基于高階思維發展的高中化學深度學習策略與能力研究

文∣許玉明

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》要求把握好“素養、知識、問題、情境”等要素之間的關系，同時多處提到如“分析推理”“建立模型”“揭示本質”“探究”“創新”等一些行為短語，這些行為靠低階思維是不能完成的。課標中有三處提出“培養學生的高階思維能力”。高中化學課堂教學中落實課標、優化教學設計、培養高階思維能力是當前廣大化學教師的任務。本文就化學教學中如何通過建構化學觀念、創設復雜情境以及借助化學史等教學策略促進學生高階思維發展進行探討，為其他教師提供借鑒。

一、“高階思維”概念內涵

布魯姆在《教育目標分類學》中將思維水平劃分為低階思維和高階思維兩個層級。安德森等人把低階思維中的“知識”修訂為“記憶”，“領會”修訂為“理解”， 高階思維中的 “綜合”修訂為“創造”，修訂后的認知目標分類與思維的關系如圖1所示。[1]

圖1 布魯姆認知目標分類學與高階思維的關系

從圖1可以看出，淺層學習多注重知識的掌握，培養的是學生的低階思維。例如，提問學生硫酸的化學式怎么寫，學生只需通過回憶便可以給出答案“H2SO4”。當學生認識了金屬鋅與硫酸銅溶液反應的原理后，遇到鐵與硫酸銅溶液反應，他只需要將已會的知識進行應用即可，沒有遇到新情境復雜問題，學生使用的是低階思維。但當學生遇到金屬鈉與硫酸銅溶液反應、金屬鈉與飽和氯化鈉溶液之間的反應等(該類反應包含氧化還原反應、置換反應、復分解反應等內容)不熟悉且復雜的情境時，通過死記硬背的化學知識，使用低階思維是無法解決這個問題的，需要使用到高階思維，因為它涉及證據推理、分析、歸納、抽象和評價等行為。

郭金花等指出，化學高階思維是指學生圍繞挑戰性或劣構性的化學問題，從宏微結合、變化守恒的視角，借助化學實驗和化學模型，運用證據推理、分析、歸納、抽象和評價等方法，獲得化學核心知識的活動。化學高階思維結構分為化學微觀思維、守恒思維、模型思維、實驗思維以及創新思維等五種思維。[2]這五種思維的劃分，契合了課標提倡的培養核心素養目標，教學中操作指標相對清晰，為化學高階思維的教學明確了方向。

二、基于高階思維發展的高中化學深度學習策略

(一)化學觀念建構，讓學生微觀思維和守恒思維更具有深刻性

微觀思維和守恒思維是化學觀念中最基礎的組成部分，是探索和研究物質世界常用的思想方法和思維方式。以微觀思維展開豐富想象，去分析形成宏觀現象，并在此基礎上形成高階思維是化學的特質。例如：自然界為什么會形成同素異形體？為什么濃度對化學反應速率有影響？如何理解同種類型晶體的熔沸點的差異性？要解決上述問題，教師需要發展學生的微觀思維。而電解質溶液里離子濃度的比較、化學反應前后質量的計算、陌生情境下復雜化學反應方程式的書寫等方面，需要運用“物料守恒”“質量守恒”等思維解決問題。化學觀念的建構有利于實現學生由淺層學習走向深度學習。

在“鹽類水解”的概念教學中，許多教師常常在探究實驗測定醋酸鈉、氯化銨以及氯化鈉溶液的酸堿性后，得出鹽類水解的概念。教學中學生只是通過觀察、識別、討論等行為，只發生了淺層學習，并未發生深度學習，因而并未在頭腦中形成微觀思維。教師應從微觀思維的角度設計問題鏈來討論氯化銨溶液呈酸性的原因，例如：①常溫下，氯化銨溶液中含有哪些微粒？②氯化銨溶液中不同的離子濃度有什么特點？哪些離子與離子之間發生了化學反應？③哪些離子反應后，會破壞水的電離平衡，使溶液的酸堿性發生改變？④有同學把Mg粉置于濃氯化銨溶液中，會發生什么現象？⑤在金屬的腐蝕與防護過程中，氯化銨溶液常被用來處理鐵銹，請分析原因。

綜合上述問題，教師從微觀的角度歸納總結鹽類水解的概念原理。設計對氯化銨溶液電離情況、微粒之間作用的問題，層層遞進，促進學生對水解概念的思考，得出鹽類水解的概念原理。在鹽類水解(第二課時)復習的教學中，教師可以設計以下問題：①碳酸鈉溶液中所有微粒濃度的大小關系如何？②常溫下，在氨水中加入鹽酸后溶液呈中性，溶液中的溶質是什么？存在哪些離子？學生在解題過程中，需要運用“物料守恒”“電荷守恒”等思維解決問題，促進學生對鹽類水解概念深入、系統的理解，消除“酸或堿溶液顯酸堿性，鹽溶液只顯中性”的錯誤認知，培養學生批判思維能力。在學習過程中，教師引導學生進行分析、討論、比較以及評價等深度學習，促進學生微觀思維和守恒思維的深刻性。

(二)復雜情境建模，讓學生模型思維更具有綜合性

模型本身是思維活動的產物，它反映了科學現象及其本質，以簡單的形象表達物質的內涵。例如教師可以通過構建“價類二維”模型，為學生學習元素及其化合物知識提供依據；通過構建“電化學原理”模型，讓學生理解原電池和電解池之間的轉化；通過金剛石晶胞模型展示，讓學生了解原子堆積方式等。教師通過復雜情境建模，幫助學生解決學習過程中產生的劣構問題，讓其思維含量更高，更指向高階思維能力的開啟。

以蘇教版高中化學必修第一冊“從海水提取鎂”為例，從本節的教材內容編排來看，安排在工業制取氯氣、氫氧化鈉、金屬鈉及溴的制取之后，在教學中教師可對比“鈉、氯堿工業制取過程”“溴的提取”，分析不同的流程，構建制取物質需要經過“原料富集→產品制取→產品提純”等環節的模型思維。教學環節設計如下。

環節1 創設真實情境，激發思維

教師出示資料卡(見圖2)。

圖2 資料卡

上述材料閱讀充分融合了鎂的制取知識與化學史、社會熱點等重大成就，學生創設探究情境，培養學習興趣，認識物質的兩面性，培養批判思維能力，激發學生的思維活動。

環節2 設置驅動問題，激活思維

教師出示以下問題供學生思考：①為何選擇電解熔融MgCl2制得Mg？②如何從海水中獲得MgCl2？③工業上為何選用熟石灰做沉淀劑?④電解槽中的鎂蒸氣應如何冷卻？

在上述問題中，問題① 培養學生證據意識，訓練邏輯思維能力。問題②培養學生初步建立化學工業思想及微觀思維。問題③讓學生熟悉化學工業過程。問題④將鎂的化學性質應用到實際情境問題解決中，四個問題設計引發了學生的思考，特別是問題③工業制取熟石灰中產生的問題，激活了學生的思維。

環節3 提煉工業流程圖：升華思維

要求學生根據所學海水中提取鈉、溴以及氯堿工業制取過程，依照課本的彩圖——提煉工業流程圖，展示學生成果，如圖3所示。

圖3 海水綜合利用制取物質工藝流程圖

高階思維的課堂不僅要有知識深度、思維深度和情感深度，更要觸及事物內部和本質。本環節思維深度是提煉工業流程圖，啟發學生要從部分到整體進行思考，但在建構中會產生劣構問題，所以教師在說明流程圖的框架和要求后，讓學生依照的課本彩圖，構建制取物質需要實現原料富集、產品制備以及產品提純等三個生產步驟的模型思維，提升學生思維的綜合性，促進學生從低階思維向高階思維發展。

(三)回歸實驗本真，讓學生實驗思維更具有實效性

化學是以實驗為基礎的學科，實驗思維過程包括從實驗的準備工作開始，經歷設計實驗方案，選擇實驗試劑與裝置，完成實驗操作，對實驗結果進行綜合分析、抽象概括等一系列復雜的過程。所以教學中，教師要回歸實驗的本真，讓學生實驗思維更具有實效性。例如“Cl-、Br-、I-檢驗”教學中，教師常常設計三組演示實驗：①在待檢溶液中先加入HNO3，再加入AgNO3；②在待檢溶液中先加入氧化劑，再用有機溶劑萃?。虎墼诖龣z溶液中先加入氧化劑，再加入淀粉溶液，根據實驗現象總結出“Cl-、Br-、I-”的檢驗方法。該演示實驗幫助學生鞏固了知識點，卻不利于高階思維培養。在演示完第一個實驗后，教師可進行如下教學片段。

【展示】海帶水一瓶。

教師：生活中食用的海帶中碘元素的含量比較高。請設計實驗檢驗展示的海帶水中是否含有I-。

學生：討論，交流。得出結論：在海帶水中先加入HNO3，再加入AgNO3，觀察是否有黃色沉淀生成。

【展示】實驗結果為海帶水中只有白色沉淀，未見預期的黃色沉淀。

教師點撥學生：海帶水中的Cl-與AgNO3反應會產生白色沉淀AgCl，干擾I-與AgNO3反應產生黃色沉淀AgI。實驗現象與預期產生認知沖突，學生需要重新尋找檢驗I-的方法。經過討論、分析，確定了圖3所示方法②和③，教師進一步讓學生比較方法②和③的優缺點。

圖4 檢驗海帶水中含有I-的方法

在教學中創設真實的實驗情境，回歸實驗的本真，引發學生深度學習。在討論、分析、比較以及評價等過程中，促進學生高階思維的發展。

(四)融入科學史實，讓學生創新思維更具有批判性

創新思維是以綜合性和探索性為特征的高級心理活動，是思維的最高層次。教師帶領學生重溫科學家的研究過程，可以幫助學生深入理解化學知識，鼓勵他們理性判斷，促使經歷深度思考從而發展創新思維。以蘇教版高中化學必修2的“原電池”為例，設計教學環節(見表1)。

表1 “原電池”教學設計

教學中將“原電池原理”“原電池構成要素”內容等融入原電池的發展史中。環節2通過變化裝置中電解液和電極材料，讓學生判斷正負極以及書寫反應方程式。環節3讓學生閱讀“電池的發展研究”，結合暖寶寶發熱的原理等原電池的設計，引導學生在觀察、比較、思考以及評價中建構原電池認識模型，促進深度學習。創新思維就是在這樣真實的歷史情境下和復雜的任務解決中逐步形成的。

三、反思與建議

(一)教師：深度備課，明確概念內涵

由于傳統教學的原因，有些教師往往依靠題海戰術來提升學生分數，學生的學習停留在淺層學習上，很難在課堂上培養高階思維。教師要明確高階思維概念的內涵，積極深度備課，在課堂中創設有利于學生高級思維發展的情境，根據教材的特點，考慮學生的學情和障礙，對教學內容價值進行挖掘與整合，制定適合學生學習的任務，達到培養學生高階思維的目標。

(二)學生：反饋評價，突出主體地位

在培養高階思維的課堂中，教師是引導者、合作者，學生才是教學主體。教師應挖掘教學內容的價值，設計不同思維層次的任務，引導學生進行分析、評價、創造等任務。評價的內容要素應包括知識、學科思想方法、過程技能、價值觀念、自我評價等多個維度。

(三)課堂：寬松環境，探究解決問題

課堂是訓練高階思維的主陣地，傳統的化學課堂師生間的交流為“你問我答”“你講我記”，這是不足以培養學生高階思維的。寬松環境的課堂，是民主的課堂，是積極思考的課堂，每個學生都能融入化學課堂中。在學習的過程中，學生有可能會面臨一些挑戰，如小組合作中學生技能方面參差不齊，教學內容重構習題不匹配，課堂時間把控不足，學生學習任務難以完成，課堂預設的問題與生成的問題相沖突等問題，都需要教師深度研究，并打造適合學生學習的課堂。