基于知识建构与问题解决的高中化学教学实践

陈永安

摘 要 基于真实情境下的知识建构和问题解决的教学方式，在发挥学生课堂主体性、培养学生化学学科核心素养方面有着较好的效果。以探究实验“Cu（Ⅱ）盐与Na2S2O3溶液的反应”为例，帮助学生进行知识建构，实现从化学学科知识向化学学科核心素养的转变，促进学生学习方式的转变，为相关的研究提供案例支持。

关键词 高中化学 知识建构 问题解决 实验探究 教学设计

一、设计背景

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出，化学学科核心素养的发展是一个自我建构、不断提升的过程，教师要紧紧围绕化学学科核心素养发展的关键环节，引导学生积极地开展建构学习、探究学习和问题解决学习，促进学生化学学习方式的转变[1]。要发展学生的核心素养，促进学生学习方式的改变，必须转变课堂教学方式，注重真实情境、活动和问题解决的整体设计，引导学生自主建构，充分地认识到化学的独特价值，增进对化学学科的理解。因此，基于知识建构和问题解决的课堂教学方式需要在教学实践中探索。

（一）关于“知识建构”教学

知识建构的理论基础是“建构主义理论”，强调课程内容的意义建构，注重在情境中发现问题、解决问题。在整个教学过程中，学生是课堂教学的主体，是知识和认知的建构者，课堂从以往的“教学”转变为“导学”。钟志贤认为知识的建构包括个体建构和协作建构，二者相辅相成才能够使知识建构更加完整和丰富[2]。

如何在课堂教学中进行有效的知识建构？如图1所示的教学设计思路在高中化学教学中具有一定的普适性。教师根据课程标准和教材内容确定学习主题，通过学情分析初步了解学生已有的知识结构，再通过情境创设、自主探究和合作探究进行个人知识建构和协作知识建构产生新的认知结构，进而通过知识迁移完善知识结构，最终在总结和评价中形成新的认知结构。

（二）关于“问题解决”教学

经验课程观指出教育即生长，教育是在经验中不断地发展的过程，同时提出“问题解决”的流程：问题情境→明确问题→提出假设→推理→验证[3]。张丽华认为有效的教学策略往往是从问题开始，将化学知识融于问题情境中，激发学生的思维活动[4]。在国内外，“问题解决”教学被广泛的研究，其不仅可以提高课堂效率，也能够培养学生问题解决的能力，提升核心素养。

“问题解决”教学应基于真实情境，教师通过核心问题的设计，层层剖析，形成问题链，同时每个问题都有相对应的情境和活动，引导学生深度参与教学过程，从而解决核心问题，并通过总结、反思，形成问题解决的模型，最终实现核心素养的提升，具体流程如图2所示。

“知识建构”和“问题解决”教学都含有情境的创设、活动的设计、知识的应用。问题的提出和解决，思维模型的形成，二者从本质上来说是相辅相成、不可割裂的，即在问题解决中进行知识建构，在知识建构中解决问题。本文以“探究Cu（Ⅱ）盐与Na2S2O3溶液的反应”为探究素材，基于“知识建构”和“问题解决”教学方法，引导学生采用多样化的方式进行学习，促进学生学习方式的转变。

二、教学目标设计

本节课通过对核心问题“探究Cu（Ⅱ）盐与Na2S2O3溶液的反应”的讨论，建立研究陌生盐化学性质及其反应的一般思路。通过核心问题的拆解，设计层层递进的“小”问题，融入不同的“小”情境和“小”活动中，发挥学生课堂主体性，结合元素化合物、物质结构与性质、化学反应原理及实验探究等进行知识建构，突出高阶思维和核心素养的培育。据此，将本节课的教学目标定为：

（1）以Cu（Ⅱ）盐与Na2S2O3溶液为物质载体，复习根据微粒种类及结构特点预测物质性质及物质间反应的类型，培养“宏观辨识与微观探析”“变化观念”素养。

（2）依据化学热力学、化学动力学及理想体系和实际体系的互相转化，拓展对实验探究原理的分析视角及问题解决路径，建构实验探究的思维模型和问题解决模型，培养“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”素养。

（3）从内因、外因讨论影响反应的因素，进一步提升问题解决及思维模型建构的能力，基于“控制变量法”设计实验方案，发展“科学探究与创新意识”素养。

三、教学流程

本节课的教学流程如图3所示。

四、教学过程

（一）预测CuSO4溶液与Na2S2O3溶液的反应，初步建构研究陌生盐化学性质的一般思路

此环节引导学生初步建构研究陌生盐化学性质的一般思路：物质组成→微粒种类→微粒性质→预测反应类型。在研究的一般思路流程中渗透預测微粒性质的角度：价态规律、盐类通性和物质结构。

[教师]近几年的高考实验题多是实验探究题，因此实验探究题型是高考中热点的实验题型，下面以“探究CuSO4溶液与Na2S2O3溶液的反应”为例，基于知识建构与问题解决突破实验难点。

[布置任务]根据所学知识，预测CuSO4溶液与Na2S2O3溶液具有的化学性质。

[学生1]CuSO4与Na2S2O3主要参与反应的微粒为Cu2+和S2O32-。从价态规律和盐类通性可知Cu2+具有氧化性、可生成沉淀、可水解、可络合等性质；S2O32-具有还原性、遇酸歧化、可水解等性质。

[学生2]SCN-中的S原子具有配位能力等，因此S2O32-中的端原子S应该也具有配位能力，S2O32-还具有络合性。

[教师点评]两位同学从微粒的视角结合价态规律、盐类通性和物质结构预测CuSO4溶液与Na2S2O3溶液可能具有的化学性质。那么二者混合会发生什么样的反应？带着这一问题进行下一环节学习。

（二）实验验证CuSO4溶液与Na2S2O3溶液的反应，将复杂的实际体系转化为理想体系进行研究

在复杂的实际体系中，存在多个反应的竞争，为了研究某个具体反应，可将复杂的实际体系转化为理想体系进行研究，从而避免其他反应对研究对象的干扰。

[教师]将2 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液逐滴滴入1 mL 1 mol·L-1 CuSO4 溶液中，溶液先变为绿色，后逐渐变浅至无色，长时间静置无变化。结合已学的知识，小组讨论并得出实验结论。

[学生1]先发生络合反应，后发生氧化还原反应。

[教师]所涉及的化学知识是什么？

[学生2]动力学，络合反应速率大于氧化还原反应速率；热力学，络合反应平衡常数小于氧化还原反应平衡常数。

[教师点评]微粒之间可能发生多个反应，这些反应在体系中存在竞争关系，通过实验现象结合动力学和热力学知识可以分析出反应的主次和倾向。

（三）影响Cu（Ⅱ）盐与Na2S2O3溶液反应的因素，通过个人建构和协作建构形成知识建构模型和问题解决模型

此环节是本节课的难点。通过设计“小”问题，创设“小”情境和“小”活动，结合实验研究的一般思路、控制变量法、热力学和动力学相关知识探讨Cu（Ⅱ）盐与Na2S2O3溶液反应的影响因素。帮助学生通过个人建构和协作建构形成知识建构模型和问题解决模型。

[教师]该体系存在多个反应竞争，影响反应竞争的因素有哪些？

[学生1]二者的浓度关系、温度。

[教师]很好。影响二者反应竞争的因素，可以从什么视角进行有序地讨论？

[学生2]化学反应原理中影响速率和平衡的因素。

[教师追问]很好。学生1所说的浓度、温度因素均能影响速率和平衡移动，那你还有其它补充吗？

[学生2]学生1所说的均是影响速率和平衡的外因，我认为还有内因。例如，Cu（Ⅱ）盐中的阴离子种类对速率和平衡的影响。

[教师点评]分别选取两位同学，关于影响反应因素中的浓度关系和Cu（Ⅱ）盐中不同的阴离子种类进行讨论。

[布置任务]设计不同浓度的CuSO4溶液与Na2S2O3溶液反应实验，小组内讨论，填写学案。

[学生3]分别将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，观察实验现象。

[学生4]学生3应分别加1.5 mL、1 mL和0 mL蒸馏水保证溶液总体积不变，控制单一变量，便于实验观察和得出结论。

[教师]在进行实验探究时，要学会应用控制变量法，使得研究更有目的性。通过分析三组实验现象可得出什么结论？

[学生4]随着n（Cu2+）∶n（S2O32-）的增大，二者发生络合反应的趋势减弱，发生氧化还原反应的趋势增强。

[教师]还要进一步研究Cu（Ⅱ）盐中的阴离子种类对反应的影响，将第二组实验中的CuSO4溶液替换成CuCl2溶液，实验现象同实验2，静置后很快出现白色沉淀，溶液颜色进一步变浅。根据所学的知识，可以得出什么结论？

[学生5]Cu（Ⅱ）盐中的阴离子为Cl-时，能增大Cu2+与S2O32-发生氧化还原反应的趋势。

[学生6]Cu+与Cl-生成沉淀的速率大于Cu+与S2O32-发生络合反应的速率。

[教师]往白色沉淀中继续滴加1 mL 2 mol·L-1 Na2S2O3溶液，发现白色沉淀溶解。

[学生7]CuCl（s） ? Cu+ （aq） + Cl? （aq），滴加Na2S2O3溶液后，S2O32-与Cu+形成络合离子[Cu（S2O3）2]3-，c（Cu+）浓度降低，使平衡正向移动，沉淀溶解。

[教师追问]为什么之前滴加Na2S2O3溶液，白色沉淀不溶解，而现在溶解了？

[学生8]Cu+与Cl-生成沉淀的速率和Cu+与S2O32-發生络合反应的速率与离子浓度有关。

[教师点评]通过对影响反应速率与平衡的因素进行分析，进一步深入理解了动力学和热力学对于化学反应的影响。

五、教学反思

（一）基于知识建构的教学设计，形成对探究实验的系统性认识

通过对Cu（Ⅱ）盐与Na2S2O3溶液的反应探究，帮助学生形成了从微粒性质到物质反应，从单一体系到复杂体系，再到单一体系及研究陌生盐反应的一般思路。本节课的知识建构符合学生的认知发展规律，在学生的最近发展区寻找可提升空间，帮助学生进行自我建构和协作建构，建构可迁移的模型。

（二）基于问题解决的教学设计，引导学生深度学习

实施深度学习需要教师充分挖掘承载核心知识的问题或任务，在教师的指导下，实现知识、方法、观念、能力等各维度紧密结合、建立解决问题的思路方法[5]。基于真实情境设计层阶性的探究问题，激发学生的学习兴趣，引导学生综合运用所学的知识进行发散性思考，踊跃参与课堂的讨论及问题解决。通过问题提出、问题解决及对问题的反思，形成问题解决的一般逻辑思路，促进学生学习方式的转变，实现从知识体系形成、问题解决能力提升到核心素养培育的转化。

（三）基于实际研究的教学设计，提升学生对化学学科的理解

基于实际研究的教学设计，教会学生如何在陌生情境中知识学习和问题解决，同时能够提升学生对化学学科的理解。当学生达到对学科知识的深度理解时，初步培养了学生终身学习的意识和能力，距离实现教师的教育理想——“教是为了不教”更进一步。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：74.

[2]钟志贤.知识建构、学习共同体与互动概念的理解[J].电化教育研究，2005（11）：20-24.

[3]约翰·杜威.我们如何思维[M].伍中友，译.北京：新华出版社，2010：179-186.

[4]张丽华.提升学生化学高阶思维能力发展的教学研究：以“镁与海水提镁”教学为例[J].中小学教学研究，2020（5）：43-47.

[5]覃玉娴，展军颜，徐星.高中化学实验探究问题解决困难成因及对策探讨[J].中小学教学研究，2019（10）：36-40.

（责任编辑：姜显光）