初三學生的實驗方案設計思維趨同現象

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摘要:提升學生實驗方案設計能力是中考化學復習階段的重要任務。以物質鑒別實驗為例，研究學生在化學實驗方案設計上的趨同現象。分析近10年廣州中考“物質鑒別”實驗試題的內容與形式、解決思路及答題情況，并復習備考階段開展物質鑒別實驗操作考查，要求88位學生獨立完成方案設計與實驗操作。對學生所設計的流程圖進行文本分析，將學生實驗方案進行編碼歸類。研究表明學生在方案設計思路、鑒別物質的先后順序、滴入鑒別試劑的種類和順序上有明顯傾向性，為中考復習階段培養學生發散性思維的教學實踐提供建議。

關鍵詞:物質的鑒別;實驗方案設計;發散性思維;中考化學;趨同現象

一、問題的提出

(一)化學實驗方案設計能力的研究述評

化學實驗能力的評價與測量，已成為近年來中考備考的研究熱點，相關研究集中在化學實驗的試題分析［1］、方案設計課題的教學研究［2］、實驗能力結構的評價測量［3］等。其中實驗方案設計能力作為化學實驗能力的高階認知技能，是中考測查的重要內容與備考難點，具體包括學生對實驗目的、原理、方案的理解，對實驗過程的設計、決策、評價和優化，對實驗現象與結果的認知、判斷、分析和處理的綜合能力。然而一些初中因班數較多或實驗條件有限，無論在新課教學還是復習階段都無法讓學生進行實驗設計與操作活動。教師主要通過一定量的實驗報告書寫訓練題目來強化學生的實驗方案設計能力，導致學生不能充分將所學知識理論與待解決的問題融會貫通、實驗設計不夠嚴謹合理，實驗評價的切入點無從下手。

(二)中考化學物質鑒別實驗的研究概況

“物質的鑒別”的中考試題及操作考查是一類測查學生的元素化合物知識、實驗方案設計思維和操作能力的綜合試題。評價學生對鑒別和檢驗物質方法的認識，同時考查學生在設計實驗方案和書寫實驗報告時思維的有序性和嚴密性以及具體的實踐能力。學生設計的物質鑒別實驗方案是一種根據物質性質、實驗目的與原理而推理論證得到的問題解決方案，而面對開放的物質鑒別問題，學生可通過不同思路設計出不同方案。毋庸置疑，學生是否具備系統縝密的方案設計思路，是否能夠規范操作并完整書寫實驗報告，是順利解決物質鑒別試題及操作考試的關鍵。目前相關研究集中在試題分析及實驗報告書寫和實驗操作考查［4－5］等。

(三)研究問題與任務

在開放作答環境中，同一班級的學生分別設計的實驗方案是否會出現“趨同現象”，即在設計思路、具體方法上具有一定的傾向性?較少有報道對該問題進行討論，值得開展初步探究。在參考歷年廣州中考物質鑒別試題和咨詢有豐富教學經驗的教師后，筆者設計了一個開放的物質鑒別問題作為實驗操作考查試題，要求學生使用限定試劑中的2種試劑鑒別3種白色粉末，獨立設計實驗流程圖，在實驗考試現場時完成操作、形成結論、書寫報告。本研究的主要任務是解答以下4個問題:①學生獨立設計的物質鑒別實驗方案有哪些類型(即在設計思路上是否有傾向性)?②在固體粉末鑒別的順序上是否有傾向性?③在鑒別試劑的使用種類上是否有傾向性?④對中考備考研究與教學實踐有哪些啟示與建議?

二、研究設計

(一)中考物質鑒別實驗試題的研究思路統計分析

2005年、2007年至2015年廣州市中考物質鑒別實驗的試題(因2006年為除雜試題不計入內)，筆者著重研究試題的內容與形式、解決思路及答題情況，為本研究中設計物質鑒別實驗考查試題提供參考。本研究待鑒別的3種白色粉末分別是MgSO4、K2CO3和KCl，可供使用的限定試劑是NaOH溶液、稀HCl、BaCl2溶液、酚酞試液和蒸餾水。

(二)學生實驗方案趨同現象的研究思路

筆者提前公布物質鑒別實驗操作考查的試題，88位學生都要獨立設計一個實驗方案，畫出簡易流程圖。學生只要使用上述限定的2種鑒別試劑來進行2次鑒別實驗，即可鑒別出3包白色粉末的真實組成;若改變鑒別試劑的種類和滴入的順序，該問題有多種解決方案能夠滿足本研究的要求。為了研究學生在物質鑒別實驗方案設計上是否有趨同現象，筆者對學生所設計的流程圖進行文本分析，將實驗方案進行編碼歸類，主要研究學生在實驗方案(即設計思路)、鑒別物質的先后順序、滴入鑒別試劑的種類和順序上等是否有一定的傾向性。

三、結果分析

(一)中考物質鑒別實驗的試題分析結果整理分析近

10年廣州中考物質鑒別實驗試題，筆者將圍繞試題結構、考查內容、考查形式、解決思路及學生答題情況5方面進行論述。(1)試題結構根據歷年廣州市化學中考年報提供的數據(見表1)，該類試題屬于中等偏難，區分度良好，能夠較好考查學生的化學知識綜合應用能力。(2)考查內容學生綜合運用元素化合物及實驗方案設計知識鑒別物質，書寫實驗報告。(3)考查形式該類試題中待鑒別物質主要有3種，可供選擇的試劑包括不提供也不限定任何鑒別試劑、不提供但限定不得使用其他試劑和限定提供鑒別試劑這3種形式(見表2)。(4)解決思路首先，根據不同待鑒別物質在物理性質(如狀態、顏色、溶解度等)或化學性質的差異進行分類。其次，匹配相應、適合的鑒別方法或鑒別試劑以設計鑒別方案、確定具體的鑒別流程及實驗操作、形成物質鑒別實驗的結論。最后，完成物質鑒別實驗報告的書寫。(5)答題情況該類試題的全市平均分較低，學生常見問題主要有元素化合物知識和實驗經驗的缺漏、鑒別方案設計的思維障礙及不規范不嚴謹的答題習慣，學生表現有待提升。

(二)學生實驗方案趨同現象的結果分析

除了4名學生的方案設計有誤之外，其余84名學生都能夠設計出正確實驗方案。筆者對學生所設計的流程圖進行文本分析，將實驗方案進行編碼歸類，最后得到4大類共10種可行方案。統計各類型實驗方案在學生的作答中出現的頻次，并且用不同編號表示筆者將從實驗方案(即設計思路)、物質被鑒別的先后順序、滴入鑒別試劑的種類和順序等3方面的傾向性，對學生在物質鑒別實驗方案設計上的趨同現象進行分析論述。(1)實驗方案方案1－1、2－1－1和1－2是大多數學生選擇的實驗方案，學生人數占總人數的79.5%。這3種實驗方案可代表大多數學生的方案設計思路，尤其是方案1－1，有52.3%學生使用該方案來進行實驗，在設計思路上有明顯傾向性。其余方案由個別學生提出，展現出其思維具有一定發散性，能夠從不同角度思考解決問題的方法。(2)鑒別固體粉末順序設計出第一大類2種方案、約占63.6%的學生優先鑒別出MgSO4，設計出第二大類4種方案、約占22.7%的學生優先鑒別出K2CO3，設計出第三、四大類共3種方案、約占9.1%的學生利用KCl溶液與BaCl2溶液不反應且無明顯現象的思路，用反證法優先鑒別出KCl。這顯示學生在選擇第一種被鑒別的固體粉末時有明顯傾向性，傾向性從大到小順序是MgSO4＞K2CO3＞KCl。第二、三種被鑒別的固體粉末種類與第一種被鑒別的粉末種類有關，故固體粉末被鑒別的順序也體現出一定的傾向性。(3)在滴入鑒別試劑的種類和順序除方案3、4－1、4－2的第一步外，結合實驗步驟的目的，統計各方案中鑒別試劑出現的頻次(見表4)。在第一、三大類方案，由于有K2CO3的干擾，學生只能使用NaOH溶液優先鑒別出MgSO4。在第二大類方案，即便在排除K2CO3的干擾后，學生在第二次實驗中，選擇NaOH溶液鑒別MgSO4的次數(16次)仍然多于選擇BaCl2溶液的次數(4次)。在第二、四大類方案，為避免MgSO4的干擾，學生傾向于使用稀HCl優先鑒別出K2CO3，其次才用酚酞溶液進行鑒別。相似的是，在第一大類方案，在排除MgSO4的干擾后，學生在第二次實驗中，選擇稀HCl鑒別Na2CO3的次數(46次)也遠多于選擇BaCl2溶液的次數(10次)。換而言之，學生傾向于用NaOH溶液鑒別MgSO4，用稀HCl鑒別K2CO3，即用OH－鑒別Mg2+，用H+鑒別CO32－。沒有學生在第二次鑒別實驗中選擇酚酞試液鑒別K2CO3，可見學生在選擇鑒別試劑的種類上有明顯的傾向性。

四、研究建議

綜上，筆者以一次物質鑒別實驗操作考查為例進行研究，結果表明學生在實驗方案(即設計思路)、鑒別物質的先后順序、滴入鑒別試劑的種類和順序上都有明顯傾向性。學生在實驗方案設計上有明顯的細微趨同現象，這可能與教師在中考復習中曾多次強調Mg2+與OH－的反應、CO2－3與H+的反應且學生對這些反應極其熟悉有關。學生可能更多地將MgSO4視作鎂鹽而僅關注Mg2+，較少視作硫酸鹽而忽視SO2－4。因初三學生只了解樹狀分類法，未曾了解過交叉分類法，進而對學生設計思路產生影響。教師應當通過典型練習和變式訓練來引導學生從多角度對問題進行思考，即培養學生問題解決思維的發散性，同時避免學生間的問題解決思維具有嚴重的傾向性和過度同質化。

參考文獻:

［1］蔣小鋼．立足實驗素養考查的高考“評價型”實驗題的命題特點［J］．化學教育，2014，34(1):41－43．

［2］左勇．初中化學探究性實驗的設計與教學研究［D］．山東師范大學碩士論文:2007．

［3］楊超懷．高三學生化學實驗能力結構與培養策略研究［D］．廣西師范大學碩士論文:2012

［4］麥裕華．中考化學物質鑒別實驗報告書寫題的分析和教學建議［J］．教學儀器與實驗，2013(12):48－50．

［5］麥裕華，林建芬．化學實驗操作考查能否得到可信的評價結果———以初三物質鑒別實驗為例［J］．化學教育，2014，35(15):36－40．

作者:林建芬 單位:廣東省深圳市龍崗區蘭陵學校