構(gòu)建思維模型解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的典型問題

摘要：

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，通過構(gòu)建思維模型的教學(xué)，解決了裝置氣密性檢查、除雜、混合溶液離子推斷、混合氣體的檢驗(yàn)等問題。該教學(xué)方法既能引導(dǎo)學(xué)生的有序思維、增進(jìn)深度理解，又能促進(jìn)化學(xué)問題的解決，發(fā)展學(xué)生的建模能力。關(guān)鍵詞：思維模型；建模能力；問題解決；化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)1

前言化學(xué)思維模型是學(xué)生在化學(xué)知識學(xué)習(xí)和化學(xué)問題解決過程中表現(xiàn)出來的一種既反映化學(xué)思維方法，又體現(xiàn)學(xué)生思維特征的相對穩(wěn)定的思維模式［1］。教學(xué)中構(gòu)建化學(xué)思維模型，一方面有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)概念、化學(xué)變化規(guī)律過程中增進(jìn)對化學(xué)知識本質(zhì)的深度理解和運(yùn)用能力，提升化學(xué)思維的深刻性，另一方面能幫助學(xué)生在化學(xué)問題解決中，迅速捕捉到問題的本質(zhì)特征，從而尋找到簡捷有效的解決問題的思維途徑，以提升化學(xué)思維的敏捷性和規(guī)律性。化學(xué)思維模型的構(gòu)建過程就是通過抽象、概括，把特定的化學(xué)研究對象或問題轉(zhuǎn)化為普通的本質(zhì)規(guī)律，并建立能遷移的、解決化學(xué)問題的基本框架的過程。所謂抽象就是抽取事物本質(zhì)屬性的思維過程，即尋找共性。所謂概括，就是在抽象的基礎(chǔ)上，把個(gè)別事物的本質(zhì)屬性，推及到同類事物的思維過程，即遷移。通過抽象、概括，學(xué)生從認(rèn)識具體事物的感知和表象上升到理性思維的階段［2］?；瘜W(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的思維模型建構(gòu)能力，就是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用抽象、概括的思維方法，建立化學(xué)概念、獲得化學(xué)規(guī)律、解決化學(xué)問題的能力。梳理國內(nèi)關(guān)于“模型建構(gòu)能力”的研究資料發(fā)現(xiàn)，化學(xué)領(lǐng)域中有關(guān)學(xué)生建模能力的研究較少。有研究者從內(nèi)容的角度提出發(fā)展學(xué)生建模能力的策略；也有研究者關(guān)注學(xué)生建模能力的測評，以問卷或試題的方式來探查學(xué)生的建模能力，但未深入探討如何在教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的建模能力［3］?；诖?，本文以解決初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的四個(gè)實(shí)際問題為例，展示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用抽象、概括的思維，構(gòu)建基于問題解決的化學(xué)思維模型，以發(fā)展學(xué)生的思維模型的構(gòu)建能力。2

“裝置氣密性檢查”思維模型的構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，凡涉及氣體的制備和收集或有氣體參與反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，都要保證裝置的氣密性良好，否則可能極大地影響實(shí)驗(yàn)效果或存在巨大的安全隱患，尤其是實(shí)驗(yàn)中涉及有毒、易燃、易爆氣體的情況。裝置氣密性檢驗(yàn)一般在儀器連接完之后，添加藥品之前進(jìn)行。教學(xué)中，在具體介紹如表1所示的常見裝置氣密性檢查方法的基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)學(xué)生抽象、概括如圖1所示的方法本質(zhì)，即加熱法、注水法、充氣（抽氣）法都是先構(gòu)建一個(gè)封閉的體系，再通過改變體系內(nèi)氣體的溫度、體積或質(zhì)量的方式，來改變封閉體系內(nèi)氣體壓強(qiáng)，使體系內(nèi)外出現(xiàn)氣壓差，從而產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，用以判斷裝置的氣密性?；趯W(xué)科融合教學(xué)理念，突出“氣壓”作為跨學(xué)科應(yīng)用的重要概念，圍繞如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作形成封閉體系內(nèi)外的“氣壓差”為核心，還可以進(jìn)一步梳理“氣密性檢查”的思維路徑，構(gòu)建如圖2所示的思維模型，使學(xué)生對氣密性檢查方法有更高階、更深入的認(rèn)識，并能根據(jù)思維模型遷移設(shè)計(jì)各類實(shí)驗(yàn)裝置氣密性檢查的方法。以檢查圖3所示裝置的氣密性為例，“往錐形瓶中加水至如圖所示位置”是屬于構(gòu)建封閉體系，“從B管向瓶內(nèi)吹氣”是通過增加氣體質(zhì)量的方式來使得封閉體系內(nèi)外形成氣壓差，通過吹氣后導(dǎo)管A中是否出現(xiàn)并保持“穩(wěn)定的水柱”的現(xiàn)象是氣密性是否良好的判斷依據(jù)。3

“除雜”思維模型的構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的除雜是通過一定方法有效除去原物質(zhì)中所含雜質(zhì)且不引進(jìn)新雜質(zhì)的過程。除雜一般要遵循不增（不能引入新的雜質(zhì)）、不減（不應(yīng)使所需物質(zhì)減少）、易分（加入試劑后，使雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為沉淀、氣體和水等與所需物質(zhì)易于分離）等原則，如果除去雜質(zhì)的同時(shí)能增加被提純的所需物質(zhì)的量則為更佳。除雜有兩類方法，包括物理方法（過濾、結(jié)晶、蒸餾等）和化學(xué)方法?；瘜W(xué)方法又有轉(zhuǎn)化法（將固、液、氣體中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為被提純的所需物質(zhì)）、沉淀法（將雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋矶ィ?、氣化法（將固、液體中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w而除去）、加熱法（雜質(zhì)受熱易分解，通過加熱將雜質(zhì)除去）、溶解法（將固體中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇芪锒ィ?、置換法（選用合適的試劑將雜質(zhì)置換出來而除去）等。教學(xué)中，不能僅僅停留在除雜方法的一一羅列和舉例說明上，而應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生抽象、概括出除雜的一般思維路徑，構(gòu)建“除雜”類問題思維模型。如圖4所示，依據(jù)所需物和雜質(zhì)的“（物理或化學(xué)）性質(zhì)差異”和“不增、不減、易分”的原則，將除雜的方法分成物理分離（如用磁鐵吸引除去銅粉中混有少量的鐵粉、用蒸餾的方法得到蒸餾水、用凝固的方法分離水和酒精等）和化學(xué)轉(zhuǎn)化（如用灼熱的銅網(wǎng)除去N2中混有的少量O2、用適量石灰石除去氯化鈣溶液中混有的少量鹽酸等）兩條思維路徑，且在設(shè)計(jì)除雜方案時(shí)，一般優(yōu)先考慮物理分離，再考慮化學(xué)轉(zhuǎn)化。通過該模型的構(gòu)建，學(xué)生能將除雜方法進(jìn)行系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化，并能根據(jù)模型遷移設(shè)計(jì)各種除雜方案，也能對已有的方案做出評價(jià)。如評價(jià)可用足量稀鹽酸除去銅粉中混有少量的氧化銅的原因是兩者具有“化學(xué)性質(zhì)的差異”，而評價(jià)不能用硫酸鉀（BaCl2+K2SO4BaSO4↓+2KCl）除去氯化鈉中的氯化鋇的原因是不符合除雜中的“不增”原則。該思維模型還根據(jù)“操作對象”不同將化學(xué)轉(zhuǎn)化除雜分成“轉(zhuǎn)化雜質(zhì)”和“轉(zhuǎn)化所需物”兩條截然不同的思路。如用適量的硫酸鎂除去氯化鎂粉末中混有的少量氯化鋇，這是“轉(zhuǎn)化雜質(zhì)”，而且是將雜質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為所需物。而向混有的少量氯化鋇、氯化鈉和硫酸鉀的氯化鎂粉末中，先加足量水溶解、過濾后，再向?yàn)V液中加入過量氫氧化鈉，就是將濾液中鎂離子轉(zhuǎn)化成氫氧化鎂這一中間物質(zhì)后，再往濾得的氫氧化鎂里加入適量的鹽酸溶液重新得到氯化鎂，這就是“轉(zhuǎn)化所需物”，即先將所需物轉(zhuǎn)化為中間物質(zhì)，再將中間物質(zhì)復(fù)原為所需物。4

“混合溶液離子成分推斷”思維模型的構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)會產(chǎn)生一定量的廢液，只有通過對廢液的成分進(jìn)行鑒定后，才能設(shè)計(jì)方案進(jìn)行無害化處理，因此廢液中離子成分的推斷是需要解決的真實(shí)問題。分析表2所列舉的幾個(gè)廢液產(chǎn)生情境可知：初中化學(xué)中的廢液一般是酸、堿、鹽、氧化物等相互反應(yīng)后留下的，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，多個(gè)（組）實(shí)驗(yàn)的廢液往往會收集到一個(gè)廢液缸中得到混合溶液，廢液缸內(nèi)也會相應(yīng)出現(xiàn)一定的宏觀現(xiàn)象。根據(jù)廢液缸中呈現(xiàn)的現(xiàn)象，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理，分析確定混合溶液中離子成分（一定存在、可能存在的離子組成）是進(jìn)一步處理廢液的基礎(chǔ)。教學(xué)中如果僅僅引導(dǎo)學(xué)生從分析“物質(zhì)相互反應(yīng)所得產(chǎn)物”的角度對混合溶液的成分做出判斷，學(xué)生容易因溶液中涉及的物質(zhì)種類和反應(yīng)眾多而遇到思維的障礙。因此可以依據(jù)酸、堿、鹽類物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)本質(zhì)是離子的化學(xué)性質(zhì)，而酸、堿、鹽、氧化物間相互發(fā)生化學(xué)（離子）反應(yīng)的本質(zhì)是構(gòu)成這些物質(zhì)的微粒（陰、陽離子）的相互重新組合，來構(gòu)建“混合溶液離子成分推斷”的思維模型。如圖5所示，先根據(jù)各個(gè)（組）實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物用量和宏觀現(xiàn)象，對反應(yīng)后的各廢液的離子組成情況進(jìn)行分析和羅列，再根據(jù)廢液混合后的宏觀現(xiàn)象，對溶液中的離子做出一定存在、一定不存在、可能存在的三種情況的判斷，最后對可能存在的離子設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。依據(jù)宏觀現(xiàn)象揭示微觀本質(zhì)，并用化學(xué)符號語言進(jìn)行表述，推理論證過程中實(shí)現(xiàn)宏觀微觀符號認(rèn)知水平的自由轉(zhuǎn)換是化學(xué)學(xué)科特有的思維方式。如圖6就是應(yīng)用該思維模型，緊緊圍繞著“離子性質(zhì)、離子重組、離子共存”的原理，從離子角度對表2中情境3的廢液進(jìn)行離子推斷的思維過程。5

“混合氣體檢驗(yàn)”思維模型的構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常有對H2、CO2、H2O（水蒸氣）、CO、HCl等氣體進(jìn)行檢驗(yàn)的問題，尤其是對由若干種氣體組成的混合氣體檢驗(yàn)的問題，不僅包含氣體檢驗(yàn)方法和試劑的選擇，還涉及各氣體檢驗(yàn)順序的確定、裝置的選擇（或評價(jià)）與連接、干擾氣體的吸收、某些不能直接檢驗(yàn)的氣體的轉(zhuǎn)化和尾氣的處理等問題，對學(xué)生邏輯思維要求較高。如果學(xué)生僅僅知道如表3所示的單獨(dú)檢驗(yàn)和吸收某種氣體的具體方法，而沒有對混合氣體檢驗(yàn)問題進(jìn)行一定的抽象、概括形成一定的思維路徑，常常會束手無策?；旌蠚怏w檢驗(yàn)的關(guān)鍵是“干擾氣體”的界定，判斷標(biāo)準(zhǔn)是對后續(xù)待檢驗(yàn)氣體的檢驗(yàn)是否會產(chǎn)生干擾。因?yàn)榛旌蠚怏w中可能存在的氣體往往可分為“可直接檢驗(yàn)氣體”（如CO2、H2O、HCl等）和“轉(zhuǎn)化后才能檢驗(yàn)氣體”（如H2、CO等）二類，前一類氣體中就可能存在會對后續(xù)待檢驗(yàn)氣體的檢驗(yàn)存在干擾的氣體。教學(xué)中要通過抽象、概括各種混合氣體的檢驗(yàn)步驟，構(gòu)建解決“混合氣體檢驗(yàn)”類問題的思維模型。如圖7所示，先對混合氣體進(jìn)行分類，明確哪些氣體可以直接檢驗(yàn)、哪些氣體需要轉(zhuǎn)化后才能檢驗(yàn)、直接檢驗(yàn)中的氣體中哪些氣體屬于“干擾氣體”，會對待檢驗(yàn)的氣體產(chǎn)生怎樣的干擾等問題，再根據(jù)思維路徑合理安排檢驗(yàn)、吸收、轉(zhuǎn)化氣體等各實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的順序，并根據(jù)該順序確定最終實(shí)驗(yàn)裝置連接的順序。以天然氣燃燒后所得氣體產(chǎn)物成分的檢驗(yàn)為例，氣體產(chǎn)物中可能存在水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳，這些氣體中水蒸氣、二氧化碳是可以直接檢驗(yàn)的氣體，一氧化碳是需要轉(zhuǎn)化后才能檢驗(yàn)的氣體，而二氧化碳的存在對一氧化碳轉(zhuǎn)化后的氣體的檢驗(yàn)存在干擾。明確混合氣體中可能存在的不同氣體的情況，應(yīng)用模型就可以依次設(shè)計(jì)如圖8所示的實(shí)驗(yàn)方案（固定裝置未畫出），就能對該混合氣體各成分進(jìn)行逐一的檢驗(yàn)。其中裝置A和B、裝置C和D、裝置E、裝置F、裝置G，依次歸屬于上述思維模型中的各個(gè)環(huán)節(jié)。6

結(jié)語化學(xué)思維模型的構(gòu)建過程，不僅是幫助學(xué)生找到解決問題思維路徑的過程，也是對解決問題的思維方法進(jìn)一步抽象、概括形成程序性知識的過程。教師要重視構(gòu)建化學(xué)思維模型的教學(xué)，不僅要幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中形成獨(dú)立的思維模式，讓化學(xué)知識和化學(xué)變化規(guī)律結(jié)構(gòu)化，而且要指導(dǎo)學(xué)生通過構(gòu)建思維模型分析問題和解決問題，讓解決問題的方法顯性化。當(dāng)然，教師還應(yīng)當(dāng)充分考慮學(xué)生之