基于化學學科理解的教學實踐

劉慶華 何彩霞 王嫵艷

摘要： 基于化學學科理解，凝煉了“鐵的冶煉”教學內容的學科本原性問題，抽提出認識視角，從教材編排、學科理解、價值增長點三個角度分析教學內容，建構了含雜計算的思維模型。從教學目標、教學設計思路、教學實施、教學體會等方面呈現(xiàn)了增進化學學科理解的教學實踐過程。

關鍵詞： 化學學科理解; 鐵的冶煉; 大概念; 含雜計算

文章編號： 10056629（2022）09004006

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》[1]（以下簡稱“新課標”）給出了教學建議：“深刻領會化學學科核心素養(yǎng)的內涵，合理選擇和組織化學教學內容，增進化學學科理解，提高課堂教學能力。”由此可見，教師化學學科理解的程度決定著化學教學內容的選擇和組織，制約著化學課堂教學的深度，影響著學生學習化學的深度，關系著化學學科核心素養(yǎng)是否在課堂中“落地”[2]。

化學學科理解是新課標提出的新名詞，是“教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識，它不只是對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解”。初中化學教師應學習新課標的教學建議，以期增進一線化學教師的化學學科理解，更好地發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

1 初中化學教師化學學科理解的現(xiàn)狀分析

通過多次下校聽課、教師訪談、學科教研發(fā)現(xiàn)，目前天津市濱海新區(qū)區(qū)域內初中化學課堂教學大都以知識點的記憶為中心，以習題訓練為問題解決，以分數(shù)高低為學業(yè)評價，中考考什么，教師就教什么，中考怎么考，教師就怎么教，教師的化學學科理解重點放在了題目本身及解題招法上，這嚴重影響了化學學科核心素養(yǎng)在課堂中“落地”。

從初中化學教師的學科理解來看，主要存在以下問題。

1.1 重視表層程序化知識的模仿和訓練，缺乏對知識本原性的理解

教師在人教版九年級化學“利用化學方程式的簡單計算”教學時，大多采用“設、方、關、比、算、答”的程序性講解，然后讓學生模仿、反復練習，這樣學生得到的只是簡單數(shù)學運算的技能，缺乏化學學科特質的思維方式和方法，沒有理解到化學方程式的計算是解決物質組成、結構、變化中“量”的問題，更沒抽提出化學計算的本質是物質微觀粒子在化學變化中的“質”和“量”的關系，它是化學問題的數(shù)學處理過程，其重點不是落在計算上，而是對概念、原理及對量的理解上[3]。

1.2 關注零散細碎知識的書寫和記憶，缺乏大概念統(tǒng)領下的結構化處理

教師在人教版九年級化學“金屬、酸、堿、鹽”的教學時，由于涉及的知識點和化學方程式較多，大多數(shù)教師采用的方法都是對具體事實的感知與記憶，缺乏對這些知識間的內在聯(lián)系及其所蘊含的學科思想與方法的理解，造成學生解決問題時思路不清。應該幫助學生加強從元素視角認識物質類別，基于物質類別認識物質的性質與反應規(guī)律以及各類物質間的轉化關系，從而形成有縱向層次性、橫向關聯(lián)性的知識架構[4]。

總之，教師若缺乏對具體知識所承載的學科大概念、思想方法的認識，缺乏基于大概念對相關知識內在聯(lián)系的認識，由此造成在教學中缺乏相應的明示。

2 初中化學教師化學學科理解的改進策略

增進化學學科理解的初中化學教學需要從學科大概念、學科思想方法、學科知識結構等維度來認識。

化學學科理解其本質就是化學教師的拓展學習，為提高教學水平需要教師在閱讀中理解、實踐中體驗、反思中總結，以完善自己的學科教學素養(yǎng)。

2.1 基于本原性，促進學科理解

“本原性”要求教師對化學學科知識、化學概念從表象回歸理性進行深度加工，在解決問題的過程中，更好地理解化學知識、概念產生的原始思想以及知識、概念中包含的化學本質。教師可以在研讀課標、不同版本教材、化學專著、期刊及其他研究文獻中汲取更多的養(yǎng)料，對化學學科知識、化學概念的本質進行深入思考，理解其功能價值，溯本求源，抽提其問題解決的本原性的學科大概念，促進學科理解[5]。從學科大概念來俯視具體知識內容，將具體知識內容與學科大概念建立關系，有利于認清具體內容背后更為本質的思想與方法，為教學指引方向[6]。

2.2 基于結構化，引發(fā)學科理解

“結構化”需要教師喚醒已有的經驗，順應舊知與情境新知的關聯(lián)，將零散碎片的知識點進行整合，形成核心知識、大概念、次級大概念等系統(tǒng)有機的整體，從而克服“只見樹木、不見森林”的問題。對初中化學教師來說，一是要跨高中學段，明確同一知識點在不同學段不同學期的縱向發(fā)展關系;二是在九年級階段，明確不同知識點之間的組織線索及其橫向邏輯關系;三是基于課標，思考課程內容如何為課標服務，從而統(tǒng)整橫縱聯(lián)系，形成邏輯關聯(lián)的整體學科知識架構，引發(fā)學科理解。

2.3 基于場景化，運行學科理解

場景泛指某種情景。認識視角與思路是學科理解水平的直接體現(xiàn)。它的抽提除了清楚橫縱向知識的關聯(lián)外，還需要有強大的建構、抽提和結構化思考的能力[7]。建構、抽提和結構化是形成學科理解的關鍵點和難點，我們可以借助教研團隊的力量，在相關教學問題的教研場景中激活自己的認知和情感，從而使教師的化學學科理解活動充滿活力。學科組或教研組可以通過頭腦風暴、學科沙龍、學習交流、榜樣示范以及專家講座等活動來認識、運行、提升學科理解。

3 基于化學學科理解的教學實踐舉例

教材內容結構化的過程要求教師對“化學學科知識的意義”有深入淺出的理解，這是化學學科理解的基礎。

以人教版九年級《化學》下冊第八單元課題3“金屬資源的利用和保護”第一課時“鐵的冶煉”為例，進行如下的思考、實踐和反思。

3.1 “鐵的冶煉”知識分析

3.1.1 基于教材編排角度分析“鐵的冶煉”

本單元課題及其各內容間的邏輯關系如圖1所示。從課題1到課題3的知識內容、認識角度和思路層層遞進，螺旋上升?！拌F的冶煉”一節(jié)除了簡要介紹地球上及我國的金屬資源分布情況、我國鐵的冶煉歷史外，主要是通過實驗，說明從鐵礦石中將鐵還原出來的化學反應原理，并結合煉鐵的實際情況，以例題的方式介紹化學方程式中有關雜質問題的計算。把化學原理、計算和生產實際緊密地結合在一起，使學習活動成為有機的整體，有利于學生主動參與學習[8]。

3.1.2 基于學科理解角度分析“鐵的冶煉”

第一，從物質的組成和結構決定物質性質的視角看，工業(yè)鐵礦石煉鐵制得的生鐵和實驗室氧化鐵還原制得的純鐵因為組成不同造成性質也不同，同時物質的組成和結構也決定了物質的獲取途徑。

第二，從化學性質決定物質存在形式的視角看，活潑金屬如鋁、鎂等以化合物的形式存在，極不活潑的金屬如金、銀等有單質的形式存在，說明物質的化學性質決定了物質的存在形式。

第三，從金屬存在形式決定冶煉原理的視角看，以化合物形式存在的金屬需要通過氧化還原反應才能得到金屬單質。

第四，從氧化還原反應的視角看，煉鐵的原理為Fe2O3+3CO高溫2Fe+3CO2，從氧的得失角度看該反應屬于氧化還原反應，需要上升到化合價的變化來認識，為高中化學進一步學習氧化還原反應做鋪墊。

第五，從高中化學的化學平衡視角看，煉鐵反應是一個可逆反應?？赡娣磻侵冈谕粭l件下，既能向正反應方向進行，同時又能向逆反應方向進行的反應。絕大部分的反應都存在可逆性，初中學習過的碳和二氧化碳反應、二氧化碳和水的反應、一氧化碳還原氧化鐵的反應都是可逆反應。教師和學生都應明確在進行含雜計算用料和產量時，應考慮化學反應的限度問題，為高中化學平衡觀知識在初中實際生產中的應用做好合理滲透。

第六，從含雜計算的“宏微符”三重表征的視角看，其本質是建立鐵和氧化鐵之間“質”和“量”的關聯(lián)，如何建立起如圖2[9]所示的含雜計算的思維模型是解題的關鍵。

3.1.3 基于價值增長點角度分析“鐵的冶煉”

教學應建立在學生已有認知發(fā)展水平的基礎之上，本節(jié)學生已有的知識經驗基礎以及教學內容、教學價值如圖3所示。通過學習，抽提出物質的化學性質決定其存在形式以及冶煉原理的本原性問題，逐步形成以冶煉原理為中心的結構化知識。

3.2 “鐵的冶煉”教學目標

（1） 了解金屬在自然界的存在方式、從鐵礦石中得到鐵的方法，初步形成物質的存在形式與其化學性質密切相關的化學認識視角。

（2） 能說出煉鐵的原理并寫出相關的化學方程式，了解實驗室方法和工業(yè)煉鐵的區(qū)別與聯(lián)系，認識化學原理對實際生產的指導作用。

（3） 能說出含雜問題計算的解題步驟，從定性和定量的角度理解含雜問題的本質是混合物中的純凈物質參加化學反應，建構含雜計算中物質間“質”和“量”轉化的思維模型。

（4） 了解我國現(xiàn)代金屬冶煉工業(yè)的蓬勃發(fā)展，感受國力增強和文化自信，贊賞化學對社會發(fā)展的重大貢獻。

3.3 “鐵的冶煉”教學流程

具體教學流程見圖4。

3.4 “鐵的冶煉”教學實施

3.4.1 情景導學

[師]播放金屬材料在衣、食、住、行中廣泛應用的視頻。

[問題1]金屬材料與我們的生活和生產密不可分，那么，我們使用的金屬材料是怎么來的？它們都可以從自然界中直接獲得嗎？

[生1]不能。

[生2]它們大多不能從自然界直接獲取，而是冶煉出來的，材料不同冶煉方法也不同。

3.4.2 自學梳理

[活動1]閱讀課本14～15頁“金屬資源概況”的有關內容，思考交流下列問題： （1）常見的金屬鐵、鋁、銅在自然界中是如何存在的，說明它們具有怎樣的化學性質？（2）金屬在自然界的存在形式與其化學性質有什么關系？

[生]鐵、鋁、銅都以化合物的形式存在，說明它們的化學性質比較活潑，而金、銀等以單質形式存在，是因為它們的化學性質不活潑，

所以金屬在自然界的存在形式由其化學性質決定。

3.4.3 實驗探究

[問題2]人類每年都要從自然界中獲取數(shù)以億計的金屬，其中，用途最廣泛、用量最大的金屬是鐵，我們如何從鐵礦石中得到鐵單質呢？

[生]要有煉鐵裝置、煉鐵原料，還得要創(chuàng)造高溫的條件。

[活動2]回顧所學知識并結合教師展示的鐵元素的含量，討論： 鐵礦石的選擇會考慮哪些因素？哪種鐵礦石比較適合煉鐵？哪些物質可以將赤鐵礦中的主要成分氧化鐵（Fe2O3）還原為鐵單質？哪種更好？

[生]鐵礦石的選擇要考慮品位、鐵元素的含量、運輸成本、儲藏量等因素;選用赤鐵礦和磁鐵礦較好;碳、氫氣、一氧化碳都能把鐵從其氧化物中還原出來，從成本、與鐵礦石的接觸面積以及高爐需要創(chuàng)造高溫條件等方面考慮，一氧化碳最好。

[活動3]實驗演示： 實驗室煉鐵的方法“一氧化碳還原氧化鐵”，觀察并記錄實驗現(xiàn)象，然后根據(jù)實驗現(xiàn)象寫出煉鐵的反應原理（提示： 從得失氧的角度配平化學方程式）。

[生]觀察發(fā)現(xiàn)玻璃管里的粉末由紅棕色逐漸變黑;試管里有氣泡冒出，使澄清石灰水變渾濁;玻璃管冒出的氣體能燃燒，產生藍色火焰。

[師]標出煉鐵原理化學方程式中的元素化合價，觀察變化情況，學會從化合價變化的角度認識氧化還原反應（見圖5）。

[生]鐵不是銀白色的嗎，怎么現(xiàn)在是黑色的？

[師]這是由于鐵粉和鐵制品發(fā)生的光的反射不一樣造成的，一個是漫反射，一個是鏡面反射（教師從跨學科角度增進學生對知識的理解）。

3.4.4 合作解疑

[活動4]觀看視頻“工業(yè)煉鐵”，教師結合視頻講解鐵的冶煉的相關化學史。然后小組合作交流下列問題： （1） 我國現(xiàn)代煉鐵工業(yè)的蓬勃發(fā)展;（2） 比較實驗室煉鐵與工業(yè)煉鐵過程中所用的原料、得到的產物以及煉鐵的原理有何區(qū)別與關聯(lián);（3） 5000t含F(xiàn)e2O3 76%的赤鐵礦石中，F(xiàn)e2O3的質量為??? ;（4） 某生鐵的純度為98%，其中含鐵2660t，則該生鐵的質量為??? （保留到小數(shù)點后一位）。

[生1]中國煉鐵工業(yè)已達世界先進水平，煉鐵總量連續(xù)多年世界第一。

[生2]沙鋼擁有世界上最大的煉鐵高爐……

[生3]工業(yè)煉鐵主要是以鐵礦石為原料得到生鐵，實驗室是以氧化鐵為原料得到鐵，其原理是相同的。純凈物的質量=混合物的質量×純度;混合物的質量=純凈物的質量÷純度。

3.4.5 結對互助

[問題3]在實際生產中所用的原料或得到的產物一般都含有雜質，如何根據(jù)化學方程式進行含雜問題的計算？

[活動5]自主閱讀課本17頁的例題，同桌結對相互說一遍含雜問題計算的解題思路。

[師生]統(tǒng)整思路，建構思維模型（見圖6、圖7）。

[活動6]完成課堂練習： 某鋼鐵廠每天需要消耗5000t含雜質24%的赤鐵礦石，該廠理論上可日產含F(xiàn)e 98%的生鐵的質量是多少？然后同桌相互批改，針對出現(xiàn)的問題進行同桌互助或組內互助。

[師]我們通過計算得出來的是一個理論值，實際上化學反應是有一定限度的，煉鐵的反應在實際生產中不能完全被轉化，同時煉鐵反應本身是一個吸熱反應。

4 基于化學學科理解的教學實踐體會

教師基于化學學科理解，內化為從學科視角駕馭所教內容。夯實教研的引領作用，從原先的關注零散知識的教學轉變?yōu)橐院诵乃仞B(yǎng)為導向的大概念的教學，對教師的教和學生的學都產生積極的意義。

4.1 通過學科大概念，引領學生認識視角

學科大概念并非指某一知識的具體概念，而是指具體知識背后的更為本質、更為核心的思想或觀念，它是對概念之間關系的抽象表述，是對事物的性質、特征以及事物間的內在聯(lián)系及規(guī)律的高度概括[10]。

基于以上考慮，本節(jié)課的教學圍繞以下化學學科大概念而展開（見圖8）： （1）物質在自然界的存在形式與其化學性質有關;（2）物質的冶煉原理與其存在形式有關;（3）冶煉原理能夠指導生產實際;（4）生產實際問題的分析本質在于冶煉原理。

以大概念為統(tǒng)領進行單元教學，通過具體知識背后的更為本質的思想方法（大概念）可以明晰具體內容之間的內在聯(lián)系，有利于教師把握教學內容的本質和關鍵，引領學生的認識視角[11]。

4.2 通過系統(tǒng)問題，激發(fā)學生思維活力

所謂“問題引領課堂”，就是根據(jù)教學目標圍繞大概念，創(chuàng)設真實情境，設計有關聯(lián)、有層次的系統(tǒng)問題開展教學活動。通過系統(tǒng)問題，激發(fā)學生的思維活力[12]。

在整個教學活動中，教師通過三個遞進式的問題解決鐵元素在自然界的存在形式、冶煉原理及含雜計算等問題，并通過將學習內容問題化和活動化，激發(fā)學生思維活力，促使學生的思維活動持續(xù)發(fā)展，在問題活動中促進對知識的深層理解，引領整個課堂走向深度學習[13]。

4.3 通過自主合作學習，促進學生思維發(fā)展

建構主義學習觀認為，學習是學習者以自己的方式主動建構內部心理表征的過程，世界上不存在唯一的、標準的理解，但學習者的合作可以使理解更加豐富和全面。在教學過程中，教師可以通過具體的學習活動引導并促進學生對知識的理解和建構。

在活動4的設計中，首先通過多媒體播放工業(yè)煉鐵的視頻，使學生初步了解工業(yè)煉鐵的原料、產物和反應過程，但此時學生的認識還不深刻、完善。然后采用小組合作交流的方式對我國工業(yè)煉鐵現(xiàn)狀，實驗室煉鐵和工業(yè)煉鐵的原料、產物以及反應原理進行對比。通過這些活動，一方面使學生各抒己見，展現(xiàn)對知識不同角度的理解，形成認知結構的相互補充和完善。比如，有的學生會看到實驗室煉鐵和工業(yè)煉鐵的區(qū)別： 實驗室煉鐵的原料和產物為純凈物，工業(yè)煉鐵的原料和產物為混合物;有的學生會看到實驗室煉鐵和工業(yè)煉鐵的聯(lián)系： 氧化鐵和鐵礦石、鐵和生鐵是部分和整體的關系，并且它們的質量關系是可以通過數(shù)學計算相互轉化的;還有學生會看到實驗室煉鐵和工業(yè)煉鐵的化學原理是相同的。另一方面通過小組成員的思想交流，使學生從定性和定量的角度對含雜混合物與其主要成分純凈物關系的認識更加全面深入，初步形成了化學反應只與參加反應的主要成分純凈物有關的化學思維意識，為后面利用化學方程式進行含雜問題的計算做好鋪墊。

4.4 通過直觀形象圖示，建構學生的認知模型

在化學教學中，用圖示的方式表達知識之間的聯(lián)系與區(qū)別以及思維流程，可以使復雜的、抽象的、隱性的知識顯性化、可視化，便于學生思考、交流和表達，有利于突破學生學習的困難點和障礙點。

通過調研，學生在本節(jié)課中的學習障礙點主要有： 一是不能清楚地理解工業(yè)煉鐵的原料和產物與其主要成分的關系和轉化;二是不能深刻地意識到化學方程式代表的是純物質之間的質量關系;三是較難形成關于含雜問題計算的解題思路?；诖耍處煵扇×藞D6所示的對比方式和圖7所示的思維建模方式，將復雜的、抽象的問題直觀化、可視化，幫助學生加深對知識的理解。

通過當堂檢測，發(fā)現(xiàn)82%的學生對混合物與其主要成分純凈物的關系有比較深刻的認識;76%的學生形成了含雜問題計算的解題思路，并能根據(jù)題目條件的改變靈活運用。課后與個別學生的訪談中，了解到學生對煉鐵的原理和含雜問題的計算都有比較深刻的印象;課堂上的小組合作和結對互助能促使學生積極主動思考，是學生比較喜歡的學習方式，因而學生認識物質及其變化的視角進一步確立。

總之，增進學科理解的教學需要教師從繁忙的粗放型的課堂教學中解脫出來，從而更好地汲取營養(yǎng)服務于教學內涵的發(fā)展，同時也需要管理部門和教研活動適時介入，在規(guī)范解讀和個性解讀中增進化學學科理解。增進化學學科理解的教學能使學生主動地參與知識形成的全過程，完成思維過程的自我建構和自我矯正，有利于學生對知識進行系統(tǒng)的、深刻的理解，走向深度學習，使核心素養(yǎng)真正在課堂中“落地”。

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