基于三元整合策略提高學生問題解決能力的高三專題復習研究*

鐘國華

摘要： 概述高中學生化學問題解決能力的研究現狀，以兩道試題為例分析對比，從實驗、性質、原理三個角度整合設問的考查要求，提出培養學生問題解決能力的教學關鍵，引出“實驗—性質—原理”三元整合教學策略，闡釋其理論依據、具體內涵與教學流程。以三元整合策略為依據，設計并實施“FeCl3和SO2反應”的課堂教學，發現學生在三元整合策略指導下的專題復習中更能對新情境進行遷移學習，提高問題解決能力，并為基于三元整合策略的高三專題復習提出教學建議。

關鍵詞： 實驗—性質—原理; 三元整合策略; 問題解決; 化學核心素養; 高三專題復習

文章編號： 1005-6629（2021）02-0033-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 研究背景

教育部頒布《普通高中化學課程標準》（2017年版）首次提出全面發展學生學科核心素養的課程目標。其中明確提到，能綜合運用有關知識、技能與方法分析和解決一些化學問題;能具有較強的問題意識，能夠發現和提出有探究價值的化學問題，敢于質疑，逐步形成獨立思考的能力;能運用所學知識解釋生活生產中的化學現象，解決與化學相關的實際問題。

從長遠目標看，問題解決是伴隨終身的學習能力，能促進知識結構的完善，能促進對信息的捕捉與重組，能促進創造性思維的培養。從素養需求看，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，其終極目標在于自覺利用化學觀念找到問題的答案，并進行思維建模，掌握解決一類化學問題的路徑[1]。從高考評價看，高考化學試題命制中“學科關鍵能力”的重點是考查學生對所學知識的運用能力，強調獨立思考、分析問題和解決問題以及交流與合作等。培養學生用學科知識、思維方法解決陌生問題的能力是當今基礎教育的一個重要目標，也是立德樹人和核心素養體系的育人要求[2]。

由此可見，新課標對高中教學和高考提出了新的要求，即要在充分理解化學學科素養的內涵及其對學生終身發展意義的前提下，在教學中切實落實好核心素養和關鍵能力的培養。而在高考中應該通過一定情境下的具體化學問題的解決來進行全面、充分、合理的考查[3]。

何謂“問題”？有學者將“問題”定義為疑問或質疑、不確定事件、困惑、窘境、難題等，這些詞都呈現了一個認知困難的情境[4]。表1為分析高考試題中“問題”的特征，具體如下： （1）呈現真實情境（硫酸亞鐵分解產物的探究）;（2）問題背后隱含大量學科知識（“紅色粉末”實驗現象的判斷，“SO3水溶性、SO2還原性”等物質性質的應用，“電子守恒、元素守恒”等反應原理的推理）;（3）與學生已有認知有一定聯系但又能引發認知沖突或思維障礙（SO2在水中溶解度大，全溶于C瓶則無法在D瓶中檢驗）。

可見，優質的“問題”是提高問題解決能力的關鍵。北師大王磊教授提出，問題解決能力屬于化學學科能力表現的創新遷移層次，是學生自覺運用知識的表現[5]。教育部考試中心賈洪芳將“問題解決”定義為：

試題題干? ? 已知FeSO4在不同條件下分解得到的產物不同，可能是FeO和SO3，也可能是Fe2O3、 SO3和SO2。某研究小組探究在酒精噴燈加熱條件下FeSO4分解的氣體產物。已知SO3的熔點是16.8℃，沸點是44.8℃。? ? 為探究硫酸亞鐵的分解產物，將（2）中已恒重的裝置A接入下圖所示的裝置中，打開K1和K2，緩緩通入N2，加熱。實驗后反應管中殘留固體為紅色粉末。

實驗裝置

試題設問? ? 裝置Ⅲ和裝置Ⅳ的作用是探究本實驗氣體產物成分。請完成實驗設計，填寫檢驗試劑、預期現象與結論。

限選試劑： 3mol·L-1 H2SO4、 6mol·L-1 NaOH、 0.5mol·L-1 BaCl2、 0.5mol·L-1 Ba（NO3）2、 0.01mol·L-1酸性KMnO4、 0.01mol·L-1溴水。

檢驗試劑預期現象和結論

裝置Ⅲ的試管中加入? ? ? ? 。產生大量白色沉淀，證明氣體產物中含有SO3。

裝置Ⅳ的試管中加入? ? ? ? 。? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

① C、 D中的溶液依次為? ? ? ? （填標號）。C、 D中有氣泡冒出，并可觀察到的現象分別為? ? ? ? 。

a. 品紅? b. NaOH? c. BaCl2

d. Ba（NO3）2? e. 濃H2SO4

② 寫出硫酸亞鐵高溫分解反應的化學方程式? 。

問題評價? ? 該題明確告知學生以下事實： ①檢驗目的： 探究本實驗氣體產物成分——SO3和SO2;②檢驗先后： 根據表格可知先檢驗SO3，后檢驗SO2;③檢驗現象： SO3是通過產生大量白色沉淀證明?？梢?，本題是屬于簡單的復述式的物質檢驗，僅用已有知識經驗直接加以處理即可，不存在認知困難，屬于低難度試題，無法構成“問題”，“問題解決”更是無從談起。? ? 學生知道要探究FeSO4的分解產物，但面臨眾多認知困難，即“問題”： ①分解產物要根據實驗現象“殘留固體為紅色粉末”、氧化還原反應和質量守恒定律相關知識進行證據推理，才能推出分解產物有SO3和SO2;②要根據SO3“極易與水完全化合”的性質才能找到檢驗先后順序;③根據SO2的還原性才能確認鋇鹽種類的選擇。本題的解題過程具備問題解決的特征，是對化學知識、基本觀念、核心素養的全面考察。

當不知道怎么做一件事情時，最后知道怎么去做才能解決它[6]。單旭峰認為，新課程的高考化學試題是從生產或研究的真實過程中選取符合中學生認知特點的內容，呈現真實化學問題，要求學生以中學化學基礎知識為工具，將化學研究的基本思想與方法、反應原理、物質性質與應用融合其中，這就是解決實際問題能力高低的體現[7]。

國外對“問題解決教學策略”的研究已經發展到一個較成熟的階段，主要用于理論分析、邏輯推理等要求較強的理科教學，也提出化學教學中要倡導問題解決的應用策略。在中國期刊網以“化學問題解決教學”為關鍵詞進行文獻檢索，查到國內近十年相關文章有538篇。從文章內容分析來看，主要涉及提問策略、習題講解、情景教學、心理機制、課程教材分析、教學模式、教學設計等7個類別，其中以后四類為研究重點;從文章涉及的化學知識來看，有無機化合物、有機化學、基本概念與基本理論、化學實驗、化學計算等，說明只要教學條件允許，基于問題解決的教學范式可適用于各板塊知識;從文章研究目的來看，主要反映在創設有效性問題和培養學生的學科素養、問題解決能力以及創新思維等方面?？梢?，問題解決能力的培養是新課改備受關注的熱點。

進一步分析文章，發現在化學教學實踐中問題解決的教學研究略顯粗淺： （1）教學設計模式較為單一，多是“教材研究→學生分析→目標制定→過程設計→效果評價→教學反思”;（2）教學過程中部分問題立意不高，問題呈現方式也過于簡單，且以教師作為問題提出的主導者;（3）教學中雖有設計驅動問題并尋找答案，但缺乏有效思維建模，未能讓學生較好地掌握同類問題的認識路徑和解決方法;（4）現有文獻中多數只針對某一個知識點進行問題解決教學研究，很少涉及學科知識的融合教學，更是鮮有提出較系統的、可持續性的問題解決教學策略。

為了引領學生思維發展由“解題”向“解決問題”轉變，也為了促進學生在學科知識融合教學中豐富認識角度、形成認識思路，本研究提出“三元整合策略”以提高學生的問題解決能力。

2? “三元整合策略”的理論依據、具體內涵與教學流程

2.1? 理論依據

“三元整合策略”是指教師以某種元素為核心的一系列物質設計整合型情境，將化學實驗、物質性質和基本原理進行整合學習。

三元整合策略的核心理論依據是問題本位學習理論，這是近年來受到廣泛重視的基于建構主義教學改革的一種教學思路。“問題本位學習”強調把學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，通過讓學習者合作解決真實性問題來學習隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力[8]。

“問題本位學習理論”要求教師通過提出開放性問題或具有多元思考方式的問題，鼓勵學習者積極參與到問題解決中，讓學生嘗試尋找有用的知識、思考合適的方案來解決主要問題。

2.2? 具體內涵

教學實踐下三元整合策略的核心觀點是： 要提高問題解決能力，關鍵要創設有意義的“問題”。能成為好問題，是因為該問題涉及內容眾多或者出現認知沖突，學生一般不能迅速知道從何入手解決，這樣才能區分哪些學生是能夠自覺使用化學工具進行有序思考的。

因此，三元整合策略主張基于學生在“化學實驗、物質性質、基本原理”三大板塊的已有知識創設認知沖突，以“認知沖突”作為課堂教學的研究線索貫穿始終;以考綱要求的知識、方法、能力和素養為教學暗線，圍繞驅動性問題不斷提出解釋和修正解釋，結合真實實驗強化學生有序觀察實驗現象的能力和建立有效解決問題的思維程序;通過三重表征教學提高學生的邏輯思維與語言表達能力，在應用已有知識對外輸出的過程中培育學生宏觀辨識、微觀探析、變化觀念、證據推理、實驗探究等核心素養（見圖1）[9]。

2.3? 教學流程

面對相同問題時，不同學生的認識方式和能力表現水平不同。如同樣是預測物質的性質，有的學生習慣基于熟悉物質的性質進行類比遷移，有的習慣基于物質類別通性思考判別問題，有的習慣基于氧化還原視角進行預測，有的則能運用多種概念原理（如物質類別、氧化還原、反應原理等）作為認識角度和推理路徑進而分析、解決問題。為了提升學生的問題解決能力，培育化學核心素養，需要將三元整合策略應用于專題復習、設計教學環節和學生活動中。

三元整合策略的教學流程（見圖2）包含以下核心環節： （1）在最近發展區中找到學習者的模糊概念，圍繞“實驗—性質—原理”提出待解決的“研究問題”;（2）學生基于物質性質和反應原理的已有知識進行預測，說出判斷依據;（3）設計實驗并完成實驗或觀看視頻，記錄現象進行推理;（4）結合物質性質和反應原理解釋常規現象或認知沖突，得出結論并完成符號表征;（5）評價解決問題所需的認識角度和推理路徑，建立解決同類問題的思維程序;（6）對外輸出解決陌生問題、鞏固思維程序。

3? “三元整合策略”在高三實驗專題復習中的應用

以“FeCl3和SO2反應”為例，進行基于三元整合策略提高問題解決能力的教學研究。本課時教學通過六個環節展開，主要內容與教學活動如下。

環節一： 提出問題

[教師]提出問題，激發興趣： 預計往FeCl3溶液中通入SO2的實驗現象，并說明判斷依據。

環節二： 預測判斷

[學生]討論分析，各抒己見： （1）Fe3+有氧化性，SO2有還原性，兩者發生氧化還原反應，溶液黃色變成淺綠色;（2）SO2中+4價S為中間價態，有氧還性，Cl-有還原性，也可能發生氧化還原反應，有黃色渾濁和黃綠色刺激性氣體產生。

環節三： 實驗驗證

[教師]講述要求，指導實驗： 講述裝置連接要點和實驗現象關注要點。

[學生]分組實驗，產生沖突： 發現SO2通入FeCl3溶液后，溶液由黃色變成紅棕色。

環節四： 解釋推理

[教師]結合情境，引導分析： 紅棕色不是預計內的實驗現象，請結合已有知識進行推理解釋出現紅棕色的原因。

[學生]（1） 調用知識，證據推理： ①不變成淺綠色說明反應可能不是往氧化還原的角度思考，或許要從物質類別的角度考慮，Fe3+易水解產生紅棕色的Fe（OH）3膠體;②從物質結構的角度考慮，Fe3+有空軌道，能與某些粒子例如SCN-配位形成紅色配合物，所以這里也可能與SO2配位絡合成新物質。

（2） 設計實驗，驗證推理： 利用激光筆對紅色液體進行丁達爾效應檢測。發現沒有光通路。

[教師]引導分析，提供證據： 從路易斯酸堿理論角度分析，SO2是路易斯堿，Fe3+是路易斯酸，兩者可以配位絡合： Fe3++6SO2Fe（SO2）3+6（紅棕色）[10]。提醒學生繼續關注溶液顏色變化，并合理分析原因。

[學生]（1） 觀察現象，產生沖突： 溶液紅棕色慢慢褪去，最終變為淺綠色。

（2） 推理分析，三重表征： 溶液中發生反應： SO2+2H2O+2Fe3+SO2-4+2Fe2++4H+。

環節五： 建立程序

[教師]結合情境，引導分析： 根據熱力學和動力學的已有認識，解釋實驗過程中實驗現象（溶液顏色）的變化原因。

[學生]小組討論，相互評價： （1）Fe3+和SO2發生兩種競爭反應： ⅠFe3++6SO2Fe（SO2）3+6， ⅡSO2+2H2O+2Fe3+SO2-4+2Fe2++4H+;（2）從現象變化的先后來說，配位反應速率較快，但是氧化還原反應的程度較大，所以反應Ⅱ進行時，溶液中c（Fe3+）和c（SO2）均減小，導致反應Ⅰ平衡逆向移動，且反應Ⅱ幾乎完全進行，反應Ⅰ幾乎完全逆向移動，導致Fe（SO2）3+6分解完全，溶液由紅棕色變成淺綠色。

[教師]總結歸納，構建模型： 實驗現象不僅與元素化合物性質有關，也與化學反應原理有關。兩種反應的競爭，不僅要從動力學考慮反應速率的問題，還要從熱力學考慮反應限度的問題。

環節六： 對外輸出

[教師]創設情境，引導分析： 如圖3所示連接實驗裝置。往鐵電極區滴入2滴鐵氰化鉀溶液，預計燒杯內溶液顏色有無變化。若有變化，具體如何變化？若無變化，原因何在。說出你的判斷依據。

[學生]利用模型，思考分析： 無明顯現象，因為鐵被保護起來。

[教師]提供證據，制造沖突： 播放對比實驗的視頻： （1）直接往鐵電極區滴加K3[Fe（CN）6]溶液檢驗，（2）從鐵電極附近取溶液再滴加K3[Fe（CN）6]溶液檢驗。前者有藍色出現（異常現象），后者無藍色出現（正?，F象）。

[學生]拓展思考，鞏固程序： 請學生課后從氧化還原、化學平衡等角度解釋該“異?，F象”的成因，并設計簡單的驗證方案。

4? 反思與建議

4.1? 教學反思

本節課采用學生熟悉的FeCl3和SO2反應創設驅動性任務，在問題解決的過程中再次通過實驗創設問題情境，逐步提升思維難度，使學生突破知識板塊的限制，主動實現Fe3+氧化性和SO2還原性、膠體等物質性質、物質檢驗實驗現象等化學實驗知識以及物質結構、反應速率、化學平衡等基本原理三大知識板塊的大融合。

作為對知識增長點的定位，解決FeCl3和SO2反應現象的問題并不是本節課的核心目標，學生要學會利用物質性質預測反應現象的思維方法才是核心目標;在遇到異?，F象等認知沖突時，學生要自覺使用物質性質、物質結構、反應原理等化學知識思考問題尋找答案并能設計實驗加以驗證才是核心目標;學生要站在熱力學和動力學等化學學科核心理論的高度上看待化學反應的競爭問題，培養可遷移的問題解決能力，才是核心目標。有了這種思維方式的指導，學生在解決類似問題時才能有法可依，有章可循，目標明確，思路清晰。這就是問題解決后形成認知模型的意義所在。

4.2? 教學建議

根據已有研究發現，三元整合策略基本適用于所有學段的不同知識板塊的各種課型教學。該策略以呈現認知沖突為開篇，通過問題解決形成認知模型為結果，大大提高學生對元素化合物、反應原理等知識認識的深度與廣度，同時強化實驗驗證的過程性教學。

高三化學專題復習的主要目的是提高問題解決能力。問題解決是一個思維的過程，它將已掌握的概念、原理根據當前問題的要求進行重新轉換或組合。三元整合策略指導下的高三專題復習課是以知識整合為明線、以問題解決為暗線，不斷激發學生的學習熱情，不斷制造新的認知沖突，不斷產生知識的增長點。

基于已有研究，對使用三元整合策略構思高三專題復習提出以下教學建議： （1）結合復習專題，利用熟悉的內容制造一系列不能用已有的知識經驗直接加以處理并因此而感到疑難的真實情境。（2）設計從不同知識角度（如物質性質、基本理論等）、不同的思維角度（如類比、模型等）去分析問題和解決問題的問題鏈。（3）課堂上充分調動學生根據已有知識、基本觀念（元素觀、分類觀、變化觀、守恒觀等）、化學核心素養（宏微結合、變化觀念、平衡思想、模型認知等）進行證據推理、最終形成問題解決的認知模型。這種課堂必定有利于學生形成解決問題的程序性思維與方法，并成為認知模型中的一個組成部分。