基于深度学习的问题链教学设计

薛蓉 张万举

摘 要：以电化学的实际应用《金属的腐蚀与防护》一节为例，依据真实情境素材设计不同类型的问题链，将孤立的知识包含在真实的问题情境中.通过解决系列问题，引导学生自主构建电化学知识与金属腐蚀之间的认知模型，从电化学腐蚀的角度提出相应的防腐措施，并将防腐措施迁移应用至其它问题情境中，培养学生应用学科知识解决实际问题的能力，实现深度学习.通过船舶的腐蚀、防护再到海洋平台的防护，引导学生深刻认识到化学与自然环境之间的关系，进一步培养合理利用自然资源的意识，落实化学学科核心素养.

关键词：深度学习;问题链;金属的腐蚀与防护；高中化学

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1008-0333（2023）06-0118-04

1 研究背景

化学学科深度学习是深度学习在化学学科领域的应用和实践，胡久华教授指出化学学科深度学习是学生在教师的引导下，围绕具有挑战性的学习任务，从宏观、微观、变化、守恒的视角，运用证据推理与模型认知的方式解决综合的复杂问题，获得结构化的化学知识，建立运用化学学科思想解决问题的认知模型，促进化学学科核心素养的发展.王后雄教授指出问题链是教师为了实现教学目标，根据学生已有的认知水平，针对学生学习过程中将要产生或者可能产生的疑惑，将教材知识转化成为层次鲜明，具有系统性和连续性的教学问题，是一组有中心、有序列、相对独立又相互关联的问题，并将问题链概括为引入性问题链、诊断性问题链、探究性问题链、迁移性问题链等八种类型，对每一种问题链的教学功能进行了阐述.

结合教学实际情况，以人教版高中化学选择性必修1第四章《金属的腐蚀与防护》为例，围绕学生认识基础，基于真实问题情境，以问题链为导向设计教学，促进学生的深度学习，落实学科核心素养.

2 基于真实情境的问题链课堂教学案例设计思路

2.1 教学分析

《金属的腐蚀与防护》是电化学知识的重要应用，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对本节内容的要求是知道金属腐蚀的危害，能利用电化学相关知识解释金属腐蚀现象，选择和设计合理的金属防腐措施.学生已经知道可以通过防止金属与空气，水蒸气接触发生腐蚀，但未从电化学的角度分析金属发生腐蚀的电化学原理.

2.2 教学评价目标定位（如图1所示）

2.3 设计思路（如图2所示）

2.4 教学流程（如图3所示）

3 主要教学过程3.1 巧设引入性问题链，激发探究兴趣、注重科学态度与社会责任的培养

化学与社会生活密切相关，利用生活场景设计引入性问题链，引导学生解释生活现象，激发学生学习兴趣，感受化学对人类生产生活的重要意义，提升社会责任感.

环节一：创设情境，引入课题

【视频引入】菜刀、共享单车生锈损坏导致资源浪费、石油管道锈蚀导致石油泄露污染水体，金属腐蚀给我国的经济带来巨大损失.

问题1：什么原因导致金属失去原有的光泽？金属发生腐蚀的本质是什么呢？

学习任务：回顾金属腐蚀的相关知识，联系原电池模型思考金属腐蚀的本质原因.

设计意图：第一问引发学生思考，回忆之前学习的有关金属腐蚀的知识，构建知识的手脚架；第二问将学生的思绪带到了电化学的相关知识，引导学生将金属腐蚀与电化学知识建立联系，总结金属腐蚀的本质是金属原子失去电子，发生氧化反应.教学实践证明，学生能够从电化学的角度思考金属腐蚀的原因.

3.2 精选探究性问题链、遞进性问题链，注重科学探究与创新意识的培养

在教学中精心选择符合学生认知发展的探究性问题，设计成富有逻辑和梯度的探究性问题链，引导学生筛选有效信息、深入思考、主动探索，培养学生的探究能力和创新精神.

环节二：实验探究，金属腐蚀的电化学验证

问题2：观察船舶不同部位的腐蚀情况，你有什么发现？金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，这两种腐蚀方式有何不同？

学习任务：寻找船舶腐蚀最为严重的部位；结合课本思考化学腐蚀和电化学腐蚀的不同之处.

设计意图：通过学生主动分析金属的化学腐蚀和电化学腐蚀的不同点主要在于金属自身的结构、所处的环境、腐蚀速度的快慢等.进一步考虑金属腐蚀所处的环境有水蒸气和空气存在，联系原电池模型，初步判定船舶的腐蚀以电化学腐蚀为主.

问题3：在该电化学体系中，正极物质和负极物质分别是什么？电子和阴阳离子是如何移动的呢？

学习资料：海水中含有大量的可溶性盐，船体主要材料为钢铁，因此海水对船体具有很强的腐蚀性.

学习任务：阅读资料，找出正、负极材料、电解质溶液分别是什么物质，分析该体系外电路电子和内电路阴阳离子的流向.

设计意图：这一问紧接上一问，学生主动寻找正负极物质和电解质溶液.学生在这过程中出现了找不到正负极物质，对于体系中电子和阴阳离子的移动方向感到困惑的现象.教师提供资料并分析船舶所处的环境，将其与原电池的知识建立联系，突破学生思维盲区，初步建立原电池认知模型.

问题4：如何设计实验验证船舶的腐蚀主要是电化学腐蚀？反应观察到什么现象？反应后两端各生成什么物质？电极反应式如何书写？

提供的实验药品：NaCl溶液、铁片、碳棒、电流表、U型管等.

活动任务：小组设计实验（如图4所示）证明上述体系能够发生电化学反应，观察实验现象，写出电极反应式.

设计意图：通过设计实验证明上述体系能构成原电池发生反应，突破学习的难点，意在培养学生设计实验、进行实验探究的能力.通过从宏微结合角度分析原电池体系正负极两端生成的物质等任务，落实宏微结合、科学探究与创新意识等素养目标.

环节三：设计实验，验证金属腐蚀的类型

问题5：钢铁在酸性或碱性环境中的腐蚀与中性环境下的腐蚀一样吗？设计实验探究溶液的酸碱性变化是否会影响原电池的正负极反应.

提供实验药品：铁钉、碳棒、HCl溶液、NaOH溶液、电流表、试管等.

学习任务：通过对比实验分析金属在不同的环境中发生的腐蚀类型，正极电极反应式的差别.（如图5、图6所示）

设计意图：通过设计实验对比学习金属的吸氧腐蚀、析氢腐蚀的不同，帮助学生理解金属腐蚀的不同类型，培养学生的团队协作、实验探究能力、严谨求实的科学精神.

环节四：学以致用，设计合理的金属防腐方案

问题6：从电化学原理的角度思考如何防止金属腐蚀？以船舶的腐蚀为例，总结防止金属腐蚀的几种方法.

学习任务：从构成原电池的条件（金属、与金属接触的物质和反应条件等）出发分析设计相应的防腐方案.总结牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法.（如图7、图8所示）

设计意图：引导学生从形成原电池的条件出发，思考可行的金属防腐方案，提高学生将实际问题和原电池模型相结合解决实际问题的能力.

3.3 设计迁移性问题链，突出知识运用，注重科学探究、社会责任的培养

深度学习强调知识的学习发生在真实的复杂问题情境中，教师联系生活实际，创设真实问题情境，设计迁移性问题，引导学生利用电化学模型解决真实复杂的问题情境，帮助学生在解决问题的过程中形成利用电化学模型分析并解决问题的系统性思维，促进学生学科知识向能力素养转化.

环节五：迁移拓展，为海洋平台设计合理的防护方案

问题7：海洋平台主要组成材料是钢铁，由于长期受到海水的侵蚀而产生严重的电化学腐蚀.请根据金属腐蚀的原理，为海洋平台设计防护方案.

学习任务：根据电化学原理，思考为海洋平台制定防腐方案的措施.

设计意图：关注知识的综合运用，利用本节课所学的知识解决综合性的实际问题，进一步提升学生利用电化学模型解决实际问题的能力.另一方面，帮助学生培养爱护环境和节约资源的意识.

4 教学总结

4.1 利用递进性问题链，使学生学习由知识碎片化向结构化转化.

金属的腐蚀与防护这一节的内容难度不高，但是知识点比较零碎.利用不同类型的问题链将看似零散和复杂的知识串联起来，有利于学生构建电化学认知模型解决实际问题，实现知识的结构化，引導学生对知识的深度理解.

4.2 利用探究性问题链，使学生思维由低阶思维向高阶思维转化

从整个教学设计的顺序来看，按照知识的逻辑顺序提出一系列驱动性问题，通过解决多个相互串联的问题，最终解决复杂的问题，这样的设计为学生的思考过程搭建了支架，培养深度思考的能力.

4.3 利用探究性问题链，转变学生的学习方式学生通过自主设计探究实验，从宏观现象的观察、微观粒子行为的分析，通过符号表征建立利用电化学知识解决实际问题的认知模型，学生在学习过程中产生了积极的情感体验，促进了学习方式的转变.

参考文献：

［1］ 胡久华.以深度学习促进核心素养发展的化学教学［J］.基础教育课程，2019（Z1）：70-78.

［2］ 周郁.“问题链”教学相关的国内外研究现状与发展趋势［J］.科教文汇（下旬刊），2020（01）：142-143.

［责任编辑：季春阳］

收稿日期：2022-11-25

作者简介：薛蓉（1997-），女，贵州省毕节人，在读研究生，从事化学教学研究；

张万举（1981-），男，山东省临沂人，教授，从事化学教育与药物合成研究.

基金项目：黄冈师范学院教学研究项目基金（2020CE71；2021CE73），黄冈师范学院研究生工作站课题（项目编号：5032021041），黄冈师范学院教育专业学位教学案例项目（编号：5022021014）.