基于認(rèn)知策略的物質(zhì)的分離與提純教學(xué)模式與實(shí)踐

基于認(rèn)知策略的“物質(zhì)的分離與提純”教學(xué)模式與實(shí)踐

一、問題的提出“物質(zhì)的分離與提純”是高中化學(xué)教學(xué)體系中的重要內(nèi)容，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)意識(shí)、科學(xué)態(tài)度、動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)習(xí)慣和讓學(xué)生初步領(lǐng)會(huì)科學(xué)研究方法等方面均具有重要意義。就教學(xué)目標(biāo)而言，其顯性目標(biāo)是使學(xué)生初步學(xué)會(huì)物質(zhì)的分離和提純的實(shí)驗(yàn)技能，但更重要的是要完成體驗(yàn)科學(xué)探究過程、學(xué)習(xí)運(yùn)用以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)證研究方法、初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在化學(xué)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中的應(yīng)用等隱性目標(biāo)。在實(shí)際教學(xué)過程中，“物質(zhì)的分離與提純”貫穿整個(gè)高中化學(xué)教學(xué)體系，在教材編排上，主要依據(jù)學(xué)生的基本經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平發(fā)展，兼顧教學(xué)模塊特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)心理特點(diǎn)，有側(cè)重的依次有序的呈現(xiàn)。從具體表現(xiàn)形式看，針對(duì)教學(xué)要求，主要有“活動(dòng)與探究”“問題解決”“拓展視野”“交流與討論”“整理與歸納”等。這些特點(diǎn)反映在認(rèn)知過程中，往往會(huì)給學(xué)生帶來以下的認(rèn)知障礙：學(xué)生原有的生活和實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)的缺乏導(dǎo)致概念模糊，進(jìn)而導(dǎo)致不能有效辨析，出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤；物質(zhì)的分離與提純方法的多樣性與學(xué)生知識(shí)體系邏輯組織方法及能力的不足之間的矛盾，造成解決問題時(shí)思路混亂；教學(xué)過程中只關(guān)注階段性結(jié)果，忽視整體的系統(tǒng)的評(píng)價(jià)習(xí)慣的培養(yǎng)，阻礙學(xué)科思想的形成。因此，盡管“物質(zhì)的分離與提純”中的基本原理容易理解，但在較高層次的綜合應(yīng)用中，學(xué)生往往缺乏頭緒，無法快速準(zhǔn)確地作出判斷。避免這些問題的出現(xiàn)需要在教學(xué)過程中系統(tǒng)地關(guān)注學(xué)生的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的遷移和重組，培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知策略。在現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論中，認(rèn)知策略是一種“控制過程”，是學(xué)生賴以選擇和調(diào)整他們的注意、學(xué)習(xí)、記憶和思維的內(nèi)部過程[1]。加涅(R.Gagne，1985)認(rèn)為有兩種基本的認(rèn)知策略，即學(xué)習(xí)的策略和思考的策略。學(xué)習(xí)的認(rèn)知策略是一種集中注意、組織信息、細(xì)化內(nèi)容、熟悉使用和檢索知識(shí)的智慧策略；思考的認(rèn)知策略是一種導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)、發(fā)明或創(chuàng)造性的理智技能。[2]伴隨著高中化學(xué)教學(xué)中“物質(zhì)的分離與提純”基本方法的逐漸完善，教師有必要指導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)由低層次到中層次，最后到高層次形成認(rèn)知策略，關(guān)注學(xué)生方法和能力螺旋上升的學(xué)習(xí)過程，幫助學(xué)生形成化學(xué)學(xué)科思想。二、基于認(rèn)知策略的教學(xué)實(shí)踐1.概念的辨析——內(nèi)涵與外延從概念的內(nèi)涵看，物質(zhì)的分離和提純有不同的側(cè)重。物質(zhì)的分離是指將幾種物質(zhì)經(jīng)過處理、分開后，再恢復(fù)到各自原來的純凈狀態(tài)，強(qiáng)調(diào)的是幾種物質(zhì)的完整性和純凈性。物質(zhì)的提純是指將某物質(zhì)中混有的雜質(zhì)除去，強(qiáng)調(diào)的是主體物質(zhì)純凈性。原則上，在分離和提純時(shí)，不能引入新的雜質(zhì)，即排他性。從概念的外延看，只要依據(jù)物質(zhì)性質(zhì)（特別是物理性質(zhì)）的差異進(jìn)行有效分離和提純即可。高中化學(xué)中常用的分離、提純方法有：過濾、（減壓／常壓）抽濾、蒸發(fā)、結(jié)晶、分液、萃取、液化、蒸（分）餾、洗氣、升華、加熱、滲析、鹽析、（紙）層析、交換吸附以及一些特殊方法，必要時(shí)也可以利用化學(xué)方法，包括吸收法、轉(zhuǎn)化法、離子交換法、電解法、再生法等。結(jié)合學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平，在教學(xué)的初始階段，學(xué)習(xí)上宜采用低層次認(rèn)知策略。除了需要明確各種方法的概念和適用對(duì)象的特性，更重要的是通過實(shí)例操作，體驗(yàn)各種方法的異同，為知識(shí)積累和保持信息進(jìn)行不同形式的有意義重復(fù)。將抽象的概念落實(shí)到有實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)操作中，可以將基本概念和方法內(nèi)化為長(zhǎng)期記憶。實(shí)踐證明，盡管物質(zhì)的分離與提純知識(shí)內(nèi)容相對(duì)分散，時(shí)間跨度大，但這種建立在學(xué)生親身體驗(yàn)基礎(chǔ)上的必要的低層次認(rèn)知策略，對(duì)于促進(jìn)理解和記憶是持久有效的。因此，除了有意識(shí)記、及時(shí)復(fù)習(xí)、分散復(fù)習(xí)等常規(guī)手段，結(jié)合化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)落實(shí)程度和學(xué)生的參與程度決定了學(xué)生能否用低層次認(rèn)知策略區(qū)分不同的分離和提純方法。2.評(píng)價(jià)與應(yīng)用不同于低層次認(rèn)知策略，中層次認(rèn)知策略是一種精細(xì)加工策略。精細(xì)加工策略強(qiáng)調(diào)將新學(xué)材料與頭腦中已有知識(shí)聯(lián)系起來從而增加新信息的意義的深層加工策略。因此，激發(fā)探究興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維是非常必要的，同時(shí)，有意識(shí)有計(jì)劃地設(shè)計(jì)開放性問題，深入分析，建立明確的評(píng)價(jià)體系，適時(shí)收斂思維，可以對(duì)“物質(zhì)的分離與提純”的方法達(dá)到精細(xì)加工的目的，進(jìn)而在不同的知識(shí)背景下增加新信息的深層意義，鞏固已有知識(shí)，拓展新知識(shí)，增強(qiáng)認(rèn)知質(zhì)量。應(yīng)用中層次認(rèn)知策略解決“物質(zhì)的分離與提純”問題，舉隅如下：?jiǎn)栴}1：你準(zhǔn)備如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，區(qū)分銅鐵混合物中的兩種金屬？并說明設(shè)計(jì)理由。問題設(shè)計(jì)思路：?jiǎn)栴}設(shè)計(jì)上預(yù)留一定的發(fā)散空間，對(duì)“銅鐵混合物”沒有加以特別明確的描述，學(xué)生必須聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行分析。就實(shí)際教學(xué)情況而言，針對(duì)“銅鐵混合粉末”“銅片和鐵片混合物”“銅鐵合金”等可能出現(xiàn)的物質(zhì)狀態(tài)，學(xué)生思維活躍，思路清晰巧妙，現(xiàn)摘錄幾例。問題2：嘗試通過不同途徑，獲取相關(guān)知識(shí)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲取碘水中的碘。問題設(shè)計(jì)思路：縱觀不同版本的高中化學(xué)教材，對(duì)萃取這一方法從原理到實(shí)驗(yàn)裝置儀器再到具體操作均予以詳細(xì)介紹。利用兩種溶劑對(duì)被萃取物的溶解性質(zhì)及兩種溶劑互不相溶解的特點(diǎn)進(jìn)行萃取，但萃取僅是提純物質(zhì)必要的步驟——富集，并非就是提純物質(zhì)的完整過程。所以，作為一個(gè)有挑戰(zhàn)性的探究小課題，“獲取碘水中的碘”的最終目標(biāo)是要求學(xué)生獲得純凈的碘，可以說是一個(gè)集文獻(xiàn)查找整理、方案設(shè)計(jì)和實(shí)踐操作相結(jié)合的合作學(xué)習(xí)型任務(wù)。學(xué)生最后通過網(wǎng)絡(luò)搜索、查閱文獻(xiàn)和咨詢教師等途徑獲得了科學(xué)合理的解決方案。一般地，在萃取后要進(jìn)行“反萃取”——使被萃取的目標(biāo)物從一種溶劑轉(zhuǎn)入另一種溶劑。常用的方法是：將少量NaOH溶液加入萃取液中，振蕩，通過，碘以的形式進(jìn)入水層，且含碘物質(zhì)的濃度較原先大幅增加，分離后，再對(duì)水層進(jìn)行酸化得晶體碘。需要注意的是，不能用蒸餾的方法來分離層中的，因受熱時(shí)將揮發(fā)，同時(shí)將升華。這個(gè)方案既有科學(xué)的理論和經(jīng)驗(yàn)作先導(dǎo)，又有實(shí)際操作來驗(yàn)證，將教材未盡之意進(jìn)行了完美的詮釋，真正利用中層次認(rèn)知策略對(duì)教學(xué)內(nèi)容深入淺出地進(jìn)行了一次精細(xì)加工。3.學(xué)科思想的形成如果說，應(yīng)用中層次認(rèn)知策略進(jìn)行“物質(zhì)的分離與提純”的精細(xì)加工是一項(xiàng)細(xì)致有序的小型的系統(tǒng)工程，那么，高層次認(rèn)知策略——組織策略，就是這項(xiàng)系統(tǒng)工程的整體設(shè)計(jì)思想。作為低層次認(rèn)知策略和中層次認(rèn)知策略的上層建筑，高層次認(rèn)知策略位于金字塔塔尖，是解決“物質(zhì)的分離與提純”問題的核心所在。熟練運(yùn)用高層次認(rèn)知策略對(duì)于促成學(xué)科思想至關(guān)重要，同時(shí)，學(xué)科思想對(duì)于高層次認(rèn)知策略的不斷優(yōu)化也有巨大的反作用。事實(shí)上，學(xué)科思想的形成是一個(gè)循序漸進(jìn)、螺旋上升的過程，是一個(gè)通過知識(shí)不斷積淀，技能逐漸熟練，思維不斷推進(jìn)的系統(tǒng)優(yōu)化工程。不能指望短期內(nèi)通過知識(shí)堆積的方法獲得真正的掌握，需要培養(yǎng)良好的認(rèn)知習(xí)慣，有意識(shí)地利用高層次認(rèn)知策略解決實(shí)際問題，使思維得到升華，最終內(nèi)化為個(gè)人化的學(xué)科思想。問題3：自行設(shè)計(jì)資料卡片，分類整理高中化學(xué)中常用的分離和提純方法。問題設(shè)計(jì)思路：分類整理是通過比較分析、細(xì)化內(nèi)容，重新審視和組織信息，使習(xí)得知識(shí)螺旋式上升，不斷提高概括能力，實(shí)現(xiàn)思維由具體到抽象的轉(zhuǎn)化。自行設(shè)計(jì)資料卡片是利用知識(shí)的自組織性進(jìn)行的一次有益的嘗試，以下內(nèi)容摘自某學(xué)生的資料卡片（部分）。問題4：硫酸亞鐵銨是一種重要的工業(yè)原料。請(qǐng)利用工業(yè)廢鐵屑和實(shí)驗(yàn)室中的藥品及儀器，結(jié)合教材提供的硫酸銨、水合硫酸亞鐵、硫酸亞鐵銨的物理性質(zhì)、相關(guān)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行制備。問題設(shè)計(jì)思路：物質(zhì)制備與合成實(shí)驗(yàn)過程中要考慮的實(shí)際問題較多，綜合性強(qiáng)，難度較大。實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生注意控制反應(yīng)條件，以減少副產(chǎn)物的生成，從而提高原料的利用率。教學(xué)的核心是學(xué)科思想必須滲透在過程方法的教育中，使學(xué)生在真正明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，集思廣益，關(guān)注細(xì)節(jié)，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案并付諸實(shí)踐，使學(xué)生體驗(yàn)合成過程中的艱辛和成功的喜悅[3]，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和興趣，增進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)科學(xué)的好感。以下為學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思路，非常接近于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。三、結(jié)論與反思在不同層次的認(rèn)知策略指導(dǎo)下，通過對(duì)物質(zhì)的分離和提純及提純物質(zhì)的一般方法的實(shí)驗(yàn)探索、評(píng)價(jià)、總結(jié)、運(yùn)用，可以由淺入深地培養(yǎng)學(xué)生綜合抽象的邏輯思維能力、語言表達(dá)能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)能力，逐步形成特殊到一般，再到特殊的科學(xué)方法，形成交互促進(jìn)的教學(xué)模式。新課程理