基于高階思維培養(yǎng)的高中化學(xué)數(shù)字化實驗教學(xué)實踐研究

摘 要 本研究通過分析當(dāng)前高中化學(xué)教學(xué)中存在的問題，提出了以高階思維培養(yǎng)為核心的教學(xué)設(shè)計思路，系統(tǒng)闡述了高階思維能力培養(yǎng)的路徑和關(guān)鍵，并結(jié)合數(shù)字化實驗進行了具體的課堂教學(xué)實踐。結(jié)果表明，將數(shù)字化教學(xué)實驗融入化學(xué)課堂教學(xué)中能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生的思維從低層次的接受、模仿提升到高層次的分析、評價和創(chuàng)造，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的高階思維能力水平。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué)；高階思維；數(shù)字化實驗；教學(xué)建議

中圖分類號 G633.8

文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 2095-5995（2024）08-0055-03

一、在高中化學(xué)學(xué)科教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生高階思維的必要性

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出，重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力^［1］?！吨袊呖荚u價體系》中對關(guān)鍵能力歸納為知識獲取能力群、實踐操作能力群和思維認(rèn)知能力群^［2］。

高中是學(xué)生接觸化學(xué)學(xué)科的重要階段，也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵時期。然而，目前的高中化學(xué)教學(xué)往往忽視了學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)。比如，知識傳授過于注重記憶和應(yīng)試技巧，缺乏對學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)；課堂教學(xué)中缺乏實際案例和問題解決的訓(xùn)練，學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力得不到有效培養(yǎng)；學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏與現(xiàn)實生活的聯(lián)系，對化學(xué)知識的興趣和學(xué)習(xí)動力不足。因此，如何在課堂教學(xué)中促進學(xué)生的高階思維能力的發(fā)展，成為當(dāng)前高中化學(xué)教學(xué)亟待解決的問題。

二、在高中化學(xué)學(xué)科教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生高階思維的實踐研究

高階思維的培養(yǎng)需要運用高階學(xué)習(xí)活動方式組織教學(xué)。高階學(xué)習(xí)活動方式主要有以下幾個關(guān)鍵點：一是課堂教學(xué)中要有情境有任務(wù)，通過引入有趣的實驗、案例和問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，營造合作互動的學(xué)習(xí)環(huán)境，這是基于高階思維培養(yǎng)的課堂教學(xué)的基礎(chǔ)：二是通過提出開放性問題、開展小組合作學(xué)習(xí)和討論等方式，引導(dǎo)學(xué)生進行高階思維訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和批判性思維，這是基于高階思維培養(yǎng)的課堂教學(xué)的路徑：三是給學(xué)生表達(dá)和解釋的機會，在表達(dá)過程中將自己的思維外顯化，在師生互動和生生互動中提升能力，讓學(xué)生將所學(xué)的化學(xué)知識應(yīng)用到實際生活中，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。^［3］下文以人教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章第四節(jié)“沉淀溶解平衡”為例進行說明。

（一）課前準(zhǔn)備：細(xì)致分析，精心設(shè)計

在“沉淀溶解平衡”的教學(xué)中，筆者采用了數(shù)字化實驗，測定CaC₂O₄固體在溶解過程中的電導(dǎo)率的變化，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識難溶電解質(zhì)的溶解平衡，利用電導(dǎo)率探頭能夠快速獲得沉淀溶解的信息?；诎l(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)，應(yīng)用數(shù)字化實驗，能直觀地讓學(xué)生認(rèn)識難溶電解質(zhì)溶解平衡的建立過程。通過研討，備課組確定本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計如下。

1.學(xué)情分析

高二學(xué)生具有一定的獨立思考、合作探究能力，學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了化學(xué)平衡的相關(guān)知識，分析和解決水溶液中的平衡問題能力較強，同時掌握了化學(xué)實驗的基本操作，但應(yīng)用化學(xué)知識解決實際生產(chǎn)生活中的問題的能力有待提高，對化學(xué)學(xué)科的社會價值認(rèn)知不足。

2.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過視頻《惹禍的結(jié)石》，探究難溶物在水中的溶解情況。

（2）通過測量溶液的電導(dǎo)率，學(xué)生能描述溶解平衡建立的過程，初步建立難溶電解質(zhì)的溶解平衡的認(rèn)知模型。

（3）通過如何預(yù)防腎結(jié)石以及利用K_sp定量分析腎結(jié)石的形成條件，學(xué)生學(xué)會用化學(xué)知識解決實際問題，感受化學(xué)知識的應(yīng)用價值，體會用理論指導(dǎo)實踐的重要意義。

3.教學(xué)重難點

（1）教學(xué)重點：通過對CaC₂O₄溶解平衡模型的建立，提高學(xué)生對平衡本質(zhì)的認(rèn)識水平。

（2）教學(xué)難點：通過對K_sp的應(yīng)用，提高學(xué)生解決問題的能力及對化學(xué)價值的認(rèn)識水平。

（二）教學(xué)過程：創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置任務(wù)，積極引導(dǎo)

本節(jié)課旨在引導(dǎo)學(xué)生體會化學(xué)理論在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科價值。經(jīng)過備課組集體研討，本課設(shè)計了四個教學(xué)環(huán)節(jié)以及四個學(xué)習(xí)任務(wù)。

1.環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

教師帶領(lǐng)學(xué)生觀看視頻《惹禍的石頭》，讓學(xué)生了解喝水少是腎結(jié)石形成的原因之一。資料顯示，腎結(jié)石的主要成分是CaC₂O₄，含量大于80%，還含有少量的Ca₃（PO₄）₂等其他成分。此時教師提出問題：腎結(jié)石在水中的溶解度如何？多喝水為什么能夠預(yù)防腎結(jié)石？這個環(huán)節(jié)通過真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，激發(fā)學(xué)生的興趣和主動探究的欲望，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用化學(xué)知識解決實際生活中的問題的能力，彰顯化學(xué)學(xué)科價值。^［4］

2.環(huán)節(jié)二：提出問題，實驗探究

教師布置學(xué)習(xí)任務(wù)1：探究CaC₂O₄在水中的溶解性，用什么試劑可以檢驗CaC₂O₄在水中是否溶解？學(xué)生討論后設(shè)計實驗1：利用Na₂CO₃溶液檢驗CaC₂O₄溶解后的鈣離子。學(xué)生向CaC₂O₄固體中加入適量的水，充分溶解后靜置，向上層清液中滴加適量Na₂CO₃溶液，觀察實驗現(xiàn)象。教師適當(dāng)引導(dǎo)，給出資料：電導(dǎo)率是溶液導(dǎo)電能力的標(biāo)志。一般情況下，溶液離子濃度越大，電導(dǎo)率越高，溶液導(dǎo)電能力越強。通過測量溶液的電導(dǎo)率變化，可以檢驗CaC₂O₄在水中的溶解性。

接下來教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗2：測定CaC₂O₄溶于水的電導(dǎo)率。實驗裝置及步驟如下：

（1）實驗裝置

（2）實驗步驟

a.將實驗儀器連接好（如圖1），將程序中的縱坐標(biāo)設(shè)置為電導(dǎo)率探頭，橫坐標(biāo)設(shè)置為時間。

b.向燒杯中注入適量蒸餾水，啟動磁力攪拌器，打開測定按鈕，繪制電導(dǎo)率曲線。

c.20秒時向蒸餾水中加入少量CaC₂O₄粉末。

d.待電導(dǎo)率曲線趨于穩(wěn)定后，停止實驗。（如圖2）

在這一環(huán)節(jié)中，教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生通過化學(xué)實驗來解決問題，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。通過小組討論，設(shè)計實驗進行驗證假設(shè)，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。在一般實驗方法無法觀察到明顯化學(xué)現(xiàn)象時，教師引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化實驗來探究，將微觀無法觀察到的實驗現(xiàn)象數(shù)字化、圖像化，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)，在對原實驗方案進行分析、評價及新實驗方案的設(shè)計中，發(fā)展高階思維能力。

3.環(huán)節(jié)三：建立溶解平衡模型，探究影響因素

根據(jù)實驗現(xiàn)象，教師提出問題：溶液電導(dǎo)率為什么會升高？影響電導(dǎo)率的因素有哪些？電導(dǎo)率升高到一定程度趨于穩(wěn)定的原因是什么？圍繞以上三個問題，學(xué)生分小組討論交流，并分享各小組的討論結(jié)果。

學(xué)生得出結(jié)論：（1） CaC₂O₄在水中有一定的溶解度；（2）CaC₂O₄在水中達(dá)到飽和狀態(tài)；（3）影響電導(dǎo)率的因素有物質(zhì)本身的性質(zhì)、溫度等。

此時，教師布置學(xué)習(xí)任務(wù)2：建立溶解平衡模型。類比化學(xué)平衡的建立過程，推導(dǎo)溶解平衡的建立過程，歸納總結(jié)溶解平衡的特點及影響因素，診斷學(xué)生對化學(xué)平衡本質(zhì)的認(rèn)識水平。

在學(xué)生了解沉淀溶解平衡的概念、特點、CaC₂O₄溶解平衡表達(dá)式及影響因素后，教師布置學(xué)習(xí)任務(wù)3：利用K_sp與Q_c的關(guān)系判斷沉淀的生成與溶解。類比化學(xué)平衡常數(shù)K，推導(dǎo)K_sp的表達(dá)式及影響因素，通過測量升溫后CaC₂O₄飽和溶液的電導(dǎo)率，感受溫度對K_sp的影響，利用K_sp與Q_c的關(guān)系判斷沉淀的生成與溶解，診斷學(xué)生對化學(xué)平衡常數(shù)的認(rèn)識水平，通過不同溫度對比，讓學(xué)生感知溫度對難溶電解質(zhì)溶解平衡的影響，感知K_sp與溫度的關(guān)系。

隨后，教師提出問題：如何通過實驗探究溫度對沉淀溶解平衡的影響？學(xué)生分組討論，設(shè)計實驗3：測定不同溫度下CaC₂O₄溶解的電導(dǎo)率，實驗裝置及實驗步驟如下。

（1）實驗裝置（同實驗1裝置）

（2）實驗步驟

在數(shù)字化實驗1的基礎(chǔ)上，將燒杯置于熱水浴中，重復(fù)實驗測定CaC₂O₄溶于水的電導(dǎo)率（如圖3），并與實驗1的電導(dǎo)率曲線作對比。

通過直觀的圖像分析，學(xué)生得出結(jié)論：溫度升高，物質(zhì)的溶解度增大，K_sp增大。

在這一環(huán)節(jié)中，通過K_sp與Q_c的大小關(guān)系判斷沉淀的生成與轉(zhuǎn)化的方法，教師引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)思維模型，通過分析實驗現(xiàn)象得出結(jié)論，進一步培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。

4.環(huán)節(jié)四：學(xué)以致用

教師布置學(xué)習(xí)任務(wù)4：運用所學(xué)內(nèi)容解決實際生活中的問題。教師可設(shè)計如下問題：

（1）為什么多喝水可以預(yù)防腎結(jié)石？

（2）醫(yī)生為什么用5% Na₂SO₄給鋇離子中毒的患者洗胃？

（3）齲齒形成的原因以及含氟牙膏能夠預(yù)防齲齒的原因是什么？

在這一環(huán)節(jié)中，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，將學(xué)科知識與實際生產(chǎn)生活聯(lián)系起來，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，更能夠提高學(xué)生應(yīng)用化學(xué)知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。

四、在高中化學(xué)學(xué)科教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生高階思維的教學(xué)建議

將基于真實生活中的問題引入課堂可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。在解決生活中實際問題的過程中，可以提高學(xué)生以高階思維為核心的問題解決能力和批判性思維能力。基于上述討論，筆者有以下建議：

（一）利用真實情境激發(fā)高階思維

1.選擇貼近生活的化學(xué)現(xiàn)象作為教學(xué)案例，讓學(xué)生感受化學(xué)的實用性，從而激發(fā)其好奇心和探究欲。

2.創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生分析和解決復(fù)雜的化學(xué)問題。通過提出具有挑戰(zhàn)性的問題，鼓勵學(xué)生運用批判性思維和創(chuàng)新思維尋求多種解決方案。

（二）通過數(shù)字化實驗培養(yǎng)高階思維

1.利用數(shù)字化實驗設(shè)備和技術(shù)，讓學(xué)生親自操作實驗，觀察化學(xué)現(xiàn)象，收集實驗數(shù)據(jù)，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰涂茖W(xué)探究精神。

2.在數(shù)字化實驗過程中，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，得出結(jié)論，從而培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合和評價等高階思維能力。這些能力是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，對于學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和工作具有重要意義。

（解志勇 張林沖，河南省濟源第一中學(xué) ，河南 濟源" 459000）

參考文獻：

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［2］ 教育部考試中心.中國高考評價體系［M］.北京：人民教育出版社，2020：25.

［3］ 楊光明，羅林秀，鄒洪濤.2004—2021年國內(nèi)高階思維研究評述與未來展望［J］.教育觀察，2022（21）：42-45.

［4］ 劉萍，朱汝葵，陳思靜.“素養(yǎng)為本”的“原電池”教學(xué)設(shè)計［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2021（6）：44-46.

責(zé)任編輯：楊 揚

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