通過問題解決提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

徐丹

摘要：嘗試在高三“化學(xué)電源”的復(fù)習(xí)中，構(gòu)建復(fù)習(xí)的問題框架，通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究，解決各個層次的問題，提升解決實際問題的內(nèi)在品質(zhì)，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，同時為高三的復(fù)習(xí)尋求更好的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：高三復(fù)習(xí)課；科學(xué)素養(yǎng)；化學(xué)電源

文章編號：1008-0546（2017）05-0045-04 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.014

新《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“高中化學(xué)課程是科學(xué)教育的重要組成部分， 它對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進學(xué)生全面發(fā)展有著不可替代的作用”的理念，明確把培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)作為核心目標(biāo)，突出對科學(xué)探究、科學(xué)過程、科學(xué)方法的教育要求。而對于高三的學(xué)生來講，由于高中教材的內(nèi)容已經(jīng)講授完，在復(fù)習(xí)的策略上，更側(cè)重于高考考點的分析與解題技巧的講解，大量的題目訓(xùn)練使得學(xué)生感覺高三的復(fù)習(xí)非常的枯燥，機械的應(yīng)付全國各地的真題和模擬卷，讓學(xué)生覺得高三就是在煎熬。學(xué)生只是盲目地在不斷刷題，而輕視了化學(xué)解題過程，沒有形成嚴謹?shù)乃季S習(xí)慣。這與現(xiàn)行高考化學(xué)對學(xué)生的要求也是不符的，現(xiàn)行高考不僅是考查化學(xué)知識，更重要的是檢測考生的化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)。

從科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵出發(fā)，結(jié)合化學(xué)學(xué)科的特點，人們普遍認為化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)是指具有一定結(jié)構(gòu)層次的知識和能力以及解決實際問題的內(nèi)在品質(zhì)。問題解決是通過“問題”來激發(fā)學(xué)生持續(xù)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生不斷經(jīng)歷解決老問題、解決新問題、解決疑難問題和發(fā)現(xiàn)新問題的學(xué)習(xí)循環(huán)，既可提高學(xué)生的復(fù)習(xí)興趣、建構(gòu)合理的知識體系，又能在體驗問題解決的過程中讓學(xué)生形成良好的科學(xué)思維品質(zhì)。通過問題解決體驗科學(xué)探究的方法與技能以及科學(xué)思維尤其是學(xué)生批判性思維的形成，能夠做到在活動中敢于提出質(zhì)疑，勇于發(fā)表自己的見解。

高三一輪復(fù)習(xí)的功能除了喚醒學(xué)生對相應(yīng)知識的回憶外，更重要的是對有關(guān)知識進行重組的基礎(chǔ)上提升綜合應(yīng)用能力[1]。以下是筆者以“化學(xué)電源”高三一輪復(fù)習(xí)課為例，通過完成“轉(zhuǎn)化任務(wù)”、構(gòu)建“問題框架”、運用“思維導(dǎo)圖”的教學(xué)策略復(fù)習(xí)化學(xué)電源知識的實踐研究。

一、 教學(xué)目標(biāo)

1. 構(gòu)建以化學(xué)電源為中心的問題框架，讓學(xué)生在不斷解決問題過程中，增強實際分析、解決問題的能力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)力。

2. 歸納、整理常見化學(xué)電源的種類及電極反應(yīng)式的書寫方法，構(gòu)建合理的知識體系。

3. 體驗以問題系統(tǒng)的高度優(yōu)化為策略，形成嚴謹?shù)乃季S方式，提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

二、 教學(xué)過程

1. 環(huán)節(jié)一：教師給出問題框架，喚醒學(xué)生對相應(yīng)知識的回憶。

課堂上，教師通過手繪問題框架，勾起學(xué)生對化學(xué)電源的主體知識的回憶，為后續(xù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)完善問題框架、優(yōu)化系統(tǒng)問題奠定基礎(chǔ)。

2. 環(huán)節(jié)二：完成轉(zhuǎn)化任務(wù)，自主構(gòu)建完善問題導(dǎo)圖。

學(xué)生自主學(xué)習(xí)教師給出的問題框架，通過小組討論，課堂交流，針對某一化學(xué)問題進行細化、設(shè)置和拓展，豐富問題導(dǎo)圖，把在這一段學(xué)習(xí)中可能出現(xiàn)的問題都盡可能地涵蓋進框圖內(nèi)，形成更加全面的知識體系便于更好的復(fù)習(xí)。

3. 環(huán)節(jié)三：進一步優(yōu)化問題導(dǎo)圖，教師梳理有效問題，教師引導(dǎo)探究問題解決。

教師協(xié)助學(xué)生解決問題導(dǎo)圖中設(shè)置的各項問題，從認識突破、方法突破、思維突破、能力突破四個方面指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)策略，歸納整理化學(xué)電源的知識體系。

（1）基本概念及構(gòu)成問題方面：學(xué)生對充電和放電的區(qū)別還是分得比較清楚，但是當(dāng)復(fù)習(xí)到常見電極材料時學(xué)生往往不能歸納全面，筆者指導(dǎo)學(xué)生從電極材料本質(zhì)的功能，常見的化學(xué)電源的電極材料去歸納此問題，比如只要是導(dǎo)體都應(yīng)該有作為電極材料的可能性，如：常見的有金屬包括惰性的如：鉑和金，活性的如：銅、鐵等，還有一些過渡元素的金屬化合物如：堿式氧化錳、氫氧化鎳等，金屬氧化物如鉛蓄電池，其他如：石墨、鈦網(wǎng)等。對于電解液的類型分類上，大部分學(xué)生對堿性、酸性和中性的電解液比較熟悉，而對固體電解質(zhì)如熔融氧化物和熔融碳酸鹽相對比較陌生。涉及電解液的存儲方式，學(xué)生容易遺忘燃料電池的特殊性。對于隔離物的問題，主要是借鑒氯堿工業(yè)的離子交換膜，學(xué)生搞不清楚什么時候用陽離子交換膜，而什么時候用陰離子交換膜，教師指導(dǎo)學(xué)生從溶液電中性以及離子移動的方向上解決此類問題。

（2）在組成和工作原理問題方面：電極名稱問題比較簡單，判斷時學(xué)生一般不易犯錯，最近考試發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤居然出現(xiàn)在“陽”和“陰”的書寫上，兩字混淆不清。放電的和充電的兩極反應(yīng)類型的判斷上，學(xué)生問題也不是很大，電荷流向方面學(xué)生記得也比較牢固，但是具體在綜合題中，不會靈活應(yīng)用。總反應(yīng)書寫問題上，學(xué)生不太會根據(jù)氧化還原的原理去確定總反應(yīng)，從而導(dǎo)致不能成功書寫兩極的反應(yīng)，教師指導(dǎo)學(xué)生從常見元素變價情況上去解決此類問題如鐵、鈷、鎳常見的變價都是+2價到+3價的轉(zhuǎn)換，再結(jié)合題中給出的信息，找出氧化劑和還原產(chǎn)物，還原劑和氧化產(chǎn)物，嘗試自己書寫并從質(zhì)量守恒和電荷守恒的角度檢查是否正確。

（3）化學(xué)電源種類問題方面：學(xué)生基本能正確描述對一次電池如普通鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池基本原理，但是書寫容易忽視電解質(zhì)溶液的環(huán)境對電極反應(yīng)的影響，如：堿性鋅錳干電池的負極的電極反應(yīng)式，學(xué)生易誤寫為：Zn-2e-Zn2+，而正確的應(yīng)該為Zn -2e-+2OH-Zn（OH）2；二次電池的難度要大些，教師引導(dǎo)學(xué)生以鉛蓄電池為例，分析其充放電的原理，運用氧化還原得失電子的規(guī)律，由學(xué)生獨立完成電極反應(yīng)式的書寫并分析兩極質(zhì)量的變化情況，解決負極質(zhì)量并非只會減輕反而增重的問題。教師進一步拓展問題，協(xié)助從電子流向的角度讓學(xué)生思考放電后充電如何接線的問題，學(xué)生通過討論，嘗試能從電子怎么流出再怎么流入的分析解決此問題，最終得出，放電時的正極連接電源的“+”，負極連接電源的“-”，簡稱“正接正”、“負接負”的結(jié)論。再分析到燃料電池的問題，學(xué)生的主要問題反應(yīng)在記憶性方面的問題上，容易遺忘如它是反應(yīng)物需要不斷地從外界補充而不是存儲在電池內(nèi)部，效率轉(zhuǎn)化更高等問題。其他的新型電池是近幾年高考的熱點，如2014年新課標(biāo)全國卷（Ⅱ）鋰離子電池，由于負極材料比較復(fù)雜，容易干擾學(xué)生做出正確的判斷，因此，筆者把常見的鋰離子電池的正極材料給學(xué)生進行了歸納，緩解了學(xué)生緊張的情緒，協(xié)助學(xué)生梳理了鋰電池的反應(yīng)原理，使學(xué)生能正確地解決問題。再如2014浙江高考題鎳氫電池中的儲氫金屬或合金的問題，筆者指導(dǎo)學(xué)生理清題目的目的，協(xié)助學(xué)生根據(jù)題目的信息完成對此類電池含義的理解，幫助學(xué)生克服遇到新型電池就害怕的心理障礙，分析常見元素化合價的變化，運用氧化還原的知識，解決此類問題。最后，由學(xué)生自行歸納電極方程式的書寫及要注意的問題。

（4）綜合性問題方面：筆者結(jié)合近幾年高考的熱點，協(xié)助學(xué)生解決一些綜合較強的問題，如2013年全國卷中關(guān)于“能量密度”問題，把物理與化學(xué)相結(jié)合，筆者指導(dǎo)學(xué)生理清思路，分析題中隱含的信息，找準(zhǔn)解題的突破口，從題中所給出的能量密度的單位出發(fā)，找到求解相應(yīng)的各個量，再把其綜合起來，得出相應(yīng)答案。再如解決一些實際應(yīng)用問題，如電池為何回收的問題，同時分析有可能產(chǎn)生的污染；電池放電時間的長短，并分析可能的影響因素，以及如何選擇購買各種電池的問題；堿性電解液的電池的優(yōu)勢問題，結(jié)合物理學(xué)科學(xué)生已有的知識解決此類問題；闡述“比能量”、“比功率”的含義，分析二者的區(qū)別，應(yīng)用于比較電池的優(yōu)劣，比較不同種電池的能量效率的差異問題。

三、 實施效果與分析

經(jīng)過近一年的“問題解決與提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)”的高三化學(xué)教學(xué)，學(xué)生在2015年南昌高三第二次聯(lián)考第27題的問題作答中取得了較好的成績。測試題如下：

鋰是制造化學(xué)電源的重要原料，近年來磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料被視為最有前途的鋰離子電池材料之一，磷酸鐵鋰動力電池（簡稱LFP）是一種高效、長壽命的二次電池，其工作原理為C6Li + FePO4

x LiFePO4 + C6Li（1-x） + （1-x）FePO4，已知電池在充電時，陽極中的Li+通過聚合物隔膜向陰極遷移；在放電時，負極中的Li+通過隔膜向正極遷移。回答下列問題：

（1）下列可作為此鋰電池的電解液的是

A. LiCl溶液 B. NaOH溶液

C. 鋰鹽的有機溶液 D. 熔融鹽（LiAlCl4）電解質(zhì)

（2）已知上述電池在充電時，陽極中的Li+通過聚合物隔膜向陰極遷移；在放電時，負極中的Li+通過隔膜向正極遷移。

①放電時正極上反應(yīng)的物質(zhì)是 ，充電時的陰極反應(yīng)式 ；

②若用該電池電解精煉銅，陰極質(zhì)量增重12.8g時，則電池中經(jīng)過聚合物隔膜的Li+數(shù)目為 。

（3）以鐵棒為陽極，石墨為陰極，電解一定濃度的（NH4）2HPO4和LiCl的混合溶液，溶液中析出LiFePO4沉淀，則陽極的電極反應(yīng)式為 。

（4）金屬鋰燃料電池是一種新型電池，比鋰離子電池具有更高的能量密度，如果理論上從電池輸出的電壓為3.60V，能量密度E=KW.h.kg-1

（列式計算，能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1kW·h=3.6×106J）

（5）鋰離子電池與普通鋅錳電池相比，其優(yōu)點是：

。

檢測卷的答題情況見表1分析，對學(xué)生答卷中的錯誤進行了統(tǒng)計，本題是圍繞鋰電池工作原理綜合應(yīng)用題，得分率為82.6%，說明學(xué)生對化學(xué)電源的充電放電的過程掌握得比較好，

少數(shù)學(xué)生不能通過分析化合價的變化來確定反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物，而導(dǎo)致電極反應(yīng)式的書寫困難；計算隔膜的Li+數(shù)目時也有少數(shù)學(xué)生不能從保證溶液電中性的角度解決此問題；計算能量密度時，多數(shù)學(xué)生已掌握了計算的技巧，主要存在的問題是部分學(xué)生不能準(zhǔn)確算出其數(shù)值，運算能力亟待提高。

從測試結(jié)果來看，問題解決提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的化學(xué)電源的復(fù)習(xí)，學(xué)生分析問題、解決問題的能力都有了非常顯著的提高。

四、 反思與啟示

通過實踐，筆者認為將“問題解決提高科學(xué)素養(yǎng)”應(yīng)用于高三化學(xué)教學(xué)復(fù)習(xí)的指導(dǎo)思想，可行且有效，通過讓學(xué)生不斷經(jīng)歷問題的解決，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免了復(fù)習(xí)課一味做題的枯燥無味，提高了復(fù)習(xí)的效率。但在實際教學(xué)過程中，還必須依據(jù)認知發(fā)展，設(shè)計有層次的問題，根據(jù)不同的認知層次，可以有不同類型的問題，可以嘗試設(shè)計有梯度的問題框架，極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)和研究化學(xué)的積極性。設(shè)計如記憶性的、理解性的、運用性的、分析性的、評價性的和創(chuàng)造性的問題；按照問題的解決的難易，又可分為老問題、新問題、疑難問題、新問題發(fā)現(xiàn)等[2]。

最后，將高三的復(fù)習(xí)過程轉(zhuǎn)化成學(xué)生對零散的問題的整合和拓展，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主探究，變“被動學(xué)習(xí)”為“主動學(xué)習(xí)”，通過嘗試解決一個一個的問題，讓學(xué)生體驗成功的喜悅，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，把學(xué)生從枯燥的題海戰(zhàn)術(shù)中解放出來，既能提高復(fù)習(xí)的效率，建立具有一定結(jié)構(gòu)層次的知識和能力，又能提升解決實際問題的內(nèi)在品質(zhì)，進而提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻

[1] 曾國瓊，董軍.促進學(xué)生自主建構(gòu)與發(fā)展化學(xué)觀念的高三化學(xué)教學(xué)——以“鋁及其化合物：高三復(fù)習(xí)課”為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013（10）：22-26

[2] 王滋旻.基于思維導(dǎo)圖開展“問題化學(xué)習(xí)”實踐探索——以高中化學(xué)復(fù)習(xí)課為例 [J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（10）：38-42