基于知識建構與問題解決的高中化學教學實踐

陳永安

摘 要 基于真實情境下的知識建構和問題解決的教學方式，在發(fā)揮學生課堂主體性、培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)方面有著較好的效果。以探究實驗“Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應”為例，幫助學生進行知識建構，實現(xiàn)從化學學科知識向化學學科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變，為相關的研究提供案例支持。

關鍵詞 高中化學 知識建構 問題解決 實驗探究 教學設計

一、設計背景

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展是一個自我建構、不斷提升的過程，教師要緊緊圍繞化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)，引導學生積極地開展建構學習、探究學習和問題解決學習，促進學生化學學習方式的轉(zhuǎn)變[1]。要發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，促進學生學習方式的改變，必須轉(zhuǎn)變課堂教學方式，注重真實情境、活動和問題解決的整體設計，引導學生自主建構，充分地認識到化學的獨特價值，增進對化學學科的理解。因此，基于知識建構和問題解決的課堂教學方式需要在教學實踐中探索。

（一）關于“知識建構”教學

知識建構的理論基礎是“建構主義理論”，強調(diào)課程內(nèi)容的意義建構，注重在情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。在整個教學過程中，學生是課堂教學的主體，是知識和認知的建構者，課堂從以往的“教學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W”。鐘志賢認為知識的建構包括個體建構和協(xié)作建構，二者相輔相成才能夠使知識建構更加完整和豐富[2]。

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

（二）關于“問題解決”教學

經(jīng)驗課程觀指出教育即生長，教育是在經(jīng)驗中不斷地發(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→推理→驗證[3]。張麗華認為有效的教學策略往往是從問題開始，將化學知識融于問題情境中，激發(fā)學生的思維活動[4]。在國內(nèi)外，“問題解決”教學被廣泛的研究，其不僅可以提高課堂效率，也能夠培養(yǎng)學生問題解決的能力，提升核心素養(yǎng)。

“問題解決”教學應基于真實情境，教師通過核心問題的設計，層層剖析，形成問題鏈，同時每個問題都有相對應的情境和活動，引導學生深度參與教學過程，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，最終實現(xiàn)核心素養(yǎng)的提升，具體流程如圖2所示。

“知識建構”和“問題解決”教學都含有情境的創(chuàng)設、活動的設計、知識的應用。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，即在問題解決中進行知識建構，在知識建構中解決問題。本文以“探究Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應”為探究素材，基于“知識建構”和“問題解決”教學方法，引導學生采用多樣化的方式進行學習，促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變。

二、教學目標設計

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

（1）以Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液為物質(zhì)載體，復習根據(jù)微粒種類及結(jié)構特點預測物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)間反應的類型，培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念”素養(yǎng)。

（2）依據(jù)化學熱力學、化學動力學及理想體系和實際體系的互相轉(zhuǎn)化，拓展對實驗探究原理的分析視角及問題解決路徑，建構實驗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)推理與模型認知”素養(yǎng)。

（3）從內(nèi)因、外因討論影響反應的因素，進一步提升問題解決及思維模型建構的能力，基于“控制變量法”設計實驗方案，發(fā)展“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)。

三、教學流程

本節(jié)課的教學流程如圖3所示。

四、教學過程

（一）預測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應，初步建構研究陌生鹽化學性質(zhì)的一般思路

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

[教師]近幾年的高考實驗題多是實驗探究題，因此實驗探究題型是高考中熱點的實驗題型，下面以“探究CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應”為例，基于知識建構與問題解決突破實驗難點。

[布置任務]根據(jù)所學知識，預測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液具有的化學性質(zhì)。

[學生1]CuSO4與Na2S2O3主要參與反應的微粒為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、可絡合等性質(zhì)；S2O32-具有還原性、遇酸歧化、可水解等性質(zhì)。

[學生2]SCN-中的S原子具有配位能力等，因此S2O32-中的端原子S應該也具有配位能力，S2O32-還具有絡合性。

[教師點評]兩位同學從微粒的視角結(jié)合價態(tài)規(guī)律、鹽類通性和物質(zhì)結(jié)構預測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液可能具有的化學性質(zhì)。那么二者混合會發(fā)生什么樣的反應？帶著這一問題進行下一環(huán)節(jié)學習。

（二）實驗驗證CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應，將復雜的實際體系轉(zhuǎn)化為理想體系進行研究

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

[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)合已學的知識，小組討論并得出實驗結(jié)論。

[學生1]先發(fā)生絡合反應，后發(fā)生氧化還原反應。

[教師]所涉及的化學知識是什么？

[學生2]動力學，絡合反應速率大于氧化還原反應速率；熱力學，絡合反應平衡常數(shù)小于氧化還原反應平衡常數(shù)。

[教師點評]微粒之間可能發(fā)生多個反應，這些反應在體系中存在競爭關系，通過實驗現(xiàn)象結(jié)合動力學和熱力學知識可以分析出反應的主次和傾向。

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

此環(huán)節(jié)是本節(jié)課的難點。通過設計“小”問題，創(chuàng)設“小”情境和“小”活動，結(jié)合實驗研究的一般思路、控制變量法、熱力學和動力學相關知識探討Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液反應的影響因素。幫助學生通過個人建構和協(xié)作建構形成知識建構模型和問題解決模型。

[教師]該體系存在多個反應競爭，影響反應競爭的因素有哪些？

[學生1]二者的濃度關系、溫度。

[教師]很好。影響二者反應競爭的因素，可以從什么視角進行有序地討論？

[學生2]化學反應原理中影響速率和平衡的因素。

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

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

[教師點評]分別選取兩位同學，關于影響反應因素中的濃度關系和Cu（Ⅱ）鹽中不同的陰離子種類進行討論。

[布置任務]設計不同濃度的CuSO4溶液與Na2S2O3溶液反應實驗，小組內(nèi)討論，填寫學案。

[學生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，觀察實驗現(xiàn)象。

[學生4]學生3應分別加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，便于實驗觀察和得出結(jié)論。

[教師]在進行實驗探究時，要學會應用控制變量法，使得研究更有目的性。通過分析三組實驗現(xiàn)象可得出什么結(jié)論？

[學生4]隨著n（Cu2+）∶n（S2O32-）的增大，二者發(fā)生絡合反應的趨勢減弱，發(fā)生氧化還原反應的趨勢增強。

[教師]還要進一步研究Cu（Ⅱ）鹽中的陰離子種類對反應的影響，將第二組實驗中的CuSO4溶液替換成CuCl2溶液，實驗現(xiàn)象同實驗2，靜置后很快出現(xiàn)白色沉淀，溶液顏色進一步變淺。根據(jù)所學的知識，可以得出什么結(jié)論？

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

[學生6]Cu+與Cl-生成沉淀的速率大于Cu+與S2O32-發(fā)生絡合反應的速率。

[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。

[學生7]CuCl（s） ? Cu+ （aq） + Cl? （aq），滴加Na2S2O3溶液后，S2O32-與Cu+形成絡合離子[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？

[學生8]Cu+與Cl-生成沉淀的速率和Cu+與S2O32-發(fā)生絡合反應的速率與離子濃度有關。

[教師點評]通過對影響反應速率與平衡的因素進行分析，進一步深入理解了動力學和熱力學對于化學反應的影響。

五、教學反思

（一）基于知識建構的教學設計，形成對探究實驗的系統(tǒng)性認識

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

（二）基于問題解決的教學設計，引導學生深度學習

實施深度學習需要教師充分挖掘承載核心知識的問題或任務，在教師的指導下，實現(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]。基于真實情境設計層階性的探究問題，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生綜合運用所學的知識進行發(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，促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變，實現(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）基于實際研究的教學設計，提升學生對化學學科的理解

基于實際研究的教學設計，教會學生如何在陌生情境中知識學習和問題解決，同時能夠提升學生對化學學科的理解。當學生達到對學科知識的深度理解時，初步培養(yǎng)了學生終身學習的意識和能力，距離實現(xiàn)教師的教育理想——“教是為了不教”更進一步。

[參 考 文 獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（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、學習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.提升學生化學高階思維能力發(fā)展的教學研究：以“鎂與海水提鎂”教學為例[J].中小學教學研究，2020（5）：43-47.

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

（責任編輯：姜顯光）