指向化學高階思維能力培養的問題設計及實施策略

文∣歐陽志斌 鄭璇 張賢金 何雷玉

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》倡導圍繞“問題解決”展開化學課堂教學，讓學生在問題解決學習中經歷化學學科思維發展的過程，轉變化學學習方式，發展化學高階思維能力。問題設計作為問題解決教學的基礎，是走向深度學習的關鍵、培育學生化學學科核心素養的重要途徑。問題設計是指圍繞學科基本概念和基本原理而進行的學習任務設計，它通常是通過問題的形式來組織教學內容，給學生設置一種真實而復雜、富有挑戰性和極具吸引力的學習任務[1][2]，以學習任務驅動學生自主或通過合作的形式,綜合運用所學知識去分析問題、設計問題解決的方案、尋找有效的證據，并基于證據得出結論，最終完成學習任務。學生真實經歷以上過程，高階思維能力就自然形成了。

要發展學生的化學高階思維能力，就必須設計高質量的化學問題，因為只有高質量的化學問題才能激發學生的學習興趣和求知欲，促使學生進行有意義的深度思考。[3]高質量的化學問題應該具有邏輯性，即讓學生分析問題蘊含的化學知識，厘清化學知識的內在邏輯，深入理解化學學科規律和原理，在統整所提示信息的基礎上加以分析、推理、提煉，進而領悟化學問題的本質。高質量的化學問題應該具有思辨性，即學生在分析和解決問題的過程中敢于質疑和評價。高質量的化學問題要有啟發性，即設計的問題能夠讓學生厘清化學知識間的邏輯，啟發學生理性地分析問題的本質特征，從而形成問題解決的角度、思路和方法。高質量的化學問題應該是開放性的問題，即問題的解決方案不唯一，它能引領學生積極思考、自主探究，發散思維，在問題解決中誘發高階思維。

一、問題設計的原則

如今，教與學的活動中有利于學生化學高階思維能力發展的具身性、開放性、進階性、批判性問題偏少，評價性、創造性的化學問題更是少之又少。[4]以高階思維引領化學問題的設計，需要教師思考“設計什么問題”“怎樣設計問題”,才能激發學生學習化學的內驅力，引發學生的深度思考，轉變化學學習方式，提高問題解決能力。

(一)創設問題情境，激發學習內驅力

問題解決教學中的化學問題應該具有情境性，化學問題的設計需要密切聯系學生的日常生活實際。把日常的生產實際和生活經驗創設為內含化學問題的真實情境，激發學生學習化學的內驅力，如此一來，學生就會持續主動地搜集證據、整理過程、做出解釋或參與評價。來自日常的生產、生活經驗的化學問題必須契合學生的認知發展水平，有利于刺激學生運用所學的學科知識(甚至是跨學科知識)和生活經驗解決生產、生活中的化學問題，進而喜歡化學學科，乃至選考化學，甚至終身從事與化學相關的職業。[5]

(二)重視梯度設計，引發深度學習

教師在進行課堂教學設計時應重視問題的梯度設計。如果對化學問題進行梯度設計，就要設計問題鏈，問題鏈是在一個大情境下引導思維由淺入深，由層層遞進的小問題組成問題集合體，注重問題設計的梯度性和整體性，促使學生學會自主調用已有知識和經驗，進行動態多維度探析與化學有關的實際問題。它注重以“鏈”的形式驅動學生對問題進行深層思考，逐步把學生的思維由低階引向高階，從而完成學習任務。它能幫助學生更好地解構化學學科知識，然后在理解的基礎上進行學科知識的重構，有利于學生進行深度學習。以“問題鏈”承載的課堂教學不僅要關注化學知識的結構化，更要關注認識思路的結構化和核心觀念的結構化。因此，“問題鏈”推薦采取“由簡到繁”“由單一到綜合”的方式進行梯度設計，讓學生能夠拾級而上，不斷打開思路，實現由“學會”到“會學”的螺旋上升。

(三)改進學習路徑，轉變學習方式

教師在設計問題時應遵循學生的認知發展和課標要求，從學生的生活經驗和發展需要出發，探索改進學習路徑，促進學生自主學習、合作學習、探究學習，讓學生樂于、勤于、善于進行學科實踐活動。問題設計需要反映不同思維水平的學習進階，使學生的思維發展演變成一種由低階向高階的動態過程。教師要緊緊圍繞化學學科核心素養發展的關鍵環節，將問題設置在學科知識的生長點或連接點上，使之觸及化學學科思維和方法[6]，以此轉變學生的學習方式。

(四)實施問題探究，提高問題解決能力

把問題的有效性和針對性當作化學高階思維能力發展的出發點，在設計問題時要突出問題的探究性，探究性的問題更有利于學生“科學探究”素養的培養，化學高階思維能力發展基于學生主體參與，設計探究性的問題或任務，驅動學生進行自主探究或合作探究。[7]一是創設認知沖突情境，使學生在積極思維和學科實踐中優化與重塑原有的認知，不斷形成和建構結構化的思維體系；二是提高學生問題解決的能力，培養學生學科實踐能力。倘若學生能夠在問題探究中應用化學高階思維去剖析問題，學生的深度學習行為就產生了，就會提升化學高階思維能力，自然地，學生解決問題的能力就能得到提升。

二、問題設計的關鍵

指向化學高階思維能力培養的教學設計需要優化和改進問題的設計。化學學科核心素養的培養落地更多依賴化學問題的解決，其重點在于促使學生經歷問題解決的過程，讓學生在具身體驗過程中不斷形成和發展化學高階思維能力。

(一)符合學生的認知發展規律

問題設計需要特別關注學生的認知發展規律，情境問題的設計需要貼近學生的日常生活經驗，問題的設計應考慮能否充分激發學生的內驅力。一是設計問題時要從學生的生活經驗中找尋素材，并為學生的問題探究提供資料和信息的支持，不斷啟發學生觀察生活中的化學現象，體會生活中的物質應用，感受現實生活中的學科魅力，體悟學科的社會價值。二是要預設問題解決的過程，引導學生在知識的遷移應用過程中形成結構化的知識體系和有序思維，進而激發學習的興趣。三是要幫助學生找到問題分析與理解的著力點，引導學生通過查閱文獻資料、觀察現象等獲取有用的信息，建立學科知識和學科思維的關聯。總之，要培養學生的化學高階思維能力，就要讓設計的化學問題符合學生的認知發展規律，努力創設貼近學生認知的學習情境，促進學生對化學學科本原的理解。

(二)體現學生對問題的探究過程

化學問題解決是一種體驗性的學習活動，化學問題的設計要充分外顯學生對問題的探究過程，讓學生經歷知識發現和問題解決的過程，并給學生提供充分的時間和空間去認識、去進行學科實踐，確保其體驗新知的生成過程，使學生在問題探究過程中走向深度學習，進而習得學科新知、活躍學科思維。問題解決教學需要學生在對問題的探究過程中進行有意義的知識建構和遷移應用，并上升為學科觀念和思維，這也是培養學生化學高階思維能力的重要方面。因此，教師要把化學學科知識轉化成培養化學高階思維的問題，讓學生在問題解決的過程中領會學科知識的形成和發展。

(三)幫助學生建立解決問題的思路和方法

問題的設計要促使學生形成分析和解決問題的思路和方法，使其建立化學學科認識方式和認識思路。問題設計是從真實情境中抽提出學科問題的過程，設計問題時要考慮將生活世界中的問題轉為化學世界中的問題，學生可以調用生活經驗、應用學科知識解決問題，通過對化學問題的不斷探究，可以激發學生的批判性思維和創新思維。教師在設計問題時要努力培養學生的遷移應用能力，即學生在面對陌生、結構不良而復雜的化學問題時，要能基于化學視角對問題的本質特征進行剖析，不斷探索解決問題的角度、思路和方法，能從學科本質上深刻理解化學學科知識，發展化學高階思維能力。

(四)促進學生在評價中實現思維的進階

根據學情、學業質量標準設計學科問題，并通過評價手段來診斷和外顯學生的認知發展水平和素養層級水平，這是實現“教、學、評”一體化的內在要求。問題的設計要利于考查學生對信息的處理能力和對問題進行表征的能力，要讓學生敢于分享和反思自己的學習成果，鼓勵學生在問題解決過程中提出新的問題，積極探索其他更多的問題解決路徑。培養學生的化學高階思維能力，力求幫助學生形成具備把習得的新知自覺地遷移應用到陌生問題解決的能力，并掌握問題解決的各種策略和方法。教師還應該對學生的思維進行評價，并有意識地對學生的學科思維進行訓練，使學生的學科思維實現由低階到高階的進階。[8]

三、問題設計的實施策略

發展學生的化學高階思維能力，需要教師在課堂教學中幫助學生找到思考、分析和解決化學問題的角度、思路和方法，通過問題的結構化設計，采用提問、追問、針對性的反問等方式外顯學生的思維，使問題探究過程成為自主的、持續的、邏輯性強的和不斷進階的過程，使問題解決學習活動呈現出深刻和積極的思維性。

(一)促進問題探究的自主過程

問題探究緣起認知沖突，為了讓學生對問題產生濃厚的興趣，教師需要創設認知沖突情境，并進行有梯度的問題設計，促使學生產生新的疑問、提出新的問題，從而進行自主學習、主動探究。例如，在進行探究“認識化學平衡常數”問題時，教師可以就以下問題組織學生思考：①化學平衡常數是什么？②化學平衡常數與反應物的起始濃度、反應進行的方向有關嗎？③影響化學平衡常數的因素有哪些？④如何書寫化學平衡常數的表達式？⑤學習化學平衡常數有什么意義？這樣的問題探究能使學生成為主動的學習者。學生通過閱讀教材制作的表格數據，并加以分析、對比、推理，進行深層次的思考，使問題解決的過程成為化學高階思維能力發展的過程。

(二)保持問題探究的持續過程

問題探究應該是一個由低階到高階、由淺層到深層、持續展開的過程，由此形成一個多層次的問題體系。在進行問題探究的思維層次設計中需要涵蓋“三么”要素(即是什么、為什么、怎么樣)，以此引領學生進行循序漸進的、多層次的思考。例如，在探究“原電池的工作原理”時可以設計以下問題：①什么是原電池，原電池的構成條件是什么？②裝置中的電流是怎么產生的，電流的方向如何？③電流的方向與電子流向一樣嗎？④原電池反應與氧化還原反應有什么關聯？⑤如果把銅棒、鋅棒分開放置在不同的燒杯中，還能構成原電池嗎？如何不能，怎么改進？⑥原電池的正、負極必須是活潑性不同的電極嗎？利用以上問題引導學生建立“原電池”的認知模型。這樣，學生在面對陌生的新型原電池，如燃料電池、鋰離子電池時就能基于已建立的認知模型分析其工作原理，并寫出正確的電極反應式，甚至能根據實際需要自主設計或改良化學電源。

(三)厘清問題探究的邏輯過程

問題探究是一個厘清學科知識邏輯的過程，學生通過對問題的探究和解決，提高了遷移應用能力；教師還可以引導學生對問題進行延展，采取問題鏈的設計引發學生深度思考，讓學生經歷問題解決的思維過程，實現“由建構到探究再到建構”的學習進階。例如，在教學“鹽類的水解反應”時，教師可以設計以下問題：①熱的純堿溶液為什么可以除去物品表面的油污？②純堿溶液顯什么性，如何檢測？③純堿在水中并不能電離出氫氧根離子,為什么純堿溶液顯堿性？④鹽類的水解反應的本質是什么？⑤為什么用純堿溶液除油污需要對其加熱，加熱的目的是什么？⑥影響鹽類水解平衡的因素有哪些？⑦你能舉例說明鹽類水解的重要應用嗎？上述問題探究包含學生對認識鹽類水解的規律、本質、影響因素和實際應用等邏輯過程。

(四)規劃問題探究的進階過程

基于“學習進階”理論規劃的問題探究過程，可以讓問題探究的進階過程更有利于發展學生的高階思維能力。教師要設計好問題探究的進階過程，這樣才能使學生的思維更開闊、更發散。問題的進階設計是促進學生高階思維能力發展的關鍵，問題的進階設計能夠外顯學生的學科思維方式，有利于教師適時改進教學方式，調整教學策略。例如，在教學“氧化還原反應”復習課時，教師可以基于氧化還原反應發展史的真實情境下，引導學生探究“氧化還原反應的特征是什么？”“氧化還原反應的本質是什么？”“氧化還原反應的規律有什么？”等問題。針對學生普遍感到困難的問題，如“利用氧化還原反應規律預測反應的產物”“基于氧化還原反應分析原電池、電解池的工作原理，書寫正確的電極反應式”“化學工藝流程圖試題背景下陌生氧化還原反應方程式的書寫”進行合理的問題進階設計。諸如此類的問題進階設計，有利于學生深刻認識氧化還原反應的本質及其重要應用，發展學生的化學高價思維能力。

四、結語

問題設計是問題解決教學的關鍵一環。以化學高階思維引領問題設計可以引發學生的深度學習，發展學生的化學高階思維能力。問題設計的關鍵在于創設真實的問題情境，激發學生學習化學的內驅力，通過問題探究活動引發學生進行有意義的思考，驅動學生進行高水平思維活動，從而不斷提高化學高階思維能力，進而發展化學學科核心素養。總之，教師在進行課堂教學設計時，要堅持以問題為中心，將學科知識設計成高質量的問題或問題鏈，通過學習情境的創設引發學生思考，激發學生的學習興趣，引導學生進行深度學習，不斷形成和發展化學高階思維能力。