提升問題解決能力發展模型認知素養

鄧衍民 陸亮

摘要：化學問題解決學習是培養學生化學核心素養的最有效途徑。在真實的大情境主題中提出問題，在任務驅動中分析問題和提出假設，在實驗探究中檢驗假設，最終在問題的解決中進行思維建模，能有效發展學生的模型認知素養。

關鍵詞：化學問題解決;化學核心素養;模型認知;暖寶寶;鐵;含量

文章編號：1008-0546（2019）06-0037-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.011

一、問題提出

2018年1月26日教育部頒布了《普通高中化學課程標準》（2017年版），新課標首次提出了“全面發展學生學科核心素養”的課程目標。高中化學學科核心素養是高中生發展核心素養的重要組成部分，全面展現了化學課程學習對學生未來發展的重要價值。雖然本次課改是從高中階段開始的，但是對學科核心素養的研制和提煉，義務教育階段和高中階段應該是一脈相承的。所以，初中化學教師要有超前的意識，自覺地以高中化學學科核心素養為參照，結合學段特點，把學科核心素養有機地融入自己的教學實踐之中，真正地與高中化學有效銜接起來。

在化學學科5大核心素養中，“證據推理與模型認知”是思維核心。模型認知是指利用模型認識事物或通過建構模型解決問題的方法。模型認知素養要求學生知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。它還可進一步劃分出4級水平：能識別化學中常見的物質模型和化學反應的理論模型，能將化學事實和理論模型之間進行關聯和合理匹配;能理解、描述和表示化學中常見的認知模型，指出模型表示的具體含義，并運用于理論模型解釋或推測物質的組成、結構、性質與變化;能認識物質及其變化的理論模型和研究對象之間的異同，能對模型和原型的關系進行評價以改進模型;能說明模型使用的條件和適用范圍;分析以建構相應的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題，能指出所建模型的局限性，探尋模型優化需要的證據。這樣的劃分有利于在實際教學中循序漸進地分層培養。

問題解決是由一定的情景引起的，按照一定的目標，應用各種認知活動、技能等，經過一系列的思維操作，使問題得以解決的過程。而化學問題解決是指以化學知識為主要載體而進行的認知活動。化學核心素養必須而且只能在化學問題解決學習中形成和發展。這是因為化學問題解決過程包括提出問題、分析問題、提出假設、檢驗假設和解決問題，其最終目標在于克服障礙并發現問題的答案，同時在此過程中進行思維建模，掌握解決一類化學問題的思路和方法。化學問題解決學習通過在真實的大情境主題中提出問題，在任務驅動中分析問題和提出假設，在實驗探究中檢驗假設，最終進行思維建模，如圖1所示。本文以一節市級公開課為例，闡述了如何在化學問題解決中發展模型認知素養。

二、典型案例

[情境創設1]

師：現如今天氣已逐漸變冷，班里很多同學都已開始用“暖寶寶”了。小小一包物質中有何成分能起如此大作用呢？

生：查看標簽，主要成分：鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂、食鹽。拆開內袋，里面是一層薄薄的黑色物質。提出問題：黑色物質真的是鐵粉嗎？

[任務驅動1]

從鐵粉的物理和化學性質人手，交流設計實驗方案。

[實驗探究1]

學生進行實驗，操作1：用吸鐵石吸引樣品。操作2：用鑷子夾住棉花，使其沾滿樣品，于酒精燈火焰上點燃。操作3：在試管中加入半藥匙樣品，倒入少量稀鹽酸。操作4：在培養皿中放入一張濾紙，滴入CuSO4/AgNO3溶液至剛浸沒濾紙，加入少量樣品。并匯報現象。

[模型建構1]

定性檢驗物質的一般思路和方法主要從物理性質和化學性質兩個維度展開，由學生自主構建完成，如圖2所示。

通過實驗證實“暖寶寶”中確實含有鐵粉，選取2名同學實物投影他們課前梳理的有Fe參加和生成的化學反應的方程式以及自主構建的“鐵網”，典型知識網如圖3所示。

[情境創設2]

師：通過同學們的實驗證實暖寶寶中確實有鐵粉，那熱量從何而來呢？

生：撕開明膠層，感受熱量。這是因為無紡布袋暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過透氣膜進入里面。鏈接教材鐵的生銹，鐵粉與進入的氧氣和水發生氧化反應：Fe+H2O+O2→Fe2O3·xH2O，這是一個放熱反應。

師：那利用這個獲得熱量外，聯系前面所學，還有什么用途呢？

生：是否能利用這個原理來測定空氣中氧氣的含量呢？

[任務驅動2]

根據提供實驗器材設計實驗，簡述實驗步驟，分析需要測定的數據。

在“紅磷燃燒測定空氣中氧氣含量”這個原型的指導下，學生們有效遷移，設計實驗如圖4所示。

[實驗探究2]

<分組實驗>學生按照圖4實驗所示進行操作（暖寶寶取用整包），能觀察到燒杯中的紅墨水迅速倒吸進入集氣瓶中。

<問題思考>若用此實驗要準確測定空氣中氧氣的含量，有哪些注意事項呢？

<交流匯報>確保暖寶寶是足量的，能耗盡集氣瓶中的氧氣。同時，反應前要量取燒杯中水的體積，等完全反應后，要再量取燒杯中剩余水的體積。

[模型建構2]

[情境創設3]

師：剛剛我們通過實驗證實鐵粉發熱的原理，那市面上各種“暖寶寶”的產品優劣很大程度上取決于什么呢？

生：透氣膜的質量、鐵粉的含量、無紡布的隔熱效果等。

師：鐵粉的含量直接制約著“暖寶寶”的發熱效果，那我們如何測定“暖寶寶”中鐵粉的含量呢？

<方案評析>

生1：方案Ⅰ不可行，析出鐵粉的同時，會混有其余粉末狀的成分。

生2：方案Ⅱ不可行，“暖寶寶”的成分中含有氯化鈉，雖不參加反應，但它是易溶的，會損耗掉，會導致計算的結果偏大。

生3：方案Ⅳ不可行，過濾得到的不溶物中除了生成的銅外，還有“暖寶寶”中許多不溶的成分，會導致計算的結果偏大。

師：根據同學們的匯總與評析，方案Ⅲ和V在理論上是可行的。但是氫氣的質量很輕，普通的托盤天平無法精確測定出它的質量。所以，我們往往優選測量氫氣的體積。

[實驗探究3]

<演示實驗>展示如圖6所示利用量氣管測氫氣體積。由于反應時間較長，此套裝置的實驗已在課前完成，老師先投影展示并詳細闡述實驗步驟，然后請一名學生上臺，讀出最終量氣管中的讀數。

<定量計算>根據“暖寶寶”樣品的質量、反應前量氣管的示數，加上學生所讀最終量氣管的示數，計算“暖寶寶”中鐵單質的含量（保留一位小數）。已知數據：標準狀況下，氫氣密度為0.0899g/L。

[模型建構3]

[任務驅動3]

根據鐵粉定性檢驗的方法，設計實驗方案，簡述實驗步驟，標出測定哪些物理量，并在學案上以流程的形式完成。

三、案例思考

1.創設真實問題情境，促進學習方式轉變

真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為學生化學核心素養提供了真實的表現機會。本節課是第八單元復習課，選取核心金屬鐵為復習載體。但并未對鐵的相關知識進行機械復習，而是選取學生熟知的“暖寶寶”為“大情境主題”，創設了三個真實具體的問題情境：“暖寶寶”中真的含有鐵粉嗎？“暖寶寶”能測定空氣中氧氣的含量嗎？如何測定“暖寶寶”中鐵粉的含量呢？正是這些真實的問題，激發了學生的探究興趣，引發學生積極開展自主建構學習、實驗探究學習和問題解決學習，促進了學生化學學習方式的轉變。三個真實情境下的問題提出，引導學生開展了分類與概括、證據與推理、模型與解釋、符號和表征等具有化學學科特質的學習活動，在小組合作、實驗探究和討論交流等多樣化方式中自主解決問題，促使學生從生活世界走進化學世界。化學課堂設計中的“大情境主題”既貼近學生認知感受又富有內在教學邏輯，促進了學生學習的連貫性、遞進性和系統性，為學生模型認知素養的提升搭建了舞臺。

2.基于任務解決問題，注重高階思維培養

學習任務是連接核心知識與具體知識點的橋梁和紐帶，是實現知識結構化的重要環節。本節課共設計了3個學習任務，重視和發揮學習任務的核心素養導向功能。“學習任務1”是“暖寶寶”中鐵粉的檢驗，突出“宏觀辨識”，通過用磁鐵吸引、在酒精燈上點燃、加入稀鹽酸、加硝酸銀溶液和硫酸銅溶液四種方法，讓學生能根據實驗現象辨識物質及其反應，能從物質的宏觀特征人手對物質及其反應進行分類和表征。“學習任務2”是“暖寶寶”測定空氣中氧氣的含量，“學習任務3”是“暖寶寶”中鐵粉的含量測定，兩個學習任務都突出“科學探究與創新意識”，在學習任務2中要求學生就給出的問題設計簡單的實驗方案，完成實驗操作，觀察暖寶寶消耗燒瓶中的氧氣導致燒杯中紅墨水倒吸的實驗現象，客觀地進行記錄，并對此現象進行解釋。而學習任務3則具有更大的開放性，要求學生從多個維度去設計實驗方案來定量測定“暖寶寶”中鐵粉的含量，并且在方案匯總后能評價和優化方案，確定合理方案后再合作完成，收集實驗證據，基于現象和數據進行分析并得出結論。這種在不斷的否定和完善中進行螺旋上升式的學習，有效發展了學生的“科學探究與創新意識”。

按照布魯姆和加涅等人的學習理論，分析、評價和創造通常被稱為是“高階思維”。上述學習任務的驅動源自于學生主動的學習意愿，他們在真實的情境中相互分享評析方案，相互交流解釋觀點，在解決問題的過程中對自己的理解結果進行再組織，這種導致認知變化的共同建構活動，是高階思維過程發展的關鍵，也為思維建模奠定了扎實的基礎。

3.針對問題解決建模，提高自主遷移能力

問題解決的過程中提出假設就是利用直覺思維，并根據已有知識推測解決問題的可能途徑，這些可能的途徑在很多時候經邏輯加工可以概括為一個解決問題的模型，提升學生的模型認知素養。三個真實問題的提出，到三個任務去解決問題，最終的成果就是模型的建立。模型的建立是學生進行真實問題解決的思路方法的外顯，這種外顯的思路方法是在學生問的緊密合作、師生問的深入追問以及自身思維過程的深刻反思中提煉出來的。“學習任務1”是“暖寶寶”中鐵粉的檢驗，突出從物理性質和化學性質兩個維度展開定性檢驗物質的一般思路和方法，這種模型的建構有助于學生在后續學習酸堿鹽的元素化合物知識。“學習任務2”是“暖寶寶”測定空氣中氧氣的含量，當學生遇到這個任務，頭腦中就會搜索出“紅磷燃燒測定氧氣含量”這個原型，進行模型匹配后，再通過實驗進行模型檢驗，從而構建測定空氣中氧氣含量的一般思路與模型。“學習任務3”是“暖寶寶”中鐵粉的含量測定，能幫助學生構建氣化法測定物質含量的一般思路與模型。此后遇到測定變質的氫氧化鈉固體中碳酸鈉的質量分數、測定黃銅（銅、鋅合金）的組成、測定雞蛋殼中碳酸鈣的含量等問題情境時，能有效遷移這個模型，自主解決。上述外顯的思路方法有助于學生在面對陌生情境和問題時迅速進行情境關聯、問題歸類，從而實現自主遷移，將曾經的模型應用到陌生情境和問題上，從而去證實、檢驗和完善模型。