基于结构化思维的高中化学综合实践活动的研究
作者： 周红丽
摘 要：探究结构化思维在高中化学综合实践活动中的应用，以“菠菜补铁”为例，详述了结构化思维在探究主题的筛选、分析、管理及展示等环节的作用，发现其有效提升了学生的学习成效、促进了教师在教学设计和问题解决方面能力的提升。预测了化学教育的未来趋势，提出了结构化思维的实施策略。这一教学模型有望引领高中化学综合实践活动教学向前发展。
关键词：结构化思维；高中化学；综合实践活动；教学策略；学习成效
文章编号：1005-6629（2024）09-0047-08
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 问题的提出
1.1 高中化学综合实践活动面临的问题
2017年中华人民共和国教育部印发了《中小学综合实践活动课程指导纲要》。纲要指出，要从学生的真实生活和发展需要出发，从生活情境中发现问题，转化为活动主题。通过探究、服务、制作、体验等方式，培养学生的综合素质［1］。《普通高中化学课程标准（2017年版）》也提出，中学阶段要开展“STSE［科学（Science），技术（Technology），社会（Society），环境（Environment）的英文缩写］综合实践”主题教学活动［2］。
虽然综合实践活动已成为当前教育研究的热点，但在应用于高中化学教育时，仍存在不少问题。教师在确定活动主题和具体执行方面感到困惑，缺乏明确的指导原则和综合规划能力。学生在这种模式下往往缺乏明晰的目标感和系统的思维方式，对于化学概念和认识路径的理解比较肤浅，没有形成有效的解决问题的策略。针对这些挑战，如何运用结构化思维进行改革与提升是目前教育研究的关键问题［3］。
1.2 结构化思维的引入
结构化思维利用问题的导向和强逻辑性将散乱的信息条理化，提炼出清晰的知识体系，为学生解决真实、复杂的问题提供强有力的分析框架，继而培养学生思维的条理化，在理论与实践相结合的过程中，形成结构化的认知观和方法观，提升学生的关键能力。
高中化学综合实践活动的结构化教学（如图1所示），涉及主题确立、教学组织和全域评价，形成连贯递进的教学模型，优化了教与学策略，确保了教学效果的最大化。有序而系统的思维范式可以引发学生自主调用模型来分析问题、解决问题，更能在真实、复杂情境中深化学科知识，跨越学科界限，形成可迁移、可应用的跨学科思维模型，继而加强学生对学科观念的持久理解，促进核心素养的全面发展，最终实现教育的长远目标——学科育人。
2 结构化思维在高中化学综合实践活动中的应用
2.1 结构化思维在探究活动主题确立中的作用
结构化思维对探究活动主题的确立具有重要作用，可确保主题选择的准确性与合理性。
2.1.1 在价值观引领下的结构化分析
探究活动主题在价值观引领下的结构化分析如图2所示。化学学科的价值观，不仅为活动研究方向的确定提供基石，更可以确保活动承载的社会责任感与深远意义。它通过设定明确的背景，强调教学目标应关注学生价值观的形成和对科学、社会及环境的责任感，引导活动主题的选择既要促进个体的全面发展，也要回应社会需求。使活动主题不仅与教育目标相匹配，深化对关键问题的理解，更要促进学生运用适当的知识解决挑战性问题。
如表1所示，活动主题的结构化分析，应尽可能从多个维度进行对标落实，以确保该主题有可探究的价值。结合《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》及教材，找到必备知识与社会实际问题的相关性，以及能够满足综合实践活动的特征，如跨学科特征、实践操作性特征以及与学生兴趣点的吻合等特征。
2.1.2 对活动主题的可行性进行结构化评估
利用结构化思维为活动主题的可行性提供一个评估框架，如图3所示，分别从优势、劣势、有利及不利因素对“菠菜能否补铁”活动主题进行多角度评估，在每一个角度的评估过程中开展头脑风暴，保证全面、系统的分析，重点关注其劣势与不利因素，考虑教师能否通过搭建支架进行规避，使决策过程更加透明化、系统化，同时有利于提升活动成功的概率。
通过综合评估，其优势和有利因素均超出劣势和不利因素，且存在的困难和挑战均可通过搭建支架解决，可确认本活动可行。以“菠菜能否补铁”综合实践活动为例，教师可以搭建的理论知识支架有：提供关于铁的生物可利用性、菠菜中铁的形态以及人体对铁的吸收和代谢的基础知识；学习资源支架有：提供科学文献以及相关研究报告，帮助学生更深入地理解菠菜补铁的科学原理。外部资源有：如市场资源，可采购市场上不同类型和来源的菠菜样本，以用于实验和分析；如行业专家或学者，组织讲座或研讨会，邀请营养学、化学或相关领域的专家为学生解答疑问和分享经验。
2.2 结构化思维在导引课框架设计中促进学习观的形成
学习观是我们对学习本质、目的、过程、策略的理解与看法。这是个人关于如何学习、为什么学习的一系列信念和理念的总和，这些信念和理念影响了我们的学习态度、方式以及效果。
在综合实践活动过程中，导引课作为一个重要的环节起着关键作用。它是学习的第一步，能够激发学生的兴趣，帮助学生构建整体的学习框架，引导学生如何展开探究式学习。以菠菜补铁综合实践活动为例，利用结构化思维进行导引课的框架设计如图4所示。
以结构化思维驱动的导引课框架设计，有助于学生逐步形成建设性、多维度和自我驱动的学习观，有效促进学生发散思维与辩证思维的形成，最终使学生能够更好地适应不断改变的社会环境，应对未来生活中的各种挑战。
2.3 结构化思维在活动探究中促进学习观的形成
建构主义认为学习过程是学生自己主动构建知识的过程。以“菠菜能否补铁”综合实践活动为例，如图5所示，应用结构化思维引导学生像科学家一样去思考，主动建构知识，形成活动探究过程中“观察-假设-预测-查文献-设计方案-类比优化方案-实验实施-收集证据-认知冲突-探查原因-再次优化方案-实验验证-得出结论”的任务驱动性及思维程序性的分析路径，并且在得出结论“菠菜中含有铁元素，但其含量较低，不能满足人体对铁元素的需求”之后，能够引发学生主动思考新的问题：“如何科学补铁？”将问题链引向更广泛知识领域的探索，比如铁在人体中的代谢以及如何调理饮食等。
活动探究过程中，学生能够主动获取知识，从假设菠菜中含有铁元素开始，从元素视角认识到铁及其化合物的多样性，从类别视角认识到含铁微粒的物理通性，结合菠菜可食用性得出可能含有Fe2+、Fe3+，而通过查阅文献又发现菠菜中含有非血红素铁且含有叶绿素、维生素C等多种复杂成分，为菠菜的预处理带来了挑战。学生以除杂与酸化法实现含铁离子在溶液中的富集为目的，从类别视角及化合价等角度设计并分析预处理方案，其中针对灼烧法对环境存在较大污染且耗能多、耗时长等缺陷进行实验改进，改用浓硝酸氧化法实现除杂与Fe3+的富集，再从“价-类”二维角度、结合特性检验法进行Fe2+、Fe3+的定性检测和定量检测，最终建构起“物质性质与转化”的学科大概念。
学生通过对真实问题结构化的思考和理解，逐步建立自己的学习观。通过厘清真实情境中互相关联的核心知识，构建起铁及其化合物的系统化知识。基于结构化思维的探究活动，让学生形成了积极的学习观，更主动寻求知识，解决问题，辨识和批判性思维能力得到提升，体会到学习的本质是一个探索未知、解决问题的过程。因此，结构化思维有助于学生理解学习的长期价值和自己在学习过程中的主体地位，有利于发展学生的学习观。
2.4 结构化思维在展示课中发展学生的评价观
活动评价应突出发展导向，既要重结果也要重过程，科学而全面地进行反馈与激励。而传统的综合实践活动展示课往往存在评估不全面、学生参与度低、内容缺乏深度等问题。
应用结构化思维可以融合过程性、表现性、总结性评价，形成活动评价的整体性和结构性的框架结构。明确展示课的参与主体、参与时间节点、展示流程、展示内容、主题论证，最终形成“可迁移、可应用的思维模型”。在“学生展示→组间点评→组间质疑→教师追问→教师点评”的互动评价模式中，保证了展示内容的全面性、思维逻辑的清晰性，促进学生互相沟通、自我表达能力的提升。
这种评价模式让学生感受到评价是学习过程的一部分，旨在促进个人的成长和发展，而不仅仅是对学习成果的评价，提高学生对评价的认识。如图6所示，以“菠菜能否补铁”综合实践活动展示课为例，要求重点阐述实验方案、实施过程以及对实验探究过程中遇到问题时的解决方法与策略，注重核心知识与问题解决的关联性以及思维模型的建构，在反思与自评中深化对知识的理解，在质疑与追问中实现深度思维，在迁移中提升应用能力，从而发展学生化学学科核心素养。
3 结构化思维对高中化学综合实践活动成效的增强
应用结构化思维在高中化学综合实践活动中对学生的学习产生了显著影响。
实践活动策划的思维路径变得清晰，强化了解决问题的能力。结构化思维的应用使学生在面对真实、复杂问题时，能够有条不紊地进行问题的界定及拆解，形成清晰且操作性强的思维路径，提高执行力。结构化思维训练学生着眼于问题的本质，锁定关键点，形成切实可行的解决策略。
有利于学生整体观念及结构化思维的形成。结构化思维帮助学生提高了对化学知识的整体认知和本质识别，将微观组成、物质性质和宏观现象融为一体，从而在多尺度层面上深入理解化学知识，如图7（a）展示的是导引课上学生的方案设计图，形成问题识别-过程分解-物质微观转化（化合价角度、类别角度）的结构化分析框架。经过批判性思考以及评价实验操作或实际转化的可行性，鼓励学生思考如何进一步改进实验设计，得到了修正后的设计图即图7（b）。在探究课上，通过实践操作，反思方案设计，进一步实现了兼顾理想转化（价-类二维）、实践转化（实验分离与提纯）、工程转化（绿色环保、原子经济性、成本等）多视角评价的结构化思维模型图，如图7（c）。
模型建构意识与能力增强。综合实践活动的各个环节中，结构化思维都起到了建立严谨的逻辑关系的框架作用，潜移默化地培养了学生的建模意识，同时也让学生感受到模型建构的价值与意义——通过综合实践活动，形成了可迁移、可应用的思维模型，可解决某一种类型的问题。例如，进行“菠菜能否补铁”的综合实践活动中经历了实验探究课后，学生可以根据自己的理解，结合批判性思维构建出检验植物中某种元素的方法模型，如图7（d）。
4 教学建议
4.1 教学设计应以结构化问题为导向
本研究的主题为“菠菜能否补铁”，教师应引导学生确立明晰的问题设定，将此问题拆解为一系列的子问题，如“菠菜中是否含有铁”“菠菜中含有多少铁”“菠菜中的铁能否被人体吸收”“菠菜中的铁是否满足人体的需求”等组合式（或结构化）问题。这种清晰的问题拆解，有助于学生进行针对性的研究和探索。
4.2 促进学生自主学习和结构化思维的灵活应用
鼓励学生在综合实践活动过程中，自主收集资料、设计实验方案，并在教师的引导下进行深入学习和探究。如在“菠菜能否补铁”的活动中，学生可以自行查找菠菜含铁元素的化学知识，加强化学原理的理解和应用，甚至进一步改进和优化实验方案，实现自主学习，鼓励学生养成画思维导图的习惯，能够不断反思、优化，建构不同类型的真实问题的思维模型，促进结构化思维的灵活运用。
4.3 结构化的反馈和评价
不仅要注重结果，更要注重过程。分析和考察学生在综合实践活动过程中的投入程度、解决问题的方法和团队合作的能力。以“菠菜能否补铁”为例，应注意收集学生在整个活动实施过程中发展的结构化思考能力、问题解决能力，以及团队协作能力等的反馈，用于评价学生的整体表现。
4.4 加强教师的教学能力和专业素质
教师要具备综合实践活动的指导能力，能够引导学生进行结构化思维，组织和开展综合实践活动。因此，教师也需要持续的专业发展和学习，以便跟上教育发展的最新动向，提供最有效的指导。
综上所述，结构化思维对综合实践活动在高中化学教学的策划和实施具有重要的意义。它不仅对教师形成综合实践活动的策划与实施模型、评估与改进模型等具有很强的指导意义，而且对学生认知观、方法观、学习观和评价观的形成同样具有很强的指导作用。我们相信，通过更深入地理解和应用结构化思维以及综合实践活动的学习方法，可以在高中化学教学中取得更好的教学效果，它将具有重要的应用价值和发展前景。
参考文献：
［1］中华人民共和国教育部制定.中小学综合实践活动课程指导纲要（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：3～4.
［2］中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：59～60.
［3］李丽.项目式教学在高中化学教学中的应用研究［D］.烟台：鲁东大学硕士学位论文，2021.
［4］肖敏，吴晓红.基于美国K-12阶段STEM理念的教学设计——以“‘设计’一座硫酸厂”为例［J］.化学教学，2016，（2）：44～48.
［5］李倩.基于学科核心素养的高中化学项目式学习模式设计与应用研究［D］.大连：辽宁师范大学硕士学位论文，2020.
［6］赵书超.综合实践活动课程：理念与价值［J］.全球教育展望，2011，40（9）：19～24.