基于模型認知素養(yǎng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學研究
——以“二氧化碳的實驗室制法”教學為例

朱青

（福州第七中學，福建 福州 350011）

《普通高中化學課程標準（2017 年版）》對培養(yǎng)學生的模型認知素養(yǎng)提出了要求。模型認知主要包含建模和用模兩部分，即建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律［1］。模型認知是運用模型思想（模型方法）認識事物和解決問題的思想方法?；瘜W實驗探究活動是發(fā)展學生模型認知素養(yǎng)的最佳載體［2］。

本次研究以“二氧化碳的實驗室制法”教學為例，嘗試在化學實驗教學中引入翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，引導(dǎo)學生建構(gòu)實驗認知模型，深化理解物質(zhì)制備的思維范式，提高學生科學探究的欲望與解決問題的能力，不斷發(fā)展學生的模型認知素養(yǎng)。

翻轉(zhuǎn)課堂是對學生的學習過程進行重構(gòu)，學生在課前自主學習，課堂則成為師生和生生之間答疑解惑、合作探究的互動場所，以達到良好的教育效果［3］。翻轉(zhuǎn)課堂教學模式具有結(jié)構(gòu)化特點，課前任務(wù)驅(qū)動是通過網(wǎng)絡(luò)平臺的微課學習，完成教師設(shè)置的基本任務(wù)或?qū)W習效果測試，學生思考提出疑惑；課堂知識內(nèi)化是教師為學生創(chuàng)造解決問題的課堂環(huán)境，通過小組互助研討及評價反思，培養(yǎng)學生解決問題及分析評價的能力；課后應(yīng)用拓展則是把學生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)作為主要目標，基于翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的化學探究實驗課型具體流程見圖1。利用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，從課前、課中、課后三階段，使學生的思維由低階至高階不斷發(fā)展。

圖1 探究實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學模式

一、教學設(shè)計思路

“二氧化碳的實驗室制法”是建構(gòu)實驗原理選擇、實驗裝置設(shè)計、實驗步驟制定等實驗室制取氣體研究思路及實驗評價反思和改進的最佳素材。在教材內(nèi)容基礎(chǔ)上，本節(jié)課重構(gòu)教學設(shè)計，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，設(shè)計課前、課中、課后三階段任務(wù)，構(gòu)建“初建模型、完善模型、應(yīng)用模型”的課堂主線。在整個教學過程中，通過探究活動，合作討論，師生互助，證據(jù)推理，逐步釋疑，使學生體驗一種化學的學習方法——模型建構(gòu)法，利用模型再去解決同類問題，培育學生“證據(jù)推理和模型認知”化學核心素養(yǎng)，發(fā)展學生高階思維能力［4］。

基于模型素養(yǎng)的“二氧化碳的實驗室制取”翻轉(zhuǎn)課堂教學思路如圖2。

圖2 “二氧化碳的實驗室制取”教學思路

二、課前任務(wù)驅(qū)動

（一）微視頻

制作微視頻“實驗室制取氧氣”和“實驗室制取二氧化碳”，上傳至教師的個人微信公眾號。前者幫助學生溫故，后者在設(shè)計時，以反應(yīng)原理的確定、實驗裝置的選擇、實驗操作為主線，在展現(xiàn)反應(yīng)物和實驗裝置的選擇時，從多種藥品中選取石灰石和稀鹽酸，多種儀器中挑選試管、單孔塞、導(dǎo)管、鐵架臺、集氣瓶等組裝為簡易制取裝置，意圖引發(fā)學生思考和提問。

（二）學習任務(wù)單

設(shè)計的任務(wù)包含“溫故”“知新”“拓展”。課前，學生在微視頻學習后，完成“實驗室制取氧氣”的基礎(chǔ)知識溫故任務(wù)，初步建構(gòu)實驗室氣體制取的認知模型?！爸隆薄巴卣埂比蝿?wù)則分別對應(yīng)課中、課后學習，逐步完善應(yīng)用認知模型。

（三）互動研討

教師在公眾號微視頻“實驗室制取二氧化碳”下方插入“留言板”小程序，引導(dǎo)學生將微視頻中無法理解的問題發(fā)至“留言板”。學生的提問和討論非常熱烈，提出有關(guān)反應(yīng)物、原理，裝置改進，操作過程的一系列問題。個別學生查找資料后，在留言區(qū)與大家分享了自己對一些問題的思考。通過微信公眾號和小程序，實現(xiàn)課下的師生、生生互動，學生在提問、釋疑的過程中深思與交流。教師對問題進行歸類總結(jié)，針對這些問題進行二次備課。

三、課中知識內(nèi)化

（一）課前銜接，溫故知新

學生展示課前學習成果，初步自主建構(gòu)實驗室制取氣體的認知模型，即：實驗原理→實驗裝置→實驗操作。通過課前微視頻學習，學生已了解實驗室制取二氧化碳的流程，但也存在學習中無法解決的疑惑。課堂展示學生在課前學習中存在的問題，并將問題按照氣體制備認知模型中的實驗原理、裝置、操作劃分為三類。

【設(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)初步建構(gòu)實驗室制取氣體的認知模型。通過溫故任務(wù)和知新任務(wù)，評估學生的現(xiàn)有水平，通過學生自主發(fā)問，促進開發(fā)學生的潛能，激發(fā)探究熱情，使學生進入最近發(fā)展區(qū)。

2.合作探究，討論釋疑

活動一：討論互助

各小組選擇問題進行互助解答。對于小組互助無法解答的問題，如“可否使用碳酸鈣或碳酸鈉與稀鹽酸或稀硫酸發(fā)生反應(yīng)？”等，教師引導(dǎo)學生通過親身實驗解決問題。

活動二：原理探究

學生討論制定實驗探究方案：進行對比實驗，注意控制變量，觀察反應(yīng)速率及氣體產(chǎn)生量，實驗后對方案作出評價。

圖3 二氧化碳制備原理探究實驗方案

定性分析得出實驗室制取二氧化碳的理想原料后，教師演示三組藥品反應(yīng)的手持技術(shù)數(shù)字化實驗，用相對壓強傳感器測定反應(yīng)過程中的相對壓強值隨時間的變化情況。學生從定量的角度分析實驗藥品的選擇。教師提出思考問題：為什么曲線一驟升后驟降？學生討論后，得出是由于碳酸鈣和稀鹽酸反應(yīng)時產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致Y 型試管內(nèi)壓強迅速增大，造成沖塞，氣體泄漏。此時，教師適時提示在進行氣體實驗時，首先需要檢查裝置的氣密性。

圖4 原理探究數(shù)字化實驗方案和成果

通過以上分析，結(jié)合原料價格信息、環(huán)境保護等情況，確定實驗藥品，總結(jié)實驗原理選擇的依據(jù)。

【設(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)建構(gòu)實驗室制取氣體的原理認知模型。引導(dǎo)學生依據(jù)實驗事實獲取相關(guān)證據(jù)，進行實驗現(xiàn)象的分析和推理，得到合理的結(jié)論。學生通過合作探究，解決了關(guān)于實驗原理的一系列問題。通過思考與交流、實驗與反饋等多種方式強化學生的證據(jù)收集意識，提升學生的證據(jù)推理能力。運用數(shù)字化實驗作為傳統(tǒng)實驗的升級和補充，從定性與定量相結(jié)合的角度收集實驗證據(jù)，創(chuàng)新化學教學［5］。

活動三：裝置探究

引導(dǎo)學生歸納氣體制取裝置選擇的依據(jù)，創(chuàng)設(shè)小組合作改進裝置的課堂活動。各小組利用EISClass 智慧教室學生端平板電腦中seewo 課件所給儀器，對二氧化碳制取的發(fā)生裝置進行設(shè)計，并將作品分享至教師端，進行小組展示。

【設(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)建構(gòu)實驗室制取氣體的發(fā)生裝置和收集裝置選擇認知模型。學生將已有知識融會貫通，思考二氧化碳的制取原理、氣體的性質(zhì)，進而選擇合適的發(fā)生、收集裝置。

活動四：實驗操作

學生通過對制取二氧化碳裝置進一步認識，自由選擇教師提供的實驗裝置，制取一瓶二氧化碳，并進行檢驗和驗滿。實驗結(jié)束后，學生對使用的裝置進行點評，分析其優(yōu)缺點。

【設(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)建構(gòu)實驗室制取氣體的操作認知模型。學生使用所設(shè)計的裝置進行實際操作，在操作過程中發(fā)現(xiàn)并糾正問題，使教師由主導(dǎo)者變成幫助者和指導(dǎo)者。學生在操作中，對儀器的功能和實驗改進的價值有了更深的體會，基于真實體驗后的學生評價活動，培養(yǎng)學生科學精神和客觀求實的科學態(tài)度。

活動五：總結(jié)建模，評價反思

歸納實驗室制取氣體的認知模型（如圖5）。

圖5 實驗室制取氣體的認知模型

小組交流實驗過程中的反思和評價。以下呈現(xiàn)課堂精彩反思實錄：“在藥品選擇時，如果用碳酸鈣粉末和稀鹽酸，可以選擇分液漏斗滴加稀鹽酸，起到控制反應(yīng)速率的作用”；“在實驗過程中，觀察到氣體產(chǎn)生速率快，雖然二氧化碳可溶于水，但若產(chǎn)氣速率快于溶解速率，是否可以采用排水法收集二氧化碳？”“用燃著的木條放置于集氣瓶口熄滅，此時的二氧化碳真的滿了嗎？”等。教師針對學生的提問，設(shè)計課外探究活動。借助手持技術(shù)數(shù)字化實驗，幫助學生解決問題。

【設(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)學生借助認知模型，進行深度學習，完成最近發(fā)展區(qū)的跨越，同時向更高階水平邁進。

四、課后應(yīng)用拓展

課后學生利用實驗室氣體制備模型完成任務(wù)單中“實驗室制取氫氣的研究”。

【設(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)深化應(yīng)用實驗室制取氣體的認知模型，解決同類實驗問題，提高了學生學以致用的能力，著力培育了學生“證據(jù)推理與模型認知”的核心素養(yǎng)。

本節(jié)課是以實驗室制取二氧化碳的科學探究活動作為明線，以培養(yǎng)證據(jù)推理和模型認知素養(yǎng)作為暗線，明暗線相互交織，互相促進。學生在觀察、質(zhì)疑、探究的過程中，不斷深化對知識的理解，加深對證據(jù)的判斷、獲取和推理，逐步建構(gòu)認知模型，并利用模型解決同類問題，這也符合化學學科核心素養(yǎng)中對證據(jù)推理和模型認知的要求，是學生高階思維能力培養(yǎng)的有效載體。