高中化学课堂问题链的设计思路

摘 要 高中化学教学的主旨是发展学生的化学学科核心素养，而科学推理能力是发展学生化学核心素养的关键能力。基于问题链开展深度探究，发展学生科学推理能力，进而培养学生的化学学科核心素养，需要根据科学推理逻辑环节设计问题链，需要设计引发学生探究“为什么”的问题链，需要基于真实情境设计适切的问题链，需要根据课堂学生反馈生成问题链。

关 键 词 科学推理能力 学科核心素养 高中化学 问题链

引用格式 苏香妹.高中化学课堂问题链的设计思路[J].教学与管理，2023（25）：50-54.

在高中化学课程学习中形成和发展学生的化学学科核心素养，进而发展学生核心素养，是高中化学教学的根本宗旨。科学推理能力在化学学科核心素养发展过程中处于十分关键、重要的地位，是化学科学开展研究的本质过程与思维要求，是学生学习化学知识，深度开展探究活动中十分必要的高阶思维能力[1]，是发展学生化学核心素养的的关键能力。化学学科核心素养中“宏观辨识””微观探析”“证据推理”“模型认知”“科学探究”“科学态度”等等素养的培养，均离不开科学推理能力的发展。科学推理能力作为科学思维的核心能力，是依据科学事实、科学观察和科学实验，运用归纳思维、演绎思维、类比思维等科学思维进行加工[2]，进而得出科学结论或作出科学解释的能力。学生在依据科学事实、科学观察、科学实验得出科学结论、作出科学解释中主要存在的高阶思维方式有分析、综合、归纳、演绎、类比、应用等等。因此，指向核心素养培育的高中化学教学作为科学教育的重要分支，理应在课堂上培养学生的科学推理能力，让学习过程具有严密的结构化的逻辑关系，为发展学生学科核心素养提供更广阔的思维训练空间。真正使学生热爱化学，吸引学生为化学科学奋斗一生的并非化学科学的好玩和有趣，而是科学推理、科学逻辑、科学思维的魅力[3]。

当前，化学课堂教学过程中普遍缺乏对学生科学推理能力的培养，学生化学学科认知发展多为接受性，没有在学生原有的认知基础上通过科学推理生成结构化理解、本原性认识的新知。课堂提问大多数只是关注事实性知识，具有挑战性和创造性的基本问题缺失，问题之间也没有逻辑关系，作为科学教育的科学推理、科学逻辑、科学思维培养无从谈起。比如，盐类水解的课堂教学，教师设计的问题是：CH3COONa溶液、NH4Cl溶液pH等于7吗？C（Na+）与C（CH3COO-）相等吗？什么是盐类水解？盐类水解方程式书写要注意哪些事项？预测盐溶液酸碱性方法是什么？Na2CO3水溶液呈碱性还是酸性？水解平衡常数的表达要注意什么？盐类水解的影响因素有哪些？盐类水解在生活生产中有哪些应用？回答完以上这些问题，虽然能让学生达成课程标准提出的“认识盐类水解的原理和影响盐类水解的主要因素”的学习目标，但所提问题都是引导学生进行机械记忆，形成的知识是识记型的碎片化知识，导致错过科学推理、科学思维等能力培养，诊断与发展学科核心素养的课程目标没有落地。教师在教学中应该设计知识从哪儿来，将到哪儿去的本原性认识的问题，以及围绕形成关联知识、认识思路、核心观念结构化理解而设计的问题链，从而引发学生思考，训练学生分析、归纳、演绎、应用等高阶思维，进一步开展深度探究。比如，在盐类水解课堂教学时，教师可以按照科学推理能力的不同思维方式训练，设计不同的问题链（见表1）。

通过表1中各种不同思维方式训练的问题链，引发学生运用分析、综合、归纳、演绎、应用等高阶推理思维，不仅发展了学生的科学推理能力，更能有效增进盐类水解的本原性认识和结构化理解，而且建构了盐类水解认知模型，有效达成学习目标，诊断并发展学生微观探析、证据推理、科学探究等学科核心素养水平。那么，在具体课堂实践中如何设计问题链来培育发展学生的科学推理能力呢？

一、根据科学推理逻辑环节设计问题链

科学推理是一种过程性素养，也是一种能力思维形式。在培养科学推理能力的教学过程中，需要培养学生归纳、演绎和类比等高阶思维，还要训练学生分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式。这些高阶思维的培养与思维方式的训练蕴含在科学推理的逻辑环节中。因此，如图1所示，培养学生科学推理能力课堂的问题设计需要通过对宏观现象或真实情境梳理，围绕是什么、为什么、怎么样、用什么方法等逻辑推理的基本问题，转化成需要学生思考，开展探究的问题链，得出宏观现象背后的分子、原子、离子、电子等微观粒子组成、结构、性质、转化等规律，并形成概念。

比如，如图2所示，将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区（a）已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环（b）。对于这个实验现象，大多数的老师会以铁发生吸氧腐蚀解释图2中出现的现象。

教师可以按照科学推理逻辑环节设计问题链，增进学生对电化学腐蚀的学科理解：此现象发生的金属腐蚀是电化学腐蚀吗？是哪一类腐蚀呢？是简单的吸氧腐蚀吗？能设计实验证实你的猜想吗？铁的生锈部位和腐蚀发生的部位为什么不同呢？以此四问为背景，设计能解决问题的问题链（如图3所示），建构金属的电化学腐蚀的结构化认识，发展学生证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析等学科核心素养，培养学生的科学推理能力。

教师帮助学生形成“氧浓差电池腐蚀的原理”认识思路，开展学生科学推理思维可视化的实验探究活动设计如下：

【问题1】设计怎样的模拟实验探究氧浓差电池？

【类比：氢氧燃料电池】学生采用类比推理的思维，模仿氢氧燃料双液电池，设计如图4所示的以铁分别作正负电极的双液电池，发现电流指针发生偏转。

【问题2】图4的氧浓差电池装置符合原电池的形成条件吗？

【分析与综合的思维方式】往图4所示的左边烧杯中加入K3Fe（CN）6溶液检验有Fe2+生成[5]，往右边烧杯中加入酚酞检验有OH-生成，电流计指针发生偏转，形成左边铁作负极，右边铁作正极的氧浓差电池认知模型。

【问题3】图2中，铁发生了氧浓差电化学腐蚀吗？

【比较与分类的思维方式】学生通过比较图2中（a）与（b）处O2浓度不同，类比图4的氧浓差电池的实验现象，肯定了图2发生的是氧浓差电化学腐蚀。

【问题4】氧浓差电池的腐蚀在工农业生产生活中广泛存在吗？

【演绎、归纳、应用的思维方式】学生通过对图2与图4的归纳分析，形成氧浓差电池的4个特征：有O2参加，不同区域的O2浓度不同，活泼金属做电极，腐蚀与生锈分布在2个区域。通过演绎发现生活中的金属裂缝处的锈蚀，钉在木板中锈蚀了的铁钉，浸入水中的锈蚀铁闸等等。

二、设计引发学生探究为什么的问题链

培育学生科学推理能力的课堂与指向学科素养发展的教学是一样的，都是关注化学知识的生长过程，都是基于观察到的现象（或情境），通过模型建构、证据推理、微观探析、科学探究等学科素养训练，形成化学概念、规律，如图5所示。但传统教学中比较关注化学知识是什么，然后应用学到的知识去解决问题，在解决问题的过程中进一步理解知识的内涵与外延，导致知识的获得是识记型而不是生长型，学生的科学推理能力培养缺失了场域。因此，教师需要在课堂上设计引发学生探究“为什么”的问题链，在学生形成化学概念、规律的过程中诊断并发展学生的学科核心素养，培养学生的科学推理能力。如表2所示，引发学生探究“为什么”的问题和传统教学知识识记型问题对比分析。

为什么的问题不仅能培养学生的理解能力、阐述能力，更是会引发学生开展归纳、演绎和类比等高阶思维活动，训练学生分析、综合、归纳、演绎、应用等思维方式，诊断并发展学生模型建构、证据推理、微观探析、科学探究等学科核心素养水平，进而培养学生的科学推理能力。

三、基于真实情境设计适切的问题链

激发学生学习动机需要真实情境，维持学生深度学习需要真实情境引发的有意义问题情境[6]。科学推理需要严密的逻辑，因此问题链的设计也必须要逻辑清晰、结构严密。教师需要增进对学习内容的学科理解，对课程标准中提出的教学目标要有清晰完整的认知，对学生在学习过程中可能产生的问题站在促进学生科学推理能力培养的角度有较充分的预设。在此基础上，创设真实合适的情境，根据科学推理的逻辑环节设计问题链，让学生通过归纳、演绎、类比等高阶思维，采用分析与综合、归纳与演绎等思维方式解决问题，并在解决问题的过程中继续生成挑战性问题，增进学生对所学内容的理解，培养其科学推理能力（如图6所示）。

以人教版《高中化学》必修第二册第六章第二节“化学反应速率”教学为例。传统教学中，教师会通过迁移物理学科中的速率，得出化学反应快慢如何表达，形成化学反应速率概念。接着应用反应速率概念解决练习，通过练习得出同一个反应不同反应物与生成物之间的速率大小与化学反应的配平系数成正比。如图6所示，培育学生科学推理能力教学设计，教师应该从生活生产中选择几件涉及化学反应快慢的事件，如爆炸、溶液中离子反应、大多数的有机反应、牛奶变质、铁桥生锈、溶洞形成等等，从真实情境预设挑战性问题链：①化学科学为什么要提出反应速率概念？（why）②怎么样对化学反应速率进行表达？（how）③我们可以从哪些视角表达化学反应速率的快慢？紧接着，教师提出“如何表达相同质量块状与粉末状的CaCO3和等体积等浓度稀盐酸反应的快慢”。学生生成挑战性问题：①观察产生气泡的快慢，可行吗？②观察剩余固体CaCO3的多少，可行吗？③用手触摸反应容器，感受外壁温度的高低，可行吗？④将两种反应分别置于借助托盘天平两边，反应慢的这一边会下沉，可行吗？⑤借助温度计，或密度计，或pH计，或者指示剂等等，可行吗？根据学生提出的挑战性问题，开展实验探究，发现①④可行，②③不可行。教师进一步提出挑战性问题：①是哪一种物质在单位时间里什么量的变化来明确反应速率快慢的呢？④中各种情况，又是针对反应体系中哪种物质表达的什么物理量在单位时间里变化来表达反应速率快慢的呢？你认为同一个反应用不同的物质表达反应速率，其速率之间有关系吗？通过这样的科学推理的思维显性教学，让学生在真实情境中体会化学学科开展化学反应速率研究的价值与意义，理解反应速率表达方法的内涵与外延，经历化学反应速率用反应物或生成物浓度在单位时间的变化来表达的概念生成过程，明确同一个反应不同反应物与生成物之间的速率大小与化学反应的配平系数成正比等等，不仅建构了结构化的化学反应速率概念认识，而且诊断并发展了证据推理与模型认知，宏观辨识与微观探析等学科核心素养的发展。

非科学推理的教学就像跟团旅游，学生是从中间某个点（化学反应速率概念的模型）上车的。而采用培养科学推理能力的教学，学生几乎是从起点（生活与生产中纷繁复杂的化学反应）上车的，这样做的优点是：能让学生体验到“化学源于生活”，学生亲身经历了概念的科学推理过程，而这往往是我们从化学视角认识“众多生活与生产中的化学现象”的第一步。

四、根据课堂学生反馈生成问题链

当下的大多数课堂，学生是沿着教师预设的学习过程开展学习，教师不了解学生的想法，导致学生缺乏持续学习的动力，被动接受知识，课堂不仅难以达到最佳思维碰撞的教与学状态，而且因为缺失学生对学习内容的质疑，缺失学生自己提出有挑战性的问题，导致科学推理能力培养缺失学生自我生长的场域。因此，提出如图7所示的根据课堂学生反馈生成问题链，培养学生科学推理能力设计思路。

以人教版选择性必修1《化学反应原理》第三章第一节“强电解质和弱电解质”教学为例。教材P56实验3-1的目的是探究“CH3COOH是弱电解质”，安排了3个比较实验，分别是浓度都是0.1mol/L的HCl与CH3COOH，比较它们的pH大小，导电能力强弱，与镁条反应的快慢，得出等同浓度盐酸与醋酸溶液中H+是不同的，CH3COOH只有部分发生电离，形成结论醋酸是弱电解质。但这样的学习过程对于学生而言还不能够建立弱电解质电离是动态的可逆过程，即未电离的醋酸分子还能继续电离，已电离出的醋酸根离子与溶液中氢离子会重新结合成醋酸分子。因此，教师要根据教学中重难点，结合学生的课堂反馈，动态生成挑战性问题链，组织学生进行科学推理。