基于高階思維培養的高中化學數字化實驗教學實踐研究

摘 要 本研究通過分析當前高中化學教學中存在的問題，提出了以高階思維培養為核心的教學設計思路，系統闡述了高階思維能力培養的路徑和關鍵，并結合數字化實驗進行了具體的課堂教學實踐。結果表明，將數字化教學實驗融入化學課堂教學中能夠有效提高學生的學習興趣和學習效果，使學生的思維從低層次的接受、模仿提升到高層次的分析、評價和創造，從而有效培養學生的問題解決能力和創新思維，提升學生的高階思維能力水平。

關鍵詞 高中化學；高階思維；數字化實驗；教學建議

中圖分類號 G633.8

文獻標識碼 A

文章編號 2095-5995（2024）08-0055-03

一、在高中化學學科教學中培養學生高階思維的必要性

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，重視開展“素養為本”的教學，倡導真實問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力^［1］。《中國高考評價體系》中對關鍵能力歸納為知識獲取能力群、實踐操作能力群和思維認知能力群^［2］。

高中是學生接觸化學學科的重要階段，也是培養學生核心素養的關鍵時期。然而，目前的高中化學教學往往忽視了學生高階思維能力的培養。比如，知識傳授過于注重記憶和應試技巧，缺乏對學生高階思維能力的培養；課堂教學中缺乏實際案例和問題解決的訓練，學生的創新思維和問題解決能力得不到有效培養；學生學習缺乏與現實生活的聯系，對化學知識的興趣和學習動力不足。因此，如何在課堂教學中促進學生的高階思維能力的發展，成為當前高中化學教學亟待解決的問題。

二、在高中化學學科教學中培養學生高階思維的實踐研究

高階思維的培養需要運用高階學習活動方式組織教學。高階學習活動方式主要有以下幾個關鍵點：一是課堂教學中要有情境有任務，通過引入有趣的實驗、案例和問題，激發學生的學習興趣和主動性，營造合作互動的學習環境，這是基于高階思維培養的課堂教學的基礎：二是通過提出開放性問題、開展小組合作學習和討論等方式，引導學生進行高階思維訓練，培養學生的問題解決能力和批判性思維，這是基于高階思維培養的課堂教學的路徑：三是給學生表達和解釋的機會，在表達過程中將自己的思維外顯化，在師生互動和生生互動中提升能力，讓學生將所學的化學知識應用到實際生活中，培養學生的實踐能力和創新思維。^［3］下文以人教版高中化學選擇性必修1《化學反應原理》第三章第四節“沉淀溶解平衡”為例進行說明。

（一）課前準備：細致分析，精心設計

在“沉淀溶解平衡”的教學中，筆者采用了數字化實驗，測定CaC₂O₄固體在溶解過程中的電導率的變化，引導學生認識難溶電解質的溶解平衡，利用電導率探頭能夠快速獲得沉淀溶解的信息。基于發展學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養，應用數字化實驗，能直觀地讓學生認識難溶電解質溶解平衡的建立過程。通過研討，備課組確定本節課的教學設計如下。

1.學情分析

高二學生具有一定的獨立思考、合作探究能力，學生已經系統學習了化學平衡的相關知識，分析和解決水溶液中的平衡問題能力較強，同時掌握了化學實驗的基本操作，但應用化學知識解決實際生產生活中的問題的能力有待提高，對化學學科的社會價值認知不足。

2.教學目標

（1）通過視頻《惹禍的結石》，探究難溶物在水中的溶解情況。

（2）通過測量溶液的電導率，學生能描述溶解平衡建立的過程，初步建立難溶電解質的溶解平衡的認知模型。

（3）通過如何預防腎結石以及利用K_sp定量分析腎結石的形成條件，學生學會用化學知識解決實際問題，感受化學知識的應用價值，體會用理論指導實踐的重要意義。

3.教學重難點

（1）教學重點：通過對CaC₂O₄溶解平衡模型的建立，提高學生對平衡本質的認識水平。

（2）教學難點：通過對K_sp的應用，提高學生解決問題的能力及對化學價值的認識水平。

（二）教學過程：創設情境，設置任務，積極引導

本節課旨在引導學生體會化學理論在生產、生活中的應用，體現化學學科價值。經過備課組集體研討，本課設計了四個教學環節以及四個學習任務。

1.環節一：創設情境，引入新課

教師帶領學生觀看視頻《惹禍的石頭》，讓學生了解喝水少是腎結石形成的原因之一。資料顯示，腎結石的主要成分是CaC₂O₄，含量大于80%，還含有少量的Ca₃（PO₄）₂等其他成分。此時教師提出問題：腎結石在水中的溶解度如何？多喝水為什么能夠預防腎結石？這個環節通過真實問題情境的創設，激發學生的興趣和主動探究的欲望，培養學生應用化學知識解決實際生活中的問題的能力，彰顯化學學科價值。^［4］

2.環節二：提出問題，實驗探究

教師布置學習任務1：探究CaC₂O₄在水中的溶解性，用什么試劑可以檢驗CaC₂O₄在水中是否溶解？學生討論后設計實驗1：利用Na₂CO₃溶液檢驗CaC₂O₄溶解后的鈣離子。學生向CaC₂O₄固體中加入適量的水，充分溶解后靜置，向上層清液中滴加適量Na₂CO₃溶液，觀察實驗現象。教師適當引導，給出資料：電導率是溶液導電能力的標志。一般情況下，溶液離子濃度越大，電導率越高，溶液導電能力越強。通過測量溶液的電導率變化，可以檢驗CaC₂O₄在水中的溶解性。

接下來教師引導學生設計實驗2：測定CaC₂O₄溶于水的電導率。實驗裝置及步驟如下：

（1）實驗裝置

（2）實驗步驟

a.將實驗儀器連接好（如圖1），將程序中的縱坐標設置為電導率探頭，橫坐標設置為時間。

b.向燒杯中注入適量蒸餾水，啟動磁力攪拌器，打開測定按鈕，繪制電導率曲線。

c.20秒時向蒸餾水中加入少量CaC₂O₄粉末。

d.待電導率曲線趨于穩定后，停止實驗。（如圖2）

在這一環節中，教師提出問題，引導學生通過化學實驗來解決問題，提高學生分析問題、解決問題的能力。通過小組討論，設計實驗進行驗證假設，發展學生證據推理與模型認知核心素養。在一般實驗方法無法觀察到明顯化學現象時，教師引導學生利用數字化實驗來探究，將微觀無法觀察到的實驗現象數字化、圖像化，發展學生宏觀辨識與微觀探析核心素養，在對原實驗方案進行分析、評價及新實驗方案的設計中，發展高階思維能力。

3.環節三：建立溶解平衡模型，探究影響因素

根據實驗現象，教師提出問題：溶液電導率為什么會升高？影響電導率的因素有哪些？電導率升高到一定程度趨于穩定的原因是什么？圍繞以上三個問題，學生分小組討論交流，并分享各小組的討論結果。

學生得出結論：（1） CaC₂O₄在水中有一定的溶解度；（2）CaC₂O₄在水中達到飽和狀態；（3）影響電導率的因素有物質本身的性質、溫度等。

此時，教師布置學習任務2：建立溶解平衡模型。類比化學平衡的建立過程，推導溶解平衡的建立過程，歸納總結溶解平衡的特點及影響因素，診斷學生對化學平衡本質的認識水平。

在學生了解沉淀溶解平衡的概念、特點、CaC₂O₄溶解平衡表達式及影響因素后，教師布置學習任務3：利用K_sp與Q_c的關系判斷沉淀的生成與溶解。類比化學平衡常數K，推導K_sp的表達式及影響因素，通過測量升溫后CaC₂O₄飽和溶液的電導率，感受溫度對K_sp的影響，利用K_sp與Q_c的關系判斷沉淀的生成與溶解，診斷學生對化學平衡常數的認識水平，通過不同溫度對比，讓學生感知溫度對難溶電解質溶解平衡的影響，感知K_sp與溫度的關系。

隨后，教師提出問題：如何通過實驗探究溫度對沉淀溶解平衡的影響？學生分組討論，設計實驗3：測定不同溫度下CaC₂O₄溶解的電導率，實驗裝置及實驗步驟如下。

（1）實驗裝置（同實驗1裝置）

（2）實驗步驟

在數字化實驗1的基礎上，將燒杯置于熱水浴中，重復實驗測定CaC₂O₄溶于水的電導率（如圖3），并與實驗1的電導率曲線作對比。

通過直觀的圖像分析，學生得出結論：溫度升高，物質的溶解度增大，K_sp增大。

在這一環節中，通過K_sp與Q_c的大小關系判斷沉淀的生成與轉化的方法，教師引導學生自主建構思維模型，通過分析實驗現象得出結論，進一步培養證據推理與模型認知核心素養。

4.環節四：學以致用

教師布置學習任務4：運用所學內容解決實際生活中的問題。教師可設計如下問題：

（1）為什么多喝水可以預防腎結石？

（2）醫生為什么用5% Na₂SO₄給鋇離子中毒的患者洗胃？

（3）齲齒形成的原因以及含氟牙膏能夠預防齲齒的原因是什么？

在這一環節中，教師引導學生學以致用，將學科知識與實際生產生活聯系起來，不僅可以提高學生學習化學的興趣，更能夠提高學生應用化學知識解決實際問題的能力，培養科學態度與社會責任的核心素養。

四、在高中化學學科教學中培養學生高階思維的教學建議

將基于真實生活中的問題引入課堂可以有效提高學生的學習興趣和學習效果。在解決生活中實際問題的過程中，可以提高學生以高階思維為核心的問題解決能力和批判性思維能力。基于上述討論，筆者有以下建議：

（一）利用真實情境激發高階思維

1.選擇貼近生活的化學現象作為教學案例，讓學生感受化學的實用性，從而激發其好奇心和探究欲。

2.創設問題情境，引導學生分析和解決復雜的化學問題。通過提出具有挑戰性的問題，鼓勵學生運用批判性思維和創新思維尋求多種解決方案。

（二）通過數字化實驗培養高階思維

1.利用數字化實驗設備和技術，讓學生親自操作實驗，觀察化學現象，收集實驗數據，這有助于培養學生的實驗能力和科學探究精神。

2.在數字化實驗過程中，引導學生分析實驗數據，發現規律，得出結論，從而培養學生的分析、綜合和評價等高階思維能力。這些能力是學科核心素養的重要組成部分，對于學生未來的學習和工作具有重要意義。

（解志勇 張林沖，河南省濟源第一中學 ，河南 濟源" 459000）

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）［M］.北京：人民教育出版社，2020：2-5.

［2］ 教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2020：25.

［3］ 楊光明，羅林秀，鄒洪濤.2004—2021年國內高階思維研究評述與未來展望［J］.教育觀察，2022（21）：42-45.

［4］ 劉萍，朱汝葵，陳思靜.“素養為本”的“原電池”教學設計［J］.中學化學教學參考，2021（6）：44-46.

責任編輯：楊 揚

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