基于模型认知培养学生高阶思维的教学研究

杨光明 邹洪涛

摘要：高阶思维能力作为21世纪发展所需要的重点能力，被各国教育研究者重点关注。价—类二维图能够有效串联知识点，实现学习负担简化和学习效率增加，在一线课堂被广泛应用。价—类二维图的主动建构过程、根据不同视角认识物质性质背后化学本质过程、应用价—类二维图实现物质转化过程，都是高阶思维过程，对高阶思维培养具有极高的价值。以建构价—类二维图为模型，预测并制备氢氧化亚铁，实现学生高阶思维培养和素养落实。

关键词：模型认知；价—类二维图；高阶思维；氢氧化亚铁

文章编号：1008-0546（2023）07-0008-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.002

高阶思维作为能适应21世纪发展的重要能力，被世界上各个国家重点关注和研究。时代飞速发展，科技变化可謂是日新月异，面对复杂多变的社会发展时局，问题分析解决、信息收集处理、快速决策和创新能力等高阶思维能力将是决定学生在未来社会发展中取得优势的关键能力。

高阶思维是在真实问题情境中连续不断地优化解决问题的过程，并在内化反思的过程中建构出解决问题的一般思路。［1］ 高阶思维的发生需要突破浅层学习，在识记知识的基础上实现对知识的深层次理解，在问题解决过程中完成知识内化，通过总结归纳和分析评价构建化学知识体系和化学学科方法。学生能在问题解决过程中建构模型和方法，能有步骤有流程地解决劣构性问题。因此高阶思维的起点是知识识记，过程是方法模型建构，目标是劣构性问题解决。知识识记指学生能够基于已有经验和查阅资料，完成知识罗列、分析、比较、分类和总结。方法模型建构指通过抽象、评价、推断、解释等思维方法总结出模型框架。劣构性问题解决指能够从不同角度，选用不同方法解决真实且复杂的问题。

一、研究现状

在中国知网中以“氢氧化亚铁”或“Fe（OH） 2 ”为主题词进行高级检索，剔除与教学不相关文献和非核心期刊文献，总共得到63篇参考文献。对检索得到的文献进行阅读，可发现关于氢氧化亚铁教学相关文献主要是氢氧化亚铁制备实验改进，实验改进的方向可以分为制备方法改进和实验器具改进。常见氢氧化亚铁制备实验主要是液—液体系，李学渊利用固体氢氧化钠与硫酸亚铁溶液反应制得氢氧化亚铁，实现固—液体系制备目标产物。张爱菊等人通过除去溶液中的溶解氧，采用电解法制备氢氧化亚铁，制备出的产物能达到1小时以上的稳定存在。［2］ 氢氧化亚铁不稳定的原因是容易被空气中的氧和溶液中的氧氧化，所以制备实验器具改进，主要是想办法隔绝氧气与产物接触。有的利用注射器改进实验、［3］ 有的利用具支管器具，［4］ 还有的用一次性塑料滴管做反应器皿， ［5］ 以上器具都起到隔绝空气中氧气的作用从而延长氢氧化亚铁的保存。另外一部分研究者尝试从降低溶液中溶解氧的方法改进实验，陈杨展等人利用盐析的方法，利用NaCl溶液配制FeSO 4 溶液，能够有效起到降低溶解氧的效果。［6］ 除此之外采用耗氧法，向溶液中加入还原剂以达到消耗溶液中溶解氧的目的。

由以上各种方法或者器具改进方案可知，氢氧化亚铁制备实验需要师生共同结合信息进行反思总结、批判性思考和创新能力应用，蕴含着丰富的育人元素，对高阶思维培养具有重要价值。培养学生学科核心素养，需要创设高阶学习活动，使得高阶思维在课堂中发生对学生知识掌握、能力提升和素养养成具有重要价值。但是单独利用氢氧化亚铁培养学生高阶思维的研究几乎是没有的，因此尝试利用氢氧化亚铁制备实验设计教学培养高阶思维的教学研究是必要的。

二、教学内容解读

本节教学内容选自于人教版必修第一册第三章第一节的部分教学内容氢氧化亚铁制备。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在课程目标中提出，学生通过课堂学习能够收集证据，依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。［7］ 模型建构和问题解决过程涉及到分析、综合、评价和创新等高层次认知水平，对学生高阶思维培养具有重要价值。新课标的学业要求中多次提及要让学生以化学视角从物质类别和价态的角度认识物质和变化，能用化学思维解决实际问题。建立化学视角、预测物质性质和解决实际问题都属于高级思维技能，可见培养学生用元素价—类的化学视角认识物质、预测性质和解决真实问题是落实核心素养和高阶思维培养的有力工具。元素章节知识的学习，对于大多数学生来说是困难的，因为各种元素的性质涉及的知识多而杂，给学生学习带来不小的困扰。为了实现学习减负教学增效的教学目的，利用价—类二维图将元素及其化合物各知识有机结合，实现知识结构化，建构认知模型，减少知识的识记压力，增强对课堂思维激活和调动，利于高阶思维在课堂发生。

在“物质及其变化”章节学习中，学生已经具备物质分类思想，能根据物质的组成和性质实现简单的物质分类。在“氧化还原反应”学习过程中，能从微观化合价视角审视宏观物质反应现象背后的化学本质。在“海水中的重要元素 — —钠和氯”章节学习中，学生对简单物质元素学习掌握基本步骤和一般方法。在本节学习主题为变价金属元素，实现氢氧化亚铁制备可以从物质类别设计实验方案，也能从物质价态变化角度设计实验方案，问题解决思路更加多元化，学习难度相较于前面内容学习有一定增加。知识编排符合螺旋上升特点，为无机非金属和化学反应原理学习打下认知和情感基础。

三、基于学生高阶思维培养的教学设计

1. 学生情况分析

（1）已有基础

从知识层面来看，在初中阶段学生已经初步学习过铁及其化合物的知识，对铁单质和铁的化合物的物理性质和化学性质有知识储备。经过必修第一册第一章的学习，学生已经能够从物质组成角度进行物质分类，能从复分解反应和氧化还原反应角度分析现象背后的反应本质。

从能力层面来看，学生整体能力较强，能在教师指导或者同伴合作情况下完成具体实验操作。能从宏观现象收集证据，微观分析证据并合理推理，用符号表征反应本质。

从心理层面来看，高一学生思维敏捷，活跃，想象力丰富，对化学实验充满好奇心和动手实践的欲望，对制备实验背后的方法和思路有极强的探知欲望。

（2）存在困难

高一学生虽然学习过物质分类，但是没有建立多维度视角将知识点串联成线的经验，分类思维还局限于单维度层面。对于物质转化和制备，虽然能设计简单方案，但很难设计出不同方案，不具备多途径解决问题的能力。对实验设计整体性把握能力不足，实验细节处理存在缺陷。要学生从不同角度和不同途径设计实验方案实现氢氧化亚铁制备，并注意实验操作过程中的细节处理，对于学生来说是具有挑战性的。

2. 教学目标制定

（1）利用“价—类二维图”深入理解铁及其化合物各物质，能从物质类别和物质核心元素价态预测物质性质。

（2）利用“价—类二维图”，从物质类别转化和物质核心元素价态变化角度实现设计不同实验方案制备Fe（OH） 2 ，结合Fe（OH） 2 易被氧化性质完善实验操作细节。

（3）了解Fenton体系治理有机污染物的原理，通过主动参与制备Fe（OH） 2 方案设计，体会化学学习乐趣和学科价值，培养绿色化学价值观和社会责任。

3. 教学设计思路

教学主要分为四个环节：情境引入，确定学习主题；建构价—类二维图；应用价—类二维图，设计制备实验方案；基于生产要求，选择最佳实验方案。

价—类二维图中横坐标表示物质类别，纵坐标表示物质核心元素的常见化合价。价—类二维图的研究对象是宏观物质类别和微观元素价态，建构价—类二维图能培养学生从不同视角认识、分析和总结物质属性的能力。对物质类别梳理过程中，学生对杂乱的元素知识形成系统认识，让无序的知识变得有序，既能帮助学生提升分析对比能力，也能让学习变得轻松，从而增强学习兴趣。

化学是一门有规律的学科。世界上的物质纷繁复杂，由于物质的多样性和复杂性，让学习和掌握物质性质变得吃力。但是相似物质之间存在共性，不同物质之间存在联系，找到物质之间的共性和联系，就能将知识点串起来形成网络，让知识学习变得有规律、有挑战性和有趣味性。利用物质类别通性，分析陌生或未知所属类别，预测物质性质。如氧化锆，因为其属于金属氧化物，它就应该具备金属氧化物的通性。分析物质核心元素所处价态，由化合价升降角度分析并预测物质的氧化性或者还原性。例如单质金属元素，最低价态为0价，只能失去电子，因此金属都具有还原性。

建构模型、实践、修正和再建构这样反复进行，能够不断优化模型，还能提升批判性思维和创造性思维。将建构出价—类二维图应用于实际问题解决，可以凸显模型的学科价值和社会价值，还能实现知识应用，为知识迁移累积经验和方法。教学将建构的铁及其化合物价—类二维图应用于制备能降解有机污染物的氢氧化亚铁溶胶，解决劣构性问题帮助学生打开思维，发展能力，培养社会责任。

四、教学环节实施

1. 教学流程

教学流程如圖1所示。

2. 教学实录

教学片段1：情境引入，确定主题

【资料卡片】部分工厂生产过程中会产生大量有机废水，为了保证不以牺牲环境为代价来发展经济，科学家一直在寻找高效且经济的方式来治理有机废水。其中Fenton（Fe（OH） 2 + H 2 O 2 ）体系因具有反应速度快、处理效果显著及操作简单等优点而备受关注，在污水处理中应用日益广泛。该种方法需要新制大量氢氧化亚铁溶胶，用氢氧化亚铁溶胶附载H 2 O 2 ，其中H 2 O 2 能够快速降解有机污染物。

【学生】认真阅读资料卡片，体会不能以牺牲环境换取发展的绿色发展理念，知道治理有机废水的方法。

【提问】Fenton体系中真正起到除去有机污染物的物质是什么？

【学生】H 2 O 2 。

【追问】Fe（OH） 2 的作用是什么？

【学生】附载H 2 O 2 。

【教师】Fe（OH） 2 能起到治理污染的作用，对生活生产有重要的经济价值，那如何设计实验制备Fe（OH） 2呢？我们今天来一起学习探讨。

设计意图：基于真实情境引入学习内容，拉近知识与生活生产的距离，激发学生学习兴趣。了解科技发展可能带来的不利因素，知道治理污染的方法，培养学生社会责任意识和树立正确价值观。明确本节课学习主题，建构劣构性问题，为后面学习环节展开抛下锚点。

教学片段2：回顾知识，建构价—类二维图

【教师】物质制备首先需要选定原料，Fe（OH） 2 制备原料需要铁或者含铁化合物。在初中阶段，已经学过单质铁和铁的化合物，请同学们按照物质类别写出尽可能多的铁的化合物。

【学生】氧化物：FeO、Fe 2 O 3 、Fe 3 O 4 ；碱：Fe（OH） 2 、Fe（OH） 3 ；盐：FeCl 2 、FeCl 3 、FeSO 4 、Fe 2 （SO 4 ） 3 。

【教师】物质的性质由组成元素决定，其中物质核心元素价态是影响物质性质的重要因素。为了更好地将物质各知识点串联起来，能从物质类别和核心元素价态角度认识物质，实现知识的网络化和结构化，特意向同学们介绍价—类二维图模型（见图2）。请同学们观察价—类二维图模型，并介绍它的组成和功能。

【学生】价—类二维图的横坐标指物质的类别，常包括单质、酸、碱、盐、氧化物和氢化物等等；纵坐标指物质核心元素的化合价。利用价—类二维图可以实现知识结构化和网格化。

【教师】请同学们通过对比分析铁及其化合物的类别和铁元素化合价价态，应用价—类二维图模型，以小组合作的形式建构出铁及其化合物的价—类二维图模型。

【学生】小组合作，建构铁及其化合物的价—类二维图（见图3）。

设计意图：按照物质类别的形式回忆已有经验与知识，将零散的知识稍加整理，以规范化的形式输出，有利于培养学生的分类思维和规范表达能力。给出价—类二维图原始模型，学生主动分析其组成和功能，促进学生信息收集和处理能力，能够结合分析、判断和推断得出价—类二维图功能价值的结论。学生应用原始模型，结合所给物质，通过对比分析，建构出新模型，培养学生迁移应用能力。通过小组合作，让学生实现个体到团队的意识转变，培养小组合作能力和交流协作能力。学生通过合作建构出价—类二维图，让学习获得感更高。

教学片段3：应用模型，设计方案

教学任务1 从物质类别角度设计实验方案

【教师】如果从物质类别转化实现制备Fe（OH） 2 ，可以选择选用Fe、FeO和FeSO 4 为原料。请同学们设计以FeSO 4 为原料制备Fe（OH） 2 的实验方案并实施实验，观察记录实验现象。

【学生】动手实验，记录实验现象。

【提问】实验做完了，请一个小组派一位代表分享实验现象。

【学生】将NaOH溶液加入FeSO 4 溶液中后，出现白色沉淀，白色沉淀迅速变成灰绿色，最终变为红褐色。

【再问】为什么会出现上述现象？

【学生】Fe（OH） 2 被空气中的氧气氧化为Fe（OH） 3 。

【追问】如何改进实验以制得稳定的Fe（OH） 2 ？

【学生】可以向试管中加入煤油或者食用油，达到油封隔绝氧气的效果，或者在真空中进行实验。

【教师】在真空条件下反应是很苛刻的，所以采用油封的方式来隔绝空气，它更加方便简洁。可是在实际实验过程中，即使加入煤油达到隔绝空气的效果，Fe（OH） 2 还是会被氧化，只是速度变慢了许多。这是为什么呢？

【学生】溶液中还含有溶解氧。

【教师】如何除去溶液中的溶解氧？

【学生】煮沸配制溶液的水。

【教师】通过煮沸配制溶液的水，然后对反应试管进行油封，能制备出长时间稳定存在的Fe（OH） 2 。

教学任务2 从物质核心元素价态角度设计实验方案

【教师】Fe（OH） 2 中铁元素处于中间价态，可以由Fe为原料制备，也可以由Fe 3+ 原料制备。选用上述两种药品为原料制备Fe（OH） 2 时，需要加入什么药品？

【学生】因为Fe 2+ 处于中间价态，如果用Fe为原料时，需要加入氧化剂；如果用Fe 3+ 为原料时，需要加入还原剂。

【教师】请同学们用氧化还原原理，设计制备方案。

【学生①】（Fe+H + ）+NaOH→Fe（OH） 2

【学生②】（Fe 3+ +Fe）+NaOH→Fe（OH） 2教学任务3 从类别—价态复合角度设计实验方案

【教师】Fe 2 O 3 与Fe（OH） 2 相比较，既不属于同一类别，元素价态也不相同。利用Fe 2 O 3 为原料能否制备Fe（OH） 2 ？如果能，请设计简单实验方案。

【学生】首先，将Fe 2 O 3 与H 2 SO 4 反应制得Fe 2 （SO 4 ） 3溶液，然后加入还原性铁粉制得FeSO 4 溶液，最后在隔绝氧气的情况下加入NaOH溶液制得Fe（OH） 2 。

设计意图：根据物质类别转化角度设计实验方案，从实验药品选择到方案设计再到实验方案优化，体会物质制备流程，初步建立物质制备思维模型。为了实现避免产物与氧气接触，考虑不同因素影响，排除干扰因素，培养学生整体性思维。实现变价元素的物质转化，需要利用氧化还原原理分析实验背后的本质，通过分析、总结，得出一般性规律，为实现一类知识掌握奠定基础。知识的复合应用既能起到巩固所学知识，也能起到综合提升的效果。学生解决问题过程中，思维层次由一维到二维甚至多维，思维训练难度逐步增加，实现低阶思维向高阶思维进阶。

教学片段4：对比方案，选择最优

【教师】工业制备过程中，生产需要考虑很多综合因素才能确定最佳生產路线。请同学从经济成本和绿色环保的角度对比各种方案，找出最佳实验方案。

方案1：Fe 2+ +NaOH→Fe（OH） 2

方案2：（Fe+H + ）+NaOH→Fe（OH） 2

方案3：（Fe 3+ +Fe）+NaOH→Fe（OH） 2

方案4：（Fe 2 O 3 +H + +Fe）+NaOH→Fe（OH） 2

【学生①】方案1最好，因为它步骤最简单，且用到的药品最少。

【学生②】我觉得方案2和方案1的原理类似，亚铁盐自然界中很少，大量制备亚铁盐可以通过单质铁与酸反应制得，所以方案2应该是实际生产中选择的路线。

【学生③】我很赞同前面两位同学的说法，其中我更赞同学生②的选择。方案3、4相较于前面两种方案，所用药品成本会更高，而且步骤更加复杂，不符合实际生产要求。

【教师】同学们的思考都很深入，能从不同角度思考方案的可行性，很好。实际生产过程中，采用的正是方案2。该方案具有成本低、用料少、原料利用率高、污染排放小的特点。

设计意图：通过方案对比、分析、归纳和选择，培养学生综合分析信息能力和批判性思维能力，能够辨证看待事物。体会实际生产需要注重绿色环保，培养学生承担社会发展需要注意的绿色经济意识。

五、研究体会

1. 价—类二维图有效促进高阶思维培养

学生主动认识价—类二维图自身构成要素，能够培养学生信息处理和消化能力。建构价—类二维图认知模型，学生需要对比、分析和总结不同物质的相同之处，实现知识深度理解。利用价—类二维图预测物质和实现物质制备，学生需要从宏观和微观结合的视角认识物质。物质制备过程，学生综合利用知识，找到知识之间的关联，创新性提出实验方案，培养学生创新能力。价—类二维图对于元素知识学习具有统摄性意义，利用一种学习方法或者一个思维模型实现一类知识学习，使得学习变得更加轻松。

2. 劣构性问题解决是高阶思维发生的沃土

劣构性问题具有复杂性和解决途径不唯一性。真实问题的复杂性让问题解决过程变得有难度，通过设计问题让其难度符合学生最近发展区，让真实情境中的问题能够在靠学生之间的合作或者师生之间合作中被解决。适当的难度能够增强思维活性，调动学生认知、情感、技能和思维同时参与课堂，使得深度学习在课堂中真实发生。真实情境问题的解决途径不唯一性能够发展学生利用不同视角看待问题，增强思维辐射广度，应用不同思维分析问题和采用不同方法解决问题。真实问题与生活实际联系紧密。在课堂中解决真实情境问题，能够拉近知识与生活的距离，凸显知识价值，增强化学学习的信心和兴趣，为终身学习奠定基础。

参考文献

［1］ 李佳佳. 基于手持技术培养高中生化学高阶思维的教学研究［D］. 新乡：河南师范大学，2020.

［2］ 张爱菊，陶锁军，张小林. 电解制备氢氧化亚铁除氧方式探究［J］. 化学教学，2014（6）：56-57.

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