醇、乙醚，几乎不溶于水。

生：用水渍的方法处理青蒿，很难溶解出青蒿素，因为青蒿素的水溶性不好，又因为乙醇比乙醚常见易得，所以可以先尝试使用乙醇溶解青蒿素。

实物展示：展示用乙醇浸泡青蒿的试剂瓶。

学生实验：

(1)将万用滴管中的水和四氯化碳(CCl4)分别挤入试管中，观察现象。

(2)将万用滴管中的碘水和四氯化碳(CCl4)分别挤入试管中，观察现象；充分振荡滴管，再观察现象。

(3)将万用滴管中的碘水和乙醇分别挤入试管中，观察现象。

思考：萃取适用于分离怎样的混合物？如何得到碘的CCl4溶液？

师：展示萃取分液操作，并讨论操作要点。

设计意图：从中国人的骄傲——青蒿素和屠呦呦引入课题，引发学生对中华优秀文化的认同，增强文化自信。学习科学家从查阅资料开始研究的方法，发展学生证据推理的核心素养。始终让学生沉浸在真实的情境和物品中，吸引学生主动参与研究。

4.2 环节二：多重提问，概念建构

问题2：可以用萃取、分液的方法从青蒿素的乙醇浸泡液中获得产品吗？

小组讨论：选择合适的分离方法。

生：先过滤、再蒸发。

生：我认为蒸发不好，因为酒精挥发到空气中，不安全，浪费。如果能先蒸发、再冷却就好了。

思考：分离沸点相差大的混合物，如何改进装置？可以从3个部分考虑：蒸发、冷凝、收集(给出如图3所示的装置图供学生选择)。

图3 供学生选择装置图

生：拖动图片，拼出蒸馏装置图。

实验：搭建蒸馏装置，提问要点(温度计位置，冷却水方向)。

初步建构化学模型(见图4)。

图4 化学模型

设计意图：在教学过程中将介绍装置改为了改进和设计装置，让学生交流、尝试、质疑和总结，学生获得的是高阶思维能力。

4.3 环节三：质疑再探，概念延伸

师：实验获得的晶体中青蒿素含量非常少。如何改进？

问题3：请同学们评估以上化学模型，小组讨论改进青蒿素的分离提纯方案。

师：再次回顾资料卡，青蒿素受热易分解，并补充乙醇沸点78 ℃，乙醚沸点35 ℃。

生：试剂可以换成乙醚。

修正化学模型(见图5)。

图5 修正后的化学模型

4.4 环节四：调用知识，概念应用

对比真实的青蒿素提取工业流程，优化化学模型(见图6)。

图6 优化后的化学模型

生：粉碎可以增大接触面积，有利于萃取有效物质；活性炭吸附可以吸附色素等。

生：讨论后选择用减压蒸馏装置的原因是可以降低压强，从而降低乙醇的沸腾温度，这样青蒿素就不容易受热分解了。得到粗品之后可以再次萃取、减压蒸馏得到青蒿素精品，有利于达到药品的纯度要求。

课后探索：查阅资料，小组合作设计实验方案：从茶叶中提取咖啡因。

设计意图：通过真实情境，引导学生不断深入研究，学习经过了建构-解构-再建构的过程，实现了新旧概念的更替和高阶思维能力的发展。

基于变构主义模型的教学是一种源于智慧、成于思辨的教学。在教学活动中，教师给学生创造一个“肯定—否定—肯定”的反思性学习过程：学生的学习基于原有的概念系统；但是在复杂情境中，学生遇到问题，自发地质疑、思考和探索。通过教师的指点迷津和生生互动的思维碰撞，学生最终能够收获问题解决的喜悦，并形成相应的认知模型解决问题。