基于高阶思维发展的高中化学深度学习策略与能力研究

文∣许玉明

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》要求把握好“素养、知识、问题、情境”等要素之间的关系，同时多处提到如“分析推理”“建立模型”“揭示本质”“探究”“创新”等一些行为短语，这些行为靠低阶思维是不能完成的。课标中有三处提出“培养学生的高阶思维能力”。高中化学课堂教学中落实课标、优化教学设计、培养高阶思维能力是当前广大化学教师的任务。本文就化学教学中如何通过建构化学观念、创设复杂情境以及借助化学史等教学策略促进学生高阶思维发展进行探讨，为其他教师提供借鉴。

一、“高阶思维”概念内涵

布鲁姆在《教育目标分类学》中将思维水平划分为低阶思维和高阶思维两个层级。安德森等人把低阶思维中的“知识”修订为“记忆”，“领会”修订为“理解”， 高阶思维中的 “综合”修订为“创造”，修订后的认知目标分类与思维的关系如图1所示。[1]

图1 布鲁姆认知目标分类学与高阶思维的关系

从图1可以看出，浅层学习多注重知识的掌握，培养的是学生的低阶思维。例如，提问学生硫酸的化学式怎么写，学生只需通过回忆便可以给出答案“H2SO4”。当学生认识了金属锌与硫酸铜溶液反应的原理后，遇到铁与硫酸铜溶液反应，他只需要将已会的知识进行应用即可，没有遇到新情境复杂问题，学生使用的是低阶思维。但当学生遇到金属钠与硫酸铜溶液反应、金属钠与饱和氯化钠溶液之间的反应等(该类反应包含氧化还原反应、置换反应、复分解反应等内容)不熟悉且复杂的情境时，通过死记硬背的化学知识，使用低阶思维是无法解决这个问题的，需要使用到高阶思维，因为它涉及证据推理、分析、归纳、抽象和评价等行为。

郭金花等指出，化学高阶思维是指学生围绕挑战性或劣构性的化学问题，从宏微结合、变化守恒的视角，借助化学实验和化学模型，运用证据推理、分析、归纳、抽象和评价等方法，获得化学核心知识的活动。化学高阶思维结构分为化学微观思维、守恒思维、模型思维、实验思维以及创新思维等五种思维。[2]这五种思维的划分，契合了课标提倡的培养核心素养目标，教学中操作指标相对清晰，为化学高阶思维的教学明确了方向。

二、基于高阶思维发展的高中化学深度学习策略

(一)化学观念建构，让学生微观思维和守恒思维更具有深刻性

微观思维和守恒思维是化学观念中最基础的组成部分，是探索和研究物质世界常用的思想方法和思维方式。以微观思维展开丰富想象，去分析形成宏观现象，并在此基础上形成高阶思维是化学的特质。例如：自然界为什么会形成同素异形体？为什么浓度对化学反应速率有影响？如何理解同种类型晶体的熔沸点的差异性？要解决上述问题，教师需要发展学生的微观思维。而电解质溶液里离子浓度的比较、化学反应前后质量的计算、陌生情境下复杂化学反应方程式的书写等方面，需要运用“物料守恒”“质量守恒”等思维解决问题。化学观念的建构有利于实现学生由浅层学习走向深度学习。

在“盐类水解”的概念教学中，许多教师常常在探究实验测定醋酸钠、氯化铵以及氯化钠溶液的酸碱性后，得出盐类水解的概念。教学中学生只是通过观察、识别、讨论等行为，只发生了浅层学习，并未发生深度学习，因而并未在头脑中形成微观思维。教师应从微观思维的角度设计问题链来讨论氯化铵溶液呈酸性的原因，例如：①常温下，氯化铵溶液中含有哪些微粒？②氯化铵溶液中不同的离子浓度有什么特点？哪些离子与离子之间发生了化学反应？③哪些离子反应后，会破坏水的电离平衡，使溶液的酸碱性发生改变？④有同学把Mg粉置于浓氯化铵溶液中，会发生什么现象？⑤在金属的腐蚀与防护过程中，氯化铵溶液常被用来处理铁锈，请分析原因。

综合上述问题，教师从微观的角度归纳总结盐类水解的概念原理。设计对氯化铵溶液电离情况、微粒之间作用的问题，层层递进，促进学生对水解概念的思考，得出盐类水解的概念原理。在盐类水解(第二课时)复习的教学中，教师可以设计以下问题：①碳酸钠溶液中所有微粒浓度的大小关系如何？②常温下，在氨水中加入盐酸后溶液呈中性，溶液中的溶质是什么？存在哪些离子？学生在解题过程中，需要运用“物料守恒”“电荷守恒”等思维解决问题，促进学生对盐类水解概念深入、系统的理解，消除“酸或碱溶液显酸碱性，盐溶液只显中性”的错误认知，培养学生批判思维能力。在学习过程中，教师引导学生进行分析、讨论、比较以及评价等深度学习，促进学生微观思维和守恒思维的深刻性。

(二)复杂情境建模，让学生模型思维更具有综合性

模型本身是思维活动的产物，它反映了科学现象及其本质，以简单的形象表达物质的内涵。例如教师可以通过构建“价类二维”模型，为学生学习元素及其化合物知识提供依据；通过构建“电化学原理”模型，让学生理解原电池和电解池之间的转化；通过金刚石晶胞模型展示，让学生了解原子堆积方式等。教师通过复杂情境建模，帮助学生解决学习过程中产生的劣构问题，让其思维含量更高，更指向高阶思维能力的开启。

以苏教版高中化学必修第一册“从海水提取镁”为例，从本节的教材内容编排来看，安排在工业制取氯气、氢氧化钠、金属钠及溴的制取之后，在教学中教师可对比“钠、氯碱工业制取过程”“溴的提取”，分析不同的流程，构建制取物质需要经过“原料富集→产品制取→产品提纯”等环节的模型思维。教学环节设计如下。

环节1 创设真实情境，激发思维

教师出示资料卡(见图2)。

图2 资料卡

上述材料阅读充分融合了镁的制取知识与化学史、社会热点等重大成就，学生创设探究情境，培养学习兴趣，认识物质的两面性，培养批判思维能力，激发学生的思维活动。

环节2 设置驱动问题，激活思维

教师出示以下问题供学生思考：①为何选择电解熔融MgCl2制得Mg？②如何从海水中获得MgCl2？③工业上为何选用熟石灰做沉淀剂?④电解槽中的镁蒸气应如何冷却？

在上述问题中，问题① 培养学生证据意识，训练逻辑思维能力。问题②培养学生初步建立化学工业思想及微观思维。问题③让学生熟悉化学工业过程。问题④将镁的化学性质应用到实际情境问题解决中，四个问题设计引发了学生的思考，特别是问题③工业制取熟石灰中产生的问题，激活了学生的思维。

环节3 提炼工业流程图：升华思维

要求学生根据所学海水中提取钠、溴以及氯碱工业制取过程，依照课本的彩图——提炼工业流程图，展示学生成果，如图3所示。

图3 海水综合利用制取物质工艺流程图

高阶思维的课堂不仅要有知识深度、思维深度和情感深度，更要触及事物内部和本质。本环节思维深度是提炼工业流程图，启发学生要从部分到整体进行思考，但在建构中会产生劣构问题，所以教师在说明流程图的框架和要求后，让学生依照的课本彩图，构建制取物质需要实现原料富集、产品制备以及产品提纯等三个生产步骤的模型思维，提升学生思维的综合性，促进学生从低阶思维向高阶思维发展。

(三)回归实验本真，让学生实验思维更具有实效性

化学是以实验为基础的学科，实验思维过程包括从实验的准备工作开始，经历设计实验方案，选择实验试剂与装置，完成实验操作，对实验结果进行综合分析、抽象概括等一系列复杂的过程。所以教学中，教师要回归实验的本真，让学生实验思维更具有实效性。例如“Cl-、Br-、I-检验”教学中，教师常常设计三组演示实验：①在待检溶液中先加入HNO3，再加入AgNO3；②在待检溶液中先加入氧化剂，再用有机溶剂萃取；③在待检溶液中先加入氧化剂，再加入淀粉溶液，根据实验现象总结出“Cl-、Br-、I-”的检验方法。该演示实验帮助学生巩固了知识点，却不利于高阶思维培养。在演示完第一个实验后，教师可进行如下教学片段。

【展示】海带水一瓶。

教师：生活中食用的海带中碘元素的含量比较高。请设计实验检验展示的海带水中是否含有I-。

学生：讨论，交流。得出结论：在海带水中先加入HNO3，再加入AgNO3，观察是否有黄色沉淀生成。

【展示】实验结果为海带水中只有白色沉淀，未见预期的黄色沉淀。

教师点拨学生：海带水中的Cl-与AgNO3反应会产生白色沉淀AgCl，干扰I-与AgNO3反应产生黄色沉淀AgI。实验现象与预期产生认知冲突，学生需要重新寻找检验I-的方法。经过讨论、分析，确定了图3所示方法②和③，教师进一步让学生比较方法②和③的优缺点。

图4 检验海带水中含有I-的方法

在教学中创设真实的实验情境，回归实验的本真，引发学生深度学习。在讨论、分析、比较以及评价等过程中，促进学生高阶思维的发展。

(四)融入科学史实，让学生创新思维更具有批判性

创新思维是以综合性和探索性为特征的高级心理活动，是思维的最高层次。教师带领学生重温科学家的研究过程，可以帮助学生深入理解化学知识，鼓励他们理性判断，促使经历深度思考从而发展创新思维。以苏教版高中化学必修2的“原电池”为例，设计教学环节(见表1)。

表1 “原电池”教学设计

教学中将“原电池原理”“原电池构成要素”内容等融入原电池的发展史中。环节2通过变化装置中电解液和电极材料，让学生判断正负极以及书写反应方程式。环节3让学生阅读“电池的发展研究”，结合暖宝宝发热的原理等原电池的设计，引导学生在观察、比较、思考以及评价中建构原电池认识模型，促进深度学习。创新思维就是在这样真实的历史情境下和复杂的任务解决中逐步形成的。

三、反思与建议

(一)教师：深度备课，明确概念内涵

由于传统教学的原因，有些教师往往依靠题海战术来提升学生分数，学生的学习停留在浅层学习上，很难在课堂上培养高阶思维。教师要明确高阶思维概念的内涵，积极深度备课，在课堂中创设有利于学生高级思维发展的情境，根据教材的特点，考虑学生的学情和障碍，对教学内容价值进行挖掘与整合，制定适合学生学习的任务，达到培养学生高阶思维的目标。

(二)学生：反馈评价，突出主体地位

在培养高阶思维的课堂中，教师是引导者、合作者，学生才是教学主体。教师应挖掘教学内容的价值，设计不同思维层次的任务，引导学生进行分析、评价、创造等任务。评价的内容要素应包括知识、学科思想方法、过程技能、价值观念、自我评价等多个维度。

(三)课堂：宽松环境，探究解决问题

课堂是训练高阶思维的主阵地，传统的化学课堂师生间的交流为“你问我答”“你讲我记”，这是不足以培养学生高阶思维的。宽松环境的课堂，是民主的课堂，是积极思考的课堂，每个学生都能融入化学课堂中。在学习的过程中，学生有可能会面临一些挑战，如小组合作中学生技能方面参差不齐，教学内容重构习题不匹配，课堂时间把控不足，学生学习任务难以完成，课堂预设的问题与生成的问题相冲突等问题，都需要教师深度研究，并打造适合学生学习的课堂。