通過問題解決提高學生的科學素養

徐丹

摘要：嘗試在高三“化學電源”的復習中，構建復習的問題框架，通過學生自主學習、自主探究，解決各個層次的問題，提升解決實際問題的內在品質，提高學生科學素養，同時為高三的復習尋求更好的教學策略。

關鍵詞：高三復習課；科學素養；化學電源

文章編號：1008-0546（2017）05-0045-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.014

新《高中化學課程標準》提出“高中化學課程是科學教育的重要組成部分， 它對提高學生的科學素養、促進學生全面發展有著不可替代的作用”的理念，明確把培養和發展學生的科學素養作為核心目標，突出對科學探究、科學過程、科學方法的教育要求。而對于高三的學生來講，由于高中教材的內容已經講授完，在復習的策略上，更側重于高考考點的分析與解題技巧的講解，大量的題目訓練使得學生感覺高三的復習非常的枯燥，機械的應付全國各地的真題和模擬卷，讓學生覺得高三就是在煎熬。學生只是盲目地在不斷刷題，而輕視了化學解題過程，沒有形成嚴謹的思維習慣。這與現行高考化學對學生的要求也是不符的，現行高考不僅是考查化學知識，更重要的是檢測考生的化學科學素養。

從科學素養的內涵出發，結合化學學科的特點，人們普遍認為化學科學素養是指具有一定結構層次的知識和能力以及解決實際問題的內在品質。問題解決是通過“問題”來激發學生持續的學習，讓學生不斷經歷解決老問題、解決新問題、解決疑難問題和發現新問題的學習循環，既可提高學生的復習興趣、建構合理的知識體系，又能在體驗問題解決的過程中讓學生形成良好的科學思維品質。通過問題解決體驗科學探究的方法與技能以及科學思維尤其是學生批判性思維的形成，能夠做到在活動中敢于提出質疑，勇于發表自己的見解。

高三一輪復習的功能除了喚醒學生對相應知識的回憶外，更重要的是對有關知識進行重組的基礎上提升綜合應用能力[1]。以下是筆者以“化學電源”高三一輪復習課為例，通過完成“轉化任務”、構建“問題框架”、運用“思維導圖”的教學策略復習化學電源知識的實踐研究。

一、 教學目標

1. 構建以化學電源為中心的問題框架，讓學生在不斷解決問題過程中，增強實際分析、解決問題的能力，提升學生的學習力。

2. 歸納、整理常見化學電源的種類及電極反應式的書寫方法，構建合理的知識體系。

3. 體驗以問題系統的高度優化為策略，形成嚴謹的思維方式，提高學生化學學科素養。

二、 教學過程

1. 環節一：教師給出問題框架，喚醒學生對相應知識的回憶。

課堂上，教師通過手繪問題框架，勾起學生對化學電源的主體知識的回憶，為后續學生自主學習完善問題框架、優化系統問題奠定基礎。

2. 環節二：完成轉化任務，自主構建完善問題導圖。

學生自主學習教師給出的問題框架，通過小組討論，課堂交流，針對某一化學問題進行細化、設置和拓展，豐富問題導圖，把在這一段學習中可能出現的問題都盡可能地涵蓋進框圖內，形成更加全面的知識體系便于更好的復習。

3. 環節三：進一步優化問題導圖，教師梳理有效問題，教師引導探究問題解決。

教師協助學生解決問題導圖中設置的各項問題，從認識突破、方法突破、思維突破、能力突破四個方面指導學生的學習策略，歸納整理化學電源的知識體系。

（1）基本概念及構成問題方面：學生對充電和放電的區別還是分得比較清楚，但是當復習到常見電極材料時學生往往不能歸納全面，筆者指導學生從電極材料本質的功能，常見的化學電源的電極材料去歸納此問題，比如只要是導體都應該有作為電極材料的可能性，如：常見的有金屬包括惰性的如：鉑和金，活性的如：銅、鐵等，還有一些過渡元素的金屬化合物如：堿式氧化錳、氫氧化鎳等，金屬氧化物如鉛蓄電池，其他如：石墨、鈦網等。對于電解液的類型分類上，大部分學生對堿性、酸性和中性的電解液比較熟悉，而對固體電解質如熔融氧化物和熔融碳酸鹽相對比較陌生。涉及電解液的存儲方式，學生容易遺忘燃料電池的特殊性。對于隔離物的問題，主要是借鑒氯堿工業的離子交換膜，學生搞不清楚什么時候用陽離子交換膜，而什么時候用陰離子交換膜，教師指導學生從溶液電中性以及離子移動的方向上解決此類問題。

（2）在組成和工作原理問題方面：電極名稱問題比較簡單，判斷時學生一般不易犯錯，最近考試發現學生的錯誤居然出現在“陽”和“陰”的書寫上，兩字混淆不清。放電的和充電的兩極反應類型的判斷上，學生問題也不是很大，電荷流向方面學生記得也比較牢固，但是具體在綜合題中，不會靈活應用?？偡磻獣鴮憜栴}上，學生不太會根據氧化還原的原理去確定總反應，從而導致不能成功書寫兩極的反應，教師指導學生從常見元素變價情況上去解決此類問題如鐵、鈷、鎳常見的變價都是+2價到+3價的轉換，再結合題中給出的信息，找出氧化劑和還原產物，還原劑和氧化產物，嘗試自己書寫并從質量守恒和電荷守恒的角度檢查是否正確。

（3）化學電源種類問題方面：學生基本能正確描述對一次電池如普通鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池基本原理，但是書寫容易忽視電解質溶液的環境對電極反應的影響，如：堿性鋅錳干電池的負極的電極反應式，學生易誤寫為：Zn-2e-Zn2+，而正確的應該為Zn -2e-+2OH-Zn（OH）2；二次電池的難度要大些，教師引導學生以鉛蓄電池為例，分析其充放電的原理，運用氧化還原得失電子的規律，由學生獨立完成電極反應式的書寫并分析兩極質量的變化情況，解決負極質量并非只會減輕反而增重的問題。教師進一步拓展問題，協助從電子流向的角度讓學生思考放電后充電如何接線的問題，學生通過討論，嘗試能從電子怎么流出再怎么流入的分析解決此問題，最終得出，放電時的正極連接電源的“+”，負極連接電源的“-”，簡稱“正接正”、“負接負”的結論。再分析到燃料電池的問題，學生的主要問題反應在記憶性方面的問題上，容易遺忘如它是反應物需要不斷地從外界補充而不是存儲在電池內部，效率轉化更高等問題。其他的新型電池是近幾年高考的熱點，如2014年新課標全國卷（Ⅱ）鋰離子電池，由于負極材料比較復雜，容易干擾學生做出正確的判斷，因此，筆者把常見的鋰離子電池的正極材料給學生進行了歸納，緩解了學生緊張的情緒，協助學生梳理了鋰電池的反應原理，使學生能正確地解決問題。再如2014浙江高考題鎳氫電池中的儲氫金屬或合金的問題，筆者指導學生理清題目的目的，協助學生根據題目的信息完成對此類電池含義的理解，幫助學生克服遇到新型電池就害怕的心理障礙，分析常見元素化合價的變化，運用氧化還原的知識，解決此類問題。最后，由學生自行歸納電極方程式的書寫及要注意的問題。

（4）綜合性問題方面：筆者結合近幾年高考的熱點，協助學生解決一些綜合較強的問題，如2013年全國卷中關于“能量密度”問題，把物理與化學相結合，筆者指導學生理清思路，分析題中隱含的信息，找準解題的突破口，從題中所給出的能量密度的單位出發，找到求解相應的各個量，再把其綜合起來，得出相應答案。再如解決一些實際應用問題，如電池為何回收的問題，同時分析有可能產生的污染；電池放電時間的長短，并分析可能的影響因素，以及如何選擇購買各種電池的問題；堿性電解液的電池的優勢問題，結合物理學科學生已有的知識解決此類問題；闡述“比能量”、“比功率”的含義，分析二者的區別，應用于比較電池的優劣，比較不同種電池的能量效率的差異問題。

三、 實施效果與分析

經過近一年的“問題解決與提高學生科學素養”的高三化學教學，學生在2015年南昌高三第二次聯考第27題的問題作答中取得了較好的成績。測試題如下：

鋰是制造化學電源的重要原料，近年來磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料被視為最有前途的鋰離子電池材料之一，磷酸鐵鋰動力電池（簡稱LFP）是一種高效、長壽命的二次電池，其工作原理為C6Li + FePO4

x LiFePO4 + C6Li（1-x） + （1-x）FePO4，已知電池在充電時，陽極中的Li+通過聚合物隔膜向陰極遷移；在放電時，負極中的Li+通過隔膜向正極遷移。回答下列問題：

（1）下列可作為此鋰電池的電解液的是

A. LiCl溶液 B. NaOH溶液

C. 鋰鹽的有機溶液 D. 熔融鹽（LiAlCl4）電解質

（2）已知上述電池在充電時，陽極中的Li+通過聚合物隔膜向陰極遷移；在放電時，負極中的Li+通過隔膜向正極遷移。

①放電時正極上反應的物質是 ，充電時的陰極反應式 ；

②若用該電池電解精煉銅，陰極質量增重12.8g時，則電池中經過聚合物隔膜的Li+數目為 。

（3）以鐵棒為陽極，石墨為陰極，電解一定濃度的（NH4）2HPO4和LiCl的混合溶液，溶液中析出LiFePO4沉淀，則陽極的電極反應式為 。

（4）金屬鋰燃料電池是一種新型電池，比鋰離子電池具有更高的能量密度，如果理論上從電池輸出的電壓為3.60V，能量密度E=KW.h.kg-1

（列式計算，能量密度=電池輸出電能/燃料質量，1kW·h=3.6×106J）

（5）鋰離子電池與普通鋅錳電池相比，其優點是：

。

檢測卷的答題情況見表1分析，對學生答卷中的錯誤進行了統計，本題是圍繞鋰電池工作原理綜合應用題，得分率為82.6%，說明學生對化學電源的充電放電的過程掌握得比較好，

少數學生不能通過分析化合價的變化來確定反應的反應物和產物，而導致電極反應式的書寫困難；計算隔膜的Li+數目時也有少數學生不能從保證溶液電中性的角度解決此問題；計算能量密度時，多數學生已掌握了計算的技巧，主要存在的問題是部分學生不能準確算出其數值，運算能力亟待提高。

從測試結果來看，問題解決提高學生科學素養的化學電源的復習，學生分析問題、解決問題的能力都有了非常顯著的提高。

四、 反思與啟示

通過實踐，筆者認為將“問題解決提高科學素養”應用于高三化學教學復習的指導思想，可行且有效，通過讓學生不斷經歷問題的解決，激發了學生的學習興趣，避免了復習課一味做題的枯燥無味，提高了復習的效率。但在實際教學過程中，還必須依據認知發展，設計有層次的問題，根據不同的認知層次，可以有不同類型的問題，可以嘗試設計有梯度的問題框架，極大地調動學生學習和研究化學的積極性。設計如記憶性的、理解性的、運用性的、分析性的、評價性的和創造性的問題；按照問題的解決的難易，又可分為老問題、新問題、疑難問題、新問題發現等[2]。

最后，將高三的復習過程轉化成學生對零散的問題的整合和拓展，通過學生的自主學習、自主探究，變“被動學習”為“主動學習”，通過嘗試解決一個一個的問題，讓學生體驗成功的喜悅，極大地激發了學生的學習興趣，把學生從枯燥的題海戰術中解放出來，既能提高復習的效率，建立具有一定結構層次的知識和能力，又能提升解決實際問題的內在品質，進而提高學生的化學學科素養。

參考文獻

[1] 曾國瓊，董軍.促進學生自主建構與發展化學觀念的高三化學教學——以“鋁及其化合物：高三復習課”為例[J].中學化學教學參考，2013（10）：22-26

[2] 王滋旻.基于思維導圖開展“問題化學習”實踐探索——以高中化學復習課為例 [J].中學化學教學參考，2016（10）：38-42