例谈结构化思维在化学实验题解中的应用
2023-12-10赵相黔
摘 要：结构化思维能够使学生条理清晰地认识并解决问题，是一种重要的科学思维方法.据此，本文介绍了结构化思维及其在化学教学中的应用，讨论了结构化思维在物质的制备类实验综合题中的应用方法，即首先确定物质制备类实验的核心反应，然后根据核心反应把实验分成三段进行处理，即原料组织、核心反应、后置处理，并结合相关试题进行了应用说明.
关键词：结构化思维；物质制备实验；高中化学
中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1008-0333（2023）31-0133-04
收稿日期：2023-08-05
作者简介：赵相黔（1975.3-），男，河南省南阳人，研究生，中学高级教师，从事中学化学教学研究.
人是通过思维把握和认识世界的，思维方式不一样，认识世界的方式也不一样，所把握的结果也就不一样.化学是自然学科的重要组成部分，化学知识体系蕴涵着丰富的科学思维方法，对培养学生的科学思维素养和思维能力有着重要作用.结构化思维是一种高阶思维模式，可以很好地发展学生智力，帮助学生掌握化学知识和解决问题.
1 结构化思维的内涵
结构化思维在国内和国际上都有一定程度的研究.国内朱良学教授阐述了结构化思维的内涵和原理，认为结构化思维可以有力地发展学生的智力、强化学生的思维，可以提高学生的创造力和分析问题的能力[1]；刘濯源教授提出将“思维导图”应用到学科教学中，可以强调学科知识中概念之间的逻辑关系，即结构化思维[2].
早在20世纪70年代，金字塔原理由麦肯锡国际管理咨询公司的咨询顾问巴巴拉·明托所研究和发明，并在《金字塔原理》一书中首次提出了思维结构的金字塔原理，即实现结构化思维的标准结构.结构化思维（Structured Thinking），又名“金字塔原理”，是指一个人在面对复杂的工作任务和难题时，可以从多个角度系统地思考和分析问题出现的根本原因，并找出解决这些问题的途径和方法，进而高效地制定和实施解决方案[6]；布鲁纳在他的著作——《教育过程》一书中，强调了学科基本结构的重要性，“不论我们教什么学科，务必使学生理解学科的基本结构”[7].
通过大量的教育教学实践不难发现，学生只有真正掌握了学科的基本框架，才能深刻理解学科知识.同样的，学生如果能够掌握试题的结构，合理运用结构化思维，才能更容易对自己所学的知识进行迁移和运用.
2 化学教学中的结构化思维
结构化思维在化学教学中很常见，每位教师都有这样的教学案例.
如制备纯净的氯气，其结构化思维解析如图1所示.
3 制备类实验题中的结构化思维方法化学实验试题往往是综合性的.从类型上主要可分为操作型、分析型、设计型、探究型实验试题等等.
根据结构化思维理论，可以把化学实验题看成一个“系统”，即一个具有等级结构的整体，此系统当中可能包含多个组成单元，每个组成单元又有各自的组成单元.各个单元的认识仍然可以使用结构化思维的方式，即考虑一个化学实验系统的时候，其思维方式应当是多条结构化思维的综合运用.
下面结合制备类实验题讨论结构化思维的应用方法.
3.1 明确制备实验的本质
无论有机制备实验或者无机制备实验，本质都是由原料到产物的实验过程.主要分为两种情况：一种是“从无到有”，即由原料通过化学反应生成产物，大部分制备类实验题为此种类型；另一种是“从有到精”，即从原料中提取产物.鉴于提纯类试题较少，主要讨论合成类的试题.
3.2 确定核心反应
解决问题的重要方法是“处理关键的问题和处理问题的关键”.合成类实验题的关键是什么呢？
在此将之称为“核心反应”.一个实验题当中可能涉及多个反应，但往往只有一个是核心反应.寻找“核心反应”是使用结构化思维解决实验题最重要、最关键的一步，也是化学实验试题最本质的地方，能否正确、快速判断综合类实验题的核心反应是学生解答化学实验试题的关键.
确定核心反应并不复杂，无论流程多么复杂，装置多么繁琐，与实验目的相吻合的反应通常就是核心反应.
3.3 应用三分法解析
经过反复实践，在确定实验的核心反应后，可将制备实验分为三个实验单元进行处理，称为“三分法”，如图2所示.
三分法的结构化思维流程如下：
首先应该确定制备实验的核心反应，然后根据核心反应把實验分成三个部分，即图2所示的“原料组织”“核心反应”“后置处理”三个部分.然后再对这三个实验单元进行处理，即所谓“三分法”处理.
3.3.1 进行原料组织
围绕核心反应分析“原料”问题：
原料是否给出.如果原料直接给出，则应分析原料是否纯净;如果不纯净应该如何去除杂质，除杂质的装置是什么.
如果原料未直接给出，则应该在给出的条件中寻找如何得到纯净的原料.
其结构化思考方式如图3所示.
需要注意的是，在有机制备试题当中，通常原料是直接给出的，原料组织这一环节通常比无机制备简单.
3.3.2 处理核心反应
核心反应的处理通常包涵三个方面的内容：反应的装置、反应的条件、反应的现象.
3.3.2.1 核心反应的装置
主要方法是通过核心反应或者实验目的进行判断.可以先从物料入手进行判断，这是比较直接的方法，判断也比较准确；其次要根据题意进行判断.
3.3.2.2 核心反应的实验步骤和条件
选择合适的实验条件，需要从两个方面考虑：一是能够有利于核心反应向正反应方向进行；二是能够有效抑制副反应的发生.
3.3.2.3 核心反应的实验现象
实验现象的描述应注意按照固体、液体、气体的顺序进行回答，通常就可以比较全面地对实验现象进行描述.
如图4所示是分析核心反应的结构化思维方法.
3.3.3 后置处理
核心反应之后的实验部分称为后置处理.按照结构化思维的方法，后置处理主要考虑的内容如下：
无机制备核心反应之后主要考虑问题包括：如何收集产物及收集的条件；产物是否需要保护，当产物性质活泼，能与氧气、水、二氧化碳等反应时尤其要注意这一问题；反应物或生成物当中是否有污染物出现，如果有则要考虑尾气吸收等问题.
有机制备当中主要考虑如何分离、提纯生成物以及由此衍生出来的分离、提纯的方法等问题.
4 应用举例及分析
化学是复杂而有序的系统，帮助学生掌握结构化思维是解决这类系统性问题的好方法.下面举例说明结构化思维的具体应用.
例1 （2022年辽宁卷节选）氢醌法制备H2O2原理及装置如图6、7所示，已知：H2O、HX等杂质易使Ni催化剂中毒.完成实验并回答相关实验问题：（略）
用结构化思维方法分析本题：
【实验目的是制备H2O2】
根据图6所示实验原理可知，反应化学方程式为：
H2＋O2==H2O2
在弄清楚实验目的与实验原理的基础上进入原料组织环节.
【原料组织的思考方法】
此反应涉及的原料有氢气、氧气、乙基蒽醌/溶剂/Ni.其中E处提供了氧气；A处为氢气制备装置，根据试题已知H2O、HX等杂质易使Ni催化剂中毒这一条件，可知D装置为干燥装置；B装置应该能够除去氢气中的H2O和HCl等杂质，故应当选择能够同时除去水与氯化氢的碱石灰；C处提供了乙基蒽醌/溶剂/Ni.至此，实验的原料组织已经完成.
【核心反应的思考方法】
反应装置
装置C为核心反应区，制备H2O2的反应在此发生.从使用了温控磁力搅拌器可知，反应需要控制温度并不断搅拌.氢气与氧气分别从三项烧瓶左右两口进入；三颈烧瓶中间口接了T型管，一边接抽气口，另一边接装置F.
实验步骤
根据图6可知，核心反应分为两个部分，其一是氫气与乙基蒽醌反应生成乙基蒽醇；其二是乙基蒽醇与氧气反应生成过氧化氢.所以其操作过程为开始制备时，打开活塞a、b，使氢气流入三颈烧瓶中制备乙基蒽醇，反应一段时间后，抽出残留气体，关闭活塞b，打开活塞c、d通入氧气，继续反应一段时间，得到H2O2.
后置处理
本例中后置处理包括使用抽气设备将氢气抽掉，以及通入氧气是保护装置F，根据题目所示已知条件，F中装有浓硫酸，为保护装置，防止外界水蒸气进入C中使催化剂中毒.最后根据题目所示条件计算H2O2的质量分数.
结构化思维方法不仅可以帮助学生解决这类有实验装置的实验试题，还可以帮助学生解决
文字表述类实验试题.
例2 （2022年全国乙卷节选）实验室制备二草酸合铜（Ⅱ）酸钾（K2[Cu（C2O4）2]）可采用如下步骤：
（1）取已知浓度的CuSO4溶液，搅拌下滴加足量NaOH溶液，产生浅蓝色沉淀.加热，沉淀转变成黑色，过滤.
（2）向草酸（H2C2O4）溶液中加入适量K2CO3固体，制得KHC2O4和K2C2O4混合溶液.
（3）将（2）的混合溶液加热至80～85℃，加入（1）中的黑色沉淀.全部溶解后，趁热过滤.
（4）将（3）的滤液用蒸汽浴加热浓缩，经一系列操作后，干燥，得到二草酸合铜（Ⅱ）酸钾晶体.
用结构化思维对此题进行分析可知.第（1）（2）步为原料组织阶段.
第1阶段发生的主要反应为：
CuSO4＋2NaOH==Cu（OH）2↓＋Na2SO4
Cu（OH）2==CuO＋H2O
第2阶段，当n（H2C2O4）∶n（K2CO3）=1.5∶1时，发生的主要反应为：
3H2C2O4＋2K2CO3==2KHC2O4＋K2C2O4＋2H2O＋2CO2↑
由于反应产生气体，为防止反应过于剧烈而引起喷溅，可以采取的措施是少量多次加入.
第3阶段为主反应阶段，由于加热温度为80～85 ℃，故可采用水浴加热.
第4阶段为后置处理阶段，最后得到的是晶体，所以其操作应包括：加热浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥.
至此，本实验的主要问题已经分析完毕.
参考文献：［1］
朱良学.结构化思维的科学依据和基本原理［J］.科技咨询导报，2007（30）：59.
［2］ 刘濯源.思维可视化与教育教学的有效整合［J］.中国信息技术教育，2015（21）：5-7.
［责任编辑：季春阳］
