基于深度學習的問題鏈教學設(shè)計

薛蓉 張萬舉

摘 要：以電化學的實際應(yīng)用《金屬的腐蝕與防護》一節(jié)為例，依據(jù)真實情境素材設(shè)計不同類型的問題鏈，將孤立的知識包含在真實的問題情境中.通過解決系列問題，引導(dǎo)學生自主構(gòu)建電化學知識與金屬腐蝕之間的認知模型，從電化學腐蝕的角度提出相應(yīng)的防腐措施，并將防腐措施遷移應(yīng)用至其它問題情境中，培養(yǎng)學生應(yīng)用學科知識解決實際問題的能力，實現(xiàn)深度學習.通過船舶的腐蝕、防護再到海洋平臺的防護，引導(dǎo)學生深刻認識到化學與自然環(huán)境之間的關(guān)系，進一步培養(yǎng)合理利用自然資源的意識，落實化學學科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：深度學習;問題鏈;金屬的腐蝕與防護；高中化學

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）06-0118-04

1 研究背景

化學學科深度學習是深度學習在化學學科領(lǐng)域的應(yīng)用和實踐，胡久華教授指出化學學科深度學習是學生在教師的引導(dǎo)下，圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習任務(wù)，從宏觀、微觀、變化、守恒的視角，運用證據(jù)推理與模型認知的方式解決綜合的復(fù)雜問題，獲得結(jié)構(gòu)化的化學知識，建立運用化學學科思想解決問題的認知模型，促進化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展.王后雄教授指出問題鏈是教師為了實現(xiàn)教學目標，根據(jù)學生已有的認知水平，針對學生學習過程中將要產(chǎn)生或者可能產(chǎn)生的疑惑，將教材知識轉(zhuǎn)化成為層次鮮明，具有系統(tǒng)性和連續(xù)性的教學問題，是一組有中心、有序列、相對獨立又相互關(guān)聯(lián)的問題，并將問題鏈概括為引入性問題鏈、診斷性問題鏈、探究性問題鏈、遷移性問題鏈等八種類型，對每一種問題鏈的教學功能進行了闡述.

結(jié)合教學實際情況，以人教版高中化學選擇性必修1第四章《金屬的腐蝕與防護》為例，圍繞學生認識基礎(chǔ)，基于真實問題情境，以問題鏈為導(dǎo)向設(shè)計教學，促進學生的深度學習，落實學科核心素養(yǎng).

2 基于真實情境的問題鏈課堂教學案例設(shè)計思路

2.1 教學分析

《金屬的腐蝕與防護》是電化學知識的重要應(yīng)用，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對本節(jié)內(nèi)容的要求是知道金屬腐蝕的危害，能利用電化學相關(guān)知識解釋金屬腐蝕現(xiàn)象，選擇和設(shè)計合理的金屬防腐措施.學生已經(jīng)知道可以通過防止金屬與空氣，水蒸氣接觸發(fā)生腐蝕，但未從電化學的角度分析金屬發(fā)生腐蝕的電化學原理.

2.2 教學評價目標定位（如圖1所示）

2.3 設(shè)計思路（如圖2所示）

2.4 教學流程（如圖3所示）

3 主要教學過程3.1 巧設(shè)引入性問題鏈，激發(fā)探究興趣、注重科學態(tài)度與社會責任的培養(yǎng)

化學與社會生活密切相關(guān)，利用生活場景設(shè)計引入性問題鏈，引導(dǎo)學生解釋生活現(xiàn)象，激發(fā)學生學習興趣，感受化學對人類生產(chǎn)生活的重要意義，提升社會責任感.

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，引入課題

【視頻引入】菜刀、共享單車生銹損壞導(dǎo)致資源浪費、石油管道銹蝕導(dǎo)致石油泄露污染水體，金屬腐蝕給我國的經(jīng)濟帶來巨大損失.

問題1：什么原因?qū)е陆饘偈ピ械墓鉂?？金屬發(fā)生腐蝕的本質(zhì)是什么呢？

學習任務(wù)：回顧金屬腐蝕的相關(guān)知識，聯(lián)系原電池模型思考金屬腐蝕的本質(zhì)原因.

設(shè)計意圖：第一問引發(fā)學生思考，回憶之前學習的有關(guān)金屬腐蝕的知識，構(gòu)建知識的手腳架；第二問將學生的思緒帶到了電化學的相關(guān)知識，引導(dǎo)學生將金屬腐蝕與電化學知識建立聯(lián)系，總結(jié)金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬原子失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng).教學實踐證明，學生能夠從電化學的角度思考金屬腐蝕的原因.

3.2 精選探究性問題鏈、遞進性問題鏈，注重科學探究與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)

在教學中精心選擇符合學生認知發(fā)展的探究性問題，設(shè)計成富有邏輯和梯度的探究性問題鏈，引導(dǎo)學生篩選有效信息、深入思考、主動探索，培養(yǎng)學生的探究能力和創(chuàng)新精神.

環(huán)節(jié)二：實驗探究，金屬腐蝕的電化學驗證

問題2：觀察船舶不同部位的腐蝕情況，你有什么發(fā)現(xiàn)？金屬的腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，這兩種腐蝕方式有何不同？

學習任務(wù)：尋找船舶腐蝕最為嚴重的部位；結(jié)合課本思考化學腐蝕和電化學腐蝕的不同之處.

設(shè)計意圖：通過學生主動分析金屬的化學腐蝕和電化學腐蝕的不同點主要在于金屬自身的結(jié)構(gòu)、所處的環(huán)境、腐蝕速度的快慢等.進一步考慮金屬腐蝕所處的環(huán)境有水蒸氣和空氣存在，聯(lián)系原電池模型，初步判定船舶的腐蝕以電化學腐蝕為主.

問題3：在該電化學體系中，正極物質(zhì)和負極物質(zhì)分別是什么？電子和陰陽離子是如何移動的呢？

學習資料：海水中含有大量的可溶性鹽，船體主要材料為鋼鐵，因此海水對船體具有很強的腐蝕性.

學習任務(wù)：閱讀資料，找出正、負極材料、電解質(zhì)溶液分別是什么物質(zhì)，分析該體系外電路電子和內(nèi)電路陰陽離子的流向.

設(shè)計意圖：這一問緊接上一問，學生主動尋找正負極物質(zhì)和電解質(zhì)溶液.學生在這過程中出現(xiàn)了找不到正負極物質(zhì)，對于體系中電子和陰陽離子的移動方向感到困惑的現(xiàn)象.教師提供資料并分析船舶所處的環(huán)境，將其與原電池的知識建立聯(lián)系，突破學生思維盲區(qū)，初步建立原電池認知模型.

問題4：如何設(shè)計實驗驗證船舶的腐蝕主要是電化學腐蝕？反應(yīng)觀察到什么現(xiàn)象？反應(yīng)后兩端各生成什么物質(zhì)？電極反應(yīng)式如何書寫？

提供的實驗藥品：NaCl溶液、鐵片、碳棒、電流表、U型管等.

活動任務(wù)：小組設(shè)計實驗（如圖4所示）證明上述體系能夠發(fā)生電化學反應(yīng)，觀察實驗現(xiàn)象，寫出電極反應(yīng)式.

設(shè)計意圖：通過設(shè)計實驗證明上述體系能構(gòu)成原電池發(fā)生反應(yīng)，突破學習的難點，意在培養(yǎng)學生設(shè)計實驗、進行實驗探究的能力.通過從宏微結(jié)合角度分析原電池體系正負極兩端生成的物質(zhì)等任務(wù)，落實宏微結(jié)合、科學探究與創(chuàng)新意識等素養(yǎng)目標.

環(huán)節(jié)三：設(shè)計實驗，驗證金屬腐蝕的類型

問題5：鋼鐵在酸性或堿性環(huán)境中的腐蝕與中性環(huán)境下的腐蝕一樣嗎？設(shè)計實驗探究溶液的酸堿性變化是否會影響原電池的正負極反應(yīng).

提供實驗藥品：鐵釘、碳棒、HCl溶液、NaOH溶液、電流表、試管等.

學習任務(wù)：通過對比實驗分析金屬在不同的環(huán)境中發(fā)生的腐蝕類型，正極電極反應(yīng)式的差別.（如圖5、圖6所示）

設(shè)計意圖：通過設(shè)計實驗對比學習金屬的吸氧腐蝕、析氫腐蝕的不同，幫助學生理解金屬腐蝕的不同類型，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作、實驗探究能力、嚴謹求實的科學精神.

環(huán)節(jié)四：學以致用，設(shè)計合理的金屬防腐方案

問題6：從電化學原理的角度思考如何防止金屬腐蝕？以船舶的腐蝕為例，總結(jié)防止金屬腐蝕的幾種方法.

學習任務(wù)：從構(gòu)成原電池的條件（金屬、與金屬接觸的物質(zhì)和反應(yīng)條件等）出發(fā)分析設(shè)計相應(yīng)的防腐方案.總結(jié)犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陰極保護法.（如圖7、圖8所示）

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學生從形成原電池的條件出發(fā)，思考可行的金屬防腐方案，提高學生將實際問題和原電池模型相結(jié)合解決實際問題的能力.

3.3 設(shè)計遷移性問題鏈，突出知識運用，注重科學探究、社會責任的培養(yǎng)

深度學習強調(diào)知識的學習發(fā)生在真實的復(fù)雜問題情境中，教師聯(lián)系生活實際，創(chuàng)設(shè)真實問題情境，設(shè)計遷移性問題，引導(dǎo)學生利用電化學模型解決真實復(fù)雜的問題情境，幫助學生在解決問題的過程中形成利用電化學模型分析并解決問題的系統(tǒng)性思維，促進學生學科知識向能力素養(yǎng)轉(zhuǎn)化.

環(huán)節(jié)五：遷移拓展，為海洋平臺設(shè)計合理的防護方案

問題7：海洋平臺主要組成材料是鋼鐵，由于長期受到海水的侵蝕而產(chǎn)生嚴重的電化學腐蝕.請根據(jù)金屬腐蝕的原理，為海洋平臺設(shè)計防護方案.

學習任務(wù)：根據(jù)電化學原理，思考為海洋平臺制定防腐方案的措施.

設(shè)計意圖：關(guān)注知識的綜合運用，利用本節(jié)課所學的知識解決綜合性的實際問題，進一步提升學生利用電化學模型解決實際問題的能力.另一方面，幫助學生培養(yǎng)愛護環(huán)境和節(jié)約資源的意識.

4 教學總結(jié)

4.1 利用遞進性問題鏈，使學生學習由知識碎片化向結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)化.

金屬的腐蝕與防護這一節(jié)的內(nèi)容難度不高，但是知識點比較零碎.利用不同類型的問題鏈將看似零散和復(fù)雜的知識串聯(lián)起來，有利于學生構(gòu)建電化學認知模型解決實際問題，實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化，引導(dǎo)學生對知識的深度理解.

4.2 利用探究性問題鏈，使學生思維由低階思維向高階思維轉(zhuǎn)化

從整個教學設(shè)計的順序來看，按照知識的邏輯順序提出一系列驅(qū)動性問題，通過解決多個相互串聯(lián)的問題，最終解決復(fù)雜的問題，這樣的設(shè)計為學生的思考過程搭建了支架，培養(yǎng)深度思考的能力.

4.3 利用探究性問題鏈，轉(zhuǎn)變學生的學習方式學生通過自主設(shè)計探究實驗，從宏觀現(xiàn)象的觀察、微觀粒子行為的分析，通過符號表征建立利用電化學知識解決實際問題的認知模型，學生在學習過程中產(chǎn)生了積極的情感體驗，促進了學習方式的轉(zhuǎn)變.

參考文獻：

［1］ 胡久華.以深度學習促進核心素養(yǎng)發(fā)展的化學教學［J］.基礎(chǔ)教育課程，2019（Z1）：70-78.

［2］ 周郁.“問題鏈”教學相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.科教文匯（下旬刊），2020（01）：142-143.

［責任編輯：季春陽］

收稿日期：2022-11-25

作者簡介：薛蓉（1997-），女，貴州省畢節(jié)人，在讀研究生，從事化學教學研究；

張萬舉（1981-），男，山東省臨沂人，教授，從事化學教育與藥物合成研究.

基金項目：黃岡師范學院教學研究項目基金（2020CE71；2021CE73），黃岡師范學院研究生工作站課題（項目編號：5032021041），黃岡師范學院教育專業(yè)學位教學案例項目（編號：5022021014）.