基于三元整合策略提高学生问题解决能力的高三专题复习研究*

钟国华

摘要： 概述高中学生化学问题解决能力的研究现状，以两道试题为例分析对比，从实验、性质、原理三个角度整合设问的考查要求，提出培养学生问题解决能力的教学关键，引出“实验—性质—原理”三元整合教学策略，阐释其理论依据、具体内涵与教学流程。以三元整合策略为依据，设计并实施“FeCl3和SO2反应”的课堂教学，发现学生在三元整合策略指导下的专题复习中更能对新情境进行迁移学习，提高问题解决能力，并为基于三元整合策略的高三专题复习提出教學建议。

关键词： 实验—性质—原理; 三元整合策略; 问题解决; 化学核心素养; 高三专题复习

文章编号： 1005-6629（2021）02-0033-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  研究背景

教育部颁布《普通高中化学课程标准》（2017年版）首次提出全面发展学生学科核心素养的课程目标。其中明确提到，能综合运用有关知识、技能与方法分析和解决一些化学问题;能具有较强的问题意识，能够发现和提出有探究价值的化学问题，敢于质疑，逐步形成独立思考的能力;能运用所学知识解释生活生产中的化学现象，解决与化学相关的实际问题。

从长远目标看，问题解决是伴随终身的学习能力，能促进知识结构的完善，能促进对信息的捕捉与重组，能促进创造性思维的培养。从素养需求看，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，其终极目标在于自觉利用化学观念找到问题的答案，并进行思维建模，掌握解决一类化学问题的路径[1]。从高考评价看，高考化学试题命制中“学科关键能力”的重点是考查学生对所学知识的运用能力，强调独立思考、分析问题和解决问题以及交流与合作等。培养学生用学科知识、思维方法解决陌生问题的能力是当今基础教育的一个重要目标，也是立德树人和核心素养体系的育人要求[2]。

由此可见，新课标对高中教学和高考提出了新的要求，即要在充分理解化学学科素养的内涵及其对学生终身发展意义的前提下，在教学中切实落实好核心素养和关键能力的培养。而在高考中应该通过一定情境下的具体化学问题的解决来进行全面、充分、合理的考查[3]。

何谓“问题”？有学者将“问题”定义为疑问或质疑、不确定事件、困惑、窘境、难题等，这些词都呈现了一个认知困难的情境[4]。表1为分析高考试题中“问题”的特征，具体如下： （1）呈现真实情境（硫酸亚铁分解产物的探究）;（2）问题背后隐含大量学科知识（“红色粉末”实验现象的判断，“SO3水溶性、SO2还原性”等物质性质的应用，“电子守恒、元素守恒”等反应原理的推理）;（3）与学生已有认知有一定联系但又能引发认知冲突或思维障碍（SO2在水中溶解度大，全溶于C瓶则无法在D瓶中检验）。

可见，优质的“问题”是提高问题解决能力的关键。北师大王磊教授提出，问题解决能力属于化学学科能力表现的创新迁移层次，是学生自觉运用知识的表现[5]。教育部考试中心贾洪芳将“问题解决”定义为：

试题题干    已知FeSO4在不同条件下分解得到的产物不同，可能是FeO和SO3，也可能是Fe2O3、 SO3和SO2。某研究小组探究在酒精喷灯加热条件下FeSO4分解的气体产物。已知SO3的熔点是16.8℃，沸点是44.8℃。    为探究硫酸亚铁的分解产物，将（2）中已恒重的装置A接入下图所示的装置中，打开K1和K2，缓缓通入N2，加热。实验后反应管中残留固体为红色粉末。

实验装置

试题设问    装置Ⅲ和装置Ⅳ的作用是探究本实验气体产物成分。请完成实验设计，填写检验试剂、预期现象与结论。

限选试剂： 3mol·L-1 H2SO4、 6mol·L-1 NaOH、 0.5mol·L-1 BaCl2、 0.5mol·L-1 Ba（NO3）2、 0.01mol·L-1酸性KMnO4、 0.01mol·L-1溴水。

检验试剂预期现象和结论

装置Ⅲ的试管中加入        。产生大量白色沉淀，证明气体产物中含有SO3。

装置Ⅳ的试管中加入        。                  。

① C、 D中的溶液依次为        （填标号）。C、 D中有气泡冒出，并可观察到的现象分别为        。

a. 品红  b. NaOH  c. BaCl2

d. Ba（NO3）2  e. 浓H2SO4

② 写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式  。

问题评价    该题明确告知学生以下事实： ①检验目的： 探究本实验气体产物成分——SO3和SO2;②检验先后： 根据表格可知先检验SO3，后检验SO2;③检验现象： SO3是通过产生大量白色沉淀证明。可见，本题是属于简单的复述式的物质检验，仅用已有知识经验直接加以处理即可，不存在认知困难，属于低难度试题，无法构成“问题”，“问题解决”更是无从谈起。    学生知道要探究FeSO4的分解产物，但面临众多认知困难，即“问题”： ①分解产物要根据实验现象“残留固体为红色粉末”、氧化还原反应和质量守恒定律相关知识进行证据推理，才能推出分解产物有SO3和SO2;②要根据SO3“极易与水完全化合”的性质才能找到检验先后顺序;③根据SO2的还原性才能确认钡盐种类的选择。本题的解题过程具备问题解决的特征，是对化学知识、基本观念、核心素养的全面考察。

当不知道怎么做一件事情时，最后知道怎么去做才能解决它[6]。单旭峰认为，新课程的高考化学试题是从生产或研究的真实过程中选取符合中学生认知特点的内容，呈现真实化学问题，要求学生以中学化学基础知识为工具，将化学研究的基本思想与方法、反应原理、物质性质与应用融合其中，这就是解决实际问题能力高低的体现[7]。

国外对“问题解决教学策略”的研究已经发展到一个较成熟的阶段，主要用于理论分析、逻辑推理等要求较强的理科教学，也提出化学教学中要倡导问题解决的应用策略。在中国期刊网以“化学问题解决教学”为关键词进行文献检索，查到国内近十年相关文章有538篇。从文章内容分析来看，主要涉及提问策略、习题讲解、情景教学、心理机制、课程教材分析、教学模式、教学设计等7个类别，其中以后四类为研究重点;从文章涉及的化学知识来看，有无机化合物、有机化学、基本概念与基本理论、化学实验、化学计算等，说明只要教学条件允许，基于问题解决的教学范式可适用于各板块知识;从文章研究目的来看，主要反映在创设有效性问题和培养学生的学科素养、问题解决能力以及创新思维等方面。可见，问题解决能力的培养是新课改备受关注的热点。

进一步分析文章，发现在化学教学实践中问题解决的教学研究略显粗浅： （1）教学设计模式较为单一，多是“教材研究→学生分析→目标制定→过程设计→效果评价→教学反思”;（2）教学过程中部分问题立意不高，问题呈现方式也过于简单，且以教师作為问题提出的主导者;（3）教学中虽有设计驱动问题并寻找答案，但缺乏有效思维建模，未能让学生较好地掌握同类问题的认识路径和解决方法;（4）现有文献中多数只针对某一个知识点进行问题解决教学研究，很少涉及学科知识的融合教学，更是鲜有提出较系统的、可持续性的问题解决教学策略。

为了引领学生思维发展由“解题”向“解决问题”转变，也为了促进学生在学科知识融合教学中丰富认识角度、形成认识思路，本研究提出“三元整合策略”以提高学生的问题解决能力。

2  “三元整合策略”的理论依据、具体内涵与教学流程

2.1  理论依据

“三元整合策略”是指教师以某种元素为核心的一系列物质设计整合型情境，将化学实验、物质性质和基本原理进行整合学习。

三元整合策略的核心理论依据是问题本位学习理论，这是近年来受到广泛重视的基于建构主义教学改革的一种教学思路。“问题本位学习”强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，通过让学习者合作解决真实性问题来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并形成自主学习的能力[8]。

“问题本位学习理论”要求教师通过提出开放性问题或具有多元思考方式的问题，鼓励学习者积极参与到问题解决中，让学生尝试寻找有用的知识、思考合适的方案来解决主要问题。

2.2  具体内涵

教学实践下三元整合策略的核心观点是： 要提高问题解决能力，关键要创设有意义的“问题”。能成为好问题，是因为该问题涉及内容众多或者出现认知冲突，学生一般不能迅速知道从何入手解决，这样才能区分哪些学生是能够自觉使用化学工具进行有序思考的。

因此，三元整合策略主张基于学生在“化学实验、物质性质、基本原理”三大板块的已有知识创设认知冲突，以“认知冲突”作为课堂教学的研究线索贯穿始终;以考纲要求的知识、方法、能力和素养为教学暗线，围绕驱动性问题不断提出解释和修正解释，结合真实实验强化学生有序观察实验现象的能力和建立有效解决问题的思维程序;通过三重表征教学提高学生的逻辑思维与语言表达能力，在应用已有知识对外输出的过程中培育学生宏观辨识、微观探析、变化观念、证据推理、实验探究等核心素养（见图1）[9]。

2.3  教学流程

面对相同问题时，不同学生的认识方式和能力表现水平不同。如同样是预测物质的性质，有的学生习惯基于熟悉物质的性质进行类比迁移，有的习惯基于物质类别通性思考判别问题，有的习惯基于氧化还原视角进行预测，有的则能运用多种概念原理（如物质类别、氧化还原、反应原理等）作为认识角度和推理路径进而分析、解决问题。为了提升学生的问题解决能力，培育化学核心素养，需要将三元整合策略应用于专题复习、设计教学环节和学生活动中。

三元整合策略的教学流程（见图2）包含以下核心环节： （1）在最近发展区中找到学习者的模糊概念，围绕“实验—性质—原理”提出待解决的“研究问题”;（2）学生基于物质性质和反应原理的已有知识进行预测，说出判断依据;（3）设计实验并完成实验或观看视频，记录现象进行推理;（4）结合物质性质和反应原理解释常规现象或认知冲突，得出结论并完成符号表征;（5）评价解决问题所需的认识角度和推理路径，建立解决同类问题的思维程序;（6）对外输出解决陌生问题、巩固思维程序。

3  “三元整合策略”在高三实验专题复习中的应用

以“FeCl3和SO2反应”为例，进行基于三元整合策略提高问题解决能力的教学研究。本课时教学通过六个环节展开，主要内容与教学活动如下。

环节一： 提出问题

[教师]提出问题，激发兴趣： 预计往FeCl3溶液中通入SO2的实验现象，并说明判断依据。

环节二： 预测判断

[学生]讨论分析，各抒己见： （1）Fe3+有氧化性，SO2有还原性，两者发生氧化还原反应，溶液黄色变成浅绿色;（2）SO2中+4价S为中间价态，有氧还性，Cl-有还原性，也可能发生氧化还原反应，有黄色浑浊和黄绿色刺激性气体产生。

环节三： 实验验证

[教师]讲述要求，指导实验： 讲述装置连接要点和实验现象关注要点。

[学生]分组实验，产生冲突： 发现SO2通入FeCl3溶液后，溶液由黄色变成红棕色。

环节四： 解释推理

[教师]结合情境，引导分析： 红棕色不是预计内的实验现象，请结合已有知识进行推理解释出现红棕色的原因。

[学生]（1） 调用知识，证据推理： ①不变成浅绿色说明反应可能不是往氧化还原的角度思考，或许要从物质类别的角度考虑，Fe3+易水解产生红棕色的Fe（OH）3胶体;②从物质结构的角度考虑，Fe3+有空轨道，能与某些粒子例如SCN-配位形成红色配合物，所以这里也可能与SO2配位络合成新物质。

（2） 设计实验，验证推理： 利用激光笔对红色液体进行丁达尔效应检测。发现没有光通路。

[教师]引导分析，提供证据： 从路易斯酸碱理论角度分析，SO2是路易斯碱，Fe3+是路易斯酸，两者可以配位络合： Fe3++6SO2Fe（SO2）3+6（红棕色）[10]。提醒学生继续关注溶液颜色变化，并合理分析原因。

[学生]（1） 观察现象，产生冲突： 溶液红棕色慢慢褪去，最终变为浅绿色。

（2） 推理分析，三重表征： 溶液中发生反应： SO2+2H2O+2Fe3+SO2-4+2Fe2++4H+。

环节五： 建立程序

[教师]结合情境，引导分析： 根据热力学和动力学的已有认识，解释实验过程中實验现象（溶液颜色）的变化原因。

[学生]小组讨论，相互评价： （1）Fe3+和SO2发生两种竞争反应： ⅠFe3++6SO2Fe（SO2）3+6， ⅡSO2+2H2O+2Fe3+SO2-4+2Fe2++4H+;（2）从现象变化的先后来说，配位反应速率较快，但是氧化还原反应的程度较大，所以反应Ⅱ进行时，溶液中c（Fe3+）和c（SO2）均减小，导致反应Ⅰ平衡逆向移动，且反应Ⅱ几乎完全进行，反应Ⅰ几乎完全逆向移动，导致Fe（SO2）3+6分解完全，溶液由红棕色变成浅绿色。

[教师]总结归纳，构建模型： 实验现象不仅与元素化合物性质有关，也与化学反应原理有关。两种反应的竞争，不仅要从动力学考虑反应速率的问题，还要从热力学考虑反应限度的问题。

环节六： 对外输出

[教师]创设情境，引导分析： 如图3所示连接实验装置。往铁电极区滴入2滴铁氰化钾溶液，预计烧杯内溶液颜色有无变化。若有变化，具体如何变化？若无变化，原因何在。说出你的判断依据。

[学生]利用模型，思考分析： 无明显现象，因为铁被保护起来。

[教师]提供证据，制造冲突： 播放对比实验的视频： （1）直接往铁电极区滴加K3[Fe（CN）6]溶液检验，（2）从铁电极附近取溶液再滴加K3[Fe（CN）6]溶液检验。前者有蓝色出现（异常现象），后者无蓝色出现（正常现象）。

[学生]拓展思考，巩固程序： 请学生课后从氧化还原、化学平衡等角度解释该“异常现象”的成因，并设计简单的验证方案。

4  反思与建议

4.1  教学反思

本节课采用学生熟悉的FeCl3和SO2反应创设驱动性任务，在问题解决的过程中再次通过实验创设问题情境，逐步提升思维难度，使学生突破知识板块的限制，主动实现Fe3+氧化性和SO2还原性、胶体等物质性质、物质检验实验现象等化学实验知识以及物质结构、反应速率、化学平衡等基本原理三大知识板块的大融合。

作为对知识增长点的定位，解决FeCl3和SO2反应现象的问题并不是本节课的核心目标，学生要学会利用物质性质预测反应现象的思维方法才是核心目标;在遇到异常现象等认知冲突时，学生要自觉使用物质性质、物质结构、反应原理等化学知识思考问题寻找答案并能设计实验加以验证才是核心目标;学生要站在热力学和动力学等化学学科核心理论的高度上看待化学反应的竞争问题，培养可迁移的问题解决能力，才是核心目标。有了这种思维方式的指导，学生在解决类似问题时才能有法可依，有章可循，目标明确，思路清晰。这就是问题解决后形成认知模型的意义所在。

4.2  教学建议

根据已有研究发现，三元整合策略基本适用于所有学段的不同知识板块的各种课型教学。该策略以呈现认知冲突为开篇，通过问题解决形成认知模型为结果，大大提高学生对元素化合物、反应原理等知识认识的深度与广度，同时强化实验验证的过程性教学。

高三化学专题复习的主要目的是提高问题解决能力。问题解决是一个思维的过程，它将已掌握的概念、原理根据当前问题的要求进行重新转换或组合。三元整合策略指导下的高三专题复习课是以知识整合为明线、以问题解决为暗线，不断激发学生的学习热情，不断制造新的认知冲突，不断产生知识的增长点。

基于已有研究，对使用三元整合策略构思高三专题复习提出以下教学建议： （1）结合复习专题，利用熟悉的内容制造一系列不能用已有的知识经验直接加以处理并因此而感到疑难的真实情境。（2）设计从不同知识角度（如物质性质、基本理论等）、不同的思维角度（如类比、模型等）去分析问题和解决问题的问题链。（3）课堂上充分调动学生根据已有知识、基本观念（元素观、分类观、变化观、守恒观等）、化学核心素养（宏微结合、变化观念、平衡思想、模型认知等）进行证据推理、最终形成问题解决的认知模型。这种课堂必定有利于学生形成解决问题的程序性思维与方法，并成为认知模型中的一个组成部分。