“思维进阶”目标下的化学实验教学策略

摘要： 实验教学中以激发学生“思维”为核心，探索采用“循序渐进、问题引导、由点到面、信息剖析”等基于“思维进阶”目标下的实验教学策略，实现从简单到复杂、从理论思考到实践应用、从部分到整体、从要素提取到逻辑分析的思维进阶，逐步形成递进性、应用性、系统性、发散性思维，提升学生的思维能力和科学素养。

关键词： 化学实验； 思维进阶； 教学策略； 核心素养

文章编号： 10056629（2023）10005606 中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题的提出

以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有非常重要的作用，有助于激发学生学习化学的兴趣，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观［1］。高中化学实验主要包括物质的分离与提纯、物质的检验、物质的制备、定量实验、实验设计及探究等内容。实验教学中往往存在诸如实验教学内容碎片化，缺少具有挑战性的实验问题，忽视实验的思维过程等，使课堂缺乏高阶思维发展的教学目标；有的实验教学变成教师给“方”、学生抓“药”的知识验证和完成教学任务，课堂表面的“热闹”掩盖不了本质的“低效”，严重影响学生创新素养与思维能力的培养；特别是学生在面对综合实验探究问题时，表现出“缺乏逻辑、缺乏视角、缺乏策略”的共性问题［2，3］。

如何高效進行化学实验教学，一直是广大化学教师思考和探索的问题。笔者在前期研究思维阶梯式教学的基础上［4］，在实验教学中以激发学生“思维”为核心，探索采用“循序渐进、问题引导、由点到面、信息剖析”等基于“思维进阶”目标下的实验教学策略，实现从简单到复杂、从理论思考到实践应用、从部分到整体、从要素提取到逻辑分析等的思维进阶，逐步形成递进性、应用性、系统性、发散性思维，提升学生的思维能力和科学素养。

2 思维进阶促成素养发展

思维进阶是指从低阶思维到高阶思维的发展过程，也是实现从知识到素养的一种历程。布鲁姆在教育目标分类法中把认知思维分为“记忆、理解、应用、分析、评价和创造”六个层级（如图1），其中记忆、理解属于低阶思维，是一种浅层次的学习，而应用、分析、评价、创造属于高阶思维，属于深度学习。2007年美国国家研究理事会（NRC）将学习进阶定义为“对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式”。这使得学者们对学习进阶的对象达成了一致。即学习进阶刻画的是学生思维的发展过程［5］。王磊等研究认为，思维过程包括“思维启发、思维引导、思维深化、思维整合、

思维拓展”等五个指标，其中思维启发和思维引导发展较好，思维深化、思维整合和思维拓展还有进一步提升的空间［6］。史厚勇研究认为，教师要聚焦学生的问题解决过程，引领学生的思维由表及里、由点成体、由浅入深、由窄到宽、由单到合，促进学生思维的进阶、发展［7］。就化学思维而言，吴俊明教授认为，它是关于物质组成、结构、性质、变化和相互联系的思维，是认知化学、掌握化学和发展化学的智慧，是探究活动的灵魂［8］。李发顺等认为思维是智慧的核心，是影响人的发展的重要能力，化学思维能力是化学学科关键能力的基础，化学学习的关键是学生思维的形成、进阶与结构化［9］。因此，思维进阶是实现学习进阶与素养发展的内在的、本质的、必然的要求。

3 “思维进阶”目标下的实验教学策略

3.1 循序渐进：从简单到复杂的进阶，形成问题解决的递进性思维策略

人类思维的发展是一个从低级到高级、从简单到复杂的渐进过程，包含信息的积累、接收、关联、选择、识别、分析、判断与结论等。因此，基于“思维进阶”目标下的教学理应遵循“由浅入深、从易到难、逐步深入”的循序渐进原则，并在过程中不断总结形成问题解决的一般思路。如实验教学中“物质的检验”是生产生活中化学定性分析的重要内容，应用十分广泛，可以从多角度、递进性实现思维进阶发展。从物质种类角度，可以从单一物质的鉴定到多物质的鉴别，再到混合物的成分分析，思维干扰因素逐渐增多；从物质类别角度，可以从常规的无机物的检验到有机物中元素或官能团的鉴定，实现从离子反应到有机反应与官能团性质的思维进阶；从实验方法角度，可以从颜色、水溶性、焰色反应等物理方法到化学方法，如气体法、沉淀法和显色法等。实验方法与手段的选择务求“以准为本、以简为美”。其中，离子检验是物质检验的基石。从单一离子的检验（主要包括Fe3+、 NH+4、 CO2-3、 Cl-、 SO2-4）开始，到含一种干扰离子存在条件下的排除与检验，再到混合液中多离子的分别检出这样一个思维进阶过程，具体如图2所示。

教学中以典型代表物FeCl3的鉴定为例，分析物质检验的实验操作、现象及结论，具体如表1所示。

通过以上对单一物质鉴定的分析，形成物质鉴定的一般操作流程，包括取样、观察外表、溶解、离子检验、观察现象和得出结论。此后，围绕含氯化合物的检验，进一步设计以下系列问题：

（1） 如何检验氯碱工业生产的NaOH（或纯碱工业Na2CO3）产品中是否混有NaCl杂质？

（2） 如何检验KClO3固体中的氯元素？

（3） 如何检验氯乙烷中的氯元素？

以上从Cl-的检验到含OH-（或CO2-3）干扰下Cl-的离子检验，再到无机盐KClO3中氯元素的检验，最后上升到有机物氯乙烷中氯元素的检验这样一个从简单到复杂、从无机离子到有机元素的检验，并形成元素检验问题解决的一般思路（如图3），更好地巩固常见“离子检验”的方法，循序渐进地实现学生对“物质检验”教学内容的思维进阶。

3.2 问题引导：从理论思考到实践应用的进阶，形成理论为应用服务的学科思维习惯

化学是研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科［10］。化学实验作为架构理论与实践的重要桥梁，围绕物质的纯化、检验、测定、制备、性质等进行。如“物质的提纯与分离”，教学中通过设计以下三个系列问答供学生思考讨论，逐步引导学生从“实验理论”层面的理解到“实践应用”层面的思维进阶。

问题1：为什么要对物质进行分离与提纯？

自然界中的物质大多是混合物，理论上没有绝对的纯净物。因此，要研究物质，首先必须要对物质进行分离纯化，进而再研究单一物质的组成、结构、性质等；工业生产中也要生产某种特定的物质来满足人类生产、生活需要。这就是我们化学实验中“物质的分离与提纯”的意义与价值所在。

问题2：物质进行分离提纯的理论依据是什么？

利用物质间的性质差异并选择合适的方法进行分离和提纯。如熔沸点、溶解性、热稳定性、酸碱性、氧化性、还原性等。同时，考虑物质的状态不同，实验的操作方法也不同。

问题3：你能列举出哪些分离提纯的实验操作？它们在工业生产和实验室中分别有怎样的应用？

由学习和生产生活中遇到的问题出发，通过在真实问题下的混合物分离与提纯案例，分析利用物质间某些性质差异选择相应的分离方法的思路，总结如表2所示。

问题引导是设置思维阶梯、实现思维进阶的重要策略之一。以上围绕“物质分离与提纯”教学内容设计了“实验操作为什么、理论依据是什么、实践应用有什么”等系列阶梯问题，帮助学生理解分离与提纯的意义、原理、方法及其应用，引导学生逐步从“理论理解”向“实践应用”的思维进阶，这既符合化学学科特点，也达成学以致用、活学活用的目的。

3.3 由点到面：从部分到整體的思维进阶，形成主题引领下的系统性思维方法

面对复杂问题，可以先通过“化整为零、各个击破”的策略一一解决，最终实现由点到面、从部分到整体的思维进阶。如定量实验设计因综合程度高、思维容量大，学生往往会一筹莫展，产生畏难情绪。此时，寻找问题的关键点对问题解决至关重要。教学中可通过设置主题引领下的系列问题，帮助学生理清思维头绪，抓住问题关键，激发思维动力，最终形成解决问题的方法。如“测定亚硫酸钠（含硫酸钠杂质）样品的纯度”这一定量实验，笔者在教学中设置了“情境分析、定性检验、应用反思、定量测定和类推归纳”等五个不同维度的阶梯问题引导学生从不同角度、不同层面进行思维进阶，由点到面，最终形成思维系统。学生的思维火花不断被点燃，师生互动充分，教学生成性好。具体如表3所示。

针对实验课题中的问题，首先在引导学生分析问题情境的真实性，进而理解Na2SO3的还原性，创设Na2SO3在空气中易被氧化成Na2SO4的情境，并在此基础上再让学生思考Na2SO3被氧化的两种可能的情况（部分氧化与完全氧化）下分别如何进行检验，培养学生的信息提取与思维变通能力，进一步巩固离子定性检验的操作、方法与表达，再类推到这样一类问题的总结与对比，形成系统方法；同时，在上述“定性”及“应用”两个环节的问题分析与解决过程中，学生对亚硫酸钠的认识逐步加深，为后续定量实验中的重量法、滴定法（氧化还原）和气体法做好思维铺垫。围绕该实验主题，采用“由点到面”的教学策略，这三种定量实验方法便水到渠成，思维进阶目标顺利达成。具体如图4所示。

3.4 信息剖析：从“要素提取”到“逻辑分析”的思维进阶，形成发散性思维品质

从问题与信息中提取核心要素的能力是一种重要的阅读理解能力，并在此基础上进行逻辑分析与推理，形成思路和判断（预测），也是思维进阶的重要路径之一。实验探究是化学实验的重要内容，对培养学生逻辑思维、创新思维等大有裨益。教学中可从熟悉的内容出发，逐步完成思维进阶，并形成问题探究的一般认知思维模型。如“在BaCl2溶液中通入SO2气体是否有沉淀生成”这一探究问题中，学生根据复分解反应的条件分析认为两者不会发生反应（预测）。随后，在小组实验后发现，开始没有沉淀，但随后会慢慢产生沉淀，实验现象与预测产生冲突。从没有沉淀到慢慢生成沉淀过程中可能的原因是什么？学生通过“硫酸酸雨放置一段时间后pH会减小”的思维迁移与讨论，认为由于亚硫酸被空气中氧气氧化成硫酸进而生成BaSO4沉淀的结果。随后，各小组再在沉淀中加入盐酸，沉淀不溶解，从而证实了白色沉淀为BaSO4，培养了学生的逻辑思维和证据意识。为进一步发展学生的发散性思维，教师又提出，除了空气中的氧气可以使上述溶液生成沉淀外，是否还可以通入一种其他气体使之生成沉淀？通过师生对问题要素的提取和可能性分析与讨论，形成结果如图5所示。

又如，把新制氯水逐滴滴加到NaOH的酚酞溶液中，发现溶液红色退色，请思考引起退色可能的原因，并设计实验验证你的猜想。针对此问题，教学中以“信息剖析”为主要手段，通过“问题、要素、分析、验证、结论”的五步思维策略，引导学生完成思维进阶。具体如下：

问题：上述溶液显红色的必要条件是什么？（教师引导）

要素：NaOH和酚酞两个要素，缺一不可。（学生提取）

分析：因此，溶液退色自然就存在三种可能。假设一：NaOH没有了（中和退色）；假设二：酚酞没有了（漂白褪色）；假设三：NaOH和酚酞两者均没有了（既有中和又有漂白）。（学生讨论）

验证：因此，可以设计在退色后的溶液中加入对应NaOH或酚酞，观察实验现象，得出结论。（小组实验）

结论：如加入NaOH至过量，若红色恢复，则说明退色后溶液中缺NaOH、不缺酚酞，仅假设一正确；若红色不恢复，则说明酚酞没有，故假设二或三正确，此时，可再另取退色后溶液滴加酚酞看是否变红色来进一步确认是否存在NaOH。

在以上的分析过程中，逐步引导学生构建“问题、要素、分析、验证、结论”的“五步法”思维进阶策略模型，形成“可能性”问题解决的一般思路。具体如图6所示。

4 结论与建议

化学实验是实现学生思维能力提升和学科核心素养发展的重要载体，对学生的思维能力培养具有不可替代的作用。实验教学设计中不但要关注实验内容本身，更要关注学生思维的可持续进阶发展。基于此研究，在教学模式、教学内容和教学方式上提供以下建议。

4.1 围绕学生思维进阶目标，创新实验教学模式

实验教学要时刻围绕“如何激发学生兴趣，如何引导学生思维进阶，如何构建学科思维模型”上下功夫。既要避免教师照本宣科式的讲解或演示，又要防止学生缺乏自主思考的浅层次探究。一方面，要設计一些思维引导的问题帮助学生实现思维进阶，另一方面，通过一些典型实验案例训练学生的思维能力和思维习惯，并通过小组讨论、实验探究等发现新问题，培养学生的创新思维能力。如党雪平等通过设计面向高阶思维培养的“预习自测—讲授讨论—自主实践—总结反思”的四段式自主型实验教学模式，培养学生“分析、综合、评价和创造”等高阶思维能力［11］。成华探索通过改变实验教学策略、方法和内容引导学生开展自主学习，从而促进学生高阶思维的形成［12］。

4.2 关注工业生产和应用，不断丰富优化实验教学素材

实验教学要加强实验内容和主题的研究，紧扣时代发展脉搏，确保实验教学的应用性、操作性和发展性的统一。实验主题要紧贴生产和应用，教学案例要源于生活，问题设计要符合学生认知逻辑，多查阅近现代文献资料，积累优秀实验素材，充分利用生活素材激活学生思维潜能。如以“食盐加碘”课题为例，可以从“认识食盐与不同价态的碘元素”（性质实验）到“探究食盐样品中是否加碘”（定性实验），最后到“测定加碘食盐中加入碘元素的含量”（定量实验）三个层次的实验教学来逐步实现思维进阶目标。

4.3 注重发挥小组合作在实验教学中的作用，促进不同层次学生思维水平的进阶提升

实验教学中学生的思维进阶一方面源于自身对问题的主动思考与探索，另一方面来自教师的引导点拨和同伴的交流、讨论和分享。实验教学先天具有内容的开放性、方法的多维性和实践的互助性等特点，客观上适宜选择“小组合作”为主的教学方式，包括开展教师指导下的小组讨论、小组实验、小组分享、小组评价等，全面增进师生互动和生生交流，促进不同个体间的思维碰撞，助力思维的进阶发展。

参考文献：

［1］［10］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 1～72.

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［3］曾璐， 钟晓媛. 建立复杂体系综合实验探究的阶梯策略［J］. 化学教学， 2022， （9）： 89～93.

［4］杨德红. “思维阶梯”式教学解决化学学习障碍点的实践［J］. 化学教学， 2018， （8）： 55～58.

［5］徐畅. 中学化学“氧化还原反应”核心概念及其学习进阶研究［D］. 武汉： 华中师范大学硕士学位论文， 2017： 17.

［6］王磊， 朱成东， 孙影， 李金智. 高中化学课堂教学中发展学生思维的研究［J］. 化学教学， 2021， （1）： 23～28.

［7］史厚勇. 从问题解决谈思维进阶的教学尝试与思考［J］. 中小学课堂教学研究， 2023， （3）： 70～73.

［8］吴俊明. 关注化学思维研究化学思维［J］. 化学教学， 2020， （3）： 1～9.

［9］李发顺， 叶跃娟. 思维课堂的设计、实践与生成［J］. 化学教学， 2022， （10）： 60～63.

［11］党雪平， 叶勇， 文为， 陈怀侠， 王凯. 面向高阶思维培养的自主型实验教学模式的设计与实践［J］. 化学教育（中英文）， 2022， 43（10）： 74～79.

［12］成华. 促进学生高阶思维发展的高中化学实验课的实践研究［J］. 化学教与学， 2020， （6）： 90～92.