提升問題解決能力發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)

鄧衍民 陸亮

摘要：化學(xué)問題解決學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的最有效途徑。在真實(shí)的大情境主題中提出問題，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)中分析問題和提出假設(shè)，在實(shí)驗(yàn)探究中檢驗(yàn)假設(shè)，最終在問題的解決中進(jìn)行思維建模，能有效發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)問題解決;化學(xué)核心素養(yǎng);模型認(rèn)知;暖寶寶;鐵;含量

文章編號(hào)：1008-0546（2019）06-0037-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.011

一、問題提出

2018年1月26日教育部頒布了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版），新課標(biāo)首次提出了“全面發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)”的課程目標(biāo)。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生未來發(fā)展的重要價(jià)值。雖然本次課改是從高中階段開始的，但是對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的研制和提煉，義務(wù)教育階段和高中階段應(yīng)該是一脈相承的。所以，初中化學(xué)教師要有超前的意識(shí)，自覺地以高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為參照，結(jié)合學(xué)段特點(diǎn)，把學(xué)科核心素養(yǎng)有機(jī)地融入自己的教學(xué)實(shí)踐之中，真正地與高中化學(xué)有效銜接起來。

在化學(xué)學(xué)科5大核心素養(yǎng)中，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是思維核心。模型認(rèn)知是指利用模型認(rèn)識(shí)事物或通過建構(gòu)模型解決問題的方法。模型認(rèn)知素養(yǎng)要求學(xué)生知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。它還可進(jìn)一步劃分出4級(jí)水平：能識(shí)別化學(xué)中常見的物質(zhì)模型和化學(xué)反應(yīng)的理論模型，能將化學(xué)事實(shí)和理論模型之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)和合理匹配;能理解、描述和表示化學(xué)中常見的認(rèn)知模型，指出模型表示的具體含義，并運(yùn)用于理論模型解釋或推測(cè)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化;能認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的理論模型和研究對(duì)象之間的異同，能對(duì)模型和原型的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)以改進(jìn)模型;能說明模型使用的條件和適用范圍;分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題，能指出所建模型的局限性，探尋模型優(yōu)化需要的證據(jù)。這樣的劃分有利于在實(shí)際教學(xué)中循序漸進(jìn)地分層培養(yǎng)。

問題解決是由一定的情景引起的，按照一定的目標(biāo)，應(yīng)用各種認(rèn)知活動(dòng)、技能等，經(jīng)過一系列的思維操作，使問題得以解決的過程。而化學(xué)問題解決是指以化學(xué)知識(shí)為主要載體而進(jìn)行的認(rèn)知活動(dòng)?；瘜W(xué)核心素養(yǎng)必須而且只能在化學(xué)問題解決學(xué)習(xí)中形成和發(fā)展。這是因?yàn)榛瘜W(xué)問題解決過程包括提出問題、分析問題、提出假設(shè)、檢驗(yàn)假設(shè)和解決問題，其最終目標(biāo)在于克服障礙并發(fā)現(xiàn)問題的答案，同時(shí)在此過程中進(jìn)行思維建模，掌握解決一類化學(xué)問題的思路和方法?；瘜W(xué)問題解決學(xué)習(xí)通過在真實(shí)的大情境主題中提出問題，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)中分析問題和提出假設(shè)，在實(shí)驗(yàn)探究中檢驗(yàn)假設(shè)，最終進(jìn)行思維建模，如圖1所示。本文以一節(jié)市級(jí)公開課為例，闡述了如何在化學(xué)問題解決中發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)。

二、典型案例

[情境創(chuàng)設(shè)1]

師：現(xiàn)如今天氣已逐漸變冷，班里很多同學(xué)都已開始用“暖寶寶”了。小小一包物質(zhì)中有何成分能起如此大作用呢？

生：查看標(biāo)簽，主要成分：鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂、食鹽。拆開內(nèi)袋，里面是一層薄薄的黑色物質(zhì)。提出問題：黑色物質(zhì)真的是鐵粉嗎？

[任務(wù)驅(qū)動(dòng)1]

從鐵粉的物理和化學(xué)性質(zhì)人手，交流設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

[實(shí)驗(yàn)探究1]

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作1：用吸鐵石吸引樣品。操作2：用鑷子夾住棉花，使其沾滿樣品，于酒精燈火焰上點(diǎn)燃。操作3：在試管中加入半藥匙樣品，倒入少量稀鹽酸。操作4：在培養(yǎng)皿中放入一張濾紙，滴入CuSO4/AgNO3溶液至剛浸沒濾紙，加入少量樣品。并匯報(bào)現(xiàn)象。

[模型建構(gòu)1]

定性檢驗(yàn)物質(zhì)的一般思路和方法主要從物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)兩個(gè)維度展開，由學(xué)生自主構(gòu)建完成，如圖2所示。

通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)“暖寶寶”中確實(shí)含有鐵粉，選取2名同學(xué)實(shí)物投影他們課前梳理的有Fe參加和生成的化學(xué)反應(yīng)的方程式以及自主構(gòu)建的“鐵網(wǎng)”，典型知識(shí)網(wǎng)如圖3所示。

[情境創(chuàng)設(shè)2]

師：通過同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)暖寶寶中確實(shí)有鐵粉，那熱量從何而來呢？

生：撕開明膠層，感受熱量。這是因?yàn)闊o紡布袋暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過透氣膜進(jìn)入里面。鏈接教材鐵的生銹，鐵粉與進(jìn)入的氧氣和水發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe+H2O+O2→Fe2O3·xH2O，這是一個(gè)放熱反應(yīng)。

師：那利用這個(gè)獲得熱量外，聯(lián)系前面所學(xué)，還有什么用途呢？

生：是否能利用這個(gè)原理來測(cè)定空氣中氧氣的含量呢？

[任務(wù)驅(qū)動(dòng)2]

根據(jù)提供實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟，分析需要測(cè)定的數(shù)據(jù)。

在“紅磷燃燒測(cè)定空氣中氧氣含量”這個(gè)原型的指導(dǎo)下，學(xué)生們有效遷移，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

[實(shí)驗(yàn)探究2]

<分組實(shí)驗(yàn)>學(xué)生按照?qǐng)D4實(shí)驗(yàn)所示進(jìn)行操作（暖寶寶取用整包），能觀察到燒杯中的紅墨水迅速倒吸進(jìn)入集氣瓶中。

<問題思考>若用此實(shí)驗(yàn)要準(zhǔn)確測(cè)定空氣中氧氣的含量，有哪些注意事項(xiàng)呢？

<交流匯報(bào)>確保暖寶寶是足量的，能耗盡集氣瓶中的氧氣。同時(shí)，反應(yīng)前要量取燒杯中水的體積，等完全反應(yīng)后，要再量取燒杯中剩余水的體積。

[模型建構(gòu)2]

[情境創(chuàng)設(shè)3]

師：剛剛我們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)鐵粉發(fā)熱的原理，那市面上各種“暖寶寶”的產(chǎn)品優(yōu)劣很大程度上取決于什么呢？

生：透氣膜的質(zhì)量、鐵粉的含量、無紡布的隔熱效果等。

師：鐵粉的含量直接制約著“暖寶寶”的發(fā)熱效果，那我們?nèi)绾螠y(cè)定“暖寶寶”中鐵粉的含量呢？

<方案評(píng)析>

生1：方案Ⅰ不可行，析出鐵粉的同時(shí)，會(huì)混有其余粉末狀的成分。

生2：方案Ⅱ不可行，“暖寶寶”的成分中含有氯化鈉，雖不參加反應(yīng)，但它是易溶的，會(huì)損耗掉，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果偏大。

生3：方案Ⅳ不可行，過濾得到的不溶物中除了生成的銅外，還有“暖寶寶”中許多不溶的成分，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果偏大。

師：根據(jù)同學(xué)們的匯總與評(píng)析，方案Ⅲ和V在理論上是可行的。但是氫氣的質(zhì)量很輕，普通的托盤天平無法精確測(cè)定出它的質(zhì)量。所以，我們往往優(yōu)選測(cè)量氫氣的體積。

[實(shí)驗(yàn)探究3]

<演示實(shí)驗(yàn)>展示如圖6所示利用量氣管測(cè)氫氣體積。由于反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，此套裝置的實(shí)驗(yàn)已在課前完成，老師先投影展示并詳細(xì)闡述實(shí)驗(yàn)步驟，然后請(qǐng)一名學(xué)生上臺(tái)，讀出最終量氣管中的讀數(shù)。

<定量計(jì)算>根據(jù)“暖寶寶”樣品的質(zhì)量、反應(yīng)前量氣管的示數(shù)，加上學(xué)生所讀最終量氣管的示數(shù)，計(jì)算“暖寶寶”中鐵單質(zhì)的含量（保留一位小數(shù)）。已知數(shù)據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氫氣密度為0.0899g/L。

[模型建構(gòu)3]

[任務(wù)驅(qū)動(dòng)3]

根據(jù)鐵粉定性檢驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟，標(biāo)出測(cè)定哪些物理量，并在學(xué)案上以流程的形式完成。

三、案例思考

1.創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變

真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)，為學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)。本節(jié)課是第八單元復(fù)習(xí)課，選取核心金屬鐵為復(fù)習(xí)載體。但并未對(duì)鐵的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行機(jī)械復(fù)習(xí)，而是選取學(xué)生熟知的“暖寶寶”為“大情境主題”，創(chuàng)設(shè)了三個(gè)真實(shí)具體的問題情境：“暖寶寶”中真的含有鐵粉嗎？“暖寶寶”能測(cè)定空氣中氧氣的含量嗎？如何測(cè)定“暖寶寶”中鐵粉的含量呢？正是這些真實(shí)的問題，激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，引發(fā)學(xué)生積極開展自主建構(gòu)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)和問題解決學(xué)習(xí)，促進(jìn)了學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。三個(gè)真實(shí)情境下的問題提出，引導(dǎo)學(xué)生開展了分類與概括、證據(jù)與推理、模型與解釋、符號(hào)和表征等具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，在小組合作、實(shí)驗(yàn)探究和討論交流等多樣化方式中自主解決問題，促使學(xué)生從生活世界走進(jìn)化學(xué)世界?；瘜W(xué)課堂設(shè)計(jì)中的“大情境主題”既貼近學(xué)生認(rèn)知感受又富有內(nèi)在教學(xué)邏輯，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的連貫性、遞進(jìn)性和系統(tǒng)性，為學(xué)生模型認(rèn)知素養(yǎng)的提升搭建了舞臺(tái)。

2.基于任務(wù)解決問題，注重高階思維培養(yǎng)

學(xué)習(xí)任務(wù)是連接核心知識(shí)與具體知識(shí)點(diǎn)的橋梁和紐帶，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化的重要環(huán)節(jié)。本節(jié)課共設(shè)計(jì)了3個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，重視和發(fā)揮學(xué)習(xí)任務(wù)的核心素養(yǎng)導(dǎo)向功能。“學(xué)習(xí)任務(wù)1”是“暖寶寶”中鐵粉的檢驗(yàn)，突出“宏觀辨識(shí)”，通過用磁鐵吸引、在酒精燈上點(diǎn)燃、加入稀鹽酸、加硝酸銀溶液和硫酸銅溶液四種方法，讓學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象辨識(shí)物質(zhì)及其反應(yīng)，能從物質(zhì)的宏觀特征人手對(duì)物質(zhì)及其反應(yīng)進(jìn)行分類和表征?！皩W(xué)習(xí)任務(wù)2”是“暖寶寶”測(cè)定空氣中氧氣的含量，“學(xué)習(xí)任務(wù)3”是“暖寶寶”中鐵粉的含量測(cè)定，兩個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)都突出“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”，在學(xué)習(xí)任務(wù)2中要求學(xué)生就給出的問題設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)操作，觀察暖寶寶消耗燒瓶中的氧氣導(dǎo)致燒杯中紅墨水倒吸的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，客觀地進(jìn)行記錄，并對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行解釋。而學(xué)習(xí)任務(wù)3則具有更大的開放性，要求學(xué)生從多個(gè)維度去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來定量測(cè)定“暖寶寶”中鐵粉的含量，并且在方案匯總后能評(píng)價(jià)和優(yōu)化方案，確定合理方案后再合作完成，收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)，基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得出結(jié)論。這種在不斷的否定和完善中進(jìn)行螺旋上升式的學(xué)習(xí)，有效發(fā)展了學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”。

按照布魯姆和加涅等人的學(xué)習(xí)理論，分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造通常被稱為是“高階思維”。上述學(xué)習(xí)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)源自于學(xué)生主動(dòng)的學(xué)習(xí)意愿，他們?cè)谡鎸?shí)的情境中相互分享評(píng)析方案，相互交流解釋觀點(diǎn)，在解決問題的過程中對(duì)自己的理解結(jié)果進(jìn)行再組織，這種導(dǎo)致認(rèn)知變化的共同建構(gòu)活動(dòng)，是高階思維過程發(fā)展的關(guān)鍵，也為思維建模奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3.針對(duì)問題解決建模，提高自主遷移能力

問題解決的過程中提出假設(shè)就是利用直覺思維，并根據(jù)已有知識(shí)推測(cè)解決問題的可能途徑，這些可能的途徑在很多時(shí)候經(jīng)邏輯加工可以概括為一個(gè)解決問題的模型，提升學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)。三個(gè)真實(shí)問題的提出，到三個(gè)任務(wù)去解決問題，最終的成果就是模型的建立。模型的建立是學(xué)生進(jìn)行真實(shí)問題解決的思路方法的外顯，這種外顯的思路方法是在學(xué)生問的緊密合作、師生問的深入追問以及自身思維過程的深刻反思中提煉出來的?！皩W(xué)習(xí)任務(wù)1”是“暖寶寶”中鐵粉的檢驗(yàn)，突出從物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)兩個(gè)維度展開定性檢驗(yàn)物質(zhì)的一般思路和方法，這種模型的建構(gòu)有助于學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)酸堿鹽的元素化合物知識(shí)。“學(xué)習(xí)任務(wù)2”是“暖寶寶”測(cè)定空氣中氧氣的含量，當(dāng)學(xué)生遇到這個(gè)任務(wù)，頭腦中就會(huì)搜索出“紅磷燃燒測(cè)定氧氣含量”這個(gè)原型，進(jìn)行模型匹配后，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型檢驗(yàn)，從而構(gòu)建測(cè)定空氣中氧氣含量的一般思路與模型。“學(xué)習(xí)任務(wù)3”是“暖寶寶”中鐵粉的含量測(cè)定，能幫助學(xué)生構(gòu)建氣化法測(cè)定物質(zhì)含量的一般思路與模型。此后遇到測(cè)定變質(zhì)的氫氧化鈉固體中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、測(cè)定黃銅（銅、鋅合金）的組成、測(cè)定雞蛋殼中碳酸鈣的含量等問題情境時(shí)，能有效遷移這個(gè)模型，自主解決。上述外顯的思路方法有助于學(xué)生在面對(duì)陌生情境和問題時(shí)迅速進(jìn)行情境關(guān)聯(lián)、問題歸類，從而實(shí)現(xiàn)自主遷移，將曾經(jīng)的模型應(yīng)用到陌生情境和問題上，從而去證實(shí)、檢驗(yàn)和完善模型。