初中化學(xué)挑戰(zhàn)性教學(xué)模式的應(yīng)用研究
——以“奇妙的二氧化碳”教學(xué)為例

江蘇省蘇州市吳江區(qū)同里中學(xué)（215200）顧永宏 王寶權(quán)

一、挑戰(zhàn)性教學(xué)模式概述

在初中化學(xué)課堂教學(xué)中，可采用“一主體二支架三條線”挑戰(zhàn)性教學(xué)模式（見(jiàn)圖1），結(jié)合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，以學(xué)生為主體確定挑戰(zhàn)性教學(xué)目標(biāo)，運(yùn)用有效的挑戰(zhàn)性教學(xué)策略，以“問(wèn)題鏈”為導(dǎo)線，以“活動(dòng)鏈”為情境，以“學(xué)科素養(yǎng)”為目標(biāo)，通過(guò)科學(xué)探究，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)目標(biāo)、夯實(shí)學(xué)科知識(shí)的同時(shí)體驗(yàn)學(xué)科思維和學(xué)科觀念的形成過(guò)程，從而達(dá)到深度學(xué)習(xí)之目的，逐步提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以滬教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第二章第二節(jié)“奇妙的二氧化碳”的教學(xué)為例，探討基于挑戰(zhàn)性教學(xué)模式提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)策略。

二、挑戰(zhàn)性教學(xué)模式下的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課以真假干冰的鑒別引入課題，讓學(xué)生結(jié)合課前的預(yù)習(xí)及已有的生活學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)干冰和冰提出合理的鑒別方案，并根據(jù)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在接下來(lái)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，依照科學(xué)探究流程（見(jiàn)圖2），進(jìn)行環(huán)環(huán)相扣的“問(wèn)題鏈”和“活動(dòng)鏈”設(shè)計(jì)。首先，創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)性探究情境“如何證明二氧化碳與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣和水？”，以加深學(xué)生對(duì)二氧化碳與石灰水反應(yīng)中水的作用的理解。接著，提出“怎樣證明二氧化碳能與水反應(yīng)？”這一問(wèn)題，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究二氧化碳通入紫色石蕊溶液中，溶液由紫色變?yōu)榧t色的原因，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，找出自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與資料和教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的異同。最后，提出“二氧化碳能否與氫氧化鈣反應(yīng)，你能證明嗎？”這一問(wèn)題，讓學(xué)生根據(jù)科學(xué)探究流程，做出合理的猜想，再通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料或?qū)嶒?yàn)探究進(jìn)行相應(yīng)的證實(shí)或證偽。學(xué)生經(jīng)歷挑戰(zhàn)性問(wèn)題的回答、實(shí)驗(yàn)探究的親身參與，進(jìn)而形成對(duì)二氧化碳常見(jiàn)物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及其用途的深度認(rèn)識(shí)。

三、教學(xué)過(guò)程

（一）以問(wèn)題鏈為導(dǎo)線，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)探究情境，形成學(xué)科觀念

【活動(dòng)一】鑒別冰和干冰。

［問(wèn)題引導(dǎo)］同學(xué)們，現(xiàn)在有兩塊無(wú)色固體，請(qǐng)猜測(cè)它們分別是什么，并思考怎樣區(qū)別它們。

［做出猜想］一塊是冰，一塊是干冰。

［實(shí)驗(yàn)探究］分別用一張紙包裹以上固體，若紙上有水跡的是冰，沒(méi)有水跡的是干冰；觸摸感受溫度，更冷的是干冰；把以上固體分別放在水里，能浮在水面上且無(wú)氣泡冒出的是冰，沉入水底且有氣泡不斷冒出的是干冰；使階梯蠟燭的火焰由下而上依次熄滅的是干冰……

［問(wèn)題引導(dǎo)］由以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能得出干冰（二氧化碳）具有哪些性質(zhì)和用途？

［分析討論］干冰易升華，可以做制冷劑，制造舞臺(tái)云霧，進(jìn)行人工降雨；一般情況下，二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大，不可燃、不助燃，可以用于滅火；二氧化碳不能供給呼吸，可以用于糧食瓜果的保鮮、防氧化等。

設(shè)計(jì)意圖：經(jīng)過(guò)小學(xué)科學(xué)、初中生物和物理學(xué)科的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步具備結(jié)合情境做出猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、證據(jù)推理、得出結(jié)論的能力。以學(xué)生素養(yǎng)提升為本，通過(guò)問(wèn)題鏈的引導(dǎo)，借助真假干冰的辨別，既能引入課題，又能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究的興趣，讓學(xué)生逐步形成“變化體現(xiàn)性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的學(xué)科觀念。

［銜接過(guò)渡］干冰升華后產(chǎn)生的氣體你能看得到嗎？（不能）說(shuō)明二氧化碳通常情況下是什么狀態(tài)？（無(wú)色、無(wú)味的氣體）如何檢驗(yàn)它的存在呢？（可將它通入澄清的石灰水）

（二）以問(wèn)題鏈為導(dǎo)線，以實(shí)驗(yàn)探究為載體，激發(fā)學(xué)生的挑戰(zhàn)欲望

【活動(dòng)二】探究二氧化碳和石灰水的反應(yīng)。

［問(wèn)題引導(dǎo)］根據(jù)前一節(jié)的學(xué)習(xí)，同學(xué)們已經(jīng)知道二氧化碳可以用澄清的石灰水來(lái)檢驗(yàn)。請(qǐng)問(wèn)它們是怎樣反應(yīng)的呢？

［分析討論］二氧化碳與氫氧化鈣（石灰水的主要成分）反應(yīng)生成了難溶于水的碳酸鈣白色沉淀和水。

［實(shí)驗(yàn)探究］把干冰裝在大試管中作為二氧化碳?xì)怏w的輸出源，通過(guò)導(dǎo)氣管不斷地通入另一支盛放少量石灰水的小試管中。

［現(xiàn)象描述］澄清石灰水中不斷有氣泡冒出，石灰水逐漸變渾濁，一段時(shí)間后，渾濁的石灰水又逐漸變澄清。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)問(wèn)題鏈的引導(dǎo)，讓學(xué)生對(duì)看似平常的二氧化碳的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仔細(xì)觀察，并認(rèn)真描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從平常中發(fā)現(xiàn)不尋常（石灰水并非立刻變渾濁，且繼續(xù)通入二氧化碳一段時(shí)間后渾濁的石灰水又逐漸變澄清），進(jìn)而引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的挑戰(zhàn)欲望。

［問(wèn)題引導(dǎo)］澄清石灰水是純凈物還是混合物？（混合物）它由哪些成分組成？（由氫氧化鈣和水組成）

［提出問(wèn)題］二氧化碳能不能溶于水，是否能和水反應(yīng)？

［分析討論］通常情況下，二氧化碳能溶于水，如果增大壓強(qiáng)可以溶解得更多；二氧化碳可以與水反應(yīng)生成碳酸。因此，可以利用二氧化碳的這一性質(zhì)制取汽水或碳酸飲料。

［教師追問(wèn)］怎樣證明二氧化碳確實(shí)與水發(fā)生了反應(yīng)？

［實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)］可以用紫色石蕊試液變紅來(lái)檢驗(yàn)有酸性物質(zhì)生成。

［實(shí)驗(yàn)探究］學(xué)生把干冰放在試管里，通過(guò)帶有橡皮塞的導(dǎo)管把二氧化碳?xì)怏w通入滴有紫色石蕊試液的水中，看到溶液由紫色變成了紅色。

［教師反問(wèn)］會(huì)不會(huì)是二氧化碳使溶液變紅呢？怎樣證明？

［實(shí)驗(yàn)探究］學(xué)生小組先將濾紙浸泡在紫色石蕊試液中，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干，接著將干燥的石蕊試紙放在盛有干冰的試管口，再與滴過(guò)水的紫色石蕊試紙進(jìn)行對(duì)比。

［實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象］學(xué)生發(fā)現(xiàn)放在盛有干冰的試管口的干燥石蕊試紙沒(méi)有變紅，而滴過(guò)水的石蕊試紙變紅了。

［得出結(jié)論］說(shuō)明二氧化碳不能使紫色石蕊變紅，而二氧化碳和水的共同作用可以使紫色石蕊變紅。

［提出問(wèn)題］紫色石蕊為什么會(huì)變紅呢？（遇到了酸性物質(zhì)）

［教師追問(wèn)］你可以用實(shí)驗(yàn)證明嗎？

［實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)］可以用前面學(xué)過(guò)的稀鹽酸或白醋來(lái)證明。

［實(shí)驗(yàn)探究］取少量（1～2 mL）紫色石蕊溶液（紫色明顯），加入少量稀鹽酸或白醋，溶液變成明顯的紅色。（平時(shí)教師演示時(shí)通常是在稀酸中滴入2～3 滴的紫色石蕊試液，雖然溶液也會(huì)變紅，但現(xiàn)象不明顯）

設(shè)計(jì)意圖：以學(xué)生素養(yǎng)提升為本，讓學(xué)生通過(guò)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和親身實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證教材上的某一個(gè)結(jié)論，以此增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能力和證據(jù)推理能力。

（三）以問(wèn)題鏈為導(dǎo)線，借助實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神與信息檢索素養(yǎng)

【活動(dòng)三】碳酸有關(guān)性質(zhì)的探究。

［問(wèn)題引導(dǎo)］碳酸穩(wěn)定嗎？怎樣證明？

［實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)］把上述的紅色溶液放在酒精燈上加熱，若加熱后有氣泡冒出且溶液變回紫色，說(shuō)明碳酸分解成了二氧化碳和水。

［問(wèn)題引導(dǎo)］這樣設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)嗎？如何檢驗(yàn)生成的氣體是二氧化碳？（不嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)該將產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水中，看是否能使其變渾濁）

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)問(wèn)題鏈的引導(dǎo)，促使學(xué)生對(duì)課本實(shí)驗(yàn)的不足進(jìn)行挑戰(zhàn)性思考，并改進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而讓學(xué)生體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性和重要性，感受到好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案能更充分地體現(xiàn)出證據(jù)的可靠性、推理的邏輯性；在充滿挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)情境中不斷提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

［實(shí)驗(yàn)探究］把紅色溶液倒入一支大試管中，并連接好帶有橡皮塞的導(dǎo)管，把導(dǎo)管通入澄清石灰水中；加熱大試管，觀察現(xiàn)象。

［教師追問(wèn)］二氧化碳通入澄清石灰水后出現(xiàn)的渾濁現(xiàn)象，一定是二氧化碳和氫氧化鈣的反應(yīng)引起的嗎？

猜想1：一定是，因?yàn)槎趸寂c水反應(yīng)沒(méi)有明顯的現(xiàn)象。

猜想2：不一定，可能是二氧化碳先與水反應(yīng)生成了碳酸，碳酸再與氫氧化鈣反應(yīng)生成了碳酸鈣。

猜想3：以上兩種情況可能同時(shí)發(fā)生。

［教師引導(dǎo)］哪種猜想正確呢？讓我們來(lái)查閱資料吧。

［呈現(xiàn)資料］沈鶴鳴等學(xué)者的研究表明：二氧化碳與氫氧化鈣的反應(yīng)必須要有水參加，否則無(wú)法進(jìn)行［1］。吳文中在《澄清石灰水與二氧化碳的作用機(jī)理和實(shí)驗(yàn)探究》一文中指出：澄清石灰水中通入二氧化碳的實(shí)驗(yàn)研究分為兩段，第1 段是碳酸鈣的沉淀過(guò)程，其作用機(jī)理一般而言，就是簡(jiǎn)單的酸堿溶液之間的離子反應(yīng)［2］。

［得出結(jié)論］通過(guò)以上資料，可以排除猜想1 和猜想3，初步得出結(jié)論：二氧化碳與石灰水的反應(yīng)，可以認(rèn)為是二氧化碳與水反應(yīng)生成了碳酸，碳酸再和氫氧化鈣反應(yīng)生成了碳酸鈣和水。

設(shè)計(jì)意圖：從眾多資料中提取有用信息的能力是進(jìn)行科學(xué)探究和證據(jù)推理不可缺少的素養(yǎng)和能力。這種能力需要在學(xué)習(xí)中逐漸養(yǎng)成，真正讓學(xué)生體會(huì)到尋找證據(jù)的樂(lè)趣，體驗(yàn)文獻(xiàn)資料在科學(xué)探究中的重要作用；讓學(xué)生不僅掌握課本上的知識(shí)，還學(xué)會(huì)利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文獻(xiàn)搜索并進(jìn)行有用信息的篩選和提取，在挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)的過(guò)程中逐步提升個(gè)人能力和素養(yǎng)。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課以真假干冰的鑒別引入課題，通過(guò)問(wèn)題鏈引導(dǎo)依次進(jìn)行二氧化碳的性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)，主要設(shè)計(jì)了三個(gè)課堂探究活動(dòng)，所有的實(shí)驗(yàn)及教學(xué)活動(dòng)都緊緊圍繞如何科學(xué)地探究目標(biāo)物質(zhì)來(lái)展開(kāi)，形成了環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主線，讓學(xué)生在思考中深度學(xué)習(xí)，在探究中鍛煉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手操作能力，養(yǎng)成實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)態(tài)度。

二氧化碳的性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)看似簡(jiǎn)單，但若能引導(dǎo)學(xué)生厘清化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，必然能增強(qiáng)學(xué)生的探究能力和思考能力，提高學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和邏輯思維能力。教師結(jié)合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，確定挑戰(zhàn)性教學(xué)目標(biāo)，運(yùn)用有效的挑戰(zhàn)性教學(xué)策略，促使學(xué)生在真實(shí)的問(wèn)題情境中體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、文獻(xiàn)資料查閱、分析討論、得出結(jié)論等，從而逐步提升學(xué)生的證據(jù)推理、科學(xué)探究及創(chuàng)新意識(shí)等學(xué)科核心素養(yǎng)。

提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，需要教師認(rèn)真開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)實(shí)踐，積極探索“素養(yǎng)為本”的有效教學(xué)策略和模式。在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施中，合理確定可操作的基于學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，參照學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，有目的、有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用挑戰(zhàn)性思維方式和方法學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科知識(shí)；在學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)化的過(guò)程中理解學(xué)科核心觀念；設(shè)置基于真實(shí)情境的問(wèn)題探究任務(wù)，使學(xué)生在探究問(wèn)題的過(guò)程中逐步提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，對(duì)初中化學(xué)教師來(lái)說(shuō)是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的研究課題。教師應(yīng)積極開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)研究，在研究中總結(jié)和提煉發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑、方法和策略，提升自身開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)的能力［3］。