基于“問題解決”的化學單元教學設計

陳玉清　王后雄　孫妍

摘要： 基于對問題解決的相關理論研究，以“化學反應與電能”為例，選擇“新能源汽車電池”為主題進行單元教學設計。教學劃分為三個板塊，分別研究新能源汽車電池的工作原理、發(fā)展前景、回收利用三個真實的問題，綜合應用電化學及物理電學等核心知識，在復雜問題的解決過程中加深學生對電化學認知模型的理解與應用。彰顯化學學科的社會價值，為核心素養(yǎng)的落地探索可行之路徑。

關鍵詞： 問題解決； 單元教學設計； 電化學； 真實情境； 新能源汽車電池

文章編號： 10056629（2023）10002609 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）明確指出“化學教學內(nèi)容的組織，應有利于促進學生從化學學科知識向化學學科核心素養(yǎng)的轉化，而內(nèi)容的結構化則是實現(xiàn)這種轉化的關鍵”［1］。真實問題解決是實現(xiàn)內(nèi)容結構化的有效路徑，因為真實情境中的問題都是開放的、復雜的。充滿不確定的問題情境有利于激發(fā)并保持學生的探究熱情，建立基于理解的“彈性圖式”，培養(yǎng)學生的“專家思維”，促進其素養(yǎng)發(fā)展。為此，以“新能源汽車電池”為主題，提出基于問題解決的單元教學設計教學步驟、設計思路及評價量表，以推進素養(yǎng)導向的教學實踐的發(fā)展。

1 問題解決的內(nèi)涵及教學應用

1.1 問題解決的內(nèi)涵

問題解決是以問題為核心，將發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題相統(tǒng)一的完整認知及實踐過程。問題解決的最終目的不只是解決某個具體的問題，而是通過問題解決的過程激發(fā)學生的思維，重視學生在解決過程中的體驗或體會。傳統(tǒng)教學衡量學習成效的標準是，學生課后對所學知識沒有問題，沒有問題就說明學生掌握了知識，這種標準忽視了問題的價值，容易使學生停留在識記等低階思維層面［2］。而素養(yǎng)導向的教學實踐應創(chuàng)設真實問題情境，鼓勵并啟發(fā)學生提出問題，在問題解決的過程中建構知識，發(fā)展高階思維。

1.2 問題解決的教學應用

問題解決作為發(fā)展學生核心素養(yǎng)的有效教學方式，也遵循著一定的教學步驟。在閱讀大量問題解決式教學案例的基礎上，總結并提出以下基于“問題解決”的教學步驟，如圖1所示。

扎根于教材的“惰性知識”脫離了真實生活情景，不具有廣泛的遷移性，阻礙了學生素養(yǎng)的形成。教育的功能是使學生具備解決未來真實情境中復雜問題的能力，因此教師的教學應注重真實情境中的問題解決［3］?；凇皢栴}解決”的教學分為以下四個步驟：

（1） 創(chuàng)設真實情境。情境須貼近學生的真實生活，富有吸引力，引導學生大膽聯(lián)想已有經(jīng)驗，激發(fā)學生的探究欲及相關認知圖式，在情境中生成問題。

（2） 拆解大問題。問題解決教學的核心是“問題鏈”。教師需將復雜的大問題分解成一個個層層遞進、螺旋式上升的子問題，且每個子問題需在有連貫的子情境中呈現(xiàn)。

（3） 發(fā)現(xiàn)問題沖突。真實情境中的問題常常是劣構的，解決問題的條件和途徑并非單一、理想化的，因此常常出現(xiàn)沖突。學生需要逐一解決蘊含“沖突”的子問題，最終實現(xiàn)大問題的解決。這一過程中，教師需鼓勵學生拓寬思路，靈活調(diào)動頭腦中相關的知識板塊，從而獲得對問題更高位的理解。

（4） 引導應用遷移。學習知識是為了應用于實踐，教師需引導學生及時總結，以具體問題為原型，回顧并總結出問題解決過程中可借鑒的思路，提煉出可遷移的思維模型，使學生在未來遇到類似情境時，也可應用該模型解決問題。

2 基于“問題解決”的單元教學設計思路

2.1 創(chuàng)設真實情境

真實具體的問題情境是學生化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學生化學學科核心素養(yǎng)提供真實的表現(xiàn)機會［4］。新課標在“化學反應與能量”的教學策略中明確指出，“應創(chuàng)設真實情境，組織學生開展基于能量利用需求選擇反應等活動，形成合理利用化學反應中的能量變化的意識和思路”，同時提供“鋰離子電池與新型電池的開發(fā)”等情境素材建議?；诖耍狙芯窟x用“新能源汽車電池”作為本單元的真實情境及學習主題。之所以選用新能源汽車電池，原因在于它相較于其他情境而言具有特殊的教學價值：一是新能源汽車電池較好地綜合了原電池及電解池的工作原理，注重原電池及電解池的實際意義及重要應用，有助于學生掌握分析化學電池工作原理的系統(tǒng)思路；二是與“碳中和”等社會熱點緊密聯(lián)系，貼近學生的真實生活，體現(xiàn)出化學對自然環(huán)境及社會發(fā)展的突出價值；三是學習素材豐富，體現(xiàn)跨學科思想，有利于發(fā)展學生的多種學科核心素養(yǎng)。其教學價值如圖2所示。

在“新能源汽車電池”這一大情境的統(tǒng)領下，從工作原理、發(fā)展前景、回收利用三個視角從下至上進行分析和梳理，呈現(xiàn)出三個相互銜接的小情境，旨在使學生全方位地了解新能源汽車電池，切實感受化學知識與社會生活的緊密聯(lián)系，充分發(fā)揮“新能源汽車電池”的教學價值。本單元情境設計及對應的教學價值如圖3所示。

2.2 拆解大問題

本單元教學將三個板塊中的大問題拆解成3個小問題進行教學，無論是橫向的大問題還是縱向的小問題都呈現(xiàn)層層遞進、環(huán)環(huán)相扣的次序，以“小步調(diào)”逐步達成最終問題的解決，避免學生在短時間內(nèi)吸收大量知識而產(chǎn)生認識負荷。本單元的問題鏈設計如圖4所示。

以第一板塊“新能源汽車電池的工作原理”為例，展現(xiàn)該板塊中大問題的拆解過程：鋰離子電池與學生的日常生活息息相關，而磷酸亞鐵鋰電池是新能源汽車電池的典型代表之一，適合作為學生認識新能源汽車電池的原型，因此第一個子問題是以磷酸鐵鋰電池為例，探究其充、放電時的反應過程。隨著學生對充、放電過程的分析逐步深入，會發(fā)現(xiàn)它與一般單液或雙液原電池存在差異。為深入探索差異產(chǎn)生的原因，第二個子問題引導學生進一步探究電池內(nèi)部微粒的移動方向，使學生發(fā)現(xiàn)化學電池還可以通過離子（Li+）的嵌入和脫嵌來運作，從而對引起Li+變化的本質原因展開探究，促進學生守恒觀的發(fā)展。第三個子問題是對上述兩個問題的提煉和總結，通過提煉出該電池的構成要素，促進學生認識思路的結構化，幫助學生掌握分析陌生電池的思想方法。按照類似的拆解方式，可將本單元情境中的問題按照由易到難、由簡單到綜合的順序進行排列，形成符合學生認知特點且具有邏輯順序的問題鏈，幫助學生在問題解決的過程中實現(xiàn)思維進階。

2.3 發(fā)現(xiàn)問題沖突

在所有的學科領域，只要把知識運用到具體情境中，就會產(chǎn)生大量的結構不良問題［5］。結構不良問題的空間結構并不明確，因此學生經(jīng)歷真實問題解決時常面臨實際情況與已有經(jīng)驗的沖突，而問題沖突正是激發(fā)學生興趣、引發(fā)困惑、體驗意義的重要載體，也是深度理解發(fā)生的前提、關鍵與條件［6］。因此，引導學生發(fā)現(xiàn)并解決沖突的過程對促進學生的深度理解具有重要意義。

了解學生的學習起點，有助于教師明確學生的思維障礙，以學生的已有經(jīng)驗為基礎設計認知沖突。經(jīng)過相關文獻查閱，了解到學生在學習“化學能與電能”時，普遍遇到的困難是建立電化學過程的系統(tǒng)分析思路［7］。在知識與技能層面上，學生在此之前已經(jīng)學習了原電池及電解池，具備根據(jù)電池裝置圖書寫電極反應式的能力，但分析的電池仍是簡單電池，較少有分析工業(yè)生產(chǎn)中復雜電池的機會。在思維層面上，學生的頭腦中并未建立起原電池與電解池之間的聯(lián)系。在前概念上，許多學生在判斷微粒移動方向等問題上仍存在疑惑和混淆。學生的學習起點及教學策略分析如圖5所示。

基于上述分析，本單元設計了3個關鍵問題沖突：當學生開展第一板塊“磷酸鐵鋰電池工作原理”的學習時，Li+的變化（嵌入及脫嵌）與學生已有經(jīng)驗中離子得失電子的常見形態(tài)產(chǎn)生沖突，有助于學生運用守恒觀理解微粒變化的本質，有效擊破“判斷微粒運動方向”的學習難點；第二板塊“新能源汽車電池的發(fā)展前景”

中，學生已有經(jīng)驗中“鋰離子電池的應用優(yōu)勢”與現(xiàn)實情況中“全球范圍的鋰資源短缺”產(chǎn)生沖突，有助于學生應用電化學認知模型解決現(xiàn)實問題，形成分析陌生電池的系統(tǒng)思路；第三板塊“新能源汽車電池的回收利用”中，學生基于已有經(jīng)驗設計的回收方案與真實工業(yè)生產(chǎn)中“環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟性”等限制條件產(chǎn)生沖突，有助于學生綜合運用知識，提升決策能力。教師須充分挖掘問題沖突背后蘊含的教學價值，引導學生通過收集資料等活動吸納新知。本單元問題沖突的設計如圖6所示。

問題沖突是導向深度理解的引線，問題解決過程中的沖突都將驅動學生發(fā)現(xiàn)新問題、提出新猜想、收集新論據(jù)，促使學生在連續(xù)的問題解決中實現(xiàn)知識的意義建構，獲得素養(yǎng)發(fā)展。

2.4 引導應用遷移

發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的關鍵是由“知識理解”向“知識遷移”過渡，再向“知識創(chuàng)新”提升，而學科性知識與實踐性知識的結合是實現(xiàn)知識遷移及創(chuàng)新的必經(jīng)途徑［8］。因此教師需要引導學生利用所學知識解決新問題，發(fā)揮知識的實踐價值，為學生提供利于遷移的實踐情境。

本單元中，通過第一板塊的學習，學生已經(jīng)初步掌握電化學問題的系統(tǒng)分析模型。在第二板塊的學習中，學生可以應用該認知模型，類比推理出鈉離子電池的工作原理，為后續(xù)鈉離子電池與鋰離子電池的對比提供理論依據(jù)。在第三板塊的學習中，教師引導學生應用“鈉離子電池內(nèi)部構造”等已有知識，分析鈉離子電池中可循環(huán)利用的材料，同時結合“元素化合物”知識，開展“鈉離子電池回收方案”的設計活動，使學生親身體驗學科知識的社會價值。本單元活動線設計如圖7所示。

對上述教學環(huán)節(jié)進行整合可發(fā)現(xiàn)，本單元教學流程將“設計情境”“拆解問題”“發(fā)現(xiàn)沖突”“應用遷移”四個環(huán)節(jié)分為內(nèi)部小循環(huán)和整體大循環(huán)?！皟?nèi)部小循環(huán)”指每個教學板塊均包含上述四個教學環(huán)節(jié)，“整體大循環(huán)”指前一板塊所學知識均在下一板塊得到遷移和應用，又引發(fā)新的困惑、形成新的問題，開啟新一輪循環(huán)，教學中強調(diào)學生在教師引導下的合作共建。本單元的教學流程如圖8所示。

3 基于“問題解決”的“化學能與電能”單元教學設計關鍵環(huán)節(jié)的處理

3.1 建構認知模型，實現(xiàn)知識結構化

化學認知模型是學生研究化學問題、理解化學知識的系統(tǒng)化思路，學生通過建構認知模型能準確把握復雜問題的認識角度，迅速抓住事物變化的本質及規(guī)律［9］。本單元教學中，教學重點即是建構電化學認知模型并運用模型分析陌生電池，發(fā)展學生基于模型解釋及預測能量變化的能力。

例如，在板塊1的學習中，教師為學生提供支架“磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部構造”及“充、放電過程中Li+的變化示意圖”（如圖9和圖10所示），引導學生探究磷酸鐵鋰電池的工作原理，激發(fā)認知沖突：該電池中的電解質并非溶液，而是具有空間結構的無機物固體，Li+也并非是與溶液中其他離子發(fā)生反應，而是在無機物固體的空間結構中進行嵌入和脫嵌運動。磷酸鐵鋰電池拓展和深化了學生對化學電池的認識，有助于學生抓住分析電化學問題的實質。

在教師的引導下，學生合作建構以磷酸鐵鋰電池為原型的電化學認知模型，掌握從“宏觀微觀符號”的認識思路：首先看宏觀的電池裝置，把握電池的三個基本構成要素“電極、電子導體（導線）、離子導體（電解質）”；接著研究微觀的反應原理，選擇合適的電極反應物，從得失電子的角度推測電極產(chǎn)物，利用守恒觀分析微粒的變化過程；最后用符號表征反應過程，書寫充、放電時的電極反應式。師生共同建構的磷酸鐵鋰電池認知模型如圖11所示。

當學生掌握上述電化學認知模型后，在未來面對陌生電池時，能自動檢索模型思維方法，自覺調(diào)用認識角度，提升電化學問題分析過程中的元認知思維水平［13］，實現(xiàn)知識的結構化。

3.2 促進學科融合，重視跨學科教學

跨學科教學是融合兩門及以上學科的知識、方法等，以問題解決為導向的教學活動［14］。教育的目的是使學生具備應對未來風險挑戰(zhàn)時的必備品格和關鍵能力，而學生未來面臨的問題大多是結構不良問題，因此教學中應積極開發(fā)學科知識交互的場域，提升問題的綜合性和開放性。

例如，在本單元板塊2“新能源汽車電池的發(fā)展前景”學習中，學生面臨的真實挑戰(zhàn)是“鋰離子電池應用廣泛，但鋰資源十分稀缺”。基于元素周期律的學習，學生意識到金屬Na與Li性質相似且Na的儲量豐富，提出可用鈉離子電池替代鋰離子電池。為驗證該方案的可行性，教師提供相關事實資料，組織學生開展“比較鈉離子電池與鋰離子電池”的小組探究活動。其中，能量密度等概念與物理電學知識聯(lián)系緊密，因此該探究活動為學生提供了學科融合的場域。具體教學過程如下：

［活動2.1］搜集資料，結合表1中的信息，類比磷酸鐵鋰電池的工作原理，從原子結構、能量密度、氧化性及還原性等角度，探究鈉離子電池的優(yōu)勢及缺點。

［學生討論］根據(jù)上述資料，可從以下三個角度比較鈉離子電池與鋰離子電池：

（1） 相對原子質量角度：利用物理電學、電化學等基本知識及數(shù)學的推導技能，將能量密度大小與放電電流I聯(lián)系起來。其推理過程如圖12所示。

根據(jù)上述公式推導，可以得出“在相同時間內(nèi)，相同質量的鋰離子電池比鈉離子電池向外提供的能量更多”這一結論，由此說明鋰離子電池的能量密度比鈉離子電池更大。

（2） 離子半徑角度：由于Na+的離子半徑比Li+更大，在正負極材料的晶體結構中脫嵌會更困難，遷移速度隨之減慢，因此鈉離子電池充放電循環(huán)的次數(shù)比鋰離子電池更少。

（3） 標準電極電勢角度：標準電極電勢越低，還原態(tài)失電子的能力就越強，由于鋰電池的標準電極電勢更低，所以Li的還原性比Na更強，使得相同的電極材料在用于鈉離子電池時，從正極脫嵌出的Na+更少，嵌入負極碳層的Na+也越少。因此鋰離子電池儲能性更好［16］。

［學生總結］學生在綜合小組討論的結果后，得出以下結論：

（1） 鈉離子電池的優(yōu)點：鈉儲量豐富，成本較低，可以大量生產(chǎn);

（2） 鈉離子電池的缺點：相比于鋰離子電池，能量密度更低，循環(huán)次數(shù)更少，儲能性更弱。

3.3 注重即時反饋，實現(xiàn)“教學評”一體化

新課標明確指出教學評價中要尤其重視學生的日常學習評價，充分發(fā)揮評價的育人功能，而評價是以學生活動為載體開展的，因此教學評價應通過學生學習活動中的表現(xiàn)來顯化學生當下的素養(yǎng)發(fā)展水平。借鑒姜建文評價目標的設計思路［17］，結合教學具體情況，設計本單元的教學評價量表，如表2所示。

利用上述評價量表，可在每一板塊的學習中給予學生即時的反饋及評價，有效促進“教學評”一體化在實踐中的落地。

4 教學建議

4.1 創(chuàng)建境脈化的課堂，讓學生經(jīng)歷完整的問題解決過程

在一般教學實踐中，課堂大多是“去境脈化”的，因為學校教育中“提出問題”和“界定問題”往往由教師或教材代為完成［18］。而在本單元教學中，情境是真實復雜的，學生完整地經(jīng)歷“提出問題—界定問題—發(fā)現(xiàn)沖突—解決沖突”等一系列問題解決過程。相較于教師單向傳遞的“惰性知識”，學生在真實問題解決中建構的知識是經(jīng)過深度加工的，更易長久地保存于記憶中，遷移到未來的陌生場景里，有助于提升學生的問題解決能力。

4.2 教學聯(lián)系社會熱點，使學生體驗化學知識的社會價值

新能源汽車是目前汽車工業(yè)中發(fā)展勢頭最強勁的產(chǎn)業(yè)，與學生的未來生活息息相關，而電池作為新能源汽車的“心臟”，其性能的優(yōu)化都將為新能源汽車的發(fā)展創(chuàng)造巨大的價值。通過本單元的學習，學生對新能源汽車電池的工作原理有了更深入的理解，能從學科視角出發(fā)解釋社會問題并提供可行建議，開拓學生成為“電池研發(fā)人員”的職業(yè)潛力，激發(fā)學生學習化學的內(nèi)在動機。

基于問題解決的單元教學設計，以真實情境作為學生建構知識的載體，既有助于學科知識及實踐知識的融合，又促進學生知識的結構化，有利于多個方面的學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。其教學設計思路所具有的推廣及應用價值，仍需要在未來的教學實踐中進一步打磨和改進。

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*國家新聞出版署人教數(shù)字研究院2022年度重點課題“數(shù)據(jù)支持下的中學化學實驗教學質量評價體系構建及實施研究”（RJA0322001）；中國教育學會2022年度一般規(guī)劃課題“高中生化學實驗素養(yǎng)測評研究”（202234000801B）研究成果。