基于“问题解决”的化学单元教学设计

陈玉清　王后雄　孙妍

摘要： 基于对问题解决的相关理论研究，以“化学反应与电能”为例，选择“新能源汽车电池”为主题进行单元教學设计。教学划分为三个板块，分别研究新能源汽车电池的工作原理、发展前景、回收利用三个真实的问题，综合应用电化学及物理电学等核心知识，在复杂问题的解决过程中加深学生对电化学认知模型的理解与应用。彰显化学学科的社会价值，为核心素养的落地探索可行之路径。

关键词： 问题解决； 单元教学设计； 电化学； 真实情境； 新能源汽车电池

文章编号： 10056629（2023）10002609 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）明确指出“化学教学内容的组织，应有利于促进学生从化学学科知识向化学学科核心素养的转化，而内容的结构化则是实现这种转化的关键”［1］。真实问题解决是实现内容结构化的有效路径，因为真实情境中的问题都是开放的、复杂的。充满不确定的问题情境有利于激发并保持学生的探究热情，建立基于理解的“弹性图式”，培养学生的“专家思维”，促进其素养发展。为此，以“新能源汽车电池”为主题，提出基于问题解决的单元教学设计教学步骤、设计思路及评价量表，以推进素养导向的教学实践的发展。

1 问题解决的内涵及教学应用

1.1 问题解决的内涵

问题解决是以问题为核心，将发现问题、提出问题、解决问题相统一的完整认知及实践过程。问题解决的最终目的不只是解决某个具体的问题，而是通过问题解决的过程激发学生的思维，重视学生在解决过程中的体验或体会。传统教学衡量学习成效的标准是，学生课后对所学知识没有问题，没有问题就说明学生掌握了知识，这种标准忽视了问题的价值，容易使学生停留在识记等低阶思维层面［2］。而素养导向的教学实践应创设真实问题情境，鼓励并启发学生提出问题，在问题解决的过程中建构知识，发展高阶思维。

1.2 问题解决的教学应用

问题解决作为发展学生核心素养的有效教学方式，也遵循着一定的教学步骤。在阅读大量问题解决式教学案例的基础上，总结并提出以下基于“问题解决”的教学步骤，如图1所示。

扎根于教材的“惰性知识”脱离了真实生活情景，不具有广泛的迁移性，阻碍了学生素养的形成。教育的功能是使学生具备解决未来真实情境中复杂问题的能力，因此教师的教学应注重真实情境中的问题解决［3］。基于“问题解决”的教学分为以下四个步骤：

（1） 创设真实情境。情境须贴近学生的真实生活，富有吸引力，引导学生大胆联想已有经验，激发学生的探究欲及相关认知图式，在情境中生成问题。

（2） 拆解大问题。问题解决教学的核心是“问题链”。教师需将复杂的大问题分解成一个个层层递进、螺旋式上升的子问题，且每个子问题需在有连贯的子情境中呈现。

（3） 发现问题冲突。真实情境中的问题常常是劣构的，解决问题的条件和途径并非单一、理想化的，因此常常出现冲突。学生需要逐一解决蕴含“冲突”的子问题，最终实现大问题的解决。这一过程中，教师需鼓励学生拓宽思路，灵活调动头脑中相关的知识板块，从而获得对问题更高位的理解。

（4） 引导应用迁移。学习知识是为了应用于实践，教师需引导学生及时总结，以具体问题为原型，回顾并总结出问题解决过程中可借鉴的思路，提炼出可迁移的思维模型，使学生在未来遇到类似情境时，也可应用该模型解决问题。

2 基于“问题解决”的单元教学设计思路

2.1 创设真实情境

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，为学生化学学科核心素养提供真实的表现机会［4］。新课标在“化学反应与能量”的教学策略中明确指出，“应创设真实情境，组织学生开展基于能量利用需求选择反应等活动，形成合理利用化学反应中的能量变化的意识和思路”，同时提供“锂离子电池与新型电池的开发”等情境素材建议。基于此，本研究选用“新能源汽车电池”作为本单元的真实情境及学习主题。之所以选用新能源汽车电池，原因在于它相较于其他情境而言具有特殊的教学价值：一是新能源汽车电池较好地综合了原电池及电解池的工作原理，注重原电池及电解池的实际意义及重要应用，有助于学生掌握分析化学电池工作原理的系统思路；二是与“碳中和”等社会热点紧密联系，贴近学生的真实生活，体现出化学对自然环境及社会发展的突出价值；三是学习素材丰富，体现跨学科思想，有利于发展学生的多种学科核心素养。其教学价值如图2所示。

在“新能源汽车电池”这一大情境的统领下，从工作原理、发展前景、回收利用三个视角从下至上进行分析和梳理，呈现出三个相互衔接的小情境，旨在使学生全方位地了解新能源汽车电池，切实感受化学知识与社会生活的紧密联系，充分发挥“新能源汽车电池”的教学价值。本单元情境设计及对应的教学价值如图3所示。

2.2 拆解大问题

本单元教学将三个板块中的大问题拆解成3个小问题进行教学，无论是横向的大问题还是纵向的小问题都呈现层层递进、环环相扣的次序，以“小步调”逐步达成最终问题的解决，避免学生在短时间内吸收大量知识而产生认识负荷。本单元的问题链设计如图4所示。

以第一板块“新能源汽车电池的工作原理”为例，展现该板块中大问题的拆解过程：锂离子电池与学生的日常生活息息相关，而磷酸亚铁锂电池是新能源汽车电池的典型代表之一，适合作为学生认识新能源汽车电池的原型，因此第一个子问题是以磷酸铁锂电池为例，探究其充、放电时的反应过程。随着学生对充、放电过程的分析逐步深入，会发现它与一般单液或双液原电池存在差异。为深入探索差异产生的原因，第二个子问题引导学生进一步探究电池内部微粒的移动方向，使学生发现化学电池还可以通过离子（Li+）的嵌入和脱嵌来运作，从而对引起Li+变化的本质原因展开探究，促进学生守恒观的发展。第三个子问题是对上述两个问题的提炼和总结，通过提炼出该电池的构成要素，促进学生认识思路的结构化，帮助学生掌握分析陌生电池的思想方法。按照类似的拆解方式，可将本单元情境中的问题按照由易到难、由简单到综合的顺序进行排列，形成符合学生认知特点且具有逻辑顺序的问题链，帮助学生在问题解决的过程中实现思维进阶。

2.3 发现问题冲突

在所有的学科领域，只要把知识运用到具体情境中，就会产生大量的结构不良问题［5］。结构不良问题的空间结构并不明确，因此学生经历真实问题解决时常面临实际情况与已有经验的冲突，而问题冲突正是激发学生兴趣、引发困惑、体验意义的重要载体，也是深度理解发生的前提、关键与条件［6］。因此，引导学生发现并解决冲突的过程对促进学生的深度理解具有重要意义。

了解学生的学习起点，有助于教师明确学生的思维障碍，以学生的已有经验为基础设计认知冲突。经过相关文献查阅，了解到学生在学习“化学能与电能”时，普遍遇到的困难是建立电化学过程的系统分析思路［7］。在知识与技能层面上，学生在此之前已经学习了原电池及电解池，具备根据电池装置图书写电极反应式的能力，但分析的电池仍是简单电池，较少有分析工业生产中复杂电池的机会。在思维层面上，学生的头脑中并未建立起原电池与电解池之间的联系。在前概念上，许多学生在判断微粒移动方向等问题上仍存在疑惑和混淆。学生的学习起点及教学策略分析如图5所示。

基于上述分析，本单元设计了3个关键问题冲突：当学生开展第一板块“磷酸铁锂电池工作原理”的学习时，Li+的变化（嵌入及脱嵌）与学生已有经验中离子得失电子的常见形态产生冲突，有助于学生运用守恒观理解微粒变化的本质，有效击破“判断微粒运动方向”的学习难点；第二板块“新能源汽车电池的发展前景”

中，学生已有经验中“锂离子电池的应用优势”与现实情况中“全球范围的锂资源短缺”产生冲突，有助于学生应用电化学认知模型解决现实问题，形成分析陌生电池的系统思路；第三板块“新能源汽车电池的回收利用”中，学生基于已有经验设计的回收方案与真实工业生产中“环保性、安全性、经济性”等限制条件产生冲突，有助于学生综合运用知识，提升决策能力。教师须充分挖掘问题冲突背后蕴含的教学价值，引导学生通过收集资料等活动吸纳新知。本单元问题冲突的设计如图6所示。

问题冲突是导向深度理解的引线，问题解决过程中的冲突都将驱动学生发现新问题、提出新猜想、收集新论据，促使学生在连续的问题解决中实现知识的意义建构，获得素养发展。

2.4 引导应用迁移

发展学生学科核心素养的关键是由“知识理解”向“知识迁移”過渡，再向“知识创新”提升，而学科性知识与实践性知识的结合是实现知识迁移及创新的必经途径［8］。因此教师需要引导学生利用所学知识解决新问题，发挥知识的实践价值，为学生提供利于迁移的实践情境。

本单元中，通过第一板块的学习，学生已经初步掌握电化学问题的系统分析模型。在第二板块的学习中，学生可以应用该认知模型，类比推理出钠离子电池的工作原理，为后续钠离子电池与锂离子电池的对比提供理论依据。在第三板块的学习中，教师引导学生应用“钠离子电池内部构造”等已有知识，分析钠离子电池中可循环利用的材料，同时结合“元素化合物”知识，开展“钠离子电池回收方案”的设计活动，使学生亲身体验学科知识的社会价值。本单元活动线设计如图7所示。

对上述教学环节进行整合可发现，本单元教学流程将“设计情境”“拆解问题”“发现冲突”“应用迁移”四个环节分为内部小循环和整体大循环。“内部小循环”指每个教学板块均包含上述四个教学环节，“整体大循环”指前一板块所学知识均在下一板块得到迁移和应用，又引发新的困惑、形成新的问题，开启新一轮循环，教学中强调学生在教师引导下的合作共建。本单元的教学流程如图8所示。

3 基于“问题解决”的“化学能与电能”单元教学设计关键环节的处理

3.1 建构认知模型，实现知识结构化

化学认知模型是学生研究化学问题、理解化学知识的系统化思路，学生通过建构认知模型能准确把握复杂问题的认识角度，迅速抓住事物变化的本质及规律［9］。本单元教学中，教学重点即是建构电化学认知模型并运用模型分析陌生电池，发展学生基于模型解释及预测能量变化的能力。

例如，在板块1的学习中，教师为学生提供支架“磷酸铁锂电池的内部构造”及“充、放电过程中Li+的变化示意图”（如图9和图10所示），引导学生探究磷酸铁锂电池的工作原理，激发认知冲突：该电池中的电解质并非溶液，而是具有空间结构的无机物固体，Li+也并非是与溶液中其他离子发生反应，而是在无机物固体的空间结构中进行嵌入和脱嵌运动。磷酸铁锂电池拓展和深化了学生对化学电池的认识，有助于学生抓住分析电化学问题的实质。

在教师的引导下，学生合作建构以磷酸铁锂电池为原型的电化学认知模型，掌握从“宏观微观符号”的认识思路：首先看宏观的电池装置，把握电池的三个基本构成要素“电极、电子导体（导线）、离子导体（电解质）”；接着研究微观的反应原理，选择合适的电极反应物，从得失电子的角度推测电极产物，利用守恒观分析微粒的变化过程；最后用符号表征反应过程，书写充、放电时的电极反应式。师生共同建构的磷酸铁锂电池认知模型如图11所示。

当学生掌握上述电化学认知模型后，在未来面对陌生电池时，能自动检索模型思维方法，自觉调用认识角度，提升电化学问题分析过程中的元认知思维水平［13］，实现知识的结构化。

3.2 促进学科融合，重视跨学科教学

跨学科教学是融合两门及以上学科的知识、方法等，以问题解决为导向的教学活动［14］。教育的目的是使学生具备应对未来风险挑战时的必备品格和关键能力，而学生未来面临的问题大多是结构不良问题，因此教学中应积极开发学科知识交互的场域，提升问题的综合性和开放性。

例如，在本单元板块2“新能源汽车电池的发展前景”学习中，学生面临的真实挑战是“锂离子电池应用广泛，但锂资源十分稀缺”。基于元素周期律的学习，学生意识到金属Na与Li性质相似且Na的储量丰富，提出可用钠离子电池替代锂离子电池。为验证该方案的可行性，教师提供相关事实资料，组织学生开展“比较钠离子电池与锂离子电池”的小组探究活动。其中，能量密度等概念与物理电学知识联系紧密，因此该探究活动为学生提供了学科融合的场域。具体教学过程如下：

［活动2.1］搜集资料，结合表1中的信息，类比磷酸铁锂电池的工作原理，从原子结构、能量密度、氧化性及还原性等角度，探究钠离子电池的优势及缺点。

［学生讨论］根据上述资料，可从以下三个角度比较钠离子电池与锂离子电池：

（1） 相对原子质量角度：利用物理电学、电化学等基本知识及数学的推导技能，将能量密度大小与放电电流I联系起来。其推理过程如图12所示。

根据上述公式推导，可以得出“在相同时间内，相同质量的锂离子电池比钠离子电池向外提供的能量更多”这一结论，由此说明锂离子电池的能量密度比钠离子电池更大。

（2） 离子半径角度：由于Na+的离子半径比Li+更大，在正负极材料的晶体结构中脱嵌会更困难，迁移速度随之减慢，因此钠离子电池充放电循环的次数比锂离子电池更少。

（3） 标准电极电势角度：标准电极电势越低，还原态失电子的能力就越强，由于锂电池的标准电极电势更低，所以Li的还原性比Na更强，使得相同的电极材料在用于钠离子电池时，从正极脱嵌出的Na+更少，嵌入负极碳层的Na+也越少。因此锂离子电池储能性更好［16］。

［学生总结］学生在综合小组讨论的结果后，得出以下结论：

（1） 钠离子电池的优点：钠储量丰富，成本较低，可以大量生产;

（2） 钠离子电池的缺点：相比于锂离子电池，能量密度更低，循环次数更少，储能性更弱。

3.3 注重即时反馈，实现“教学评”一体化

新课标明确指出教学评价中要尤其重视学生的日常学习评价，充分发挥评价的育人功能，而评价是以学生活动为载体开展的，因此教学评价应通过学生学习活动中的表现来显化学生当下的素养发展水平。借鉴姜建文评价目标的设计思路［17］，结合教学具体情况，设计本单元的教学评价量表，如表2所示。

利用上述评价量表，可在每一板块的学习中给予学生即时的反馈及评价，有效促进“教学评”一体化在实践中的落地。

4 教学建议

4.1 创建境脉化的课堂，让学生经历完整的问题解决过程

在一般教学实践中，课堂大多是“去境脉化”的，因为学校教育中“提出问题”和“界定問题”往往由教师或教材代为完成［18］。而在本单元教学中，情境是真实复杂的，学生完整地经历“提出问题—界定问题—发现冲突—解决冲突”等一系列问题解决过程。相较于教师单向传递的“惰性知识”，学生在真实问题解决中建构的知识是经过深度加工的，更易长久地保存于记忆中，迁移到未来的陌生场景里，有助于提升学生的问题解决能力。

4.2 教学联系社会热点，使学生体验化学知识的社会价值

新能源汽车是目前汽车工业中发展势头最强劲的产业，与学生的未来生活息息相关，而电池作为新能源汽车的“心脏”，其性能的优化都将为新能源汽车的发展创造巨大的价值。通过本单元的学习，学生对新能源汽车电池的工作原理有了更深入的理解，能从学科视角出发解释社会问题并提供可行建议，开拓学生成为“电池研发人员”的职业潜力，激发学生学习化学的内在动机。

基于问题解决的单元教学设计，以真实情境作为学生建构知识的载体，既有助于学科知识及实践知识的融合，又促进学生知识的结构化，有利于多个方面的学科核心素养的发展。其教学设计思路所具有的推广及应用价值，仍需要在未来的教学实践中进一步打磨和改进。

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*国家新闻出版署人教数字研究院2022年度重点课题“数据支持下的中学化学实验教学质量评价体系构建及实施研究”（RJA0322001）；中国教育学会2022年度一般规划课题“高中生化学实验素养测评研究”（202234000801B）研究成果。