基于課例研究的問題解決課的設計與實施
——以“探究過氧化鈉與水反應的異常現象”為例

◎ 陳 盛

在以培養學生核心素養為目的的教育背景下，問題解決課是一種較為新型且備受關注的課型，其理論依據是由皮亞杰所提出的建構主義思想。問題解決課是圍繞真實情境下的某一問題進行教學，需要學生調取已有的知識進行“問題解決”這一核心活動，強調學生學習的主動性，培養和發展學生的高階思維能力。

一、問題解決課的定義

20 世紀70 年代，蘇聯教育家馬赫穆托夫首先提出了“問題式教學”的理論，他認為問題解決是發展性教學的高級類型，在教學中需要教師系統地創造一些問題，并組織學生為解決教學問題而進行活動，將學生的獨立探索活動與掌握已確立的科學結論最優地結合起來。［1］

梅奧（Mayo）、唐納利（Donnelly）、納什（Nash）等認為問題解決教學是指學生在學習知識和發展問題解決能力的過程中，為他們創造有意義的、情境化的真實世界情境，為他們提供資源，給予指導。［2］

化學學科中的問題解決課是以學生為主體，以教師為主導，圍繞真實情境下的問題而展開，通過小組合作、實驗探究、討論交流等實踐活動，經歷問題解決過程的一種教學課型。不同于化學概念課、物質性質課等其他類別的課型，問題解決課對學生綜合運用知識的能力要求更高，需要調動已有知識體系中與之匹配的知識去解決真實情境下的某一具體問題，在問題解決的過程中落實和發展學科核心素養，提高學生的思維能力。

二、問題解決課的特征

在問題解決課中，學生通過教師的引導，對真實情境下的問題進行思考、探究并最終解決問題，屬于一種創造性的學習過程。這種學習模式最早來源于著名教育家蘇格拉底自創的“產婆術”。他在這種教學法中主張教師問、學生答，在不斷提問和回答的過程中啟發學生的思維，引導學生不斷思考，最終獲得解決問題的答案。

1956 年，美國教育學家布魯姆提出教育目標分類學，將思維過程劃分為記憶、理解、應用、分析、評價、創造這六個層次（見圖1），前三個層次稱為低階思維，后三個層次稱為高階思維。在問題解決的過程中，學生對情境中的問題進行分析，綜合已有的知識進行問題解決，通過評價反思判斷問題是否得以解決，最后提出問題解決的方案，其思維過程符合布魯姆目標分類學中對高階思維的劃分。

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020年修訂）》中提出：學生化學核心素養的發展是一個自我建構、不斷提升的過程。教師要緊緊圍繞化學核心素養發展的關鍵環節，引導學生積極開展建構學習、探究學習和問題解決學習，促進學生化學學習方式的轉變。［3］因此，問題解決課的課型特點在于注重創設真實情境下的問題，注重學生采取實驗探究等多樣化方式解決問題的能力，注重學生間合作學習的方式，以此培養學生的問題意識和探索精神，在實踐中發現并解決問題，發展學生的高階思維能力。

三、問題解決課的一般模型

問題解決課包含了四個主要環節：發現問題、理解問題、解決問題、評價反思。其一般模型如圖2 所示。

圖2 問題解決課的一般模型

（一）發現問題

發現問題是問題解決課的開端，是指學生在教師創設的真實情境中發現存在某種問題需要被解決的感知狀態。當學生意識到問題的存在并激活對問題的表征后，才能進行接下來一系列圍繞問題解決的思維活動與實踐活動。

（二）理解問題

理解問題是學生激活對問題的表征后，分析問題產生的原因，可以通過小組交流討論的形式，理解問題背后所涉及的化學原理，為后續解決問題作鋪墊。

（三）解決問題

解決問題是問題解決課的核心環節，需要學生在明確問題的基礎上，通過調取認知體系中與之匹配的知識進行方案的設計或選擇合適的問題解決方案，并通過實驗探究等實踐活動解決問題。

（四）評價反思

評價反思是問題解決課的最后一個環節，在解決問題后需要對結果和過程進行評價，判斷問題是否被成功解決。如果問題沒有得到解決，則需要對之前的環節進行反思并修正解決方案，使問題得以成功解決。

四、問題解決課教學案例設計

（一）教學設計思路

通過“過氧化鈉性質”（第1 課時）的教學，學生已經掌握了“過氧化鈉與水反應會生成氫氧化鈉與氧氣”這一性質。本節課以驗證過氧化鈉與水反應的產物為出發點，利用帶火星的木條檢驗氧氣，滴加酚酞檢驗氫氧化鈉進行實驗探究，通過發現滴有酚酞的溶液先變紅后褪色這一異常現象提出問題，通過分組討論、實驗驗證，理解異常現象產生的原因，設計并評價減緩酚酞褪色時間的方案。

（二）教學流程

本節課依據問題解決課的一般模型進行設計，具體流程如圖3 所示。

圖3 本課教學流程

1. 環節一：實驗驗證，發現問題

通過復習回顧過氧化鈉與水的反應，學生思考如何設計實驗來檢驗該反應的產物——NaOH 和O2。學生根據NaOH 能使指示劑變色，O2能使帶火星的木條復燃等性質對實驗進行設計。教師通過學生設計的實驗方案進行實驗驗證：取1g Na2O2于試管中，滴加2.5 mL 的水，通過熱成像發現該反應是放熱反應，用帶火星的木條深入試管，木條復燃證明有氧氣生成，滴加酚酞發現溶液先變紅后褪色。由此，學生發現問題：Na2O2與水反應生成了NaOH，但為什么酚酞變紅后又褪色了？

【設計意圖】問題解決課的開端通過學生設計實驗對過氧化鈉與水反應的產物進行檢驗，從而發現實驗中酚酞先變紅后褪色的異常現象，由此引發學生的認知沖突，激發學生的求知欲和探索欲，創設一個真實有效的問題情境。

2. 環節二：提出假設，理解問題

為什么在實驗中會產生異常現象？教師引導學生結合反應的特點和學案上的資料（過氧化鈉與水的分步反應）提出實驗過程中產生異常現象的假設，并讓學生根據假設分組設計實驗并驗證假設，得出結論（見表1）。

表1 學生根據溶液褪色提出的不同假設、實驗方案和結論

針對這一結果需要進一步探究，究竟是假設3 成立還是假設4 成立。教師提示學生閱讀學案中酚酞顯色的原理（見圖4），學生發現酚酞顯色的過程存在平衡移動，由此提出設想：如果假設3 成立，那么向褪色后的溶液中滴入酸，可以使平衡逆向移動，重新變為紅色。

圖4 酚酞顯色的原理

為驗證假設，學生取之前計算過的10 mol·L-1的NaOH 溶液并向其中滴加酚酞，酚酞褪色，向褪色后的溶液中逐滴加入稀鹽酸，溶液重新變為紅色，驗證酚酞顯色存在平衡移動。再向過氧化鈉與水反應后酚酞褪色的溶液中逐滴加入稀鹽酸，發現溶液并沒有重新變為紅色，說明NaOH 的濃度并非溶液褪色的主要原因，因此假設3 不成立。

為了驗證假設4 的成立，教師通過DIS 實驗檢驗過氧化鈉與水反應有中間產物過氧化氫生成。如圖5 所示，將三頸燒瓶夾持在磁力攪拌儀上，并分別插入恒壓滴液漏斗、氧氣傳感器、裝有MnO2的氣球，向三頸燒瓶中加入過氧化鈉和磁子，打開恒壓滴液漏斗活塞，讓蒸餾水進入三頸燒瓶中并開啟磁力攪拌儀，通過數據采集軟件發現有氧氣生成，但隨著反應的進行，氧氣生成的速率逐漸降低，此時將氣球中的MnO2擠入三頸燒瓶中，氧氣生成的速率又迅速增大（見圖6），說明的確有中間產物過氧化氫生成。

圖5 驗證過氧化氫產生的DIS 裝置圖

圖6 裝置中氧氣的含量變化

【設計意圖】為了使學生理解問題產生的原因，為后續問題解決作鋪墊，教師從多角度引導學生提出不同的假設，鼓勵學生設計實驗并驗證假設，最終找到異常現象產生的原因是過氧化鈉與水反應產生了中間產物過氧化氫，并通過實驗對中間產物過氧化氫加以驗證。學生在提出假設并設計實驗的過程中，需要將認知體系中與之匹配的知識進行綜合應用，在過程中發展高階思維。

3. 環節三：設計方案，解決問題

如何設計改進方案減緩過氧化鈉與水反應后的溶液中滴加酚酞褪色的時間？由于過氧化鈉與水反應后的溶液使酚酞褪色的原因較為復雜，學生綜合先前討論的結果，從控制氫氧化鈉濃度、減少過氧化氫殘留等角度進行了方案的改進：根據理論計算，確定Na2O2的用量，通過稱量1.56 g Na2O2并用20 mL 蒸餾水進行溶解，最終能得到2 mol·L-1NaOH 溶液，減小NaOH 濃度對酚酞褪色的影響；當Na2O2溶解完后向溶液中加入少量MnO2，加快溶液中殘留H2O2的分解，待溶液不產生氣泡后進行過濾，得到清液后再滴加酚酞試液。

【設計意圖】在理解問題的基礎上，教師可以逐步引導學生進行問題解決。由于在該實驗中酚酞褪色受到了NaOH 濃度、中間產物過氧化氫等因素的影響，學生需要尋找降低NaOH 濃度、減少中間產物過氧化氫殘留的方案，在問題解決中增長化學知識與技能，發展解決問題的能力。

4. 環節四：驗證方案，評價反思

學生通過設計對比實驗，對三組溶液滴加2 滴酚酞后褪色的時間進行記錄（見表2），驗證改進實驗的效果。

表2 不同組別溶液中酚酞褪色的時間

由表2 可以看出，通過減少NaOH 濃度、減少H2O2殘留的改進方案有效減緩了過氧化鈉與水反應后的溶液中滴加酚酞褪色的時間。最后教師進行總結并布置衍生作業：進一步設計方案，比一比哪個小組能讓過氧化鈉與水反應中酚酞顯色的時間更持久。

【設計意圖】通過對比實驗，驗證學生設計的方案是否實現問題的解決。教師在最后進行衍生作業的布置，通過構建多元化的評價方式，發揮學生的學習自主性，充分調動學生進一步思考和探索的積極性，從而促進化學思維能力的發展。

五、問題解決課的教學設計反思

（一）創設真實有效的問題情境，開拓學生思維

對于問題情境的創設，教師要遵循目的性、驅動性、切實性等原則激發學生的求知欲、探索欲，從而助力問題的解決。

目的性原則即問題情境的創設是否有利于實現教學目的。例如，教師在進行“海帶提碘”的教學時，可以根據我國碘資源的分布作為情境，提出如何提取碘的問題，引導學生在情境中思考并解決問題，在思考和探究的過程中實現教學目標。

驅動性原則即問題的設計需要對學生的思考和探究具有啟發和誘導的作用，通過驅動性的問題讓學生受到啟發并思考，為最終解決問題做好鋪墊。例如，教師在進行“硫酸亞鐵溶液制備”的教學時，可以從自來水配制硫酸亞鐵溶液時加入亞鐵氰化鉀會產生普魯士藍的現象出發，提出自來水使亞鐵離子變成了什么、是否能夠除去水中的溶解氧、如何配制硫酸亞鐵溶液并延緩Fe2+氧化等一系列問題引導學生探究配制硫酸亞鐵溶液的方法。

切實性原則即問題的設計要做到理論與實踐相結合，既要使情境貼合實際生活，又要與學生已有的認知進行匹配，從而幫助學生基于已有的知識體系生成問題解決方案。例如，“海帶提碘”一課中需要學生結合氧化還原反應的原理、化工產品的價格等因素分析比較使用氯氣、過氧化氫等不同氧化劑的優缺點。

（二）充分關注問題解決，引發高階思維碰撞

學習的最終目的不是為了獲得一堆事實性的知識，而是面對身處的社會環境，利用所學知識分析問題、解決問題。［4］在問題解決課中，教師應圍繞問題解決這一核心環節，創設具有挑戰性的學習活動，積極引導學生進行自主思考，將已有的知識遷移到新情境的問題中，并達成問題解決的最終目的。在解決問題的過程中，通過問題分析、方案設計、實驗探究等學習活動，能有效培養和發展學生的高階思維。

（三）構建多元化的評價方式，培養學生的核心素養

在問題解決課中，教師應積極構建多元化的評價方式，充分發揮學生的學習自主性，充分調動學生參與到問題解決課中的積極性和主動性。針對學生提出的不同想法和思路，教師應予以評價，引導學生不斷修訂、完善自己的思路和方案。教師在課后也可以布置相關的探究活動，比如在“原電池”的教學后，可以給定相關的實驗器材、藥品，讓學生設計不同的原電池方案，比一比誰的小燈泡亮得更持久。通過對問題進行拓展衍生，讓學生的化學核心素養在問題的探究中落地生根。