基于知識建構(gòu)與問題解決的高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐

陳永安

摘 要 基于真實(shí)情境下的知識建構(gòu)和問題解決的教學(xué)方式，在發(fā)揮學(xué)生課堂主體性、培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面有著較好的效果。以探究實(shí)驗(yàn)“Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應(yīng)”為例，幫助學(xué)生進(jìn)行知識建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，為相關(guān)的研究提供案例支持。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué) 知識建構(gòu) 問題解決 實(shí)驗(yàn)探究 教學(xué)設(shè)計

一、設(shè)計背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展是一個自我建構(gòu)、不斷提升的過程，教師要緊緊圍繞化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生積極地開展建構(gòu)學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和問題解決學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變[1]。要發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，必須轉(zhuǎn)變課堂教學(xué)方式，注重真實(shí)情境、活動和問題解決的整體設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)，充分地認(rèn)識到化學(xué)的獨(dú)特價值，增進(jìn)對化學(xué)學(xué)科的理解。因此，基于知識建構(gòu)和問題解決的課堂教學(xué)方式需要在教學(xué)實(shí)踐中探索。

（一）關(guān)于“知識建構(gòu)”教學(xué)

知識建構(gòu)的理論基礎(chǔ)是“建構(gòu)主義理論”，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的意義建構(gòu)，注重在情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。在整個教學(xué)過程中，學(xué)生是課堂教學(xué)的主體，是知識和認(rèn)知的建構(gòu)者，課堂從以往的“教學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)學(xué)”。鐘志賢認(rèn)為知識的建構(gòu)包括個體建構(gòu)和協(xié)作建構(gòu)，二者相輔相成才能夠使知識建構(gòu)更加完整和豐富[2]。

如何在課堂教學(xué)中進(jìn)行有效的知識建構(gòu)？如圖1所示的教學(xué)設(shè)計思路在高中化學(xué)教學(xué)中具有一定的普適性。教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材內(nèi)容確定學(xué)習(xí)主題，通過學(xué)情分析初步了解學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)，再通過情境創(chuàng)設(shè)、自主探究和合作探究進(jìn)行個人知識建構(gòu)和協(xié)作知識建構(gòu)產(chǎn)生新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過知識遷移完善知識結(jié)構(gòu)，最終在總結(jié)和評價中形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

（二）關(guān)于“問題解決”教學(xué)

經(jīng)驗(yàn)課程觀指出教育即生長，教育是在經(jīng)驗(yàn)中不斷地發(fā)展的過程，同時提出“問題解決”的流程：問題情境→明確問題→提出假設(shè)→推理→驗(yàn)證[3]。張麗華認(rèn)為有效的教學(xué)策略往往是從問題開始，將化學(xué)知識融于問題情境中，激發(fā)學(xué)生的思維活動[4]。在國內(nèi)外，“問題解決”教學(xué)被廣泛的研究，其不僅可以提高課堂效率，也能夠培養(yǎng)學(xué)生問題解決的能力，提升核心素養(yǎng)。

“問題解決”教學(xué)應(yīng)基于真實(shí)情境，教師通過核心問題的設(shè)計，層層剖析，形成問題鏈，同時每個問題都有相對應(yīng)的情境和活動，引導(dǎo)學(xué)生深度參與教學(xué)過程，從而解決核心問題，并通過總結(jié)、反思，形成問題解決的模型，最終實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的提升，具體流程如圖2所示。

“知識建構(gòu)”和“問題解決”教學(xué)都含有情境的創(chuàng)設(shè)、活動的設(shè)計、知識的應(yīng)用。問題的提出和解決，思維模型的形成，二者從本質(zhì)上來說是相輔相成、不可割裂的，即在問題解決中進(jìn)行知識建構(gòu)，在知識建構(gòu)中解決問題。本文以“探究Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應(yīng)”為探究素材，基于“知識建構(gòu)”和“問題解決”教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生采用多樣化的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

二、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

本節(jié)課通過對核心問題“探究Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應(yīng)”的討論，建立研究陌生鹽化學(xué)性質(zhì)及其反應(yīng)的一般思路。通過核心問題的拆解，設(shè)計層層遞進(jìn)的“小”問題，融入不同的“小”情境和“小”活動中，發(fā)揮學(xué)生課堂主體性，結(jié)合元素化合物、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理及實(shí)驗(yàn)探究等進(jìn)行知識建構(gòu)，突出高階思維和核心素養(yǎng)的培育。據(jù)此，將本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)定為：

（1）以Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液為物質(zhì)載體，復(fù)習(xí)根據(jù)微粒種類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)間反應(yīng)的類型，培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念”素養(yǎng)。

（2）依據(jù)化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)及理想體系和實(shí)際體系的互相轉(zhuǎn)化，拓展對實(shí)驗(yàn)探究原理的分析視角及問題解決路徑，建構(gòu)實(shí)驗(yàn)探究的思維模型和問題解決模型，培養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

（3）從內(nèi)因、外因討論影響反應(yīng)的因素，進(jìn)一步提升問題解決及思維模型建構(gòu)的能力，基于“控制變量法”設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)。

三、教學(xué)流程

本節(jié)課的教學(xué)流程如圖3所示。

四、教學(xué)過程

（一）預(yù)測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應(yīng)，初步建構(gòu)研究陌生鹽化學(xué)性質(zhì)的一般思路

此環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生初步建構(gòu)研究陌生鹽化學(xué)性質(zhì)的一般思路：物質(zhì)組成→微粒種類→微粒性質(zhì)→預(yù)測反應(yīng)類型。在研究的一般思路流程中滲透預(yù)測微粒性質(zhì)的角度：價態(tài)規(guī)律、鹽類通性和物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

[教師]近幾年的高考實(shí)驗(yàn)題多是實(shí)驗(yàn)探究題，因此實(shí)驗(yàn)探究題型是高考中熱點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)題型，下面以“探究CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應(yīng)”為例，基于知識建構(gòu)與問題解決突破實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)。

[布置任務(wù)]根據(jù)所學(xué)知識，預(yù)測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液具有的化學(xué)性質(zhì)。

[學(xué)生1]CuSO4與Na2S2O3主要參與反應(yīng)的微粒為Cu2+和S2O32-。從價態(tài)規(guī)律和鹽類通性可知Cu2+具有氧化性、可生成沉淀、可水解、可絡(luò)合等性質(zhì)；S2O32-具有還原性、遇酸歧化、可水解等性質(zhì)。

[學(xué)生2]SCN-中的S原子具有配位能力等，因此S2O32-中的端原子S應(yīng)該也具有配位能力，S2O32-還具有絡(luò)合性。

[教師點(diǎn)評]兩位同學(xué)從微粒的視角結(jié)合價態(tài)規(guī)律、鹽類通性和物質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液可能具有的化學(xué)性質(zhì)。那么二者混合會發(fā)生什么樣的反應(yīng)？帶著這一問題進(jìn)行下一環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。

（二）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應(yīng)，將復(fù)雜的實(shí)際體系轉(zhuǎn)化為理想體系進(jìn)行研究

在復(fù)雜的實(shí)際體系中，存在多個反應(yīng)的競爭，為了研究某個具體反應(yīng)，可將復(fù)雜的實(shí)際體系轉(zhuǎn)化為理想體系進(jìn)行研究，從而避免其他反應(yīng)對研究對象的干擾。

[教師]將2 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液逐滴滴入1 mL 1 mol·L-1 CuSO4 溶液中，溶液先變?yōu)榫G色，后逐漸變淺至無色，長時間靜置無變化。結(jié)合已學(xué)的知識，小組討論并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

[學(xué)生1]先發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，后發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

[教師]所涉及的化學(xué)知識是什么？

[學(xué)生2]動力學(xué)，絡(luò)合反應(yīng)速率大于氧化還原反應(yīng)速率；熱力學(xué)，絡(luò)合反應(yīng)平衡常數(shù)小于氧化還原反應(yīng)平衡常數(shù)。

[教師點(diǎn)評]微粒之間可能發(fā)生多個反應(yīng)，這些反應(yīng)在體系中存在競爭關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合動力學(xué)和熱力學(xué)知識可以分析出反應(yīng)的主次和傾向。

（三）影響Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液反應(yīng)的因素，通過個人建構(gòu)和協(xié)作建構(gòu)形成知識建構(gòu)模型和問題解決模型

此環(huán)節(jié)是本節(jié)課的難點(diǎn)。通過設(shè)計“小”問題，創(chuàng)設(shè)“小”情境和“小”活動，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究的一般思路、控制變量法、熱力學(xué)和動力學(xué)相關(guān)知識探討Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液反應(yīng)的影響因素。幫助學(xué)生通過個人建構(gòu)和協(xié)作建構(gòu)形成知識建構(gòu)模型和問題解決模型。

[教師]該體系存在多個反應(yīng)競爭，影響反應(yīng)競爭的因素有哪些？

[學(xué)生1]二者的濃度關(guān)系、溫度。

[教師]很好。影響二者反應(yīng)競爭的因素，可以從什么視角進(jìn)行有序地討論？

[學(xué)生2]化學(xué)反應(yīng)原理中影響速率和平衡的因素。

[教師追問]很好。學(xué)生1所說的濃度、溫度因素均能影響速率和平衡移動，那你還有其它補(bǔ)充嗎？

[學(xué)生2]學(xué)生1所說的均是影響速率和平衡的外因，我認(rèn)為還有內(nèi)因。例如，Cu（Ⅱ）鹽中的陰離子種類對速率和平衡的影響。

[教師點(diǎn)評]分別選取兩位同學(xué)，關(guān)于影響反應(yīng)因素中的濃度關(guān)系和Cu（Ⅱ）鹽中不同的陰離子種類進(jìn)行討論。

[布置任務(wù)]設(shè)計不同濃度的CuSO4溶液與Na2S2O3溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，小組內(nèi)討論，填寫學(xué)案。

[學(xué)生3]分別將0.5 mL、1 mL和2 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液逐滴滴入1 mL 1 mol·L-1 CuSO4 溶液中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[學(xué)生4]學(xué)生3應(yīng)分別加1.5 mL、1 mL和0 mL蒸餾水保證溶液總體積不變，控制單一變量，便于實(shí)驗(yàn)觀察和得出結(jié)論。

[教師]在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時，要學(xué)會應(yīng)用控制變量法，使得研究更有目的性。通過分析三組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得出什么結(jié)論？

[學(xué)生4]隨著n（Cu2+）∶n（S2O32-）的增大，二者發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的趨勢減弱，發(fā)生氧化還原反應(yīng)的趨勢增強(qiáng)。

[教師]還要進(jìn)一步研究Cu（Ⅱ）鹽中的陰離子種類對反應(yīng)的影響，將第二組實(shí)驗(yàn)中的CuSO4溶液替換成CuCl2溶液，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同實(shí)驗(yàn)2，靜置后很快出現(xiàn)白色沉淀，溶液顏色進(jìn)一步變淺。根據(jù)所學(xué)的知識，可以得出什么結(jié)論？

[學(xué)生5]Cu（Ⅱ）鹽中的陰離子為Cl-時，能增大Cu2+與S2O32-發(fā)生氧化還原反應(yīng)的趨勢。

[學(xué)生6]Cu+與Cl-生成沉淀的速率大于Cu+與S2O32-發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的速率。

[教師]往白色沉淀中繼續(xù)滴加1 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液，發(fā)現(xiàn)白色沉淀溶解。

[學(xué)生7]CuCl（s） ? Cu+ （aq） + Cl? （aq），滴加Na2S2O3溶液后，S2O32-與Cu+形成絡(luò)合離子[Cu（S2O3）2]3-，c（Cu+）濃度降低，使平衡正向移動，沉淀溶解。

[教師追問]為什么之前滴加Na2S2O3溶液，白色沉淀不溶解，而現(xiàn)在溶解了？

[學(xué)生8]Cu+與Cl-生成沉淀的速率和Cu+與S2O32-發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的速率與離子濃度有關(guān)。

[教師點(diǎn)評]通過對影響反應(yīng)速率與平衡的因素進(jìn)行分析，進(jìn)一步深入理解了動力學(xué)和熱力學(xué)對于化學(xué)反應(yīng)的影響。

五、教學(xué)反思

（一）基于知識建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計，形成對探究實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性認(rèn)識

通過對Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應(yīng)探究，幫助學(xué)生形成了從微粒性質(zhì)到物質(zhì)反應(yīng)，從單一體系到復(fù)雜體系，再到單一體系及研究陌生鹽反應(yīng)的一般思路。本節(jié)課的知識建構(gòu)符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)尋找可提升空間，幫助學(xué)生進(jìn)行自我建構(gòu)和協(xié)作建構(gòu)，建構(gòu)可遷移的模型。

（二）基于問題解決的教學(xué)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

實(shí)施深度學(xué)習(xí)需要教師充分挖掘承載核心知識的問題或任務(wù)，在教師的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)知識、方法、觀念、能力等各維度緊密結(jié)合、建立解決問題的思路方法[5]?；谡鎸?shí)情境設(shè)計層階性的探究問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的知識進(jìn)行發(fā)散性思考，踴躍參與課堂的討論及問題解決。通過問題提出、問題解決及對問題的反思，形成問題解決的一般邏輯思路，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從知識體系形成、問題解決能力提升到核心素養(yǎng)培育的轉(zhuǎn)化。

（三）基于實(shí)際研究的教學(xué)設(shè)計，提升學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的理解

基于實(shí)際研究的教學(xué)設(shè)計，教會學(xué)生如何在陌生情境中知識學(xué)習(xí)和問題解決，同時能夠提升學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的理解。當(dāng)學(xué)生達(dá)到對學(xué)科知識的深度理解時，初步培養(yǎng)了學(xué)生終身學(xué)習(xí)的意識和能力，距離實(shí)現(xiàn)教師的教育理想——“教是為了不教”更進(jìn)一步。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：74.

[2]鐘志賢.知識建構(gòu)、學(xué)習(xí)共同體與互動概念的理解[J].電化教育研究，2005（11）：20-24.

[3]約翰·杜威.我們?nèi)绾嗡季S[M].伍中友，譯.北京：新華出版社，2010：179-186.

[4]張麗華.提升學(xué)生化學(xué)高階思維能力發(fā)展的教學(xué)研究：以“鎂與海水提鎂”教學(xué)為例[J].中小學(xué)教學(xué)研究，2020（5）：43-47.

[5]覃玉嫻，展軍顏，徐星.高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究問題解決困難成因及對策探討[J].中小學(xué)教學(xué)研究，2019（10）：36-40.

（責(zé)任編輯：姜顯光）