基于知識建構與問題解決的高中化學教學實踐

陳永安

摘 要 基于真實情境下的知識建構和問題解決的教學方式，在發揮學生課堂主體性、培養學生化學學科核心素養方面有著較好的效果。以探究實驗“Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應”為例，幫助學生進行知識建構，實現從化學學科知識向化學學科核心素養的轉變，促進學生學習方式的轉變，為相關的研究提供案例支持。

關鍵詞 高中化學 知識建構 問題解決 實驗探究 教學設計

一、設計背景

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，化學學科核心素養的發展是一個自我建構、不斷提升的過程，教師要緊緊圍繞化學學科核心素養發展的關鍵環節，引導學生積極地開展建構學習、探究學習和問題解決學習，促進學生化學學習方式的轉變[1]。要發展學生的核心素養，促進學生學習方式的改變，必須轉變課堂教學方式，注重真實情境、活動和問題解決的整體設計，引導學生自主建構，充分地認識到化學的獨特價值，增進對化學學科的理解。因此，基于知識建構和問題解決的課堂教學方式需要在教學實踐中探索。

（一）關于“知識建構”教學

知識建構的理論基礎是“建構主義理論”，強調課程內容的意義建構，注重在情境中發現問題、解決問題。在整個教學過程中，學生是課堂教學的主體，是知識和認知的建構者，課堂從以往的“教學”轉變為“導學”。鐘志賢認為知識的建構包括個體建構和協作建構，二者相輔相成才能夠使知識建構更加完整和豐富[2]。

如何在課堂教學中進行有效的知識建構？如圖1所示的教學設計思路在高中化學教學中具有一定的普適性。教師根據課程標準和教材內容確定學習主題，通過學情分析初步了解學生已有的知識結構，再通過情境創設、自主探究和合作探究進行個人知識建構和協作知識建構產生新的認知結構，進而通過知識遷移完善知識結構，最終在總結和評價中形成新的認知結構。

（二）關于“問題解決”教學

經驗課程觀指出教育即生長，教育是在經驗中不斷地發展的過程，同時提出“問題解決”的流程：問題情境→明確問題→提出假設→推理→驗證[3]。張麗華認為有效的教學策略往往是從問題開始，將化學知識融于問題情境中，激發學生的思維活動[4]。在國內外，“問題解決”教學被廣泛的研究，其不僅可以提高課堂效率，也能夠培養學生問題解決的能力，提升核心素養。

“問題解決”教學應基于真實情境，教師通過核心問題的設計，層層剖析，形成問題鏈，同時每個問題都有相對應的情境和活動，引導學生深度參與教學過程，從而解決核心問題，并通過總結、反思，形成問題解決的模型，最終實現核心素養的提升，具體流程如圖2所示。

“知識建構”和“問題解決”教學都含有情境的創設、活動的設計、知識的應用。問題的提出和解決，思維模型的形成，二者從本質上來說是相輔相成、不可割裂的，即在問題解決中進行知識建構，在知識建構中解決問題。本文以“探究Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應”為探究素材，基于“知識建構”和“問題解決”教學方法，引導學生采用多樣化的方式進行學習，促進學生學習方式的轉變。

二、教學目標設計

本節課通過對核心問題“探究Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應”的討論，建立研究陌生鹽化學性質及其反應的一般思路。通過核心問題的拆解，設計層層遞進的“小”問題，融入不同的“小”情境和“小”活動中，發揮學生課堂主體性，結合元素化合物、物質結構與性質、化學反應原理及實驗探究等進行知識建構，突出高階思維和核心素養的培育。據此，將本節課的教學目標定為：

（1）以Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液為物質載體，復習根據微粒種類及結構特點預測物質性質及物質間反應的類型，培養“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念”素養。

（2）依據化學熱力學、化學動力學及理想體系和實際體系的互相轉化，拓展對實驗探究原理的分析視角及問題解決路徑，建構實驗探究的思維模型和問題解決模型，培養“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”素養。

（3）從內因、外因討論影響反應的因素，進一步提升問題解決及思維模型建構的能力，基于“控制變量法”設計實驗方案，發展“科學探究與創新意識”素養。

三、教學流程

本節課的教學流程如圖3所示。

四、教學過程

（一）預測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應，初步建構研究陌生鹽化學性質的一般思路

此環節引導學生初步建構研究陌生鹽化學性質的一般思路：物質組成→微粒種類→微粒性質→預測反應類型。在研究的一般思路流程中滲透預測微粒性質的角度：價態規律、鹽類通性和物質結構。

[教師]近幾年的高考實驗題多是實驗探究題，因此實驗探究題型是高考中熱點的實驗題型，下面以“探究CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應”為例，基于知識建構與問題解決突破實驗難點。

[布置任務]根據所學知識，預測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液具有的化學性質。

[學生1]CuSO4與Na2S2O3主要參與反應的微粒為Cu2+和S2O32-。從價態規律和鹽類通性可知Cu2+具有氧化性、可生成沉淀、可水解、可絡合等性質；S2O32-具有還原性、遇酸歧化、可水解等性質。

[學生2]SCN-中的S原子具有配位能力等，因此S2O32-中的端原子S應該也具有配位能力，S2O32-還具有絡合性。

[教師點評]兩位同學從微粒的視角結合價態規律、鹽類通性和物質結構預測CuSO4溶液與Na2S2O3溶液可能具有的化學性質。那么二者混合會發生什么樣的反應？帶著這一問題進行下一環節學習。

（二）實驗驗證CuSO4溶液與Na2S2O3溶液的反應，將復雜的實際體系轉化為理想體系進行研究

在復雜的實際體系中，存在多個反應的競爭，為了研究某個具體反應，可將復雜的實際體系轉化為理想體系進行研究，從而避免其他反應對研究對象的干擾。

[教師]將2 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液逐滴滴入1 mL 1 mol·L-1 CuSO4 溶液中，溶液先變為綠色，后逐漸變淺至無色，長時間靜置無變化。結合已學的知識，小組討論并得出實驗結論。

[學生1]先發生絡合反應，后發生氧化還原反應。

[教師]所涉及的化學知識是什么？

[學生2]動力學，絡合反應速率大于氧化還原反應速率；熱力學，絡合反應平衡常數小于氧化還原反應平衡常數。

[教師點評]微粒之間可能發生多個反應，這些反應在體系中存在競爭關系，通過實驗現象結合動力學和熱力學知識可以分析出反應的主次和傾向。

（三）影響Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液反應的因素，通過個人建構和協作建構形成知識建構模型和問題解決模型

此環節是本節課的難點。通過設計“小”問題，創設“小”情境和“小”活動，結合實驗研究的一般思路、控制變量法、熱力學和動力學相關知識探討Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液反應的影響因素。幫助學生通過個人建構和協作建構形成知識建構模型和問題解決模型。

[教師]該體系存在多個反應競爭，影響反應競爭的因素有哪些？

[學生1]二者的濃度關系、溫度。

[教師]很好。影響二者反應競爭的因素，可以從什么視角進行有序地討論？

[學生2]化學反應原理中影響速率和平衡的因素。

[教師追問]很好。學生1所說的濃度、溫度因素均能影響速率和平衡移動，那你還有其它補充嗎？

[學生2]學生1所說的均是影響速率和平衡的外因，我認為還有內因。例如，Cu（Ⅱ）鹽中的陰離子種類對速率和平衡的影響。

[教師點評]分別選取兩位同學，關于影響反應因素中的濃度關系和Cu（Ⅱ）鹽中不同的陰離子種類進行討論。

[布置任務]設計不同濃度的CuSO4溶液與Na2S2O3溶液反應實驗，小組內討論，填寫學案。

[學生3]分別將0.5 mL、1 mL和2 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液逐滴滴入1 mL 1 mol·L-1 CuSO4 溶液中，觀察實驗現象。

[學生4]學生3應分別加1.5 mL、1 mL和0 mL蒸餾水保證溶液總體積不變，控制單一變量，便于實驗觀察和得出結論。

[教師]在進行實驗探究時，要學會應用控制變量法，使得研究更有目的性。通過分析三組實驗現象可得出什么結論？

[學生4]隨著n（Cu2+）∶n（S2O32-）的增大，二者發生絡合反應的趨勢減弱，發生氧化還原反應的趨勢增強。

[教師]還要進一步研究Cu（Ⅱ）鹽中的陰離子種類對反應的影響，將第二組實驗中的CuSO4溶液替換成CuCl2溶液，實驗現象同實驗2，靜置后很快出現白色沉淀，溶液顏色進一步變淺。根據所學的知識，可以得出什么結論？

[學生5]Cu（Ⅱ）鹽中的陰離子為Cl-時，能增大Cu2+與S2O32-發生氧化還原反應的趨勢。

[學生6]Cu+與Cl-生成沉淀的速率大于Cu+與S2O32-發生絡合反應的速率。

[教師]往白色沉淀中繼續滴加1 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液，發現白色沉淀溶解。

[學生7]CuCl（s） ? Cu+ （aq） + Cl? （aq），滴加Na2S2O3溶液后，S2O32-與Cu+形成絡合離子[Cu（S2O3）2]3-，c（Cu+）濃度降低，使平衡正向移動，沉淀溶解。

[教師追問]為什么之前滴加Na2S2O3溶液，白色沉淀不溶解，而現在溶解了？

[學生8]Cu+與Cl-生成沉淀的速率和Cu+與S2O32-發生絡合反應的速率與離子濃度有關。

[教師點評]通過對影響反應速率與平衡的因素進行分析，進一步深入理解了動力學和熱力學對于化學反應的影響。

五、教學反思

（一）基于知識建構的教學設計，形成對探究實驗的系統性認識

通過對Cu（Ⅱ）鹽與Na2S2O3溶液的反應探究，幫助學生形成了從微粒性質到物質反應，從單一體系到復雜體系，再到單一體系及研究陌生鹽反應的一般思路。本節課的知識建構符合學生的認知發展規律，在學生的最近發展區尋找可提升空間，幫助學生進行自我建構和協作建構，建構可遷移的模型。

（二）基于問題解決的教學設計，引導學生深度學習

實施深度學習需要教師充分挖掘承載核心知識的問題或任務，在教師的指導下，實現知識、方法、觀念、能力等各維度緊密結合、建立解決問題的思路方法[5]。基于真實情境設計層階性的探究問題，激發學生的學習興趣，引導學生綜合運用所學的知識進行發散性思考，踴躍參與課堂的討論及問題解決。通過問題提出、問題解決及對問題的反思，形成問題解決的一般邏輯思路，促進學生學習方式的轉變，實現從知識體系形成、問題解決能力提升到核心素養培育的轉化。

（三）基于實際研究的教學設計，提升學生對化學學科的理解

基于實際研究的教學設計，教會學生如何在陌生情境中知識學習和問題解決，同時能夠提升學生對化學學科的理解。當學生達到對學科知識的深度理解時，初步培養了學生終身學習的意識和能力，距離實現教師的教育理想——“教是為了不教”更進一步。

[參 考 文 獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：74.

[2]鐘志賢.知識建構、學習共同體與互動概念的理解[J].電化教育研究，2005（11）：20-24.

[3]約翰·杜威.我們如何思維[M].伍中友，譯.北京：新華出版社，2010：179-186.

[4]張麗華.提升學生化學高階思維能力發展的教學研究：以“鎂與海水提鎂”教學為例[J].中小學教學研究，2020（5）：43-47.

[5]覃玉嫻，展軍顏，徐星.高中化學實驗探究問題解決困難成因及對策探討[J].中小學教學研究，2019（10）：36-40.

（責任編輯：姜顯光）