蒋龙飞 黄都
【摘要】本文阐述化学高阶思维的关键特征及其培育策略，认为化学高阶思维具有理解性、实用性、复杂性、寓知性、系统性、目的性、本源性、抽象性、专注性、德润性等十大关键特征，基于此提出高挑战性任务、高强度讲解、高水平反思、高学术品位、高自主探究的“五高”化学教学策略。
【关键词】化学高阶思维 关键特征 培育策略
【中图分类号】G63 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2022）26-0129-06
在中学化学教学中，我们不难发现：课程标准规定的知识内容是化学科学领域基础的事实、概念、原理、程序和方法性知识，大部分知识的认知水平定位于了解水平，如对金属及其化合物的认知要求是“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解钠、铁及其重要化合物的主要性质，了解这些物质在生产、生活中的应用”。然而，在高考试题中，多数应答任务的思维水平却达到分析、综合、评价、创造等高阶思维水平，如根据难溶碱形成大量沉淀的pH范围，通过计算并调节溶液pH来实现物质的分离。我们在实测中发现，学生解决高阶思维问题的主要障碍有如下几个方面：一是硬伤，即无法准确提取并运用必备知识；
二是软伤，即知识提取顺畅，但解题思路混乱；
三是全伤，即必备知识和解题思路全都欠缺。基于此，我们提出如下问题：高阶思维是否包含了低阶思维？低阶思维与高阶思维的关系是怎样的？高阶思维的基本特征是什么？如何培育出更多的具备化学高阶思维的化学学习者？
结合多年教学实践，我们认为，高阶思维是以低阶认知为基础，在复杂情境中得以形成和发展的；
高阶思维不仅为学生发展适应未来社会所需的能力打下基础，而且促进学生对低阶认知对象的深刻认识和有效记忆；
高阶思维发展既借助于知识，又相对独立于知识，运用简单的知识可以解决特定情境中的高阶思维问题。在实际教学中，教师要处理好化学低阶思维和高阶思维之间的关系，通过高阶思维的培养来促成学生知识记忆与问题解决能力的协同发展，这就要求教师探知化学高阶思维的关键特质、形成机制及培育策略。
一、化学高阶思维的关键特征
综观化学高阶思维发生的起因、过程和结果，我们可概括出它具有理解性、实用性、复杂性、寓知性、系统性、目的性、本源性、抽象性、专注性、德润性等十大关键特征。下面我们将结合实例说明这十大关键特征。
（一）理解性与实用性：高階思维能促进知识理解，助力问题解决
布鲁姆教育目标分类学将分析、综合、评价等认知操作过程统称为高阶思维过程，将知道、领会、应用归为低阶思维水平。其中，“理解”是联系低阶思维和高阶思维的中介和桥梁，这里的“理解”不仅是对知识意义的理解（不同视角中的知识意义），还是对知识如何应用的理解（何时、何地、以何种方式调用知识）。例如，事实①：从氧化还原反应的视角看，Fe2+在酸性环境中能稳定存在，不易被氧化，而在碱性条件中则生成更易被氧化的Fe（OH）2；
事实②：从实际应用的视角看，根据反应Fe+2Fe3+=3Fe2+，在配制Fe2+溶液时，可以加入过量铁粉以抑制其变质。若触发高阶思维，则可在事实①的基础上抽象概括出“酸碱度是影响物质氧化性（还原性）的重要因素”，从而加深了对氧化还原反应的科学理解；
基于事实②可知，Fe2+在酸性条件下的稳定性是相对的，加入过量铁粉虽然消耗了酸而使溶液趋于中性，却能在不引入杂质的情况下提高含Fe2+溶液的稳定性。可见，高阶思维不仅能创造性地解决实验、生产、生活中的实际问题，还能加深对已有事实、理论的理解，生成更多的具有迁移价值的化学观念，体现出理解性和实用性的统一。
（二）复杂性与寓知性：涉及多维变量、多重问题，触发明确的知识和经验基础
【例1】胆矾（CuSO4·5H2O）易溶于水，难溶于乙醇。某小组以工业废铜焙烧所得产物（含氧化铜，及少量的铁、氧化铁、泥沙）为原料与稀硫酸反应制备胆矾，并测定其结晶水的含量。回答有关问题。
1.从物质的分类的角度看，胆矾（CuSO4·5H2O）属于_____（填“纯净物”或“混合物”）。构成胆矾的基本微粒是_____，这些微粒的种类是_____。胆矾溶解于水形成的溶液颜色呈_____色，决定该溶液颜色的微粒是_____。
2.将焙烧所得产物与稀硫酸混合加热，发生反应的化学方程式为_____ 。
3.待焙烧得到产物与稀硫酸完全反应后停止加热，边搅拌边加入适量H2O2，冷却后用NH3·H2O调pH为3.5～4，再煮沸10分钟，冷却后过滤。这一系列操作的目的依次是_____。用NH3·H2O调pH的优势是_____。
例1展示了由工业废铜制备胆矾的原理及技术处理过程，触及科学、技术、社会、环境（STSE）等多个维度的科学认知和实践创新问题。
从认知层面看，CuSO4·5H2O并不是Cu2+、SO42-和H2O的简单混合，铜离子与四个水分子连接成平面四边形，并分别与两个硫酸根的氧原子结合构成六配位，第五个水分子由氢键连接围绕铜的水分子与硫酸根的氧原子（如图1所示）。
因此，胆矾是由Cu2+、SO42-和H2O等微粒构成的纯净物，其构成微粒包括离子和分子。在初中化学教学中，教师只告诉学生“凡是能用一个化学式表达的物质，均为纯净物”，可是学生在回答胆矾的物质分类时，多数学生会选择“混合物”。可见，未经实验证实、结构解析的化学事实，而仅告知学生一些抽象的、结论性的规则，学生通常不会从内心接受并建构坚定的认知信念。高阶思维看似把简单问题复杂化，却能用更多的事实和证据来帮助学生建立更牢固、更正确的认知信念。
从系统分析的角度看，焙烧所得产物与稀硫酸混合加热，发生的反应主要有CuO+H2SO4=CuSO4+H2O，Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑，Fe2O3+3H2SO4=Fe2（SO4）3+3H2O，若焙烧时还有铜剩余，则还有可能发生反应Cu+2Fe3+=2Fe2++Cu2+。系统分析是高阶思维体系的基础部分，要求分析者洞察和思考体系中的构成要素及其关系，既调用已有知识，又充分察觉情境中所给的信息和线索。
从技术处理的视角看，系列操作的目的是将Fe2+氧化为Fe3+，调节pH使Fe3+转化为Fe（OH）3，煮沸10 分钟促进Fe（OH）3胶体聚沉，过滤的目的是获得除杂后的CuSO4溶液，利用NH3·H2O调pH的优势是易于控制新杂质的引入和去除。对技术处理的理解、分析与评价，既需要学习者灵活、准确调用化学科学知识，又需要学习者拥有较充分的化工实验或化学实验经验基础，反映了学习者科学与技术融合思维的表现水平。
情境的复杂性，倒逼学习者对已有的特定事实性知识、概念性知识和程序性知识进行深度加工，使其添加与这些知识相关的情境性知识、观念性知识和元认知知识，以构成包含柔性知识和刚性知识的高效能知识体。
（三）系统性与目的性：通过系统思考、系统设计、系统调控实现特定目的，彰显系统结构与功能的一致性和整体性
【例2】氰化法是工业冶炼黄金（Au）最主要的方法。用稀氰化钠（NaCN）溶液处理粉碎后的金矿石，通空气，使金粒溶解，残渣分出后，用锌粉将金置换出来。回答下列问题。
1.通常情况下，反应温度越高，矿物溶出的速率越快。但在该工艺中，最佳的反应条件是常温常压，原因是_____。
2.氰化钠是一种剧毒的弱酸盐，在水中易水解生成剧毒氰氢气（HCN）逸出，不仅造成氰化物的浪费，而且造成环境污染。因此，還应向反应体系中添加的物质是_____。
3.用熟石灰、氯气可有效除去生产废液中残留的CN-，其反应的离子方程式为_____ 。
参考答案：1.降低能耗，提高溶氧量；
2.CaO；
3.5Cl2+2Ca（OH）2+2CN-+8OH-=10Cl-+N2+2CaCO3+ 6H2O。
化学工艺设计中，需要从经济成本、安全生产、环境保护等角度，确定反应原理、反应条件、工艺流程、操作程序和质检方法，并在生产系统实际运行后进行不断调整和优化。上述工艺中，采取常温常压，选用CaO、Cl2等试剂，均是以成功解决实际问题为目的、综合多方因素的系统思维做出的决策。
多方因素的关联与协同作用，是实现特定目的的思维和实践途径，彰显“1+1大于2”的系统功能和实践价值。对现有的确定性系统，若调用高阶思维不断审视、检核、实证它，该系统的不确定性就有可能被揭开，进而演化为不确定性系统或复杂系统。高阶思维的介入，有助于提升我们驾驭复杂系统的成功概率，产生符合人们需求的系统效应。
（四）本源性与抽象性：高阶思维能触发追根溯源、洞察科学本质、抽象概括出新科学观念等思维过程
【例3】图2为有关氯气性质的两个实验示意图。回答下列问题。
1.结合初中化学知识和实验（a），可将“燃烧”重新定义为 _____。
2.从创新设计的角度看，实验（b）的优点是_____。
3.实验（a）（b）可概括出氯气的化学性质为_____。
参考答案：1.燃烧是一种伴随发光、放热的剧烈的氧化还原反应；
2.药品用量少，操作更简便；
3.光照或点燃均能使氯气和氢气发生反应。
例3往往出现于课堂教学中的深度提问，问题具有开放性，教师往往不会替代学生陈述观点。第1问涉及对已有概念定义的重新认识，学生将通过顺应心理，建构更具统摄性和解释力的概念框架；
第2问则要求学生调用比较思维、批判性思维，从创新视角来评判新实验设计的优点和不足；
第3问要求学生从多个维度来概括氯气的性质。相比于氧气，氯气是一种光能敏感性物质，光照下易分解出活泼性更强的氯原子。能回答此类问题的考生，不仅具有相关的知识和经验，还具有日常学习中洞察科学本质、批判质疑、实验求真、理论联系实际的行为和思维习惯。
（五）专注性与德润性：高阶思维因其宽视角、深视域而使人专注并养成高品格
从情感、认知与能力协同发展的视角看，具备高阶思维者进入复杂的、多维的、不确定的问题世界之中，必须耗费精力和能量，并不知不觉地进入专注状态。专注是一种优良的学习情绪状态。在日常教学中，教师若能顺势提出触发高阶思维且落在学生最近发展区之内的挑战性问题，学生就更容易进入专注状态，他们学习的效果会更好、效率会更高。
从认知加工的对象来看，触发高阶思维的问题往往具有真实性，真实世界中的问题多是复杂问题，涉及伦理、道德、法律、规则、制度、民族利益、国家利益、人类命运共同体等“科学与社会”议题。“科学与社会”议题的深究，通常会化约为某个特定的“两难问题”，例如，探讨CO2排放问题，最终可能会陷入“‘碳达峰’‘碳中和’目标的达成，依靠的是人类的良知还是人类的科技进步？”这一疑惑。持“良知观”者可能不再追寻科技的进步；
持“科技进步观”者可能丧失必要的自律；
既遵循人类良知又致力于科技创新者，必然在个人行为和思想品德方面表现更为优秀。个人行为习惯和思想品德的形成，离不开特定充满正能量的学习环境的浸润和“科学与社会”议题的高阶研讨。
二、化学高阶思维的培育策略
基于化学高阶思维的十大特征，结合化学学科育人的实际需要，笔者建构了“五高”化学教学方式。
（一）高挑战性任务
高挑战性任务是触发专注情绪、系统思考和观念转变的复杂问题解决任务群。根据高挑战性任务特点，可将其分为深究性任务、限时性任务、复杂性任务。深究性任务要求学生聚焦某一问题，通过文献研究、实验研究形成思想和观点；
限时性任务要求学生在限定时间内完成既定任务；
复杂性任务不一定限时完成，要求学生经历独立思考、交互研讨之后，探寻问题解决方案，构建问题解决思维模型。
例如，在氧化还原反应单元整体教学设计中，笔者设置了如下高挑战性任务群。
【深究性任务】1.在干、湿两类氧化还原反应体系中，电子转移是如何发生的？请选取恰当的实例，绘制微观图示模型来表述自己的观点；
2.化学反应中电子转移的物质性质基础、动力学基础、外部条件、方向及数量、结果与效应分别是什么？3.微观世界中的电子转移效应，是否可以放大至宏观可见、可测、可判断的尺度？
【限时性任务】在规定的时间内，1.写出已经学习的氧化还原反应，展示书写结果并说明理由；
2.利用双线桥法、单线桥法分析特定氧化还原反应的构成要素及其关系；
3.从氧化还原反应的视角分析所给文献资料，写出情境中涉及的氧化还原反应方程式。
【复杂性任务】1.设计实验，证明氧化还原反应过程中电子转移的存在；
2.从能源利用的视角，调查研究氧化还原反应思想、方法的实践应用；
3.尝试从氧化还原的视角，研究某一元素及其化合物的性质及应用。
（二）高强度讲解
高强度讲解是教师针对学生析出的模糊观念、相异构想，遵循“先学后教”“以学定教”的原则，实施信息量大、刺激性强、逻辑性强，具有思维深度、高专注度、高见解水平的讲解行为。高强度讲解时，教师进入学术情绪状态，语速快慢、语调高低转换得当，既展示教师的学术风范、讲解之美和角色力量，又能为学生的自主探究提供方法示范、精神感染和思想启示。
【例4】兴趣小组通过用硫酸铈铵［（NH4）4Ce（SO4）］4滴定法测定样品中Fe2+的含量来计算乳酸亚铁［CH3CH（OH）COO］2Fe固体样品纯度（反应中Ce元素被还原为Ce3+）。称取3.00 g样品配制成100.00 mL溶液，取该溶液25.00 mL，将0.100 01 mol/L（NH4）4Ce（SO4）4标准溶液装入酸式滴定管中，反復滴定2—3次，平均消耗（NH4）4Ce（SO4）4标准溶液30.00 mL，则样品中乳酸亚铁的纯度为 。
例4正确答案为93.6%。针对学生存在的计算错误等问题，教师实施了高强度讲解，过程如下。
师：化学计算是有关物质转化的事实逻辑、数学逻辑、理论关系和实际关系的模型建构与模型运算过程。纯度计算的步骤如下。1.列出纯度计算式，分子、分母分别是什么？2.建立比例关系，依次算出分子、分母的数值；
3.实施计算，检核关系、计算公式、运算结果是否有误，三者均无疑虑时确认提交。
（教师一边讲解一边板书）
1.列出纯度计算式：样品纯度=4×m{［CH3CH（OH）COO］2Fe}/3×100%；
2.硫酸铈铵中Ce的化合价为+4，反应后变为+3；
Fe2+的化合价反应前为+2，反应后为+3；
升降比例为1∶1，可得出如下关系：
由关系可算出：m{［CH3CH（OH）COO］2Fe}=0.003×234（g），样品纯度=（4×0.003×234）/3×100%=93.6%。
3.检核：样品总质量3.00 g，配制成溶液后取来滴定，样品纯度公式无误，分子计算无误，纯度计算无误，可以确认93.6%是正确的。
师：计算思维是理科思维的核心，是事实逻辑与数学逻辑的高度融合。训练计算思维可以提高化学理解能力和科学推理能力，放弃计算等于放弃能力发展。采用逆向思考、逐级建模、迭代计算、细致检核之思维方法，可有效避免错误。
师：（总结归纳）训练化学计算思维的程序是，规范运算—关系运算—笔算训练—心算训练—估算训练—精准运算。规范运算指向算法过程的整体认知和意义建构；
关系运算是指抓住关键变量、忽略无关变量，快速建立数学模型；
心算训练与估算训练有利于达到精熟水平；
精准运算则是规范运算、关系运算、心算、估算、笔算的高效整合和快速应答。
（三）高水平反思
高水平反思是新知学习、问题解决之后，能析出具有强迁移能力的经验、知识、方法、观念、思想和自我调节策略的反思性学习活动。浅层反思只能重复或罗列刚做过的事；
中等水平反思可建构所经历的认知地图；
高水平反思则可预见并评估自己的思维方式。
【例5】某同学在解析若干种原电池之后，总结了如下页图3所示的原电池“2-3-3”解析模型：
利用该模型，解析如下页图4所示的原电池。
1.放电时，失电子位置是_____，得电子反应的电极方程式为_____ 。
2.充电时，通过双级隔膜的微粒及其移动方向是_____。
参考答案：1.（a），CO2+2H++2e-→HCOOH；
2.OH-自左向右，H+自右向左，两者在双极膜复合间层结合成为H2O。
图3属于中等水平反思的结晶，采用思维可视化知识整合技术，构建原电池“2-3-3”模型，助力学习者建立原电池微观机理的整体画面和系统关联。电池放电时，（a）电极失电子，发生氧化反应，（b）电极发生得电子反应，电极方程式为CO2+2H++2e-→HCOOH。双极膜亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳极膜和一张阴极膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合间层的H2O解离成H+和OH-并分别通过阴膜和阳膜，作为H+和OH-离子源。充电时Zn（OH）[2-4]得到电子，转化为Zn和OH-，OH-自左向右进入双极膜复合间层；
H2O失去电子，转化为O2和H+，H+自右向左进入双极膜复合间层，与OH-结合成水H2O。充电时的总反应为：2Zn（OH）[2-4]=2Zn+O2↑+4OH-+2H2O。
“2-3-3”模型并没有解决例5中第2问提出的问题，师生仍需对二次电池中隔膜的结构、功能等进行专项建模。可见，聚焦思维模型建构是高水平反思的重要任务载体。
（四）高学术品位
高学术品位是指课堂教学中教师从更高的视点、更宽的视域向学生提出更具有挑战的问题，或让学生提出有深究价值的问题，在此基础上，组织知识论坛、问题研讨式的学术探讨活动。
【例6】世界锂资源储量充足但分布不均，70%分布在南美洲。据国际能源署最新数据显示，到2030年，仅靠现有和在建的锂矿生产项目，全球将出现约50%的锂需求缺口。我国科技部在“十四五”期间实施的“储能与智能电网技术”重点专项，将钠离子电池技术列为子任务，目标是“进一步推动钠离子电池的规模化、低成本化，提升综合性能”。请查阅有关文献资料，了解研发钠离子电池的社会价值、化学原理、技术瓶颈和突破路径。
这是一个开放性的项目式学习任务，教师可以在高一《钠》或高二《原电池》单元教学中布置任务，要求学生以小组形式查阅资料，聚焦钠离子电池相关的“科学、技术、社会、环境”议题，整合知识、建构意义、提出观点、生成建议、形成信念。项目式学习的组织实施，应遵循学术为本、先研后展、展评结合的原则，教师要做足功课——通过深究文献、调查研究、专家访谈等，建立自己的理解，设计项目式学习展评课的推进方式，整合科研前沿与课程思政要素，站在科学精神与社会责任的高度教书育人。
（五）高自主探究
高自主探究是以实验为基础、以学习共同体为中心的问题探究式学习活动。低自主水平的探究活动，问题、假设、实验方案均基于研究结论等要素且均由教师提供支持，学生只能操作、控制、记录、参与分析。高自主探究学习过程中，学生会主动阅读更多的文献资料或更高一级的教材；
同时学生有机会进入实验室就某些疑难问题展开实证性研究，并能根据教学进程参与到实验准备、信息资料准备之中。学生高度自主的教学形态，对教师学术功底、诊断学情能力的要求更高，因此，教师应当成为学生自主学习共同体中的一员，支持、帮助、调控学生的学习进程。
在“五高”教学方式中，高挑战性任务是触发高阶思维问题和情境的载体；
高强度讲解是维持高阶思维持续发生、良性递进的催化剂；
高水平反思是收获高阶思维成果的重要保障；
高学术品位是彰显高阶思维的实践价值、社会价值和德润价值的重要推动力；
高自主探究是高阶思维常态化的文化形态和行为模式。组织实施面向高阶思维的化学教学活动，其前提条件是教师在科技前沿、生产实践、生活实践、科技教育领域的长期研究与跟进，其保障条件是学校活动课程、学科课程、培尖课程等三个课程体系的有效融通与协同育人。
三、结论与展望
基于实践探索及上述理论抽提不难发现：发生在复杂问题解决情境中的高阶思维过程，对必备知识的要求并不一定很高，但对教师提出高水平问题的要求很高；
考查高阶思维的试题命制，对超出课标要求或超出考生识记水平的知识，通常会以支持性信息的方式，向考生提供思维工具；
具备丰富的知识且能灵活提取，是高阶思维能力的必要条件但不是充分条件，低龄学段的学生虽然具备的知识不够丰富，但高阶思维能力有可能比高学段的学生强；
观念抽提学习、学科本质洞察、学科思想体悟、思维方法总结等反思性学习环节的有效实施，是提升学生驾驭复杂问题情境、提升其高阶思维能力的重要学习技术；
以师生学术共同体为组织运行机制的学术性学科学习是发展、培育高阶思维品质的文化基因。
接下来，笔者将在实践探索中进一步探讨如下问题：一是整合知識建构与复杂问题解决的课堂教学设计范式是什么？该教学范式的理想效应是花较短的时间去建构知识，花更长的时间去解决真实而有意义的复杂问题，如此一来，是否会削弱学生对知识的掌握水平？二是不同教师教学风格对高阶思维的影响程度有何差异？例如，“敏锐风暴”型教师和“深刻温润”型教师的高阶思维培育水平差异分析等；
三是如何开展基于学科核心素养发展质量水平的化学高阶思维培育路径及环境设计研究？即如何用好课标的素养要求设计教学评一体化的化学教学过程、学习任务和学习环境。
参考文献
［1］徐绍龄，徐其亨，田应朝，等.无机化学丛书第六卷卤素铜分族锌分族［M］.北京：科学出版社，2018.
［2］皇甫倩，曾美琴，魏钊，等.基于化学高阶思维培养的教学设计研究：以“双液原电池”为例［J］.天津师范大学学报（基础教育版），2021（3）.
［3］陈燕，饶慧真.利用思维可视化促进化学高阶思维发展的探讨［J］.化学教育（中英文），2021（15）.
［4］赵广立，田瑞颖.钠离子电池：“备胎”转正何日可期？［N］.中国科学报，2022-02-07（4）.
注：本文系广西教育科学“十三五”规划2019年度广西考试招生研究专项课题“基于样卷研发的等级性学考科目命题团队建设实践研究”（2019ZJY032）、广西教育科学“十三五”规划2020年度广西考试招生研究专项课题“普通高中学业水平选择性考试命题素材管理系统优化研究”（2020ZJY190）的研究成果。
作者简介：蒋龙飞（1965— ），广西全州人，高级教师，主要研究方向为化学教学评一体化设计及实施；
黄都（1973— ），通讯作者，广西都安人，博士，教授，主要研究方向为教学评整体设计。
（责编 刘小瑗）
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