培养学生的高阶思维，TCIM模式助力课堂变革
《北京四中化学创造性探究教学设计：指向学生高阶思维培养》一书以科学探究教学模式、创造性问题解决模式及斯滕伯格的思维三元论为理论基础，以创造性探究教学模式（creative inquiry teaching model，CIM）为参照，构建出指向学生高阶思维培养的创造性探究教学模式（creative inquiry model of pointing to the cultivation of higher-order thinking skills ，TCIM）。该模式将思维要素引入并外显，将核心知识和技能的建构、探究能力和问题解决能力的形成及思维能力的培养统一于科学探究过程中。在实践中，该模式既强调科学探究的过程，又关注问题解决的结果，更强调过程和结果的统一；不仅是行动流程，更是一种思维过程。TCIM模式以对科学知识、概念原理的认识、理解和应用为内容，以科学探究为主要活动形式，以学生高阶思维和创造力的培养为目标，以期实现科学知识、原理和科学思维的协同学习和培养。
TCIM模式如何建构？
TCIM模式将思维要素引入创造性探究教学模式中，将其外显为该模式的一个重要构成要素，并将其作为每一个探究环节的培养目标之一进行强调，这是TCIM模式与CIM模式最大的不同。
（一）
TCIM模式有哪些构成要素
结合对已有教学实践的分析，借鉴国内外的先进教学模式，建构TCIM教学模式，如图1-1所示。
该模式包括以下三个构成要素。
01
提出问题
①教师创设教学情境，激发学生的兴趣，引导学生关注并参与到教学过程中。
②结合教学情境中的信息，教师组织学生进行分析归纳，明确探究问题，强调尽可能由学生提出问题。
③该环节以培养学生的分析性思维为主，创造性思维为辅，强调思维发散后的聚合，形成有价值的、可深入探讨的探究问题。
④教师作为该环节的组织者，不仅要创设有价值的教学情境，更要充分关注学生的认知基础，引导学生提出、选择和评价可研究的问题。
02
分析解决
①学生提出假设，组内设计、交流方案，组间进行评价，之后组内修正方案。
②学生实施方案，组内分析数据，充分论证，获得初步结论。
③组间交流表达、批判、说服、辩论和评价，对结论进行初步整合。
④该环节以培养学生的创造性思维和分析性思维为主，鼓励学生运用批判性思维。
⑤教师作为该环节的协调者，不仅要引导学生质疑批判、假设创造，形成有价值的方案和解释，达到解决问题的目的，更要设计认知冲突，引导学生进行概念转变，建构知识，形成新的理解；不仅要强调“做科学”，即科学方法的学习和科学探究过程的体验，更要强调“学科学”，即通过科学探究建构科学知识和科学思维模式。
03
实践应用
①学生面对新的问题情境，根据获得的知识和结论解决新情境中的问题。
②在解决新问题的过程中，学生对结论进行批判、反思、评价和修正，提出新问题。
③师生共同对获得的结论再次进行评价、整合，对结论的使用条件进行总结和修正，建构新旧知识之间的联系，思考假设、证据和结论之间的关系。
④该环节以培养学生的实践性思维为主，同时发展分析性思维和创造性思维，是上一轮探究的结束，也是新一轮探究的开始。
⑤教师作为该环节的促进者，不仅要精心选择合适的新问题情境，以应用和检验已有的探究结果，更要设计认知冲突，引导学生发展思维层次，让学生在应用中体会科学探究的螺旋式上升过程和循环过程。
（二）
TCIM模式的特征是什么
TCIM模式下的教学过程是以科学探究为基本程序，以问题解决为思维模型，以做科学、学科学和学生的思维培养为目的，以建构主义的学习观和教学观为主要理论依据，以小组合作学习为基本组织形式的循环性教学和学习过程。TCIM模式有如下基本特征。
01
TCIM模式对科学探究基本程序的内容进行了充实，在形式上进行了简化。
该模式以问题为核心，强调学生对核心概念和原理的主动建构，强调知识和原理的应用实践，重视生生和师生间的交流与合作。该模式在形式上由三个探究环节组成，提出问题是该模式的发起阶段，分析解决是核心知识或原理的建构阶段，实践应用是该模式的整合精致和再探究阶段。
下面以“由铜制备硫酸铜的实验方案”教学设计为例进行分析。（注：TCIM模式的每个特征书中都配备了详细案例进行讲解，本文只展示了第一个特征所附案例。）
教学实录（片段）
探究任务1：对课前设计的四种实验方案进行评价，并总结评价标准
【教师活动】教师组织学生分小组讨论所发资料的前四种设计方案，并让部分组的代表在班内交流汇报。
【问题串】：（1）你认为这四种方案所涉及的化学原理是否正确？（2）从所用药品和所需进行的操作来考虑，这四种方案在中学现有实验条件下能否实现？（3）这四种方案哪种更好？为什么？
【学生活动】分组交流讨论。
【教师总结】化学实验方案的评价原则：科学、可行、安全、简约、经济。
培养思维类型：分析性思维、实践性思维。
探究任务2：应用总结出的评价标准，引导学生对设计的方案二、五和六进行评价和改进
【问题1】讨论后，大家都认为四种方案中方案二更好，下面看一下方案二的实验录像：铜粉在空气中加热很快变黑，加稀硫酸溶解后得到蓝色溶液，但烧杯底部仍有红色物质。你发现了什么问题？如何解决呢？
【学生1】铜粉内部难以被氧化；过滤，将未被氧化的铜粉再次加热氧化，重复实验。
【问题2】同学们回答得非常好，但重复实验操作烦琐。请大家想一想：我们能否设计方案让氧化和溶解连续进行呢？有人想到了吗？
【教师总结1】这样我们通过改进得到了一个方案，定为方案七：
实验经过改进后更简约、更安全，铜可以逐渐被氧化，直至完全。
【演示实验1】将碳棒与导线相连，放入盛有稀硫酸的Ｕ形管。一个为2小时前组装的（无明显现象），另一个为24小时前组装的（只能观察到溶液变为浅蓝色）。
【问题3】请大家认真观察，你能发现什么问题？
【学生2】该反应太慢。
【问题4】能否在此原理基础之上，让反应更快呢？
【学生活动】分组讨论，提出改进方案：将碳粉（或银粉）和铜粉同时投入稀硫酸中，形成无数微小原电池，加快铜的氧化。
【演示实验2】播放实验录像：将一定量铜粉和少量银屑放入表面皿，加入适量稀硫酸（刚好没过铜粉），放置一段时间，充分接触空气；24小时后，不但溶液变蓝，而且在银屑周围析出了硫酸铜晶体。展示前一天实验的结果：准备了两份样品，一份为用碳粉、铜粉、稀硫酸所做的实验结果，另一份为用银屑、铜粉、稀硫酸所做的实验结果。
【教师总结2】这样我们又改进得到了一个方案，定为方案八：将一定量铜粉和银屑（或碳粉）放入培养皿，混合，加入适量稀硫酸，放置，充分接触空气。
培养思维类型：分析性思维、创造性思维和实践性思维。
探究任务3：组织学生分小组讨论八个方案在设计原理上的共同点并汇报，反思改进后提出新的方案。
【问题1】八个方案在设计原理上有哪些共同点？请分小组讨论汇报。
【学生活动1】讨论、交流、汇报，得出设计原理上的共同点——利用各种方法来氧化铜。
【问题2】大家能否再想到其他的方法，常温下将铜氧化而又不引入新杂质呢？
【学生活动2】讨论、汇报：用双氧水、臭氧。
【演示实验】向试管中加入少量铜粉，然后加入稀硫酸，振荡，无现象；再滴加双氧水，振荡，溶液很快变蓝。得出方案九：
【教师总结】化学制备实验方案的设计研究过程：明确研究课题→（结合所学，查阅资料）→制订基本制备方案→（评价、改进、补充）→设计多种科学可行方案→（结合实际要求，综合考虑）→确定最适宜方案→给出具体的实验报告→实施实验。
培养思维类型：分析性思维、实践性思维。
案例点评
本案例属于人教版《实验化学》模块的探究内容，也可以设计成高三化学复习课中物质制备、实验设计的内容，核心探究问题属于实验开发探究，旨在培养学生的“科学探究与创新意识、证据推理与模型认知”化学学科核心素养。在探究过程中，教师布置任务，并引导学生经历了化学实验探究过程中的“设计方案→实验验证→评价→改进方案→再实验”循环研究过程。从探究水平来说，属于定性探究、实验探究和局部探究。从探究物质条件来说，要完成这个探究任务需要具备一定的实验条件。本节课的探究素材来源于生产生活实际，探究教学的目的是应用知识和方法。从探究教学环境要素来说，本节课的核心探究主要是课内与课外相结合的实验探究。
在“由铜制备硫酸铜的实验方案”一课中，教师从探究主题的角度拆解出三个核心探究点：（1）对课前设计的四种实验方案进行评价，并总结评价标准；（2）应用总结出的评价标准，引导学生对设计的方案二、五和六进行评价和改进；（3）组织学生分小组讨论八个方案在设计原理上的共同点并汇报，反思改进后提出新的方案。
探究任务1属于课内与课外结合的探究，教师在课前布置任务，由学生设计由铜制备硫酸铜的方案，并获得多种方案。教师安排学生展示介绍了四种方案，并提出三个问题。教师在组织学生分析、讨论后，概括化学实验方案的评价原则——科学、可行、安全、简约、经济。该环节培养了学生的比较、分析和综合高阶思维。
在探究任务2中，教师引导学生结合实验情况进一步评价方案二，发现方案二中有Cu的溶解和氧化不完全的现象，对方案二进行改进获得了方案七：将Cu的溶解和氧化设计成一个连续的过程。教师引导学生对方案五进行评价分析，学生发现该方案存在反应速率慢的缺陷，并设计出改进方案八：利用原电池原理加快反应速率。该环节培养了学生“联想—批判质疑—设计改进”的高阶思维以及创新能力。
在探究任务3中，教师引导学生讨论八种方案在设计原理上的共同点——都是利用各种方法来氧化铜。同时，教师提出新问题，引发学生思考如何不引入新杂质。学生交流讨论后，提出酸性条件下用双氧水氧化铜的方案。该环节培养了学生设计改进的高阶思维和创新意识。
在教学策略上，教师充分利用多种实验形式以提高教学实效性。一方面充分利用实验创设开放的问题情境，引导学生思考，合理利用自己录制的实验录像提高课堂教学的开放性和实效性；另一方面让学生在解决实际问题中对所学知识进行复习，使高三复习不再是简单的知识重复，而是让学生在感兴趣的学习情境中得到思维和能力的提升。
02
TCIM模式既强调科学探究的过程，又关注问题解决的结果，更强调过程和结果的统一。
科学探究的起点是学生的已有知识，过程是以已有知识为基础，提出假设、猜想，在具体知识和方法的支撑下完成探究活动，终点是获得新的知识和方法。科学探究的过程有利于学生自主建构科学概念，掌握科学方法，培养科学态度和科学精神，发展实践能力和创新能力。但是如果只重视过程，强调“做科学”，而不重视结果的阐明、论证、表达和精致，则不利于学生对核心知识和原理的理解，更不利于在知识和方法上为学生今后的探究打下基础。
03
TCIM模式不仅是模型行为的行动流程，更是一种思维的过程.
科学教育的重要目标是发展学生的科学思维。已有的研究和实践证明，科学探究和问题解决模式有利于学生高阶思维的发展和创造力的培养。该教学模式突出学生的思维能力并将学生的思维进行外显，试图将学生的问题解决能力与思维能力的培养整合于探究过程中。
（三）
TCIM模式与CPS、CIM模式的关系是什么
创造性问题解决模式（creative problem solving，CPS，图1-2）是经过大量的研究演变而得出的一种比较完善的思维模式，是创造性探究教学模式（CIM）所应用的思维程序。CPS模式最大的特点就是其循环性，了解问题、激发想法和行动计划三者循环、交互影响，贯穿始终的任务评价环节对问题解决的整体过程起到监督作用。
当这一思维模式被引用到探究教学中，即发展出了创造性探究教学模式（CIM，图1-3）。
基于CPS模式的CIM模式，能够实现学生探究过程的循环化，使得探究的过程更加贴近真实的科学研究，同时帮助学生建构探索未知事物的思维模式，着力培养学生的科学素养。CIM模式本质上是探究式教学的传承和发展。它将“提出问题”部分细化成观察和提出问题两个层次，并将这一部分与收集证据合并为探索的成分。将“形成解释”部分细化成根据数据直接得到“结果”和根据分析得到“结论”两个层次。“评价结果”和“交流发表”两个部分，CIM理论将其重新表述：首先学生应该能够将自己的想法以适当的方式进行“表达”，其次在遇到质疑和反驳的时候能够运用相应的策略为自己的观点做出“辩护”，这一过程称为“交流”；而对“评价”的过程进行了深入的发展，使其成为一个独立的模块贯穿研究始终，对整个研究过程起监督作用，以便学生及时修正和改进探究式学习的方向。由此观之，CIM模式既是教学模式，又是学生探究式学习的良好参照。
TCIM模式是CIM模式的发展和改进。该模式依然继承了CPS模式的循环性特征，同时有贯穿始终的任务评价环节。不同之处是CIM模式更多地继承了CPS模式的要素成分，TCIM模式更多地精简了科学探究教学的要素成分。更重要的是，TCIM模式将“思维”这一要素引入创造性探究教学模式中，作为每一个探究环节的培养目标之一，更有利于教师在教学实践中对学生高阶思维的培养。
文章节选自《北京四中化学创造性探究教学设计：指向学生高阶思维培养》一书，教育科学出版社2020年5月出版。微信编辑时内容有删减。
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