劉曉軍 劉亞俊

一、模型建構(gòu)過程即是創(chuàng)新的過程

模型建構(gòu)是建構(gòu)模型的過程，即當人們定量分析與研究實際問題時，需要開展調(diào)查研究，以便了解調(diào)查對象的信息，簡化假設(shè)，分析內(nèi)在的規(guī)律，再用符號與語言描述，表述成相應(yīng)的模型，并用得到的模型結(jié)果解釋實際問題，接受實際檢驗的過程。

1.模型與原型

在解決化學(xué)問題時，為了揭示事物的本質(zhì)以及研究的方便，用化學(xué)的語言、方法從復(fù)雜的化學(xué)問題、條件和現(xiàn)象中經(jīng)過簡化、抽象得出化學(xué)模型的過程并進行相應(yīng)的檢驗就是化學(xué)模型建構(gòu)。模型和原型的關(guān)系如下關(guān)系式所示。

2.創(chuàng)新思維的概念

創(chuàng)新思維是由個別事實到一般原理的飛躍式思維。創(chuàng)新思維是思維的高級形式，是指人們在提出問題和解決問題的過程中，超越常規(guī)思維，通過分析和推理能獨創(chuàng)和科學(xué)地解決問題的思維過程。其不是一種簡單孤立的思維方式，而是一種邏輯思維和非邏輯思維、形象思維和抽象思維、發(fā)散思維和聚合思維等多種思維形式有機結(jié)合的高級思維方式。創(chuàng)新思維在原有事物的基礎(chǔ)上有發(fā)展，就可構(gòu)成創(chuàng)新。

模型建構(gòu)和創(chuàng)新思維過程中均包含了對原有事物簡化、抽象的發(fā)展過程，所以模型建構(gòu)過程本身就是創(chuàng)新的過程。

二、化學(xué)實驗在模型建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維中的作用

在中學(xué)的教育教學(xué)中，化學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)自然科學(xué)課程，化學(xué)學(xué)科中重點關(guān)注微觀粒子的組成以及結(jié)合方式，這都是人類對自然界思考后抽象出的模型，還有很多原理，例如電解原理模型、碰撞理論模型等?；瘜W(xué)學(xué)科的特點使它以其自身的特點在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力方面具有獨特的優(yōu)勢。其中，化學(xué)實驗在化學(xué)學(xué)科中扮演著重要的角色。

化學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的重要手段。換言之，化學(xué)科學(xué)的發(fā)展史實際上就是以化學(xué)實驗為手段，進行探索，發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律、新物質(zhì)的歷史。在化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生針對一定的問題設(shè)計實驗方案再進行實驗、收集數(shù)據(jù)。在學(xué)校中進行的創(chuàng)造性思維活動，其目的雖然不同于科學(xué)家的創(chuàng)造性活動，但其創(chuàng)造過程的實質(zhì)是一致的，都是“發(fā)現(xiàn)問題—提出假設(shè)—設(shè)計實驗—驗證假投—得出結(jié)論”。這其中，化學(xué)實驗是不可缺少的教學(xué)手段。

發(fā)散思維水平是衡量創(chuàng)新型人才素質(zhì)高低的重要標尺。因此，要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，必須注意發(fā)散思維的培養(yǎng)。發(fā)散思維是創(chuàng)新思維的一種基本的思維方法?；瘜W(xué)實驗為發(fā)散思維的收斂提供了證據(jù)。

三、化學(xué)實驗在模型建構(gòu)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的實踐

在課題組劉亞俊老師設(shè)計的電解池教學(xué)中，應(yīng)用實驗設(shè)計打開學(xué)生的發(fā)散思維和應(yīng)用實驗現(xiàn)象收斂驗證學(xué)生的發(fā)散思維，從而完成電解原理的模型建構(gòu)。在這一過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)和思維發(fā)展的路徑見表1。

表1 電解池教學(xué)整體框架設(shè)計

以電解在化學(xué)發(fā)展史上的重要意義為情境素材，讓學(xué)生認識到電解的價值，并驅(qū)動思考電解的方法。

(1)電解熔融NaCl獲得鈉單質(zhì)的演示實驗。讓學(xué)生抽取繪制電解池的裝置模型建構(gòu)電解原理模型1，充分理解電能在電解過程中的作用；其中電解熔融NaCl實驗使用的容器為V形石英管，熱源為丁烷噴燈，電源為學(xué)生電源，陽極為廢舊電池拆下的直徑4 mm、長4 cm的石墨碳棒電極，陰極為直徑2 mm、長4 cm的Fe電極，碳棒和鐵絲需事先深入V形管底部，但保持一定的距離，固體NaCl用量約裝至V形石英管1.5 cm高處，以保證固體NaCl熔化后能沒過V型管彎折處，整體實驗裝置如圖1所示。

圖1 電解熔融NaCl實驗裝置圖

(2)電解水速率實驗。在學(xué)生初步建構(gòu)電解池模型之后，再以電解水反應(yīng)速率慢的現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生思考。在初三化學(xué)電解水實驗中加入少量H2SO4或NaOH后，電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣的速率加快，提問：加入其他電解質(zhì)是否也可以加快電解水的速率？學(xué)生預(yù)測陰陽兩極電解產(chǎn)物，以及兩極pH值變化。具體實驗設(shè)計如圖2、圖3所示，試劑盒中分別盛裝的溶液有NaCl，Na2SO4和CuCl2溶液。

圖2 電解微型實驗裝置

圖3 pH試紙電解微型實驗裝置

(3)通過電解產(chǎn)物分析預(yù)測及實驗驗證。學(xué)生進一步認識微粒間的相互作用(離子得失電子)、相互競爭(不同離子的放電競爭)及相互轉(zhuǎn)化(電極反應(yīng)微粒和產(chǎn)物)，通過微觀粒子的轉(zhuǎn)化分析認識到宏觀物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化是依賴于外加能量(電能)實現(xiàn)的，完善電解原理模型；即在電極端存在放電競爭，陽離子放電順序為：Cu2+＞ H+＞ Na+；陰離子放電順序為：，存在放電競爭，最后返回原型分析電解AgNO3溶液的產(chǎn)物，再次感受電解(電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能)在物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的價值。這一路徑也顯示了學(xué)生思維培養(yǎng)和能力提升的過程， 即從對具體事物的理解到分析提取概括以及解決問題的能力，創(chuàng)新思維能力得以發(fā)展。

(4)討論。以電解飽和食鹽水為例，學(xué)生認為電極附近溶液pH值變化主要有兩種觀點，一種觀點認為是溶液中H+和OH-遷移造成的溶液兩極pH值變化，另一種觀點認為是溶液中離子放電導(dǎo)致的兩極pH值變化。兩種觀點的預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 電解飽和食鹽水兩極pH值變化預(yù)測

兩種觀點相持不下，最后通過用時1分鐘的微型電解實驗，學(xué)生經(jīng)歷了無序的發(fā)散思維(各種現(xiàn)象的預(yù)測)，逐步梳理成為表2中的兩種觀點，最后通過實驗，學(xué)生共同發(fā)現(xiàn)電解池中，放電為主的預(yù)測和結(jié)果一致，后經(jīng)過討論學(xué)生達成共識，認為在電解池中既有微粒的遷移又有微粒的放電，但放電速率大于遷移速率，使得溶液中電極附近的pH值變化表現(xiàn)為放電為主相一致的結(jié)論。

四、結(jié)語

學(xué)生以實驗為載體，通過電解熔融NaCl實驗提供給學(xué)生模型建構(gòu)的原型，以最簡單的溶質(zhì)(熔融NaCl的分析)作為原型，原型中包含了模型的核心要素：電源，電極，電解質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生通過思考復(fù)雜體系的電解產(chǎn)物及電極附近pH值的變化情況，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，發(fā)散思維由開始的無序到有序，學(xué)生討論交流的過程就是發(fā)散思維被逐漸優(yōu)化的過程，最后聚焦到兩種觀點之上，通過微型電解實驗，提供實驗的證據(jù)支持，因此，由于實驗的微型化，學(xué)生的操作用時少，實驗真正起到了收斂發(fā)散思維，并為收斂思維的進一步邏輯推理提供了證據(jù)。根據(jù)已有知識完善認識電解原理模型，在原有的認知模型基礎(chǔ)上進行補充，認識到電解的本質(zhì)是微粒在電極端得失電子的競爭。最后通過預(yù)測電解AgNO3溶液應(yīng)用完善后的模型，通過微型電解實驗再次檢驗完善后模型的正確與否，確定模型建構(gòu)的完善性。

化學(xué)實驗是化學(xué)教學(xué)中必不可少的一部分，但有必要把實驗簡單化、微型化，只有這樣的實驗才能在模型建構(gòu)教學(xué)中更好地發(fā)揮創(chuàng)新思維培養(yǎng)的功能和價值。