初三学生的实验方案设计思维趋同现象

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摘要:提升学生实验方案设计能力是中考化学复习阶段的重要任务。以物质鉴别实验为例，研究学生在化学实验方案设计上的趋同现象。分析近10年广州中考“物质鉴别”实验试题的内容与形式、解决思路及答题情况，并复习备考阶段开展物质鉴别实验操作考查，要求88位学生独立完成方案设计与实验操作。对学生所设计的流程图进行文本分析，将学生实验方案进行编码归类。研究表明学生在方案设计思路、鉴别物质的先后顺序、滴入鉴别试剂的种类和顺序上有明显倾向性，为中考复习阶段培养学生发散性思维的教学实践提供建议。

关键词:物质的鉴别;实验方案设计;发散性思维;中考化学;趋同现象

一、问题的提出

(一)化学实验方案设计能力的研究述评

化学实验能力的评价与测量，已成为近年来中考备考的研究热点，相关研究集中在化学实验的试题分析［1］、方案设计课题的教学研究［2］、实验能力结构的评价测量［3］等。其中实验方案设计能力作为化学实验能力的高阶认知技能，是中考测查的重要内容与备考难点，具体包括学生对实验目的、原理、方案的理解，对实验过程的设计、决策、评价和优化，对实验现象与结果的认知、判断、分析和处理的综合能力。然而一些初中因班数较多或实验条件有限，无论在新课教学还是复习阶段都无法让学生进行实验设计与操作活动。教师主要通过一定量的实验报告书写训练题目来强化学生的实验方案设计能力，导致学生不能充分将所学知识理论与待解决的问题融会贯通、实验设计不够严谨合理，实验评价的切入点无从下手。

(二)中考化学物质鉴别实验的研究概况

“物质的鉴别”的中考试题及操作考查是一类测查学生的元素化合物知识、实验方案设计思维和操作能力的综合试题。评价学生对鉴别和检验物质方法的认识，同时考查学生在设计实验方案和书写实验报告时思维的有序性和严密性以及具体的实践能力。学生设计的物质鉴别实验方案是一种根据物质性质、实验目的与原理而推理论证得到的问题解决方案，而面对开放的物质鉴别问题，学生可通过不同思路设计出不同方案。毋庸置疑，学生是否具备系统缜密的方案设计思路，是否能够规范操作并完整书写实验报告，是顺利解决物质鉴别试题及操作考试的关键。目前相关研究集中在试题分析及实验报告书写和实验操作考查［4－5］等。

(三)研究问题与任务

在开放作答环境中，同一班级的学生分别设计的实验方案是否会出现“趋同现象”，即在设计思路、具体方法上具有一定的倾向性?较少有报道对该问题进行讨论，值得开展初步探究。在参考历年广州中考物质鉴别试题和咨询有丰富教学经验的教师后，笔者设计了一个开放的物质鉴别问题作为实验操作考查试题，要求学生使用限定试剂中的2种试剂鉴别3种白色粉末，独立设计实验流程图，在实验考试现场时完成操作、形成结论、书写报告。本研究的主要任务是解答以下4个问题:①学生独立设计的物质鉴别实验方案有哪些类型(即在设计思路上是否有倾向性)?②在固体粉末鉴别的顺序上是否有倾向性?③在鉴别试剂的使用种类上是否有倾向性?④对中考备考研究与教学实践有哪些启示与建议?

二、研究设计

(一)中考物质鉴别实验试题的研究思路统计分析

2005年、2007年至2015年广州市中考物质鉴别实验的试题(因2006年为除杂试题不计入内)，笔者着重研究试题的内容与形式、解决思路及答题情况，为本研究中设计物质鉴别实验考查试题提供参考。本研究待鉴别的3种白色粉末分别是MgSO4、K2CO3和KCl，可供使用的限定试剂是NaOH溶液、稀HCl、BaCl2溶液、酚酞试液和蒸馏水。

(二)学生实验方案趋同现象的研究思路

笔者提前公布物质鉴别实验操作考查的试题，88位学生都要独立设计一个实验方案，画出简易流程图。学生只要使用上述限定的2种鉴别试剂来进行2次鉴别实验，即可鉴别出3包白色粉末的真实组成;若改变鉴别试剂的种类和滴入的顺序，该问题有多种解决方案能够满足本研究的要求。为了研究学生在物质鉴别实验方案设计上是否有趋同现象，笔者对学生所设计的流程图进行文本分析，将实验方案进行编码归类，主要研究学生在实验方案(即设计思路)、鉴别物质的先后顺序、滴入鉴别试剂的种类和顺序上等是否有一定的倾向性。

三、结果分析

(一)中考物质鉴别实验的试题分析结果整理分析近

10年广州中考物质鉴别实验试题，笔者将围绕试题结构、考查内容、考查形式、解决思路及学生答题情况5方面进行论述。(1)试题结构根据历年广州市化学中考年报提供的数据(见表1)，该类试题属于中等偏难，区分度良好，能够较好考查学生的化学知识综合应用能力。(2)考查内容学生综合运用元素化合物及实验方案设计知识鉴别物质，书写实验报告。(3)考查形式该类试题中待鉴别物质主要有3种，可供选择的试剂包括不提供也不限定任何鉴别试剂、不提供但限定不得使用其他试剂和限定提供鉴别试剂这3种形式(见表2)。(4)解决思路首先，根据不同待鉴别物质在物理性质(如状态、颜色、溶解度等)或化学性质的差异进行分类。其次，匹配相应、适合的鉴别方法或鉴别试剂以设计鉴别方案、确定具体的鉴别流程及实验操作、形成物质鉴别实验的结论。最后，完成物质鉴别实验报告的书写。(5)答题情况该类试题的全市平均分较低，学生常见问题主要有元素化合物知识和实验经验的缺漏、鉴别方案设计的思维障碍及不规范不严谨的答题习惯，学生表现有待提升。

(二)学生实验方案趋同现象的结果分析

除了4名学生的方案设计有误之外，其余84名学生都能够设计出正确实验方案。笔者对学生所设计的流程图进行文本分析，将实验方案进行编码归类，最后得到4大类共10种可行方案。统计各类型实验方案在学生的作答中出现的频次，并且用不同编号表示笔者将从实验方案(即设计思路)、物质被鉴别的先后顺序、滴入鉴别试剂的种类和顺序等3方面的倾向性，对学生在物质鉴别实验方案设计上的趋同现象进行分析论述。(1)实验方案方案1－1、2－1－1和1－2是大多数学生选择的实验方案，学生人数占总人数的79.5%。这3种实验方案可代表大多数学生的方案设计思路，尤其是方案1－1，有52.3%学生使用该方案来进行实验，在设计思路上有明显倾向性。其余方案由个别学生提出，展现出其思维具有一定发散性，能够从不同角度思考解决问题的方法。(2)鉴别固体粉末顺序设计出第一大类2种方案、约占63.6%的学生优先鉴别出MgSO4，设计出第二大类4种方案、约占22.7%的学生优先鉴别出K2CO3，设计出第三、四大类共3种方案、约占9.1%的学生利用KCl溶液与BaCl2溶液不反应且无明显现象的思路，用反证法优先鉴别出KCl。这显示学生在选择第一种被鉴别的固体粉末时有明显倾向性，倾向性从大到小顺序是MgSO4＞K2CO3＞KCl。第二、三种被鉴别的固体粉末种类与第一种被鉴别的粉末种类有关，故固体粉末被鉴别的顺序也体现出一定的倾向性。(3)在滴入鉴别试剂的种类和顺序除方案3、4－1、4－2的第一步外，结合实验步骤的目的，统计各方案中鉴别试剂出现的频次(见表4)。在第一、三大类方案，由于有K2CO3的干扰，学生只能使用NaOH溶液优先鉴别出MgSO4。在第二大类方案，即便在排除K2CO3的干扰后，学生在第二次实验中，选择NaOH溶液鉴别MgSO4的次数(16次)仍然多于选择BaCl2溶液的次数(4次)。在第二、四大类方案，为避免MgSO4的干扰，学生倾向于使用稀HCl优先鉴别出K2CO3，其次才用酚酞溶液进行鉴别。相似的是，在第一大类方案，在排除MgSO4的干扰后，学生在第二次实验中，选择稀HCl鉴别Na2CO3的次数(46次)也远多于选择BaCl2溶液的次数(10次)。换而言之，学生倾向于用NaOH溶液鉴别MgSO4，用稀HCl鉴别K2CO3，即用OH－鉴别Mg2+，用H+鉴别CO32－。没有学生在第二次鉴别实验中选择酚酞试液鉴别K2CO3，可见学生在选择鉴别试剂的种类上有明显的倾向性。

四、研究建议

综上，笔者以一次物质鉴别实验操作考查为例进行研究，结果表明学生在实验方案(即设计思路)、鉴别物质的先后顺序、滴入鉴别试剂的种类和顺序上都有明显倾向性。学生在实验方案设计上有明显的细微趋同现象，这可能与教师在中考复习中曾多次强调Mg2+与OH－的反应、CO2－3与H+的反应且学生对这些反应极其熟悉有关。学生可能更多地将MgSO4视作镁盐而仅关注Mg2+，较少视作硫酸盐而忽视SO2－4。因初三学生只了解树状分类法，未曾了解过交叉分类法，进而对学生设计思路产生影响。教师应当通过典型练习和变式训练来引导学生从多角度对问题进行思考，即培养学生问题解决思维的发散性，同时避免学生间的问题解决思维具有严重的倾向性和过度同质化。

参考文献:

［1］蒋小钢．立足实验素养考查的高考“评价型”实验题的命题特点［J］．化学教育，2014，34(1):41－43．

［2］左勇．初中化学探究性实验的设计与教学研究［D］．山东师范大学硕士论文:2007．

［3］杨超怀．高三学生化学实验能力结构与培养策略研究［D］．广西师范大学硕士论文:2012

［4］麦裕华．中考化学物质鉴别实验报告书写题的分析和教学建议［J］．教学仪器与实验，2013(12):48－50．

［5］麦裕华，林建芬．化学实验操作考查能否得到可信的评价结果———以初三物质鉴别实验为例［J］．化学教育，2014，35(15):36－40．

作者:林建芬 单位:广东省深圳市龙岗区兰陵学校