基于化学高阶思维培养的教学设计研究——以“双液原电池”为例

皇甫倩，曾美琴，魏 钊，王春阳，王后雄

一、引言

如何将高阶思维的培养与发展“沉浸”在具体的学科教学活动中，使课堂教学由知识本位向素养与思维本位转变、由浅层学习向深度学习转变，既是当前课堂教学改革面临的重要问题，也是落实学科核心素养、培养创新人才的“突破口”[1]。然而，纵观当前课堂教学现状，部分教师尚未意识到培养学科高阶思维的重要性，课堂教学多处于低阶状态；加之针对高阶思维的培养与学科课堂教学的融合，无论在理论还是实践层面均缺乏深入细致的研究[2]。事实上，不同学科的高阶思维往往会因其学科特点及思维方式等的不同而呈现出学科差异。为此，本研究在厘定化学高阶思维的内涵及思维特点，并深度剖析其构成要素的基础上，以“双液原电池”为例，探讨基于化学高阶思维培养的教学设计的特点，旨在为中学一线教师及教育研究工作者提供有益的借鉴和参考。

二、化学高阶思维的内涵界定

（一）化学高阶思维的概念界定

当前，学术界对化学高阶思维的界定还没有统一明确的说法，本研究将通过对相关文献的梳理给予初步的界定。

1.能力说。持能力说的学者认为高阶思维是发生在较高认知水平层次上的认知活动或较高层次的认知能力。这种能力既包括作为自主学习者的能力，也包括对事物或现象做出合理判断的能力[2]，它是思维从具体发展到抽象的高级综合能力的体现[3]。

2.思维说。持思维说的学者将高阶思维视为一种不确定的思维或者一系列复杂的、非线性的、不规则的思维集合体[4]。其中尤以Resnick的观点最具代表性，他认为高阶思维是具有不规则的、复杂的、能够产生多种解决方法、需要应用多种评价标准、自动调节、且包含不确定性特征的思维[5]。

3.生成说。持生成说的学者旨在强调高阶思维的生成机制。如杜威认为高阶思维是由疑难、困惑引发的，并在“反思——问题生成——探究与批判——解决问题”过程中生成[5]；还有学者在此基础上，提出高阶思维是学生在完成需要运用分析、评价、创造等思维技能的、具有挑战性的探究活动中发展的[6]。

有鉴于此，本研究对化学高阶思维概念的界定如下：化学高阶思维是指学习者在一定的学习环境中，以化学学科知识与技能为载体，综合运用化学表征、证据推理、模型建构、质疑批判、评价与反思等思维方法解决化学问题的一种高级认知活动。

（二）化学高阶思维的特点

1.复杂性。复杂性是指影响化学高阶思维形成的因素繁多且机制复杂。比如，影响化学高阶思维形成的因素不仅取决于诸如问题解决思维、批判性思维、创造性思维等智力因素，还受兴趣、自我效能感、同伴情感支持等情感动机因素的影响[7]；此外，高阶思维形成的过程极其复杂，学习者需要在无序的问题、任务中寻找结构化的知识，而行动路径不是预先指定的[8]。

2.过程性。过程性是指化学高阶思维的发展是一个由浅入深的变化过程。化学高阶思维的发展不是一蹴而就的，而是从获取具体化知识到抽象化知识的过程中分阶段形成的，在思维活动中的每一个阶段都会获得不同程度的发展，并呈现出逐步深化的特点[1]。

3.深刻性。深刻性主要体现在化学高阶思维活动中学习者思考的深度和广度两个方面。深度表现为学习者思考问题能够透过现象看本质，掌握事物发展的本质规律，并且能够预测其未来发展的方向；广度则表现为学习者思考问题能够综合考虑各方面因素，并能够进行周密的逻辑推理，以思考出可行的解决方案[1]。

（三）化学高阶思维的结构要素

鉴于化学高阶思维结构要素划分的研究较少，本研究在梳理几种颇具影响力的高阶思维结构要素划分的基础上，尝试着对化学高阶思维的结构要素进行划分。

1.教育视角下高阶思维结构的划分。布鲁姆将教育目标按照难易程度划分为知识、理解、应用、分析、综合、评价六个层次[9]，并将前三个层次视为低阶思维，后三个层次视为高阶思维[10]。布鲁姆的教育目标分类说为教师教学的自我评价带来了便捷。但也有研究者对此提出质疑，认为从思维的定义出发，概念的理解是抽象间接的，需要经过复杂的认知加工，因此，理解应当归属于高阶思维[11]。

2.心理学视角下高阶思维结构的划分。斯滕伯格从认知心理学视角提出了成功智力理论，认为成功的智力是用以达到人生主要目标的能力，主要包括三种形态的智力能力：分析性智力、创造性智力和实践性智力，这三种智力能力亦即高阶思维能力[10]。认知心理学主要是通过行为类型对高阶思维结构进行划分，因此问题解决、创造性思维、决策、元认知便被认为是认知心理学视角下高阶思维的代名词[8]。

3.学科视角下高阶思维结构的划分。当前针对具体学科的高阶思维结构的研究相对较少，较有影响力的有：孙宏志等在借鉴林崇德的思维结构理论框架的基础上，将语文高阶思维划分为批判思维能力、创造性思维能力、语文学习自我效能、他人情感支持以及自我调节学习等五个结构要素，这种划分将认知要素与情感要素紧密结合，体现了思维发展的过程，但缺乏学科特色[1]；郭金花等利用实证分析，将化学高阶思维划分为化学实验思维、化学模型思维、化学微观思维、化学守恒思维和化学创新思维等要素，这种划分结果虽然凸显了化学学科特性，但忽视了高阶思维的过程性[12]。

有鉴于此，本研究依据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）中对学生思维能力的要求，在借鉴林崇德的思维结构理论框架和姜玉莲对高阶思维结构因子表征的基础上，结合化学学科的课程学习特点，将化学高阶思维划分为化学表征思维、模型建构思维、化学实验思维、质疑批判思维以及迁移创造思维，具体内涵如表1所示。

表1.化学高阶思维构成要素

三、基于化学高阶思维培养的教学设计

（一）基于化学高阶思维培养的教学设计思路

培养高阶思维最好的方式是将其融入教学活动中[10]。那么，什么样的教学模式能够有效培养学生的化学高阶思维呢？通过对文献梳理发现，基于高阶思维培养的教学模式主要具有以下特征：以学生为主体，以充满挑战性的、开放性的问题为载体，鼓励学生探究与创新，注重知识、思维的生成过程，倡导方案的多样性等。据此，本研究提出了基于化学高阶思维培养的教学设计思路：创设情境，导入主题；表征问题，构想方案；质疑批判，实验验证；建构模型，深化思维；迁移运用，实践创新（具体内涵如表2所示）。

表2.基于化学高阶思维培养的教学设计思路

（二）“双液原电池”教学设计

本节课内容选自《普通高中课程标准实验教科书·化学·选修4》第四章第一节“原电池”。“新课标”对它的学习要求为：“通过铜锌双液原电池等案例素材，组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动，探究双液原电池的构成及工作原理。”[13]该部分内容既是解决单液原电池放电不稳定问题的进一步学习，也是之后要学习的金属的腐蚀与防护以及电解池原理等重要知识的基础。它在化学知识学习中起到承上启下的作用，是学生需要重点掌握的内容。

1.教学目标。通过实验探究盐桥的构成与作用，理解双液原电池具有稳定性的原因。通过小组探讨双液原电池的工作原理，构建双液原电池理论模型。通过设计电压电流更大的类石墨烯电池，学会运用双液原电池的工作原理知识解决实际问题。

2.评价目标。通过对“盐桥的构成与作用”实验方案的设计、评价与实施，诊断并发展学生的化学实验思维与批判质疑思维。通过记录由不同溶液盐桥制成的双液原电池的电流变化，对盐桥作用机理的解释以及双液原电池放电过程中电极反应式的书写，诊断并发展学生的化学表征思维。通过建构双液原电池模型和实验探究模型，并论证自主设计的双液原电池验证模型的科学性，诊断并发展学生的化学模型建构思维。通过运用双液原电池工作原理的知识解决生活、生产中的实际问题，诊断并发展学生的迁移创造思维。

3.教学设计思路。“双液原电池”教学设计思路如图1所示。

图1.“双液原电池”教学设计思路

4.教学流程

第一，创设情境，导入主题

【播放视频1】国防大学教授张召忠在演说《中国创造》中说到，由被称为“神奇的材料”的石墨烯所制成的电池具有充电量大且持续稳定的优点。石墨烯手机充电5秒钟，可以使用1周；石墨烯新能源汽车，充电10分钟，可以续航1 000公里。

【教师活动】从视频1中我们发现石墨烯具有充电量大且持续稳定的特点。利用数字化实验仪器中的电流传感器和温度传感器对铜锌原电池的工作效率进行了探究，得到了两段曲线[14]。

【教师活动】通过第一段曲线，我们能得出什么结论？

【学生活动】单液的铜锌原电池效率不高，电流在较短的时间内就会衰减。

【教师活动】通过第二段曲线，从能量转换的角度来看，我们能得出什么结论？

【学生活动】单液的铜锌原电池其能量转换过程中，化学能一部分转换为电能，但是很快更多的化学能转换成热量耗散了，造成电解质溶液的温度升高。

【教师活动】从视频1中我们发现石墨烯具有充电量大且持续稳定的特点。接下来请观看视频2，看看同学们能发现什么值得探究的问题。

【播放视频2】铜锌单液原电池实验视频。

【学生活动】观看视频，并积极思考。

【提出问题】为什么单液原电池放电时电流迅速变小，不稳定，而石墨烯电池却具有持续稳定的特性呢？

【教师活动】其实石墨烯电池与我们今天要学习的另一种电池有关——“双液原电池”。

【板书】双液原电池

本环节设计意图：本环节以最新科技知识导入学习主题，并将石墨烯具有稳定性的特点与单液原电池放电不稳定的特点形成对比，制造认知冲突，不仅能激发学生的学习兴趣，还能让学生感受到化学与科技的联系，完善学生对化学的认知，这为化学高阶思维的发展奠定了情感基础。

第二，表征问题，构想方案

【教师活动】在探讨为什么石墨烯电池具有稳定性之前，我们来回顾下单液原电池的原理以及放电不稳定的原因。

【师生讨论】单液原电池放电不稳定的原因：锌单质和CuSO4直接接触，导致Cu2+没有完全在Cu电极上得电子，部分在锌棒上生成，覆盖在锌棒上，阻碍了原电池放电。此外，单液原电池部分Cu2+在锌棒上发生置换反应，放热，从而使锌棒电阻变大，电流变小。

【教师活动】双液原电池是如何克服这些缺点的呢？请同学们阅读教材，观察双液原电池与单液原电池实验装置有什么不同？

【学生活动】阅读教材并思考。

【师生交流】双液原电池与单液原电池的不同主要在于双液原电池有盐桥，它使负极区和正极区分开了。那盐桥到底是由什么构成的，以及如何起作用的呢?由此确定我们今天的探究任务为：盐桥的构成及作用。

【板书】一、盐桥的构成及作用。

【教师提问】请同学们针对我们探究的问题设计实验方案。

【教师活动】提供实验药品、仪器（如表3）、资料卡片。

表3.实验药品与仪器

【学生活动】查阅资料卡片，设计方案，并开展小组交流讨论，优化并筛选出最佳实验方案。

本环节设计意图：引导学生对发现的化学问题进行剖析，将石墨烯具有稳定性的原因转化为探究盐桥的构成及作用，使学生进一步明确所需探究问题的具体任务。同时，让学生整合提供的信息以及结合已有知识与方法设计探究盐桥的构成与作用的实验方案，并优化实验方案，以培养学生思维的深刻性与批判性。

第三，质疑批判，实验验证

【教师活动】组织学生展示设计的实验方案，如表4所示。

【学生活动】小组代表分享方案，其他小组学生根据有关资料质疑、分析、评价展示的方案，并对其提出修改意见，从而得出最佳的实验方案。

表4.探究盐桥的构成与作用的实验方案

【学生实验】根据最佳实验方案进行实验，观察并记录实验现象。

【教师活动】利用数字化实验仪器中的电流传感器和温度传感器对有盐桥相连的铜锌双液原电池的工作效率进行了探究，得到了两段曲线[14]。通过与之前单液的铜锌原电池相比较，可以发现，使用了盐桥的原电池的电流大小在相当长的一段时间内保持稳定，没有衰减，电解液的温度也没有变化。基于证据可以说明，使用了盐桥的双液原电池比单液原电池能量转换效率更高。

【师生归纳】由实验可得，盐桥是由不移动载体和自由移动离子构成。且选择盐桥时，需要注意盐桥溶液不能与电池溶液反应。

盐桥的作用：①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断产生电流；③将还原剂Zn和氧化剂Cu2+分开，避免了两者直接反应，因此放电稳定。

【师生讨论】结合单液原电池放电原理，分析铜锌双液原电池放电原理，并写出铜锌双液原电池的电极反应式。

【学生活动】书写电极反应式。

负极（锌片）：Zn－2e-=Zn2+（氧化反应）

正极（铜片）：Cu2++2e-=Cu（还原反应）

电池反应（总离子方程式）：Zn+Cu2+=Zn2++Cu

本环节设计意图：本环节是高阶思维发展的中心环节。首先，学生基于已有认知，对于呈现的关于探究盐桥的构成与作用的实验方案进行论证和评价，旨在培养学生的质疑批判思维；接着，学生根据质疑与批判的结果对原先的实验方案进行改进和实施，以获知盐桥的组成与作用，在这一过程中培养学生的化学实验思维；最后，学生从宏观观察不同盐桥的导电效果，从微观分析盐桥作用的本质，以及书写铜锌双液原电池电极反应式，旨在培养学生的化学表征思维。

第四，建构模型，深化思维

【教师活动】请同学们观看铜锌双液原电池装置、结合原电池放电原理，构建双液原电池的模型，并梳理归纳前面实验探究的思路。

【学生活动】回顾所学知识构建双液原电池的模型，梳理探究思路。

【教师讲解】模型构建（如图2），梳理归纳前面实验探究的思路。

【板书】二、双液原电池放电原理。

负极：还原剂-ne-=氧化产物（氧化反应）正极：氧化剂+ne-=还原产物（还原反应）。

【教师提问】接下来请同学们通过具体实例来验证“双液原电池”理论模型的正确性。请小组讨论如何将氧化还原反应2Fe3++2I-=2Fe2++I2设计成带盐桥的原电池，并进行实验验证，写出其电极反应式。

【学生活动】讨论并进行实验，书写电极反应式。

【教师追问】同学们能否将该可逆反应2Fe3++2I-=2Fe2++I2设计为与刚刚电流偏转方向相反的双液原电池呢？说出你的实验方案并进行实验验证。

本环节设计意图：本环节通过对前面学习内容、探究思路的梳理归纳，引导学生从个案知识的学习中总结归纳出一般性知识，从而构建形象化的“双液原电池”理论模型以及抽象化的探究思路模型，旨在培养学生的模型建构思维。接着运用模型自主设计双液原电池并进行实验探究，旨在巩固学生对双液原电池原理知识的掌握，强化学生的化学模型建构思维。

第五，迁移运用，实践创新

【展示思考题】

①市场上出售的“热敷袋”的主要成分为铁粉、炭粉、木屑、少量氯化钠和水等。“热敷袋”启用之前用塑料袋使其与空气隔绝，启用时，打开塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。使用完后，会发现有大量铁锈存在。请同学们分析“热敷袋”中各个成分的作用。

②石墨烯电池不仅稳定，而且还有充电量大的功能。假如你是一位设计师，请依据石墨烯平面结构以及双液原电池的理论知识，在点滴板上，把Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu设计为电流电压更大的类石墨烯化学电源（见图3）。

【学生活动】思考，探讨交流。

本环节设计意图：让学生运用双液原电池的原理知识分析热敷袋主要成分的作用，以及综合多学科知识设计电压电流更大的类石墨烯电池，旨在培养学生的迁移创造思维和问题解决能力。

图3.“双液原电池”应用设计

四、本教学设计的主要特点

第一，以真实情境为背景。“新课标”将“倡导真实问题情境的创设”作为高中化学课程的基本理念之一，这是因为创设真实的化学教学情境有助于学生搞清“为何学化学？如何学化学？化学和生活有何联系？”等问题。有鉴于此，本节课选择了“石墨烯”这一高科技的情境背景开展教学设计，对“双液原电池的工作原理”进行了讨论，使用了情景中呈现知识的教学方式，这不仅能够激发学习者的认知需要，产生学习动机和学习兴趣[15]，还有助于学生实现在真实的问题情境中完成化学知识体系的建构，为后续学生化学高阶思维的培养创造基础和条件。第二，以实验探究为关键。实验探究是一种重要的科学实践活动，其本身便是化学核心素养之一，而进行探究教学时不能仅仅关注过程和环节，还要将探究教学与创新能力培养通过高阶思维能力建立起本质上的联系，如此才能将科学探究教学与创新能力培养落到实处[16]。本教学设计聚焦于“石墨烯电池为何具有稳定性”这一探究性问题，通过引导学生对实验方案进行设计、操作、比较与评价，在实验探究解决问题的过程中建立专属学生自己的知识体系，并在此过程中培养学生的科学探究能力[17]及化学高阶思维。第三，以批判质疑为核心。批判质疑是化学高阶思维的核心要素。有学者提出“批判质疑存在于感知与发现问题阶段、分析与表征问题阶段、构想解决方案阶段、处理信息与分配资源阶段、监控与评估阶段，并在上述阶段中得以发展”[1]。在本教学设计中，无论是在表征化学问题，还是在优化实验方案，亦或是在开展实验等阶段中，批判质疑均融入其中，充分体现了“高阶思维的培养与发展要‘沉浸’在各学科教学活动之中”的理念[18]。