“素養(yǎng)為本”的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

趙瀏 高修庫 賈同改

摘要：學(xué)科知識(shí)只有轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂X主動(dòng)的認(rèn)識(shí)角度和認(rèn)識(shí)思路才能轉(zhuǎn)化為學(xué)科能力和學(xué)科素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)探究是化學(xué)學(xué)科最基本的認(rèn)識(shí)活動(dòng)之一，只有在探究過程中掌握分析和解決問題的角度、思路和方法，才能實(shí)現(xiàn)能力進(jìn)階。文章以“鈉”為例，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)外顯問題解決過程中的思維和推理機(jī)制，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)之實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：鈉;實(shí)驗(yàn)探究;模型認(rèn)知;素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2019）02-0068-04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

學(xué)科素養(yǎng)是學(xué)生面對(duì)陌生不確定的問題情境所表現(xiàn)出的關(guān)鍵能力和必備品格，只有當(dāng)知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂X主動(dòng)的認(rèn)識(shí)角度和認(rèn)識(shí)思路時(shí)才能轉(zhuǎn)化為學(xué)科能力和學(xué)科素養(yǎng)。[1]化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)探究是化學(xué)學(xué)科最基本的認(rèn)識(shí)活動(dòng)，需要獨(dú)特的分析和解決問題的角度、思路和方法。對(duì)于高中一年級(jí)的學(xué)生來說，在最初的實(shí)驗(yàn)探究過程中，形成比較特定的學(xué)科認(rèn)識(shí)思路和推理模式是學(xué)好化學(xué)的關(guān)鍵。但探究活動(dòng)往往具有發(fā)散性，而以往的教學(xué)重結(jié)論而輕過程，重知識(shí)而輕方法，脫離社會(huì)和生活實(shí)際，導(dǎo)致學(xué)生掌握知識(shí)呈現(xiàn)碎片化、認(rèn)識(shí)角度零散，認(rèn)識(shí)能力得不到有效發(fā)展。實(shí)驗(yàn)探究在無機(jī)物主題中占有舉足輕重的地位，在教學(xué)中以實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，通過實(shí)驗(yàn)探究外顯問題解決過程中的思維方法，培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力，成為發(fā)展學(xué)生素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。王磊教授在東城區(qū)教研培訓(xùn)中以“無機(jī)物主題為例”解讀“促進(jìn)學(xué)生學(xué)科能力核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)”。其研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生在無機(jī)物主題的各認(rèn)識(shí)角度的表現(xiàn)并不均衡：運(yùn)用具體知識(shí)解決問題的能力較好，而基于類別通性研究物質(zhì)性質(zhì)的能力相對(duì)較低，基于氧化還原反應(yīng)和周期律研究物質(zhì)性質(zhì)的能力進(jìn)一步下降，而在主動(dòng)基于多角度研究物質(zhì)性質(zhì)的題目中，學(xué)生得分率最低（如圖1所示）。上述現(xiàn)象引發(fā)筆者思考，面對(duì)無機(jī)物主題的教學(xué)，有必要以實(shí)驗(yàn)為依托針對(duì)不同認(rèn)識(shí)角度，讓學(xué)生經(jīng)歷外顯地形成特定認(rèn)識(shí)的學(xué)習(xí)。

一、“鈉”知識(shí)分析

“鈉”是化學(xué)必修1（人教版）第三章《金屬及其化合物》的第一節(jié)，是學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)的起始章節(jié)。安排在物質(zhì)的分類、離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)之后，不僅可以鞏固從“物質(zhì)類別”角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的觀點(diǎn)，亦可凸顯離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)等核心概念的指導(dǎo)作用。本節(jié)中，學(xué)生初次接觸高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)鈉這一典型物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究可以實(shí)現(xiàn)基于元素認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的核心觀念和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，幫助學(xué)生構(gòu)建認(rèn)知角度和思維模型，進(jìn)而掌握學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)的一般方法。

鈉的化學(xué)性質(zhì)通過其與氧氣在不同條件下的反應(yīng)、與水及與硫酸銅溶液的反應(yīng)三方面體現(xiàn)。其中，鈉與水反應(yīng)的本質(zhì)一直是教學(xué)上爭(zhēng)論的熱點(diǎn)[2]，王永森[3]在《探究鈉與酸反應(yīng)時(shí)是與水反應(yīng)還是與H'反應(yīng)》中認(rèn)為鈉是與水電離出的H⁺反應(yīng)，與傳統(tǒng)教學(xué)觀點(diǎn)一致。直到2016年，Mason等在《Nature》的子刊上發(fā)表科研論文，運(yùn)用科技手段揭示鈉與水反應(yīng)的本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)鈉在水溶液體系中會(huì)率先與水分子發(fā)生反應(yīng)，而非H⁺，顛覆了人們以往的認(rèn)識(shí)。因鈉位于金屬活動(dòng)性順序表的前端，極易失去電子，而水溶液體系中溶質(zhì)被大量水分子包圍。因此不難理解，當(dāng)金屬鈉進(jìn)入水溶液體系后會(huì)首先接觸水分子，由于水分子也具備接受電子的能力，即可與金屬鈉發(fā)生反應(yīng)。

二、學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)與困難

學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)：知識(shí)層面，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了金屬活動(dòng)性順序表，知道氫前金屬可以與酸反應(yīng)放出氫氣;高中階段剛剛學(xué)習(xí)了物質(zhì)的分類、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等知識(shí)，具備基于上述概念分析解釋問題的理論基礎(chǔ)。能力層面，現(xiàn)階段學(xué)生具有一定的邏輯思維能力，能夠基于事實(shí)性知識(shí)進(jìn)行分析推理;具有簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

學(xué)生學(xué)習(xí)的困難：氧化還原性、得失電子難易程度以及金屬活動(dòng)性等概念尚不能熟練應(yīng)用;缺乏對(duì)核心知識(shí)的認(rèn)識(shí)方法、認(rèn)識(shí)角度和推理路徑，對(duì)陌生物質(zhì)的性質(zhì)預(yù)測(cè)無從下手;缺乏控制變量思想，不能有效進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);很難基于多種角度分析解釋問題。

三、以“素養(yǎng)為本”的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

（1）教學(xué)目標(biāo)

①通過探究鈉的主要化學(xué)性質(zhì)，初步形成基于物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)和溶液中的微粒對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)的認(rèn)識(shí)模型。

②通過探究金屬鈉與水反應(yīng)本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)展學(xué)生控制變量的思維意識(shí)，并建立基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)探尋反應(yīng)微觀本質(zhì)的認(rèn)識(shí)思路。

③通過揭示鈉與水反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)，使學(xué)生體會(huì)“量變-質(zhì)變”規(guī)律，認(rèn)識(shí)到科學(xué)觀點(diǎn)是不斷發(fā)展變化的，培養(yǎng)學(xué)生崇尚真理、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神。

（2）評(píng)價(jià)目標(biāo)

①通過課前對(duì)金屬鈉性質(zhì)的預(yù)測(cè)活動(dòng)，診斷學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的已有水平（基于經(jīng)驗(yàn)水平、基于物質(zhì)類別水平）。

②通過對(duì)金屬鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的交流與點(diǎn)評(píng)，發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)性質(zhì)的水平（基于經(jīng)驗(yàn)水平、基于概念原理水平、系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平）。

③通過對(duì)鈉與水反應(yīng)本質(zhì)的揭示及探究鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)，診斷并發(fā)展學(xué)生應(yīng)用認(rèn)識(shí)模型解決問題能力及其對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平（學(xué)科價(jià)值視角）。

2.教學(xué)與評(píng)價(jià)思路

本節(jié)課由物質(zhì)類別作為邏輯主線，分別探究鈉與氧氣、酸和鹽溶液這三類物質(zhì)的反應(yīng)。實(shí)施過程中，根據(jù)學(xué)生興趣讓學(xué)生自主選擇探究順序。（1）首先，探究了“呼聲最高”的鈉與酸的反應(yīng)。教師以“鈉與酸反應(yīng)同樣能放出氫氣，一定能說明是鈉把氫離子還原了嗎？”為問題主線，精心設(shè)計(jì)了3個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，分別從微粒的觀點(diǎn)、化合價(jià)的角度引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到了體系中的溶劑分子——水;將目標(biāo)鎖定在氫離子（H⁺）和水分子（H₂O）兩者之間后，教師再引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“控制變量”思想簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究鈉與酸反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)完成鈉與純水的反應(yīng)，得出鈉的相關(guān)性質(zhì)。任務(wù)難度的進(jìn)階，體現(xiàn)了學(xué)生能力的進(jìn)階。在隨后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，教師創(chuàng)新地引入學(xué)術(shù)界的最新發(fā)現(xiàn)，幫助學(xué)生理解鈉與酸反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)。將鈉能與水分子反應(yīng)的原因落腳在其強(qiáng)烈的失電子能力上，即強(qiáng)還原性，這與鈉在金屬活動(dòng)性順序表中的位置及自然界中不存在游離態(tài)的鈉等事實(shí)相符，與課前引入相互呼應(yīng)。（2）類比鈉與酸的反應(yīng)，讓學(xué)生自主探究鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)任務(wù)3獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和觀點(diǎn)分析解釋問題，做近變式的類比遷移。（3）最后，教師對(duì)教材中鈉與氧氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，讓學(xué)生直觀感受“物質(zhì)的變化是有條件的”，完整總結(jié)出鈉的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)。在總結(jié)提升環(huán)節(jié)，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究過程自行總結(jié)出認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的三大角度，為今后預(yù)測(cè)陌生物質(zhì)構(gòu)建思維框架。

3.教學(xué)流程

（1）提出猜想

【學(xué)習(xí)任務(wù)1】課前，回顧金屬的通性，預(yù)測(cè)金屬鈉的性質(zhì)。

【評(píng)價(jià)任務(wù)1】診斷學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的已有水平（基于經(jīng)驗(yàn)水平、基于物質(zhì)類別水平）。

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

【學(xué)習(xí)任務(wù)2】討論、設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，探究鈉與酸的反應(yīng)。

【評(píng)價(jià)任務(wù)2】發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)性質(zhì)的水平（基于經(jīng)驗(yàn)水平、基于概念原理水平、系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平）。

（3）提煉概括

【學(xué)習(xí)任務(wù)3】借助鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)概括、反思和提煉認(rèn)識(shí)思路。

【評(píng)價(jià)任務(wù)3】發(fā)展學(xué)生應(yīng)用認(rèn)識(shí)模型解決問題能力及其對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平（學(xué)科價(jià)值視角）。

四、教學(xué)效果分析與教學(xué)反思

1.教學(xué)效果評(píng)價(jià)分析

（1）思路方法外顯、促進(jìn)自主遷移

本案例包括教師主導(dǎo)的“鈉與酸反應(yīng)”的完整實(shí)驗(yàn)探究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了學(xué)生自主的“鈉與鹽溶液反應(yīng)”的探究。每個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)涉及2-3個(gè)學(xué)生活動(dòng)，其中每個(gè)活動(dòng)的設(shè)計(jì)均指向?qū)W生的能力進(jìn)階?！緦W(xué)習(xí)任務(wù)2】設(shè)計(jì)了2個(gè)學(xué)生活動(dòng)，其中活動(dòng)1，學(xué)生基于對(duì)離子反應(yīng)的認(rèn)識(shí)能夠找出鹽酸溶液中大量存在的微粒;注重借助氧化還原觀點(diǎn)構(gòu)建認(rèn)識(shí)物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系一般思路的顯性化，使學(xué)生從基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的水平發(fā)展到基于元素價(jià)態(tài)預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)的水平。活動(dòng)2，突出“實(shí)驗(yàn)探究”，使學(xué)生從基于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的水平發(fā)展到依據(jù)控制變量思想設(shè)計(jì)方案的水平。學(xué)生在完成任務(wù)、經(jīng)歷活動(dòng)的過程中概括物質(zhì)性質(zhì)、理清認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律的視角和路徑、學(xué)會(huì)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的控制變量思想、體會(huì)“量變一質(zhì)變”規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（2）體現(xiàn)“立德樹人”教學(xué)理念

培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，立學(xué)術(shù)規(guī)范之德。在傳統(tǒng)的教學(xué)觀念中，鈉與水的反應(yīng)本質(zhì)是與水電離出的氫離子反應(yīng)，然而某些實(shí)驗(yàn)事實(shí)卻與這一觀點(diǎn)大相徑庭，2016年國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature-Chemistry》刊載了一篇文章，運(yùn)用高科技手段揭示了鈉與水反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知。本節(jié)課基于最新的科研成果，通過實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生了解科學(xué)觀點(diǎn)是不斷發(fā)展變化的，培養(yǎng)學(xué)生尊重科研事實(shí)、敢于批判的精神。

授人以魚不如授人以漁，教知識(shí)同時(shí)重方法，樹有思維意識(shí)之人。在高一階段有三大認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的角度：物質(zhì)類別、氧化還原、離子反應(yīng)。本節(jié)課的教學(xué)不斷滲透這三種觀點(diǎn)，并在總結(jié)階段將方法提升為思維模型。最后通過課后作業(yè)體現(xiàn)模型的實(shí)用性，學(xué)以致用。

（3）以學(xué)生為本、重視學(xué)生的實(shí)際獲得

本節(jié)課的教學(xué)通過讓學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)順序激發(fā)其參與熱情;通過對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使學(xué)生直觀地感受“不同條件下鈉與氧氣的反應(yīng)”;讓學(xué)生類比鈉與酸的反應(yīng)對(duì)鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)進(jìn)行自主探究，充分尊重了學(xué)生的主體性;學(xué)生在交流后獲得結(jié)論，對(duì)所學(xué)知識(shí)與方法印象深刻。

2.教學(xué)反思

知識(shí)層面，學(xué)生通過“觀察實(shí)驗(yàn)一記錄現(xiàn)象一分組討論一得出結(jié)論一呈現(xiàn)結(jié)論”等過程，掌握金屬鈉的性質(zhì)，并在微觀層面理解鈉與水反應(yīng)的本質(zhì)。教師在板書的設(shè)計(jì)上將“結(jié)論”位置留給學(xué)生，所有重要結(jié)論與方程式均由學(xué)生自行得出。過程與結(jié)果的雙向落實(shí)使學(xué)生對(duì)獲得的知識(shí)印象深刻。

方法層面，在教學(xué)過程中滲透認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的三大角度，在探究鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)中讓學(xué)生體會(huì)掌握認(rèn)識(shí)思路的優(yōu)勢(shì);在作業(yè)的設(shè)計(jì)中“趁熱打鐵”，將剛剛學(xué)到的“視角與思路”應(yīng)用到對(duì)金屬鉀性質(zhì)的預(yù)測(cè)上，通過作業(yè)將思維方法進(jìn)行鞏固落實(shí)，真正做到學(xué)以致用。

能力層面，在本節(jié)課的課前準(zhǔn)備中要求學(xué)生根據(jù)金屬的通性對(duì)鈉的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，學(xué)生有獨(dú)立思考的過程;在探究鈉與酸反應(yīng)的過程中需要進(jìn)行小組討論，學(xué)生有機(jī)會(huì)與同伴進(jìn)行分享與交流;在組織匯報(bào)的過程中需要小組派出代表，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)歸納能力和語言表達(dá)能力;在學(xué)生實(shí)驗(yàn)部分需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，培養(yǎng)了學(xué)生的合作意識(shí)。

本節(jié)設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，充分運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)探究式的教學(xué)方法。教師精心設(shè)計(jì)和錄制演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)鈉與氧氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)。在探究鈉與酸反應(yīng)過程中教育教學(xué)理念新穎，首次將國(guó)際上對(duì)鈉與酸反應(yīng)實(shí)質(zhì)的最新認(rèn)識(shí)在課堂上傳遞給學(xué)生，培養(yǎng)了學(xué)生崇尚真理，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神。在推進(jìn)教學(xué)進(jìn)程時(shí)以“學(xué)生訴求為序”、以“物質(zhì)類別為綱”，借助多媒體超鏈接即時(shí)調(diào)整教學(xué)順序，學(xué)生在課堂上擁有了主動(dòng)權(quán)，其積極性被充分地調(diào)動(dòng)起來，充分體現(xiàn)了以人為本的教學(xué)理念。

新課程標(biāo)準(zhǔn)為我們構(gòu)建了一個(gè)廣闊的教學(xué)空間，在元素化合物知識(shí)的教學(xué)中，應(yīng)發(fā)揮實(shí)驗(yàn)探究的主體功能，基于物質(zhì)分類、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等核心概念理解和分析實(shí)驗(yàn)事實(shí);借助探究過程引導(dǎo)學(xué)生形成基于元素認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的角度、思維和方法，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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