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浅论相似思维在化学教学中的运用
来源查字典化学网| 2016-06-29 发表| 教学经验分类:化学论文

教学经验

一、研究背景和研究意义

进入高中新课程实验以来,化学教学逐渐摆脱传统教学的框架,形成以学生的学为核心的教学模式。因此,高中化学教学,更加关注培养学生良好的思维品质和科学探究能力。在高中新课程的实施背景下,笔者对相似思维在“体系、素养、能力”三个层面的教学中的运用,进行了一些实践。

相似论的观点认为:科学规律寓于相似性之中。门捷列夫研究了化学元素的相似性,创立了元素周期表,对后续的研究直至今天都有着重大的指导意义。这给了我们启示:相似思维是一种独特的科学的思维方式与方法,通过相似性分析,既可以发现表面上互不相关的事物之间有多方面内在联系,又可以在事物的多样性与统一性之间架起桥梁,还可以进行多层次和多方位的类比与推论,概括出事物的共同属性与本质,从而找出规律并形成理论。

新课程苏教版必修教材突破了以学科知识为中心的结构体系,更关注学科线索和社会实际的结合,每一单元的知识点之间都有着相互的关联和良好的逻辑结构。在教学中利用相似性,能帮助学生掌握认识事物的科学途径,构筑系统的知识体系;能使学生在学习过程中将经验和行为转化为习惯,逐步养成良好的科学素养;还能成为总结、归纳和发现科学规律的认知基础与先导。

二、相似思维的推理过程

人们在学习和实践活动中积累起来并贮存在大脑中的知识单元就叫“相似块”。“相似块”是一种重要的刺激信息,而学生学习的过程就是相似块迁移的过程。西蒙在《认知心理学》一书中提出,选择刺激信息极为重要,因为作用于人的信息,在大部分时间内超过了人所能处理的限度;选择适当的处理策略,对满足完成任务的要求极为重要,故反复应用加工策略,可出现较为稳定的认知结构,从而导致认知结构的发展。

运用相似思维来达到认知目的可以看成是这样一个推理过程:有A和B两个认知对象,A是在我们已认知的范围内的对象,B是我们没有达到本质性认识的对象。但是,我们通过联想、思考、分析发现B与A之间有相似点N。据此相似之点N,我们就认为B具有某种与A一样的性质,从而把原有知识范围扩大,形成新的知识体系。

运用相似教学,就要求我们在教学中,首先要知道学生已经了解了什么,在此基础上,找准“相似块”来引发思考过程。相似思维方式的推理过程如图1所示。这一过程体现中学生思维由经验型向理论型过渡的质变。

三、“知识体系、科学素养、学习能力”——相似思维教学的三个层面

(一)利用相似思维,学习元素及化合物知识,构筑扎实的知识体系

零碎、不成体系的知识,就如一堆没有装配起来的机器零部件,只有整合在一起,才能发挥其功能。化学学习中,要及时将零散的知识串联起来,纳入认知结构中,才能构筑扎实的知识体系。

新课程标准下,元素化合物知识的教学目标和方法与传统教学有着较大差别,从过去“结构决定性质,性质决定用途”这条明线,转变为通过科学研究的方法,学习物质的性质及在自然界和生活、生产中的存在、应用和影响。教材不再采用线性结构编排这些知识,但将“物质的组成与分类”穿插其中,隐含渗透了比较的方法和相似思维。因此,利用物质组成、性质等方面的相似,从已知联系未知,由点及面、层层铺开、循序渐进,可实现新旧知识的整合,由感性到理性再到实际应用,形成扎实、牢固的知识体系。这样,才能对社会生活、生产中的问题进行综合分析,真正地由化学走向社会。

如苏教版必修化学1中《碳酸钠的性质与应用》的教学中,学生已经在初中学习过碳酸钠的性质和用途,在此基础上,从碳酸钠和碳酸氢钠组成上的相似(都属于碳酸盐和钠盐)人手,探究性质上的相似性,同时发现并探究其差异,再归纳总结碳酸钠和碳酸氢钠的物质类别和性质,将有利于掌握和区分这两种重要的钠盐。

教学中可分为4个阶段循序渐进(如图2所示):

首先,学生从已有知识“钠盐均可溶”出发,推测碳酸钠、碳酸氢钠这两种组成相似的盐应均可溶解于水,为验证推测并比较两种盐溶解性是否有差别,进行溶解性实验,观察这两种盐的溶解度大小,通过实验可得出“相同条件下,碳酸钠溶解度大于碳酸氢钠”的结论(step1)。

然后,引导学生从学过的知识及生活常识回忆、归纳碳酸钠具有的化学性质,并由此预测碳酸氢钠可能具有的化学性质,要求设计实验来验证。学生从苏打的用途分析了碳酸钠的酸碱性,从碳酸根的检验方法分析了能与哪些物质发生化学反应等,他们推测碳酸氢钠可能也呈碱性,也能与酸反应,但不确定是否也能与澄清石灰水反应等。于是,设计了实验对比这两种可溶性盐的化学性质(step2),以验证预测的结果是否正确,同时解决了预测中出现的困惑。学生设计实验如下:

1.用pH试纸测定碳酸钠溶液的pH值。

2.碳酸钠、碳酸氢钠粉末加入到盐酸中,观察实验现象。

3.在两支洁净的试管中分别加入2~3ml澄清石灰水和氯化钙溶液,再分别向上述两支试管中滴加碳酸钠溶液,振荡,观察实验现象。

4.与沾有油污的铜片作用,比较效果。

最后,再组织学生从物质类别、物理性质、化学性质及用途各方面对碳酸钠和碳酸氢钠进行归纳(step3)。

在对碳酸钠和碳酸氢钠相似性质对比的探讨过程中,学生可能会得出这样的预测:

(1)从组成来看,两种盐都属于钠盐,应该能够溶于水。但是不知道溶解性哪个更好。

(2)从组成来看,两种盐分别属于碳酸相应的正盐和酸式盐,水溶液应该都呈碱性。但是不知道哪个碱性更强。 (3)从组成来看,两种溶液中分别有CO2-3和HCO-3,能与酸反应生成二氧化碳。但不知道反应的速率和放出气体的多少有何差别。

(4)碳酸钠中含有CO2-3,能与氢氧化钙溶液中的钙离子形成白色沉淀,而碳酸氢钠中主要含有HCO-3,所以不能与氢氧化钙溶液反应形成沉淀。

通过,实验(1)(2)(3)均得到了验证和确定。通过该过程的思考和学习,加深对碳酸钠和碳酸氢钠的性质的了解。但是实验4的现象却与推断(4)矛盾,两溶液中均出现了沉淀。经过进一步的讨论明确:碳酸钠中含有CO2-3离子,能与氢氧化钙溶液中的Ca2+形成白色沉淀;而碳酸氢钠中主要含有HCO-3,它进一步电离出少量的H+与氢氧化钙溶液电离出来的OH-中和,从而不断促进HCO-3电离出H+和CO2-3,溶液中则形成浓度较大的CO2-3,与Ca2+反应形成沉淀。这也为今后学习化学平衡的知识时,搜寻可利用的信息做了铺垫。

该学习过程可以归纳为:提出问题——设计方案——搜集证据——解释归纳——反思评价,在这个过程中,学生从已知的物质性质出发,推断相似物的性质,发现相似,找寻差异;发现问题,分析原因。在该过程中运用了相似思维,不仅将知识提高到新的层面,又在思维的碰撞中激发了灵感和创新意识,对提高教学效果起到了良好的促进作用。可见,将相似思维运用于以构筑知识体系为主要目标之一的课堂教学中,能取得良好收效。

(二)利用相似思维,开展实验探究,培养良好的科学素养。科学素养和能力有什么区别?对“科学素养”如何界定?

笔者认为,化学教育的意义在于使学生在探究的过程中获得知识,新的知识同时又作为新的探究起点,在新的探究中不断获得、积累和延续。新课程标准中明确提出,在化学新课程的实施过程中,应发挥实验的教育功能,重视探究学习活动,发展学生的科学探究能力

。那么,如何更好地“发挥实验的教育功能”,从而“发展学生的科学探究能力”呢?可以说手段是多种多样的。利用相似思维,如以“实验现象”中的相似点为切口,通过实验对比和分析,来发现问题并解决问题,对培养良好的科学素养,如观察、发现问题、实验、推理、归纳、论证结论、交流、合作等,都有着积极的促进作用。

在苏教版必修1专题2中关于“氯水的性质探究”有一定的难度,在教学中,笔者借助学生已学习的或熟悉的物质氯气、盐酸、氯化钠溶液设计了这样的实验要求:请自行探究氯水和盐酸、氯水和氯气、氯水和氯化钠溶液在性质上有何相似?表1是某组学生完成的实验过程的记录报告。

可见,该内容在设计上突出了在实验中利用实验现象的相似性求同求异并展开探究。实验过程中,对组成、结构或性质相似的物质在进行对比实验时,有意识地培养了观察能力,如滴有稀盐酸的蓝色石蕊试纸是变红,而滴有氯水的蓝色石蕊试纸却是先红后白等。对组成、结构或性质相似的物质在进行对比实验时,学生也更容易发现问题,如“氯水为什么有酸性?”“氯水中的哪种物质使花瓣褪色?为什么?”“氯水中究竟有哪些成分?”自己发现的问题,在搜集实验证据,并进行推理后,又能自行解决。在由实验确定了HCIO的漂白性之后,又进一步主动对该信息进行处理,即为什么HCIO具有漂白性。学生从化合价的角度便可以做出合理的分析和解释。

笔者任教高一(3)(4)两个平行班的化学。自2007学年第一学期以来笔者一直对高一(3)班进行相似思维教学实验,表1是高一(3)班某组学生完成的实验过程的记录报告。同样是只给出了本节课学生要通过2人小组实验达到的三个实验目的,请学生自行设计完成的前提下,高一(3)班与高一(4)班学生相比,完成得更好更顺利。统计数据如下表2:

(完成得更好更顺利,应在表格的基础上进一步说明)利用相似思维进行实验探究的设计和实验,既能掌握相关的知识,又能体验实验探究的过程,既提高了教学的效率和目标达成度,又有利于培养学生良好的科学素养。

(三)利用相似思维,学习科学概念及规律,提高分析归纳能力

科学的概念和规律是十分精确且有条理的,然而有些“形”近而“意”不同的概念或知识,很容易混淆。对理论或概念在学习或复习时,要着力挖掘它们的相似点、不同点及联系,以活化基础。比如在高二会考复习时,我把同位素、同素异形体、同系物、同分异构体等概念集中在一起做比较,学生先回顾它们的研究对象、同异之处,再将概念全部呈现,最后归纳整理成表。另外,请同学讨论,结合所学知识,至少说出一种相关的应用,并对应用的原理做出解释,教师补充或给出相关提醒。如表3所示。

诸如此类容易混淆的概念或知识还有很多,如:电离与电解、置换与取代、酸的氧化性与氧化性酸等等,都非常值得我们探讨。可以尝试在引入新课或复习过程中,采用相似思维的推理过程,通过已有知识进行整合,从而形成稳固的理论知识系统,最后通过应用得以巩固。

四、在教学中运用相似思维要注意的问题

1.养成运用对比分析的习惯

化学用语中有不少字眼相似、容易混淆,知识点之间容易混乱。如“溶”与“熔”,“氨”与“铵”,“和”与“合”,“酯”与“脂”,“原电池”与“电解池”,“挥发”与“升华”等等,所以要培养学生养成主动对比分析学习中遇到的那些相似易混淆的知识点的习惯。比如,在教学中充分挖掘相似物质或相似概念,并引导学生自己联想,可以用列表对比的方法做成分类小卡片,建立个人资料库;以学习小组为单位,对某些相似对象,每个成员各自搜集一种资料,交流共享;每节课新课前的预习都要求任选学习目标中的某一个内容和已学过某个相似物建立联系,复习已有知识——找出与新学习内容的“相似块”——根据“相似”设疑、推测——解决问题获得成功。

2.在运用“相似性”的同时,关注“差异性”

常言道,“偏见比无知离真理更远”。在相似思维的推理过程中,本质是从“同”出发,但是在实际问题中难免发生这样的问题,相似的双方虽然具有数个相同或相似的部分,但是类推出的下个属性却正好是两者的差异点,这就会导致结果偏离了事实。所以,在注

重“相似性”的联系的同时,要注意“差异性”。如Cl2与碱反应为Cl2+2NaOH≡NaCl+NaClO+H2O,学生极易由Cl2和F2的性质相似而得到F2与NaOH反应也按上式进行,而实际上F2与碱反应为2F2+2NaOH≡2NaF+H2O+O2。这就要求教师一定要在“求同”教学中同时重视“求异”。

相似思维是人们认知、理解、探究未知领域的一种重要思维方法,利用相似思维的教学更是一门教学艺术。将这种思维运用于化学教学中,能够提高教学的效率,使学习者更好地掌握和理解知识以及知识点之间的联系。本文只是略谈了个人在运用相似思维于教学中的一点实践和体会,相信还有很多空间值得一起探讨和研究。

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