提升问题解决能力发展模型认知素养

邓衍民 陆亮

摘要：化学问题解决学习是培养学生化学核心素养的最有效途径。在真实的大情境主题中提出问题，在任务驱动中分析问题和提出假设，在实验探究中检验假设，最终在问题的解决中进行思维建模，能有效发展学生的模型认知素养。

关键词：化学问题解决;化学核心素养;模型认知;暖宝宝;铁;含量

文章编号：1008-0546（2019）06-0037-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.011

一、问题提出

2018年1月26日教育部颁布了《普通高中化学课程标准》（2017年版），新课标首次提出了“全面发展学生学科核心素养”的课程目标。高中化学学科核心素养是高中生发展核心素养的重要组成部分，全面展现了化学课程学习对学生未来发展的重要价值。虽然本次课改是从高中阶段开始的，但是对学科核心素养的研制和提炼，义务教育阶段和高中阶段应该是一脉相承的。所以，初中化学教师要有超前的意识，自觉地以高中化学学科核心素养为参照，结合学段特点，把学科核心素养有机地融入自己的教学实践之中，真正地与高中化学有效衔接起来。

在化学学科5大核心素养中，“证据推理与模型认知”是思维核心。模型认知是指利用模型认识事物或通过建构模型解决问题的方法。模型认知素养要求学生知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。它还可进一步划分出4级水平：能识别化学中常见的物质模型和化学反应的理论模型，能将化学事实和理论模型之间进行关联和合理匹配;能理解、描述和表示化学中常见的认知模型，指出模型表示的具体含义，并运用于理论模型解释或推测物质的组成、结构、性质与变化;能认识物质及其变化的理论模型和研究对象之间的异同，能对模型和原型的关系进行评价以改进模型;能说明模型使用的条件和适用范围;分析以建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题，能指出所建模型的局限性，探寻模型优化需要的证据。这样的划分有利于在实际教学中循序渐进地分层培养。

问题解决是由一定的情景引起的，按照一定的目标，应用各种认知活动、技能等，经过一系列的思维操作，使问题得以解决的过程。而化学问题解决是指以化学知识为主要载体而进行的认知活动。化学核心素养必须而且只能在化学问题解决学习中形成和发展。这是因为化学问题解决过程包括提出问题、分析问题、提出假设、检验假设和解决问题，其最终目标在于克服障碍并发现问题的答案，同时在此过程中进行思维建模，掌握解决一类化学问题的思路和方法。化学问题解决学习通过在真实的大情境主题中提出問题，在任务驱动中分析问题和提出假设，在实验探究中检验假设，最终进行思维建模，如图1所示。本文以一节市级公开课为例，阐述了如何在化学问题解决中发展模型认知素养。

二、典型案例

[情境创设1]

师：现如今天气已逐渐变冷，班里很多同学都已开始用“暖宝宝”了。小小一包物质中有何成分能起如此大作用呢？

生：查看标签，主要成分：铁粉、水、活性炭、蛭石、吸水性树脂、食盐。拆开内袋，里面是一层薄薄的黑色物质。提出问题：黑色物质真的是铁粉吗？

[任务驱动1]

从铁粉的物理和化学性质人手，交流设计实验方案。

[实验探究1]

学生进行实验，操作1：用吸铁石吸引样品。操作2：用镊子夹住棉花，使其沾满样品，于酒精灯火焰上点燃。操作3：在试管中加入半药匙样品，倒入少量稀盐酸。操作4：在培养皿中放入一张滤纸，滴入CuSO4/AgNO3溶液至刚浸没滤纸，加入少量样品。并汇报现象。

[模型建构1]

定性检验物质的一般思路和方法主要从物理性质和化学性质两个维度展开，由学生自主构建完成，如图2所示。

通过实验证实“暖宝宝”中确实含有铁粉，选取2名同学实物投影他们课前梳理的有Fe参加和生成的化学反应的方程式以及自主构建的“铁网”，典型知识网如图3所示。

[情境创设2]

师：通过同学们的实验证实暖宝宝中确实有铁粉，那热量从何而来呢？

生：撕开明胶层，感受热量。这是因为无纺布袋暴露在空气里，空气中的氧气通过透气膜进入里面。链接教材铁的生锈，铁粉与进入的氧气和水发生氧化反应：Fe+H2O+O2→Fe2O3·xH2O，这是一个放热反应。

师：那利用这个获得热量外，联系前面所学，还有什么用途呢？

生：是否能利用这个原理来测定空气中氧气的含量呢？

[任务驱动2]

根据提供实验器材设计实验，简述实验步骤，分析需要测定的数据。

在“红磷燃烧测定空气中氧气含量”这个原型的指导下，学生们有效迁移，设计实验如图4所示。

[实验探究2]

<分组实验>学生按照图4实验所示进行操作（暖宝宝取用整包），能观察到烧杯中的红墨水迅速倒吸进入集气瓶中。

<问题思考>若用此实验要准确测定空气中氧气的含量，有哪些注意事项呢？

<交流汇报>确保暖宝宝是足量的，能耗尽集气瓶中的氧气。同时，反应前要量取烧杯中水的体积，等完全反应后，要再量取烧杯中剩余水的体积。

[模型建构2]

[情境创设3]

师：刚刚我们通过实验证实铁粉发热的原理，那市面上各种“暖宝宝”的产品优劣很大程度上取决于什么呢？

生：透气膜的质量、铁粉的含量、无纺布的隔热效果等。

师：铁粉的含量直接制约着“暖宝宝”的发热效果，那我们如何测定“暖宝宝”中铁粉的含量呢？

<方案评析>

生1：方案Ⅰ不可行，析出铁粉的同时，会混有其余粉末状的成分。

生2：方案Ⅱ不可行，“暖宝宝”的成分中含有氯化钠，虽不参加反应，但它是易溶的，会损耗掉，会导致计算的结果偏大。

生3：方案Ⅳ不可行，过滤得到的不溶物中除了生成的铜外，还有“暖宝宝”中许多不溶的成分，会导致计算的结果偏大。

师：根据同学们的汇总与评析，方案Ⅲ和V在理论上是可行的。但是氢气的质量很轻，普通的托盘天平无法精确测定出它的质量。所以，我们往往优选测量氢气的体积。

[实验探究3]

<演示实验>展示如图6所示利用量气管测氢气体积。由于反应时间较长，此套装置的实验已在课前完成，老师先投影展示并详细阐述实验步骤，然后请一名学生上台，读出最终量气管中的读数。

<定量计算>根据“暖宝宝”样品的质量、反应前量气管的示数，加上学生所读最终量气管的示数，计算“暖宝宝”中铁单质的含量（保留一位小数）。已知数据：标准状况下，氢气密度为0.0899g/L。

[模型建构3]

[任务驱动3]

根据铁粉定性检验的方法，设计实验方案，简述实验步骤，标出测定哪些物理量，并在学案上以流程的形式完成。

三、案例思考

1.创设真实问题情境，促进学习方式转变

真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学核心素养提供了真实的表现机会。本节课是第八单元复习课，选取核心金属铁为复习载体。但并未对铁的相关知识进行机械复习，而是选取学生熟知的“暖宝宝”为“大情境主题”，创设了三个真实具体的问题情境：“暖宝宝”中真的含有铁粉吗？“暖宝宝”能测定空气中氧气的含量吗？如何测定“暖宝宝”中铁粉的含量呢？正是这些真实的问题，激发了学生的探究兴趣，引发学生积极开展自主建构学习、实验探究学习和问题解决学习，促进了学生化学学习方式的转变。三个真实情境下的问题提出，引导学生开展了分类与概括、证据与推理、模型与解释、符号和表征等具有化学学科特质的学习活动，在小组合作、实验探究和讨论交流等多样化方式中自主解决问题，促使学生从生活世界走进化学世界。化学课堂设计中的“大情境主题”既贴近学生认知感受又富有内在教学逻辑，促进了学生学习的连贯性、递进性和系统性，为学生模型认知素养的提升搭建了舞台。

2.基于任务解决问题，注重高阶思维培养

学习任务是連接核心知识与具体知识点的桥梁和纽带，是实现知识结构化的重要环节。本节课共设计了3个学习任务，重视和发挥学习任务的核心素养导向功能。“学习任务1”是“暖宝宝”中铁粉的检验，突出“宏观辨识”，通过用磁铁吸引、在酒精灯上点燃、加入稀盐酸、加硝酸银溶液和硫酸铜溶液四种方法，让学生能根据实验现象辨识物质及其反应，能从物质的宏观特征人手对物质及其反应进行分类和表征。“学习任务2”是“暖宝宝”测定空气中氧气的含量，“学习任务3”是“暖宝宝”中铁粉的含量测定，两个学习任务都突出“科学探究与创新意识”，在学习任务2中要求学生就给出的问题设计简单的实验方案，完成实验操作，观察暖宝宝消耗烧瓶中的氧气导致烧杯中红墨水倒吸的实验现象，客观地进行记录，并对此现象进行解释。而学习任务3则具有更大的开放性，要求学生从多个维度去设计实验方案来定量测定“暖宝宝”中铁粉的含量，并且在方案汇总后能评价和优化方案，确定合理方案后再合作完成，收集实验证据，基于现象和数据进行分析并得出结论。这种在不断的否定和完善中进行螺旋上升式的学习，有效发展了学生的“科学探究与创新意识”。

按照布鲁姆和加涅等人的学习理论，分析、评价和创造通常被称为是“高阶思维”。上述学习任务的驱动源自于学生主动的学习意愿，他们在真实的情境中相互分享评析方案，相互交流解释观点，在解决问题的过程中对自己的理解结果进行再组织，这种导致认知变化的共同建构活动，是高阶思维过程发展的关键，也为思维建模奠定了扎实的基础。

3.针对问题解决建模，提高自主迁移能力

问题解决的过程中提出假设就是利用直觉思维，并根据已有知识推测解决问题的可能途径，这些可能的途径在很多时候经逻辑加工可以概括为一个解决问题的模型，提升学生的模型认知素养。三个真实问题的提出，到三个任务去解决问题，最终的成果就是模型的建立。模型的建立是学生进行真实问题解决的思路方法的外显，这种外显的思路方法是在学生问的紧密合作、师生问的深入追问以及自身思维过程的深刻反思中提炼出来的。“学习任务1”是“暖宝宝”中铁粉的检验，突出从物理性质和化学性质两个维度展开定性检验物质的一般思路和方法，这种模型的建构有助于学生在后续学习酸碱盐的元素化合物知识。“学习任务2”是“暖宝宝”测定空气中氧气的含量，当学生遇到这个任务，头脑中就会搜索出“红磷燃烧测定氧气含量”这个原型，进行模型匹配后，再通过实验进行模型检验，从而构建测定空气中氧气含量的一般思路与模型。“学习任务3”是“暖宝宝”中铁粉的含量测定，能帮助学生构建气化法测定物质含量的一般思路与模型。此后遇到测定变质的氢氧化钠固体中碳酸钠的质量分数、测定黄铜（铜、锌合金）的组成、测定鸡蛋壳中碳酸钙的含量等问题情境时，能有效迁移这个模型，自主解决。上述外显的思路方法有助于学生在面对陌生情境和问题时迅速进行情境关联、问题归类，从而实现自主迁移，将曾经的模型应用到陌生情境和问题上，从而去证实、检验和完善模型。