运用“形态分析法”培养学生自主探究问题的能力

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  摘要: 梳理了“形态分析法”的内涵、功能,提出了中学化学素材中也蕴含着运用此方法进行教育的内容和机会;在此基础上,详细介绍了利用“形态分析法”培养学生自主探究问题能力、发展化学核心素养的研究案例,总结了实践策略: 第一,教学目标设计中恰当融入“形态分析法”的内涵;第二,教学过程设计中充分展开“形态分析法”的讨论。最后略谈了研究的体会。
  关键词: 形态分析法;化学学科核心素养;教学设计;课堂实践
  文章编号: 10056629(2018)3004205 中图分类号: G633.8 文献标识码: B
  课堂是学生获取知识、认识方法和体验情感的主要场所,也是培养学生问题研究能力、发展学科核心素养的重要阵地。本文以“形态分析法”为研究方法(学习方法),以高一化学“工业制硫酸”一课为研究素材,从教学设计、课堂实践的角度介绍在培养学生自主探究问题能力上的几点做法。
  1 “形态分析法”的内涵、功能和对中学化学教育的启示
  “形态分析法”,由美籍瑞士天文物理学家兹维基(F.Zwicky)在1942年提出。第二次世界大战中,他参加了美国火箭研制小组。令人惊奇的是他在一周之内,交出了576种不同的火箭设计方案。这些方案几乎包括了当时所有可能制出的火箭的设计方案,其中包括连美国情报局挖空心思都没能弄到手的德国巡航导弹F1和F2的设计方案。他的天才表现受到人们的关注,后来他发表了他的构思技巧——形态分析法 [1]。
  尽管“形态分析法”和我们平时学校教育中所说的“科学探究”有一定的联系(“科学探究”是一种以问题为核心的主动建构活动,是一种思维过程。其探究过程主要包括观察和提出问题、形成假设、检验求证、得出和解释结论、交流与应用等步骤 [2]),但是它仍有其独特的本质功能和教学意义。“形态分析法”是指利用系统分析把握对象系统在结构和功能上的形态特征,从而探索各种问题可能解决办法的一种预测方法。其依据的原理是: 结构要素和功能要素的不同组合可构成功能不同的系统。其分析过程包括五个步骤: (1)正确地提出和阐明问题;(2)明确地列出要解决问题的形态特征及其参数;(3)建立形态模式,形成解决问题的各种方案;(4)确定可能解决方案的功能价值;(5)选择最满意的方案 [3]。
  可以看出,“形态分析法”的特质是从系统的观点看待事物、分析问题,是把“科学探究”中的“相对单一的假设”拓展为“若干功能单元、关键要素的所有组合情况”的假设,并进行功能价值的对比研究和最佳选择。这样的研究方法对于培养学生的自主探究能力、发展学科核心素养具有重要意义: 其一,培养学生系统研究问题的方法,抓住主要矛盾和关键要素;第二,培养学生自主分析问题的能力,抓住思维探究的操作要领;第三,培养学生的创新精神和效益观念,感悟创新不仅是一种科学技术,更是一种核心素养的能量凝聚和实践考验,是一种争分夺秒的效益竞争。“形态分析法”实施于课堂,可以提炼三个抓手: 第一,合理建立解决问题的形态特征及其参数,为学生的自主探究提供载体或视角;第二,有序形成课堂讨论的模式,为学生的自主探究指明方向;第三,指导选择最佳方案的策略,强化学生自主探究的角色和效能。
  笔者认为,中学化学教材中也蕴含着不少可以渗透这种研究方法的内容和机会。例如,在化工生产部分,教材中一般只给出反应的原理、生产的条件、装置的要求等工艺条件,而对工艺条件怎样设计出来的、为何要这样设计,一般不作交代或交代得不够清楚。为了节省时间,教师一般淡化这部分内容,只要求学生背诵工艺条件,以应付练习和考试。这样的做法,一方面弱化了化学学习的过程与体验;另一方面错失了一次极佳的培养自主探究问题能力的机会。另外,化学是一门以实验为基础的学科,实验改进、实验教学常常是日常教学的重点、难点,而运用“形态分析法”不仅可以提高实验研究的质量和效果,而且可以促进包括创新精神在内的化学学科核心素养的培养。
  2 运用“形态分析法”培养学生自主探究问题能力的案例研究
  以高一化学“工业制硫酸”一课为研究素材,介绍利用“形态分析法”培养学生自主探究能力的教学设计和实践效果。
  2.1 教学目标的设计——在“過程与方法”目标中融入“形态分析法”的内涵
  知识与技能: 巩固“影响化学反应速率的因素”、“勒夏特列原理”等核心知识;掌握硫酸工业的反应原理和工艺条件。
  过程与方法★: 运用“形态分析法”参与硫酸工艺的充分讨论,体验自主探究问题的过程,培养化学学科的核心素养。
  情感、态度与价值观: 在观看“上海硫酸厂参观录像”以及硫酸工艺的讨论过程中,感悟“化工生产不仅要考虑生产效率、经济效益,而且要考虑社会效益”的生态观念。
  笔者认为,教学目标的维度与体现化学学科的核心素养有一定的联系。“知识与技能”目标维度对于体现“变化观念与平衡思想”的核心素养具有优势;“过程与方法”目标维度对于体现“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”、“科学探究”等核心素养比较匹配;而“情感态度与价值观”目标在体现“科学精神与社会责任”、“创新意识”等核心素养上相对应。
  本课的教学目标重点维度是“过程与方法”(用★标注),明确了用“形态分析法”设计硫酸工艺的研究方法(学习方法),同时伏笔了培养“证据推理与模型认知”等核心素养的要求。本课的“知识与技能”是实施“形态分析法”的工具,同时可以为培养“变化观念与平衡思想”的核心素养提供载体支撑;另外,在“形态分析法”的实施过程中可激发积极的“情感、态度与价值观”,其过程可以为“科学精神与社会责任”核心素养的培养提供机会。实践证明,以上教学目标均得到了有效的落实,并同步促进了核心素养的培养。
  2.2 教学范型的设计——运用“自主—探究”范型,激发学生自主探究的欲望
  本课实施的“自主—探究”范型包括图1所示的环节和流程 [4]。关键环节是“提供素材(教师)”和“启发讨论(教师)”。本课中的讨论素材是: 围绕硫酸工业工艺设计要求(快、多、好)的相关知识、材料、装备等。   图1 “自主—探究”教学范式操作模式
  2.3 教学过程的设计——充分组织“形态分析法”讨论,培养学生自主探究的能力
  2.3.1 造气阶段,初步体验“形态分析法”的实施要领,感受操作流程
  [投影]4FeS 2 11O 22Fe 2O 3 8SO 2 3309.2kJ
  S O 2SO 2 296.90kJ
  [自主探究]以硫铁矿为原料,根据下表(开始为“空表”),开展形态分析与讨论,然后归纳、投影结果。
  [归纳]反应的条件
  4FeS 2 11O 2煅烧2Fe 2O 3 8SO 2
  S O 2点燃SO 2
  本阶段用时10分钟,教学过程为“提供素材→探究活动→启发归纳”。其中的“探究活动”围绕“形态分析法”中的(3)~(5)步骤展开,即: 建立形态模式,形成各种方案,选择最满意的方案(参见前文)。
  这里的(3)(建立形态模式)具体是指根据“表1(空白表)”的内容格局,实施“先纵后横,综合判定”的讨论程序[参见“表1”中的(1)~(18)序列],其中(16)~(18)为综合判定。
  这里的(4)(各种方案的功能价值)是指确定表中“快”、“多”、“好”3种形态特征统领下的3种参数(反应物的形态、反应的装置、反应的条件)之间的自由组合的各种方案及功能价值,其中“反应的条件”又包括“浓度、温度、压强、催化剂、表面积”5个方面的因素。
  这里的(5)(选择最满意方案)就是指综合判定的工艺条件,即: 表中(16)~(18)的讨论结果。
  讨论从(1)~(18)的序列进行,边讨论、边填表。讨论中准备启发学生的地方有5个: 第一,本反应可视为完全反应,不必考虑化学平衡的移动问题;第二,表格中(9)确定为“常压”,是因为“高压”对反应速率的影响不大,反而会使成本提高;第三,若以“硫”为原料,则反应物形态为“雾状”,反应物条件为“点燃”;第四,反应已经很快的反应不需要催化剂;第五,可以通过过量价廉原料,充分利用主要原料,提高经济效益。
  从实践效果看,整个讨论过程比较有序、热烈,在教师的点拨、启发之下,最后的工艺条件基本上水到渠成,由学生自主得出。其间,“证据推理与模型认知”等核心素养得到了初步的培养。
  2.3.2 催化階段,自主体验“形态分析法”的操作过程,自主开展问题探究
  [投影]2SO 2 O 22SO 3 Q
  [自主探究]根据表2(开始为“空表”),开展形态分析与讨论,然后归纳、投影结果。
  [自主探究]
  压强: 常压下二氧化硫的转化率已经很高。如果继续加压,会对设备的耐压性能提出更高要求,这将增加生产成本。所以,选择“常压”。
  温度: 选定400~500℃,催化剂能发挥最佳效能,同时反应速率、二氧化硫的平衡转化率都比较理想。
  催化剂: 催化剂对于工业生产的作用是至关重要的,有时是决定性的。目前,工业上以五氧化二矾(V 2O 5)作为二氧化硫氧化的催化剂。
  [归纳]反应的条件
  2SO 2 O 2V 2O 5400~500℃2SO 3 Q
  [动画模拟]flash动画展示热交换器的工作
  图2 热交换器
  原理(见图2)。
  本阶段教学用时8分钟,具体教学过程为“提供素材→探究活动→启发归纳”。其中的“探究活动”继续围绕“形态分析法”的(3)~(5)步骤展开。
  讨论从(1)~(18)的序列进行,边讨论边填表。讨论中准备启发学生的地方有3个: 第一,表中(13)要考虑催化剂与原料的接触面积,进一步发挥催化剂的工作效能;第二,此反应为可逆反应,要强调通过过量价廉原料来促进化学平衡正向移动,提高经济效益;第三,解决问题的关键是选择合适的催化剂及控制适宜的反应温度。
  从实践效果看,本阶段学生自主探究的积极性更高、主动性更强,而且讨论的方向更加明确,得出结论的可靠性明显提高。教学过程中强化了“证据推理与模型认知”的核心素养,落实了“变化观念与平衡思想”等核心素养。
  2.3.3 吸收阶段,熟练运用“形态分析法”开展讨论,自主解决问题的能力基本形成
  [投影]SO 3 H 2OH 2SO 4 137.30kJ
  [自主探究]根据表4(开始为“空表”),开展形态分析与讨论,然后归纳、投影结果。
  [投影]“实地参观硫酸制造厂”的设备装置、环境保护的图片资料(略)。
  [录像]上海硫酸厂王工程师的介绍。为了减少环境污染,上海硫酸厂使用“硫磺”作制酸的原料。热量利用的技术装备主要靠进口,我国还没有突破这个技术瓶颈。
  [讲述]目前,上海硫酸厂已关闭,因为其污染程度仍然对周围的环境造成了较大影响,体现了国家对环境保护的坚定决心和发展战略。
  本阶段教学用时7分钟,教学过程为“提供素材→探究活动→启发归纳”。其中的“探究活动”仍然围绕“形态分析法”的(3)~(5)步骤展开。
  本表讨论从(1)~(18)的序列号展开,边探究边填表。讨论中准备启发学生的地方有4个: 第一,表中(3)用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫,可减少因放热而产生的酸雾,提高吸收的效率;第二,表中(6)确定为“常温”,是因为高温时对反应速率的影响不大,反而会浪费能源;第三,表中(9)定为“常压”,是因为高压时对反应速率的影响不大,反而会使成本提高;第四,表中(15)吸收塔塔顶喷下的98.3%的浓硫酸和塔底上升的三氧化硫气体形成逆流吸收的状态,大大提高了三氧化硫的吸收效率。
  从讨论过程来看,本阶段学生参与讨论的自动化程度进一步增加,自主解决问题的效果进一步凸显,“自主—探究”教学范式的特征在本课中得到了最大程度的体现。讨论中巩固了“证据推理与模型认知”的核心素养,初步培养了“科学精神与社会责任”、“创新意识”等核心素养。
  3 运用“形态分析法”培养学生自主探究能力的体会
  “形态分析法”是一种科学研究的方法,将研究方法迁移到化学学科的学习中是一种有价值的探索。一方面,化学学科的学习本身具有研究性学习的特点,我们鼓励学生要用研究的意识、科学的方法去获取化学知识;另一方面,有的研究方法可以迁移、发展成为学生日常的、个性化的思维习惯,成为学生跨学科学习和终身学习的实践智慧。笔者认为,“形态分析法”的建模方式、实施程序有助于培养高中生自主解决问题的能力,并进一步提升针对类似复杂问题开展自主研究的思想意识。
  参考文献:
  [1]石光明.实用创造学入门讲座(第九讲)常用创造技法(5)[J].中国质量,2005,(4): 88~92.
  [2]陈琴,庞丽娟.科学探究: 本质、特征与过程的思考[J].教育科学,2005,(1): 1~5.
  [3]李庆臻.科学技术方法大辞典[M].北京: 科学出版社,1999: 103.
  [4]毛东海.“自主—探究”教学范式“关键行为要素”的细化实施[J].化学教育,2016,(13): 24~27.
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