促进学生高级思维发展的“物质的分离”主题，探究教学模型及实施策略的研究，本文主要内容关键词为：促进学生论文,模型论文,物质论文,思维论文,策略论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
《普通高中化学课程标准（实验）》指出，通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力[1]。人教版高中化学教科书在《化学1》第一章[2]、《化学2》第四章[3]、《有机化学基础》[4]第一章均涉及了物质的分离，每一阶段的“物质的分离”教学设计应该建立在对高中整体物质分离教学认识的基础上，如何通过“物质的分离”教学模型的建构和实施策略发掘整体设计方法就成为值得研究的问题。
一、问题的提出
（一）“物质的分离”教学的已有研究
关于“物质的分离”的已有研究可以概括为物质分离方法的选择、物质分离问题的解析以及单课时的物质分离教学。
物质分离试题因其能综合考查学生的化学基本知识和基本素养，在考试中经常出现，另外物质分离在生活和化工生产中有着非常重要的实际意义[5]。这些关于物质分离方法选择和物质分离问题的解析都是针对解题技巧、方法和知识本体展开的研究。研究中讨论的是通过物质分离方法的对比教会学生如何在实际问题情境中选择合适的物质分离方法，其教学目的是教会学生在实际的情境中根据物质性质的差异找到适当的分离方法。例如，在解答物质分离提纯试题时，选择试剂和实验操作方法应遵循3个原则等，主要涉及的是物质分离原理的应用。由上述研究可见，研究者已经关注到“物质的分离”相关内容，但多数研究针对的是物质分离方法的应用。
在物质分离的教学设计中提出教师善于挖掘教材，依据学生的思维特点，设计出有价值的问题，使学生主动参与、互相合作、积极探究，在课堂活动中自主建构知识结构的同时，发展探究思维能力[6]。可以看到对“物质的分离”教学设计的研究更多关注了教学素材和发展学生探究思维能力。高中物质分离的课堂教学内容涉及粗盐提纯、蒸馏、萃取、海水资源综合利用和选修5中的研究有机物的一般方法等内容。目前，在这些课堂教学中教师主要关注了学生活动和实验探究，例如除去粗盐中可溶性杂质原理的探究，利用西红柿汤和玫瑰精油的生活生产实际内容探究萃取的原理，海水资源的综合利用的教学中学生如何选取合理的物质分离方法。这些课堂教学注重了对物质分离原理的探究，没有明确提到对实验装置设计的探究；没有提出从物质分离教学内容的共同性和整体性上建立物质分离教学模型和实施策略。
（二）本研究的核心问题
根据关于“物质的分离”的已有研究和高中化学新课程对实验探究教学的要求，本研究拟解决以下问题：
（1）初步构建“物质的分离”教学模型和提炼模型中各环节的研究方法。
（2）完成“物质的分离”教学模型和实施策略的整体教学设计和教学实践。
（3）通过教学效果测查与反馈，反思、完善“物质的分离”教学模型和实施的有效策略。
二、“物质的分离”教学模型的提出
物质分离的教学过程中，经常涉及新的成型装置的学习及仪器使用，在以往的教学过程中很多教师是通过探究原理、介绍装置、动手实验来完成教学，这种教学方式获得的是知识与技能。如果改变教学方式，通过探究原理、设计装置、动手实验、效果检验4个基本的教学环节来完成教学过程，在各个教学过程中让学生自主探究、交流、质疑和总结，学生获得的将是高级思维能力和创新能力。这样的教学方式与以往最大的不同点是将介绍装置改为设计装置，还增加了效果检验。
化学与生产生活密切相关，教学内容可以从生产生活中找到相应的原型。特殊的化学仪器以及物质分离基本操作也都可以以生产生活中的原型为素材，通过提取装置要素，迁移联想设计出实验室装置。利用生产生活原型或分离原理设计实验装置，可以培养学生的高级思维能力和创新能力。这样的教学实例很多，例如过滤、蒸馏、萃取等。
以往的教学过程中，忽略了效果检验这一环节。设计效果检验的实验时需要对比分离前后的物质成分，控制变量设计出科学的对比实验，这样既能培养学生的高级思维能力，也能培养学生科学严谨的研究态度。
综上分析，我们探索物质分离的教学模型和实施策略，在教学过程中不但可以落实知识和技能，还可以发展学生的高级思维能力和创新能力。我们将物质分离的课堂教学环节设置为：探究原理、设计装置、动手操作和效果检验4个部分（见图1），这是教学顺序，也是学生解决物质分离任务时的思维顺序。在每个教学环节中根据不同授课内容的特点设置相应的开放性学生探究活动获得研究该环节的思路和方法，同时在探究的过程中培养学生的高级思维能力和创新能力。
三、“物质的分离”教学模型的实施
在理论构建教学模型的基础上，对人教版《化学1》第一章第一节物质的分离教学进行整体设计，并在北京市某高中示范校高一年级某班级进行了教学实施。
（一）学生情况分析
1.已有基础分析
通过初中的学习，学生了解一些物质分离的方法和实验技能，了解一些物质的性质，知道了复分解反应发生的条件等。具体而言，学生知道蒸发、水的净化，实验室简易的蒸馏装置和普通的蒸馏装置等知识，为蒸馏教学打下了基础；学生了解一些物质的性质，知道通过过滤可以分离固体和液体，熟悉粗盐提纯的实验为除去粗盐中可溶性杂质的学习建立了基础；学生知道I2在水中和在汽油中溶解度是不同的，为萃取的学习打下了基础。
2.学习障碍点分析
在蒸馏的教学中，从已有的加热蒸发到蒸馏概念的形成，明确蒸馏与蒸发的区别是学生在原理探究过程中的学习障碍点。根据生产生活原型设备迁移联想设计实验室蒸馏装置也是学生思维的难点。效果检验的环节中，利用控制变量的思想设计对比实验是学生思维难点和学习的障碍点。分离粗盐中不溶性杂质，在除杂试剂选择和试剂排序上对学生思维要求比较高。萃取原理的理解和萃取实验的实际操作是学生学习的障碍点。学生在学习过程中要认识到物质分离的研究思路，并需要通过自主的探究获得研究策略和方法也是学生学习的障碍点。
（二）教学内容的选取与组织
《化学1》第一章第一节主要涉及了3个物质分离实验，包括除去粗盐中可溶性杂质、蒸馏和萃取。在整体教学设计过程中希望构建物质分离的教学模型和实施策略，并通过教学素材选择进一步展现学科知识的价值。
从素材线索的角度看，海水通过蒸馏可以得到淡水，剩余物质经处理可以得到粗盐；初步除去粗盐中的不溶物质后，需要通过化学方法进一步获得较为纯净的食盐；海水中的碘离子转化为碘单质后，需要通过物质分离获得，所以整体教学可以以海水的处理为线索，先以海水淡化为主题，通过蒸馏来建立教学模型，通过除去粗盐中的可溶性杂质的教学来应用模型，利用萃取的教学来活化模型。
整体设计安排3课时教学内容依次为：蒸馏、除去粗盐中的可溶性杂质、萃取，这也符合学生思维能力和知识基础的要求。
（三）教学目标
1.知识与技能
（1）通过探究原理，初步了解物质分离方法的原理。（2）通过设计装置，初步了解物质分离的实验装置。（3）通过动手实验，初步学会物质分离的实验操作。
2.过程与方法
（1）通过原理探究，体验对比分析、评判质疑的高级思维过程，培养学生创新能力，获得探究原理的方法。（2）通过装置设计，体验抽象概括、迁移联想的高级思维过程，培养学生发散、灵活的创新思维能力，获得设计实验装置的方法。（3）通过动手实验，体验细化完善的思维过程。（4）通过效果检验，在实验设计中体验控制变量的思维过程。
3.情感态度与价值观
（1）通过完整的探究过程，培养学生科学严谨的研究态度。（2）通过在实际问题情境中完成探究活动，体验学科价值和知识价值。
（四）教学过程
1.探究原理
在第1课时“蒸馏”的教学中通过2个问题——海水中主要有哪些物质？如何从海水中获得淡水？并提供一些相关物质的沸点来引发学生的思考和讨论。多数学生通过对比分析得出物质的沸点不同，可以通过加热蒸发的方法分离物质，少部分学生提出质疑——蒸发后不能获得所需要的水。在进一步的讨论中师生达成共识，可以先蒸发后冷凝，再收集冷凝后的物质。通过学生的讨论、教师的引导得出了海水淡化（蒸馏）的原理：利用沸点的不同，先加热蒸发后冷凝可分离混合物和目标物。教师进一步引导学生将方法扩大化，即物质分离原理都可以通过以下步骤来确立：确定混合物和目标物；通过已有知识和查找资料对比分析混合物和目标物性质的差异；确定分离方法。可以在第1课时蒸馏的原理探究中总结出的物质分离原理的探究方法，见图2。
在除去粗盐中可溶性杂质的教学中提出问题“如何除去粗盐中的可溶性杂质”，提供资料——粗盐中的可溶性杂质、溶解度表的一部分内容，引发学生对原理的讨论分析。学生通过对比混合物和目标物的成分确定了需要除去的离子，进一步通过溶解性表确定了所选用的试剂。
在萃取的教学过程中提出问题“如何提取水中的
”，提供了水、汽油、
的密度，在水、汽油、中的溶解度，引发学生思考。学生根据已有知识知道汽油与水不能互溶，通过密度知道混合后上层为汽油，下层为水，进一步猜测将汽油加入到的水溶液中可能能够将从水中提取出来。
除去粗盐中可溶性杂质和萃取的原理教学中也是通过分析资料，找性质差异达成研究目的，使物质分离原理分析的方法得到不断的应用和强化。通过原理探究，体验对比分析、评判质疑的高级思维过程，培养学生创新能力，获得探究原理的方法及探究教学的活动策略，为今后的物质分离原理的研究提供一种思路。
2.设计装置
明确了原理就需要选择合理的实验装置，实验装置的选择也需要给学生提供一种思维模式。蒸馏的教学中，学生在原理分析的过程中已经提出了“先加热蒸发后冷凝，再收集冷凝后的物质”的分离方法，教师进一步提供生产生活中海水淡化的装置（图3）。
学生交流讨论2种装置的工作原理，引导学生提炼装置要素：能量、反应容器、冷凝装置、接收装置，进一步要求学生根据装置要素选择合适的仪器设计一套实验室蒸馏的装置。经过交流讨论，学生大致设计出2种：一种是实验室简易的蒸馏装置，另一种是利用冷凝管蒸馏物质的装置（没有温度计）。最后总结出探究装置设计的方法：实验原理或原型装置分析、提取装置要素、选择合适的实验仪器并组装实验装置，见图4。
在后续学以致用的过程中，学生通过分离酒精和水的实例进一步认识到当加热后混合物的各组分都有可能成为气态物质时，实验装置中需要引入温度计确定气体的成分，从而进一步完善了蒸馏装置。
在除去粗盐中可溶性杂质的学习过程中，学生分析物质分离的原理时找到了通过杂质与目标物化学性质的不同，将杂质转化为沉淀物除去的方法。在装置分析的过程中学生自主地根据第1课时提炼的方法通过原理分析提炼出装置要素，即反应装置、分离装置、提纯装置，并根据所学知识找到合理的、对应的实验室仪器和装置（如下页图5）。
萃取的教学过程中，引导学生分析装置的要素：混合装置、分离装置，最后给出分液漏斗，并让学生自主分析其作用和使用方法。
可以看到在实验装置的设计过程中，不同的实验目的，可以利用同样的分析方法来设计实验装置，为今后的实验装置设计提供了研究思路。在迁移联想的过程中，学生的思维是发散的，同一种要素可以通过不同的仪器来达成目的，学生可以设计出不同的实验室装置（例如能源要素，学生可以选择酒精灯，也可以选择水浴等），通过交流质疑来判定最后的合理方案。这样的探究活动有利于学生抽象概括、迁移联想的高级思维能力的训练，也培养了学生发散、灵活的创新思维能力。
3.动手操作
完成装置探究后，需要学生动手操作来实际完成实验。在操作过程中教师要充分地提出动手要求，强调实验安全，明确实验目的和观察要点，同时请同学通过前期的讨论提出操作的顺序和注意事项。动手操作的过程中让学生切实地感受物质分离的方法和精细化操作过程，培养学生安全意识和精细化的思维能力。
4.效果检验
蒸馏的教学中，提出效果检验的任务后，学生提出了以海水中含量较高的
为检测对象，设计了检验蒸馏前后液体中是否存在的对比实验来检验蒸馏的效果，并预测实验现象，动手完成实验。随后引导学生总结：物质分离的操作获得了所需物质后，有时需要对实验效果进行检验；设计效果检验的实验时，需要关注对比实验的设计和控制变量的方法；要能预测实验现象和明确观察点。
在除去粗盐可溶性杂质的课题研究中我们也可以利用这样的方法和思维过程完成相应的效果检验。
（五）教学效果测查与结果分析
在物质的分离教学中，首先是通过蒸馏的教学初步建立模型并归纳实施策略，其次在除去粗盐中可溶性杂质的教学中完善教学模型和实施策略，最后是在萃取的教学中灵活运用教学模型和实施策略。
第1课时蒸馏的教学实践中，实验班采用物质分离的教学模型教学，对比班采用常规的教学方式。课后利用相同的测试题从不同维度对教学效果进行检测，其平均分（或正确率）见表1。
从表1可以看到在对原理的本质认识、装置功能及构造的认识、分离任务的本质思路和实验方案设计的能力4个方面，实验班成绩显著高于对比班。这说明我们的教学方法取得了一定的效果，教学模型的建立可以帮助学生找到研究物质分离任务的思路，对模型中各环节实施策略的归纳可帮助学生找到解决问题的具体方法。“物质的分离”教学模型的建立有利于学生掌握核心知识、获得解决问题的思路及培养学生实验设计能力。教学模型和实施策略在不同教学内容中得到了实施和演绎，可以在以后同类的教学主题中得到进一步的完善，将今后的物质分离的学习变为下位学习。
四、“物质的分离”教学模型的有效实施策略
（一）关于教学模型
目前涉及的教学内容虽然只有3个，以后的教学过程中还会涉及更多物质分离的教学内容，通过教学模型的构建、各环节实施策略的研究，对今后的教学可以起到一种示范作用。实施教学的过程中，每个教学环节都以核心任务为驱动，学生自主参与探究活动，根据已有知识和资料通过思考、交流、讨论、表达、质疑以及归纳等活动形成方法和获取新知，体现对学生不同能力的培养和训练。
（二）探究素材的选择与使用
选用探究素材是根据素材本身的性质，利用简单的素材完成方法和模型的构建，利用较复杂的素材进一步完善和细化方法和模型，利用完全陌生的素材，深刻地理解方法和模型。在本节课的教学过程中就使用了这样3种素材，见表2。
从简单熟悉的素材到陌生素材，从基本方法和基本模型构建到方法和模型的完善，不同素材使探究活动逐步深入，从利用物质性质差异（仅涉及沸点）到利用物质多维度性质差异（沸点、溶解度、化学性质、离子大小、离子电性等），从简易的实验室蒸馏装置到完整的（带温度计）的实验室蒸馏装置，学生的思维由整体系统分析到局部精细化分析，学生对事物认识不断地深化，打开了学生的思想局限，这些都有利于提高学生的高级思维能力和创造力，充分体现了实验探究对学生思维能力和创新能力培养的优越性。
（三）生产生活与学科价值
海水淡化和制酒工业中都会用到蒸馏，以学生最熟悉的事物入手，研究化学知识和技能，充分体现蒸馏在物质分离方法中的实际意义和学科价值。在原理研究的过程中以缺水国家的实际问题入手，引导学生利用化学知识解决和解释实际问题。在实验装置的探究中，让学生从生产和生活中的实际设备入手，迁移到实验室的装置设计，有意识地培养学生将身边的常见事物与科学研究自然关联的意识，进一步凸显学科研究的价值。课堂教学过程中真正从学科知识价值的角度引导学生探究知识和技能，才能将知识与生活进行有意义地结合，使学生进行有意义地探究，并乐于探究。
（四）在探究活动中训练学生高级思维能力和提高创新能力
设计的探究活动，让学生的思维经历了分析、对比、归纳和演绎等过程。在每一个教学环节中都是以实际问题的解决为驱动，采用探究活动引导学生主动思考获得知识、技能和方法。
学生在原理分析的过程中，会对比混合物和目标物性质，提出可能的假设并通过讨论、质疑逐步确定实验原理。将生产生活中的设备原型转化为实验室装置时，没有仅仅局限于让学生找仪器，而是先从功能性作用入手分解设备，提炼装置要素，再寻找可用的实验室仪器，可将学生的思路激活，即学生设计实验装置时是从整体的功能性作用来思考装置的布局，再从细化分析的角度来考虑采用什么样的仪器，例如对于实验室提供能量的热源学生不再仅仅限于酒精灯，还可以根据实际情况选择水浴等，这样就可以找到更多的设计方案，有利于提高学生的创新能力，这样的思维训练才能使学生在学习过程中达到举一反三的效果。