基于三元整合策略提高學(xué)生問題解決能力的高三專題復(fù)習(xí)研究*

鐘國華

摘要： 概述高中學(xué)生化學(xué)問題解決能力的研究現(xiàn)狀，以兩道試題為例分析對比，從實驗、性質(zhì)、原理三個角度整合設(shè)問的考查要求，提出培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力的教學(xué)關(guān)鍵，引出“實驗—性質(zhì)—原理”三元整合教學(xué)策略，闡釋其理論依據(jù)、具體內(nèi)涵與教學(xué)流程。以三元整合策略為依據(jù)，設(shè)計并實施“FeCl3和SO2反應(yīng)”的課堂教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在三元整合策略指導(dǎo)下的專題復(fù)習(xí)中更能對新情境進行遷移學(xué)習(xí)，提高問題解決能力，并為基于三元整合策略的高三專題復(fù)習(xí)提出教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞： 實驗—性質(zhì)—原理; 三元整合策略; 問題解決; 化學(xué)核心素養(yǎng); 高三專題復(fù)習(xí)

文章編號： 1005-6629（2021）02-0033-06

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 研究背景

教育部頒布《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）首次提出全面發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)。其中明確提到，能綜合運用有關(guān)知識、技能與方法分析和解決一些化學(xué)問題;能具有較強的問題意識，能夠發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題，敢于質(zhì)疑，逐步形成獨立思考的能力;能運用所學(xué)知識解釋生活生產(chǎn)中的化學(xué)現(xiàn)象，解決與化學(xué)相關(guān)的實際問題。

從長遠(yuǎn)目標(biāo)看，問題解決是伴隨終身的學(xué)習(xí)能力，能促進知識結(jié)構(gòu)的完善，能促進對信息的捕捉與重組，能促進創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。從素養(yǎng)需求看，化學(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，其終極目標(biāo)在于自覺利用化學(xué)觀念找到問題的答案，并進行思維建模，掌握解決一類化學(xué)問題的路徑[1]。從高考評價看，高考化學(xué)試題命制中“學(xué)科關(guān)鍵能力”的重點是考查學(xué)生對所學(xué)知識的運用能力，強調(diào)獨立思考、分析問題和解決問題以及交流與合作等。培養(yǎng)學(xué)生用學(xué)科知識、思維方法解決陌生問題的能力是當(dāng)今基礎(chǔ)教育的一個重要目標(biāo)，也是立德樹人和核心素養(yǎng)體系的育人要求[2]。

由此可見，新課標(biāo)對高中教學(xué)和高考提出了新的要求，即要在充分理解化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的內(nèi)涵及其對學(xué)生終身發(fā)展意義的前提下，在教學(xué)中切實落實好核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。而在高考中應(yīng)該通過一定情境下的具體化學(xué)問題的解決來進行全面、充分、合理的考查[3]。

何謂“問題”？有學(xué)者將“問題”定義為疑問或質(zhì)疑、不確定事件、困惑、窘境、難題等，這些詞都呈現(xiàn)了一個認(rèn)知困難的情境[4]。表1為分析高考試題中“問題”的特征，具體如下： （1）呈現(xiàn)真實情境（硫酸亞鐵分解產(chǎn)物的探究）;（2）問題背后隱含大量學(xué)科知識（“紅色粉末”實驗現(xiàn)象的判斷，“SO3水溶性、SO2還原性”等物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用，“電子守恒、元素守恒”等反應(yīng)原理的推理）;（3）與學(xué)生已有認(rèn)知有一定聯(lián)系但又能引發(fā)認(rèn)知沖突或思維障礙（SO2在水中溶解度大，全溶于C瓶則無法在D瓶中檢驗）。

可見，優(yōu)質(zhì)的“問題”是提高問題解決能力的關(guān)鍵。北師大王磊教授提出，問題解決能力屬于化學(xué)學(xué)科能力表現(xiàn)的創(chuàng)新遷移層次，是學(xué)生自覺運用知識的表現(xiàn)[5]。教育部考試中心賈洪芳將“問題解決”定義為：

試題題干? ? 已知FeSO4在不同條件下分解得到的產(chǎn)物不同，可能是FeO和SO3，也可能是Fe2O3、 SO3和SO2。某研究小組探究在酒精噴燈加熱條件下FeSO4分解的氣體產(chǎn)物。已知SO3的熔點是16.8℃，沸點是44.8℃。? ? 為探究硫酸亞鐵的分解產(chǎn)物，將（2）中已恒重的裝置A接入下圖所示的裝置中，打開K1和K2，緩緩?fù)ㄈ隢2，加熱。實驗后反應(yīng)管中殘留固體為紅色粉末。

實驗裝置

試題設(shè)問? ? 裝置Ⅲ和裝置Ⅳ的作用是探究本實驗氣體產(chǎn)物成分。請完成實驗設(shè)計，填寫檢驗試劑、預(yù)期現(xiàn)象與結(jié)論。

限選試劑： 3mol·L-1 H2SO4、 6mol·L-1 NaOH、 0.5mol·L-1 BaCl2、 0.5mol·L-1 Ba（NO3）2、 0.01mol·L-1酸性KMnO4、 0.01mol·L-1溴水。

檢驗試劑預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論

裝置Ⅲ的試管中加入? ? ? ? 。產(chǎn)生大量白色沉淀，證明氣體產(chǎn)物中含有SO3。

裝置Ⅳ的試管中加入? ? ? ? 。? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

① C、 D中的溶液依次為? ? ? ? （填標(biāo)號）。C、 D中有氣泡冒出，并可觀察到的現(xiàn)象分別為? ? ? ? 。

a. 品紅? b. NaOH? c. BaCl2

d. Ba（NO3）2? e. 濃H2SO4

② 寫出硫酸亞鐵高溫分解反應(yīng)的化學(xué)方程式? 。

問題評價? ? 該題明確告知學(xué)生以下事實： ①檢驗?zāi)康模?探究本實驗氣體產(chǎn)物成分——SO3和SO2;②檢驗先后： 根據(jù)表格可知先檢驗SO3，后檢驗SO2;③檢驗現(xiàn)象： SO3是通過產(chǎn)生大量白色沉淀證明?？梢姡绢}是屬于簡單的復(fù)述式的物質(zhì)檢驗，僅用已有知識經(jīng)驗直接加以處理即可，不存在認(rèn)知困難，屬于低難度試題，無法構(gòu)成“問題”，“問題解決”更是無從談起。? ? 學(xué)生知道要探究FeSO4的分解產(chǎn)物，但面臨眾多認(rèn)知困難，即“問題”： ①分解產(chǎn)物要根據(jù)實驗現(xiàn)象“殘留固體為紅色粉末”、氧化還原反應(yīng)和質(zhì)量守恒定律相關(guān)知識進行證據(jù)推理，才能推出分解產(chǎn)物有SO3和SO2;②要根據(jù)SO3“極易與水完全化合”的性質(zhì)才能找到檢驗先后順序;③根據(jù)SO2的還原性才能確認(rèn)鋇鹽種類的選擇。本題的解題過程具備問題解決的特征，是對化學(xué)知識、基本觀念、核心素養(yǎng)的全面考察。

當(dāng)不知道怎么做一件事情時，最后知道怎么去做才能解決它[6]。單旭峰認(rèn)為，新課程的高考化學(xué)試題是從生產(chǎn)或研究的真實過程中選取符合中學(xué)生認(rèn)知特點的內(nèi)容，呈現(xiàn)真實化學(xué)問題，要求學(xué)生以中學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)知識為工具，將化學(xué)研究的基本思想與方法、反應(yīng)原理、物質(zhì)性質(zhì)與應(yīng)用融合其中，這就是解決實際問題能力高低的體現(xiàn)[7]。

國外對“問題解決教學(xué)策略”的研究已經(jīng)發(fā)展到一個較成熟的階段，主要用于理論分析、邏輯推理等要求較強的理科教學(xué)，也提出化學(xué)教學(xué)中要倡導(dǎo)問題解決的應(yīng)用策略。在中國期刊網(wǎng)以“化學(xué)問題解決教學(xué)”為關(guān)鍵詞進行文獻(xiàn)檢索，查到國內(nèi)近十年相關(guān)文章有538篇。從文章內(nèi)容分析來看，主要涉及提問策略、習(xí)題講解、情景教學(xué)、心理機制、課程教材分析、教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計等7個類別，其中以后四類為研究重點;從文章涉及的化學(xué)知識來看，有無機化合物、有機化學(xué)、基本概念與基本理論、化學(xué)實驗、化學(xué)計算等，說明只要教學(xué)條件允許，基于問題解決的教學(xué)范式可適用于各板塊知識;從文章研究目的來看，主要反映在創(chuàng)設(shè)有效性問題和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)、問題解決能力以及創(chuàng)新思維等方面。可見，問題解決能力的培養(yǎng)是新課改備受關(guān)注的熱點。

進一步分析文章，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)教學(xué)實踐中問題解決的教學(xué)研究略顯粗淺： （1）教學(xué)設(shè)計模式較為單一，多是“教材研究→學(xué)生分析→目標(biāo)制定→過程設(shè)計→效果評價→教學(xué)反思”;（2）教學(xué)過程中部分問題立意不高，問題呈現(xiàn)方式也過于簡單，且以教師作為問題提出的主導(dǎo)者;（3）教學(xué)中雖有設(shè)計驅(qū)動問題并尋找答案，但缺乏有效思維建模，未能讓學(xué)生較好地掌握同類問題的認(rèn)識路徑和解決方法;（4）現(xiàn)有文獻(xiàn)中多數(shù)只針對某一個知識點進行問題解決教學(xué)研究，很少涉及學(xué)科知識的融合教學(xué)，更是鮮有提出較系統(tǒng)的、可持續(xù)性的問題解決教學(xué)策略。

為了引領(lǐng)學(xué)生思維發(fā)展由“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變，也為了促進學(xué)生在學(xué)科知識融合教學(xué)中豐富認(rèn)識角度、形成認(rèn)識思路，本研究提出“三元整合策略”以提高學(xué)生的問題解決能力。

2? “三元整合策略”的理論依據(jù)、具體內(nèi)涵與教學(xué)流程

2.1? 理論依據(jù)

“三元整合策略”是指教師以某種元素為核心的一系列物質(zhì)設(shè)計整合型情境，將化學(xué)實驗、物質(zhì)性質(zhì)和基本原理進行整合學(xué)習(xí)。

三元整合策略的核心理論依據(jù)是問題本位學(xué)習(xí)理論，這是近年來受到廣泛重視的基于建構(gòu)主義教學(xué)改革的一種教學(xué)思路。“問題本位學(xué)習(xí)”強調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情境中，通過讓學(xué)習(xí)者合作解決真實性問題來學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能，并形成自主學(xué)習(xí)的能力[8]。

“問題本位學(xué)習(xí)理論”要求教師通過提出開放性問題或具有多元思考方式的問題，鼓勵學(xué)習(xí)者積極參與到問題解決中，讓學(xué)生嘗試尋找有用的知識、思考合適的方案來解決主要問題。

2.2? 具體內(nèi)涵

教學(xué)實踐下三元整合策略的核心觀點是： 要提高問題解決能力，關(guān)鍵要創(chuàng)設(shè)有意義的“問題”。能成為好問題，是因為該問題涉及內(nèi)容眾多或者出現(xiàn)認(rèn)知沖突，學(xué)生一般不能迅速知道從何入手解決，這樣才能區(qū)分哪些學(xué)生是能夠自覺使用化學(xué)工具進行有序思考的。

因此，三元整合策略主張基于學(xué)生在“化學(xué)實驗、物質(zhì)性質(zhì)、基本原理”三大板塊的已有知識創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，以“認(rèn)知沖突”作為課堂教學(xué)的研究線索貫穿始終;以考綱要求的知識、方法、能力和素養(yǎng)為教學(xué)暗線，圍繞驅(qū)動性問題不斷提出解釋和修正解釋，結(jié)合真實實驗強化學(xué)生有序觀察實驗現(xiàn)象的能力和建立有效解決問題的思維程序;通過三重表征教學(xué)提高學(xué)生的邏輯思維與語言表達(dá)能力，在應(yīng)用已有知識對外輸出的過程中培育學(xué)生宏觀辨識、微觀探析、變化觀念、證據(jù)推理、實驗探究等核心素養(yǎng)（見圖1）[9]。

2.3? 教學(xué)流程

面對相同問題時，不同學(xué)生的認(rèn)識方式和能力表現(xiàn)水平不同。如同樣是預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)，有的學(xué)生習(xí)慣基于熟悉物質(zhì)的性質(zhì)進行類比遷移，有的習(xí)慣基于物質(zhì)類別通性思考判別問題，有的習(xí)慣基于氧化還原視角進行預(yù)測，有的則能運用多種概念原理（如物質(zhì)類別、氧化還原、反應(yīng)原理等）作為認(rèn)識角度和推理路徑進而分析、解決問題。為了提升學(xué)生的問題解決能力，培育化學(xué)核心素養(yǎng)，需要將三元整合策略應(yīng)用于專題復(fù)習(xí)、設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和學(xué)生活動中。

三元整合策略的教學(xué)流程（見圖2）包含以下核心環(huán)節(jié)： （1）在最近發(fā)展區(qū)中找到學(xué)習(xí)者的模糊概念，圍繞“實驗—性質(zhì)—原理”提出待解決的“研究問題”;（2）學(xué)生基于物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理的已有知識進行預(yù)測，說出判斷依據(jù);（3）設(shè)計實驗并完成實驗或觀看視頻，記錄現(xiàn)象進行推理;（4）結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理解釋常規(guī)現(xiàn)象或認(rèn)知沖突，得出結(jié)論并完成符號表征;（5）評價解決問題所需的認(rèn)識角度和推理路徑，建立解決同類問題的思維程序;（6）對外輸出解決陌生問題、鞏固思維程序。

3? “三元整合策略”在高三實驗專題復(fù)習(xí)中的應(yīng)用

以“FeCl3和SO2反應(yīng)”為例，進行基于三元整合策略提高問題解決能力的教學(xué)研究。本課時教學(xué)通過六個環(huán)節(jié)展開，主要內(nèi)容與教學(xué)活動如下。

環(huán)節(jié)一： 提出問題

[教師]提出問題，激發(fā)興趣： 預(yù)計往FeCl3溶液中通入SO2的實驗現(xiàn)象，并說明判斷依據(jù)。

環(huán)節(jié)二： 預(yù)測判斷

[學(xué)生]討論分析，各抒己見： （1）Fe3+有氧化性，SO2有還原性，兩者發(fā)生氧化還原反應(yīng)，溶液黃色變成淺綠色;（2）SO2中+4價S為中間價態(tài)，有氧還性，Cl-有還原性，也可能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，有黃色渾濁和黃綠色刺激性氣體產(chǎn)生。

環(huán)節(jié)三： 實驗驗證

[教師]講述要求，指導(dǎo)實驗： 講述裝置連接要點和實驗現(xiàn)象關(guān)注要點。

[學(xué)生]分組實驗，產(chǎn)生沖突： 發(fā)現(xiàn)SO2通入FeCl3溶液后，溶液由黃色變成紅棕色。

環(huán)節(jié)四： 解釋推理

[教師]結(jié)合情境，引導(dǎo)分析： 紅棕色不是預(yù)計內(nèi)的實驗現(xiàn)象，請結(jié)合已有知識進行推理解釋出現(xiàn)紅棕色的原因。

[學(xué)生]（1） 調(diào)用知識，證據(jù)推理： ①不變成淺綠色說明反應(yīng)可能不是往氧化還原的角度思考，或許要從物質(zhì)類別的角度考慮，F(xiàn)e3+易水解產(chǎn)生紅棕色的Fe（OH）3膠體;②從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度考慮，F(xiàn)e3+有空軌道，能與某些粒子例如SCN-配位形成紅色配合物，所以這里也可能與SO2配位絡(luò)合成新物質(zhì)。

（2） 設(shè)計實驗，驗證推理： 利用激光筆對紅色液體進行丁達(dá)爾效應(yīng)檢測。發(fā)現(xiàn)沒有光通路。

[教師]引導(dǎo)分析，提供證據(jù)： 從路易斯酸堿理論角度分析，SO2是路易斯堿，F(xiàn)e3+是路易斯酸，兩者可以配位絡(luò)合： Fe3++6SO2Fe（SO2）3+6（紅棕色）[10]。提醒學(xué)生繼續(xù)關(guān)注溶液顏色變化，并合理分析原因。

[學(xué)生]（1） 觀察現(xiàn)象，產(chǎn)生沖突： 溶液紅棕色慢慢褪去，最終變?yōu)闇\綠色。

（2） 推理分析，三重表征： 溶液中發(fā)生反應(yīng)： SO2+2H2O+2Fe3+SO2-4+2Fe2++4H+。

環(huán)節(jié)五： 建立程序

[教師]結(jié)合情境，引導(dǎo)分析： 根據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)的已有認(rèn)識，解釋實驗過程中實驗現(xiàn)象（溶液顏色）的變化原因。

[學(xué)生]小組討論，相互評價： （1）Fe3+和SO2發(fā)生兩種競爭反應(yīng)： ⅠFe3++6SO2Fe（SO2）3+6， ⅡSO2+2H2O+2Fe3+SO2-4+2Fe2++4H+;（2）從現(xiàn)象變化的先后來說，配位反應(yīng)速率較快，但是氧化還原反應(yīng)的程度較大，所以反應(yīng)Ⅱ進行時，溶液中c（Fe3+）和c（SO2）均減小，導(dǎo)致反應(yīng)Ⅰ平衡逆向移動，且反應(yīng)Ⅱ幾乎完全進行，反應(yīng)Ⅰ幾乎完全逆向移動，導(dǎo)致Fe（SO2）3+6分解完全，溶液由紅棕色變成淺綠色。

[教師]總結(jié)歸納，構(gòu)建模型： 實驗現(xiàn)象不僅與元素化合物性質(zhì)有關(guān)，也與化學(xué)反應(yīng)原理有關(guān)。兩種反應(yīng)的競爭，不僅要從動力學(xué)考慮反應(yīng)速率的問題，還要從熱力學(xué)考慮反應(yīng)限度的問題。

環(huán)節(jié)六： 對外輸出

[教師]創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)分析： 如圖3所示連接實驗裝置。往鐵電極區(qū)滴入2滴鐵氰化鉀溶液，預(yù)計燒杯內(nèi)溶液顏色有無變化。若有變化，具體如何變化？若無變化，原因何在。說出你的判斷依據(jù)。

[學(xué)生]利用模型，思考分析： 無明顯現(xiàn)象，因為鐵被保護起來。

[教師]提供證據(jù)，制造沖突： 播放對比實驗的視頻： （1）直接往鐵電極區(qū)滴加K3[Fe（CN）6]溶液檢驗，（2）從鐵電極附近取溶液再滴加K3[Fe（CN）6]溶液檢驗。前者有藍(lán)色出現(xiàn)（異?，F(xiàn)象），后者無藍(lán)色出現(xiàn)（正?，F(xiàn)象）。

[學(xué)生]拓展思考，鞏固程序： 請學(xué)生課后從氧化還原、化學(xué)平衡等角度解釋該“異?，F(xiàn)象”的成因，并設(shè)計簡單的驗證方案。

4? 反思與建議

4.1? 教學(xué)反思

本節(jié)課采用學(xué)生熟悉的FeCl3和SO2反應(yīng)創(chuàng)設(shè)驅(qū)動性任務(wù)，在問題解決的過程中再次通過實驗創(chuàng)設(shè)問題情境，逐步提升思維難度，使學(xué)生突破知識板塊的限制，主動實現(xiàn)Fe3+氧化性和SO2還原性、膠體等物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)檢驗實驗現(xiàn)象等化學(xué)實驗知識以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)速率、化學(xué)平衡等基本原理三大知識板塊的大融合。

作為對知識增長點的定位，解決FeCl3和SO2反應(yīng)現(xiàn)象的問題并不是本節(jié)課的核心目標(biāo)，學(xué)生要學(xué)會利用物質(zhì)性質(zhì)預(yù)測反應(yīng)現(xiàn)象的思維方法才是核心目標(biāo);在遇到異?，F(xiàn)象等認(rèn)知沖突時，學(xué)生要自覺使用物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)原理等化學(xué)知識思考問題尋找答案并能設(shè)計實驗加以驗證才是核心目標(biāo);學(xué)生要站在熱力學(xué)和動力學(xué)等化學(xué)學(xué)科核心理論的高度上看待化學(xué)反應(yīng)的競爭問題，培養(yǎng)可遷移的問題解決能力，才是核心目標(biāo)。有了這種思維方式的指導(dǎo)，學(xué)生在解決類似問題時才能有法可依，有章可循，目標(biāo)明確，思路清晰。這就是問題解決后形成認(rèn)知模型的意義所在。

4.2? 教學(xué)建議

根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)，三元整合策略基本適用于所有學(xué)段的不同知識板塊的各種課型教學(xué)。該策略以呈現(xiàn)認(rèn)知沖突為開篇，通過問題解決形成認(rèn)知模型為結(jié)果，大大提高學(xué)生對元素化合物、反應(yīng)原理等知識認(rèn)識的深度與廣度，同時強化實驗驗證的過程性教學(xué)。

高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)的主要目的是提高問題解決能力。問題解決是一個思維的過程，它將已掌握的概念、原理根據(jù)當(dāng)前問題的要求進行重新轉(zhuǎn)換或組合。三元整合策略指導(dǎo)下的高三專題復(fù)習(xí)課是以知識整合為明線、以問題解決為暗線，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不斷制造新的認(rèn)知沖突，不斷產(chǎn)生知識的增長點。

基于已有研究，對使用三元整合策略構(gòu)思高三專題復(fù)習(xí)提出以下教學(xué)建議： （1）結(jié)合復(fù)習(xí)專題，利用熟悉的內(nèi)容制造一系列不能用已有的知識經(jīng)驗直接加以處理并因此而感到疑難的真實情境。（2）設(shè)計從不同知識角度（如物質(zhì)性質(zhì)、基本理論等）、不同的思維角度（如類比、模型等）去分析問題和解決問題的問題鏈。（3）課堂上充分調(diào)動學(xué)生根據(jù)已有知識、基本觀念（元素觀、分類觀、變化觀、守恒觀等）、化學(xué)核心素養(yǎng)（宏微結(jié)合、變化觀念、平衡思想、模型認(rèn)知等）進行證據(jù)推理、最終形成問題解決的認(rèn)知模型。這種課堂必定有利于學(xué)生形成解決問題的程序性思維與方法，并成為認(rèn)知模型中的一個組成部分。