基于深度學(xué)習(xí)的元素化合物教學(xué)實(shí)踐
——以滬科版“次氯酸和次氯酸鹽”為例

黃炎維

（上海市第二中學(xué) 上海 200031）

一、問題提出

深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者以高階思維的發(fā)展和實(shí)際問題的解決為目標(biāo)，以整合的知識為內(nèi)容，積極主動(dòng)地、批判性地學(xué)習(xí)新的知識和思想，并將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，且能將已有的知識遷移到新的情境中的一種學(xué)習(xí)。［1］促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的一般教學(xué)策略為“確立高階思維發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生深度理解；整合意義連接的學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生批判建構(gòu)；創(chuàng)設(shè)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生積極體驗(yàn)；選擇持續(xù)關(guān)注的評價(jià)方式，引導(dǎo)學(xué)生深度反思”。［2］

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對“常見無機(jī)物及其應(yīng)用”的學(xué)業(yè)要求中指出：能從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)的角度，依據(jù)復(fù)分解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和變化，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步驗(yàn)證，并能分析、解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這為教師開展深度學(xué)習(xí)的教學(xué)提供了依據(jù)。

《普通高中教科書化學(xué)必修第一冊（上科版）》第二章第一節(jié)“海水中的氯”學(xué)習(xí)內(nèi)容，是高中階段學(xué)生第一次成模塊地學(xué)習(xí)非金屬元素及其化合物的性質(zhì)，由于學(xué)生還未學(xué)習(xí)“氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)”相關(guān)內(nèi)容，因此“引導(dǎo)學(xué)生從組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備等方面審視具體物質(zhì)的性質(zhì)”的常規(guī)教學(xué)思路，學(xué)生很難做到主動(dòng)建構(gòu)，遷移應(yīng)用，批判性學(xué)習(xí)。倡導(dǎo)基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)，教師要勇于進(jìn)行課堂轉(zhuǎn)型的探索，發(fā)揮教學(xué)的創(chuàng)造性。［3］筆者以“海水中的氯”第二課時(shí)“次氯酸和次氯酸鹽”為實(shí)踐對象，以“科學(xué)使用含氯消毒劑”為主題，嘗試基于深度學(xué)習(xí)理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、基于深度學(xué)習(xí)的“科學(xué)使用含氯消毒劑”教學(xué)思路分析

1.課標(biāo)與教材分析

課程標(biāo)準(zhǔn)中對非金屬元素的內(nèi)容要求為：結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用和實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解氯及其重要化合物的主要性質(zhì)，認(rèn)識這些物質(zhì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對生態(tài)環(huán)境的影響。［4］“次氯酸和次氯酸鹽”為典型的含氯化合物。學(xué)生能從物質(zhì)類別角度，依據(jù)物質(zhì)的通性推測化合物的性質(zhì)，而“次氯酸和次氯酸鹽”的相關(guān)性質(zhì)也可為氧化還原及離子反應(yīng)等基本理論知識的學(xué)習(xí)積累學(xué)習(xí)素材。

2.教學(xué)內(nèi)容分析

在認(rèn)識“次氯酸和次氯酸鹽”性質(zhì)中能體驗(yàn)含氯消毒劑的科學(xué)使用。以解決實(shí)際問題為目標(biāo)，學(xué)生結(jié)合已有知識經(jīng)驗(yàn)，如“酸、堿、鹽”性質(zhì)及復(fù)分解反應(yīng)原理等，通過性質(zhì)推測、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)驗(yàn)反思等學(xué)習(xí)活動(dòng)，將次氯酸鹽和次氯酸的新知識納入原有知識體系。同時(shí)形成“認(rèn)識、研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序”的認(rèn)知模型，為后續(xù)其他元素化合物的學(xué)習(xí)奠定了方法層面的基礎(chǔ)，培養(yǎng)了核心素養(yǎng)，發(fā)展了高階思維。

3.“教、學(xué)、評”一體化的教學(xué)目標(biāo)

課程標(biāo)準(zhǔn)中指出：化學(xué)日常學(xué)習(xí)評價(jià)是化學(xué)教學(xué)不可或缺的有機(jī)組成部分，［4］日常教學(xué)的評價(jià)方式除了紙筆練習(xí)，作業(yè)等方式之外，化學(xué)課堂上的學(xué)生活動(dòng)、課堂任務(wù)、提問交流等途徑，可促進(jìn)學(xué)生有效開展深度學(xué)習(xí)，也是教師在教學(xué)中不斷評估教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成的有效途徑，因此設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)如下表1：

表1 “科學(xué)使用含氯消毒劑”課時(shí)目標(biāo)設(shè)計(jì)

4.教學(xué)流程

基于以上的認(rèn)識，本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容分為兩大環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)一，嘗試通過以漂粉精作為研究對象，以“如何科學(xué)使用含氯消毒劑”為真實(shí)情境，從學(xué)生已有的“物質(zhì)分類”視角認(rèn)識次氯酸鹽的性質(zhì)，通過次氯酸鹽與酸反應(yīng)原理的探究，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，借助對比、反思、討論、評價(jià)等方式在活動(dòng)中提升學(xué)生創(chuàng)新與批判思維。環(huán)節(jié)二，以深入認(rèn)識漂粉精的消毒原理為主題，借助化學(xué)史話，著手對漂粉精具有消毒漂白作用背后真正的物質(zhì)“次氯酸”開展研究，通過次氯酸分解的實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象觀察，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等手段，宏微結(jié)合地深入感受化學(xué)變化過程。在對次氯酸鈣和次氯酸性質(zhì)的研究中實(shí)現(xiàn)“研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序”認(rèn)知模型的進(jìn)階，發(fā)展學(xué)生的高階思維。具體教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 “科學(xué)使用含氯消毒劑”教學(xué)流程

三、基于深度學(xué)習(xí)的“科學(xué)使用含氯消毒劑”教學(xué)實(shí)踐

1.以真實(shí)情境為載體，借助已有知識經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際問題

【情境引入】含氯消毒劑在新冠肺炎疫情期間的廣泛使用，展示某品牌漂粉精片劑及使用說明書。

【教師】閱讀漂粉精的使用說明，通過討論嘗試歸納漂粉精性質(zhì)、用途、使用注意事項(xiàng)。

【學(xué)生】有效成分為Ca（ClO）2；白色固體、具有腐蝕和漂白性；可用于殺菌、消毒；使用時(shí)學(xué)注意貯存于干燥、陰涼處，防雨、防曬，倒入水中，靜置半小時(shí)后使用。

【教師】從物質(zhì)分類角度分析漂粉精有效成分次氯酸鈣有的化學(xué)性質(zhì)。請仔細(xì)閱讀說明書，次氯酸鈣的消毒原理和次氯酸鈣的什么性質(zhì)有關(guān)？

【學(xué)生】Ca（ClO）2屬于鹽，可以與酸反應(yīng)，說明書中指出使用漂粉精需“加少量水調(diào)成糊狀，然后倒入水中攪動(dòng)幾下，靜置半小時(shí)后使用”，這是由于空氣中存在CO2，其溶于水生成的碳酸可以與Ca（ClO）2反應(yīng)CaCO3和HClO。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過漂粉精說明書的反復(fù)閱讀，將次氯酸鹽的消毒作用和次氯酸鹽與酸的反應(yīng)相聯(lián)系，在“尋證”的過程中歸納總結(jié)次氯酸鈣的性質(zhì)；在真實(shí)情境中，引導(dǎo)學(xué)生積極體驗(yàn)化學(xué)物質(zhì)用途與性質(zhì)之間緊密的聯(lián)系，同時(shí)將物質(zhì)分類及同一類別物質(zhì)通性的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于該情境下，順利將次氯酸鈣的性質(zhì)納入知識體系，并將含氯消毒劑的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至HClO。

2.在探究實(shí)驗(yàn)中，全面認(rèn)識次氯酸鹽性質(zhì)與用途，建構(gòu)研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序

【教師】漂粉精之所以有消毒作用是因?yàn)镃a（ClO）2與酸反應(yīng)生成了HClO，我們怎么能夠通過實(shí)驗(yàn)判斷HClO生成呢？

【學(xué)生】從新制氯水的性質(zhì)可知，HClO具有漂白性。可以嘗試通過觀察次氯酸鈣與酸反應(yīng)的產(chǎn)物是否具有漂白作用來判斷次氯酸的生成。

【教師】實(shí)驗(yàn)是我們研究物質(zhì)性質(zhì)的重要手段。與空氣中CO2反應(yīng)時(shí)間太長，請同學(xué)們用酸性較強(qiáng)的鹽酸來進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】錐形瓶中分別盛有一定量研磨好的次氯酸鈣固體，用針筒向錐形瓶中注射一定濃度的鹽酸2～3 mL。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（探究實(shí)驗(yàn)：不同小組使用不同濃度的鹽酸開展實(shí)驗(yàn)，濃度分別為0.1 mol·L-1、2 mol·L-1），實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)象如表2所示。

表2 不同濃度鹽酸與次氯酸鈣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

【教師】引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察現(xiàn)象，對比小組之間反應(yīng)現(xiàn)象的異同，歸納實(shí)驗(yàn)背后隱藏的信息，如：鹽酸可加速漂粉精漂白速度，鹽酸濃度變化會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物變化，日常生活中次氯酸鹽不能與潔廁靈（含較濃的鹽酸混用）等。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生提出可通過漂白性證明次氯酸鈣與酸反應(yīng)有次氯酸生成的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，提升了宏微辨析，科學(xué)探究等素養(yǎng)。鹽酸與次氯酸鈣反應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)，其教學(xué)價(jià)值為：從認(rèn)知角度出發(fā)，鹽酸與漂粉精反應(yīng)的現(xiàn)象不同，會(huì)引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，使學(xué)生意識到，鹽與酸反應(yīng)生成的產(chǎn)物受到反應(yīng)物濃度的影響、酸的強(qiáng)弱等等因素的影響，促進(jìn)學(xué)生“變化的觀念”由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)；從科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任視角看，產(chǎn)生氯氣的異常現(xiàn)象能很好地培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，也可得到次氯酸鹽不能與潔廁靈混用的結(jié)論，從反應(yīng)原理回歸日常用途，認(rèn)識化學(xué)產(chǎn)品給生活帶來的雙重影響；最后，通過實(shí)驗(yàn)探究及結(jié)論歸納，學(xué)生完整地經(jīng)歷了研究物質(zhì)性質(zhì)的科學(xué)過程，為下一環(huán)節(jié)次氯酸性質(zhì)的教學(xué)做了良好的鋪墊。

3.在研究次氯酸性質(zhì)的新情境中，應(yīng)用研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序

【教師】展示含氯消毒劑使用的化學(xué)史話，從保存和使用角度出發(fā)，使用氯水和漂粉精進(jìn)行消毒的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？

【學(xué)生】學(xué)生歸納如表3

表3 漂粉精和氯水使用優(yōu)缺點(diǎn)比較

【教師】引導(dǎo)學(xué)生抓住關(guān)鍵詞“變質(zhì)”，結(jié)合化學(xué)史話中關(guān)于“漂粉精穩(wěn)定性強(qiáng)”的描述，提問氯水不穩(wěn)定性是由什么物質(zhì)造成的。

【學(xué)生】經(jīng)過氯水中成分的篩選，推測次氯酸可能具有不穩(wěn)定性。

【教師】展示氯水中次氯酸見光分解的實(shí)驗(yàn)及其現(xiàn)象（實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)象如圖2所示），推測反應(yīng)產(chǎn)物。

圖2 氯水光照的實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)象

【學(xué)生】推測次氯酸分解的產(chǎn)物中氣體可能為O2，根據(jù)元素守恒可能還有HCl生成。

【教師】展示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測定次氯酸分解過程中pH及Cl-濃度的變化，分析圖像，驗(yàn)證你的推測是否正確？溶液pH及Cl-濃度的變化如圖3。

圖3 氯水光照分解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

【學(xué)生】歸納圖像變化趨勢，驗(yàn)證推測。

【教師】總結(jié)歸納次氯酸的性質(zhì)及次氯酸分解與消毒漂白的原理。

【學(xué)生】歸納研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)就是研究次氯酸的性質(zhì)與殺菌消毒之間的關(guān)系，學(xué)生在體驗(yàn)研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序后，本環(huán)節(jié)重點(diǎn)在應(yīng)用該程序完成對次氯酸性質(zhì)的研究。教學(xué)過程與研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序，如圖4所示。

圖4 教學(xué)過程與“研究物質(zhì)性質(zhì)基本程序”

學(xué)生通過“化學(xué)史話”搜集信息，在評價(jià)氯水作為消毒劑的優(yōu)缺點(diǎn)中，推測氯水不穩(wěn)定可能是其中次氯酸易分解所導(dǎo)致，通過氯水分解產(chǎn)生氣體的宏觀現(xiàn)象及元素守恒，推測次氯酸分解的產(chǎn)物，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測得的pH和氯離子濃度變化曲線驗(yàn)證次氯酸分解的產(chǎn)物，學(xué)生能從物質(zhì)變化的宏觀現(xiàn)象和微觀視角上收集證據(jù)，得出合理結(jié)論。在整節(jié)課的反思中，通過自身學(xué)習(xí)經(jīng)歷歸納出研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序，形成了植根于實(shí)踐的認(rèn)知模型。

四、教學(xué)實(shí)踐反思

1.選取合適情境，使學(xué)習(xí)有據(jù)可循

深度學(xué)習(xí)的教學(xué)要求以一定的學(xué)習(xí)情境展開學(xué)習(xí)活動(dòng)，因此，情境除了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣之外，應(yīng)該還有一些其他功能，本教學(xué)案例中某品牌漂粉精說明書除了讓學(xué)生感到學(xué)習(xí)的內(nèi)容貼近生活之外，還起到了思考“支架”的作用，通過閱讀，提取信息可幫助學(xué)生認(rèn)識次氯酸鈣的性質(zhì)，教師也可運(yùn)用說明書中的資料開展評價(jià)性提問，如：說明書中說到漂粉精會(huì)腐蝕金屬，可能的原因是什么？以診斷學(xué)生對于次氯酸鈣與次氯酸之間轉(zhuǎn)化的認(rèn)識。閱讀“含氯消毒劑”使用發(fā)展史的學(xué)生活動(dòng)中，學(xué)生可將提取的信息作為知識支架用來評價(jià)氯水和次氯酸鹽作為消毒劑的優(yōu)缺點(diǎn)，從而推測次氯酸的不穩(wěn)定性。綜上所述，深度學(xué)習(xí)中的情境要為學(xué)生進(jìn)行證據(jù)推理提供學(xué)習(xí)線索和思考依據(jù)。

2.重視認(rèn)知發(fā)展，開展有效的課堂評價(jià)

“教，學(xué)，評”一體化教學(xué)要求評價(jià)方式的多樣性，除了傳統(tǒng)的紙筆測試的方法外，課堂中實(shí)時(shí)提問互動(dòng)也是教師進(jìn)行有效評價(jià)及開展后續(xù)教學(xué)的依據(jù)，本教學(xué)案例中以9個(gè)問題（見圖1）為線索推進(jìn)教學(xué)，在環(huán)節(jié)一的教學(xué)中，以“你認(rèn)為…”“嘗試推測、評價(jià)…”等提問方式使問題更具有開放性，激活學(xué)生思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生運(yùn)用已有知識解決新情境中的問題，診斷學(xué)生能否基于物質(zhì)分類認(rèn)知物質(zhì)性質(zhì)，開展深度學(xué)習(xí)的教學(xué)。在環(huán)節(jié)二的教學(xué)中，教師的提問設(shè)計(jì)為“要研究次氯酸的性質(zhì)，我們首先應(yīng)該做什么？接下來我們要怎么做…”，以診斷學(xué)生是否能應(yīng)用認(rèn)知模型去解決新問題，同時(shí)潤物細(xì)無聲地引導(dǎo)學(xué)生鞏固、應(yīng)用認(rèn)識模型。因此，深度學(xué)習(xí)的課堂評價(jià)需以學(xué)生形成化學(xué)思維方式為導(dǎo)向。

3.培養(yǎng)高階思維，注意學(xué)生認(rèn)知水平的進(jìn)階

深度學(xué)習(xí)旨在培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，本教學(xué)案例以“科學(xué)使用含氯消毒劑”作為情景，以次氯酸和次氯酸鹽性質(zhì)學(xué)習(xí)為主要線索，旨在發(fā)展學(xué)生研究物質(zhì)性質(zhì)的基本程序的認(rèn)知模型。在教學(xué)中，該認(rèn)知模型的建構(gòu)分為兩段：第一段以日常生活中常見漂粉精中的次氯酸鈣為研究對象，在教師問題引導(dǎo)、探究實(shí)驗(yàn)的幫助下，使學(xué)生經(jīng)歷“觀察性狀、搜集資料→推測性質(zhì)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→得出結(jié)論”的探究過程。在抽絲剝繭般地發(fā)現(xiàn)次氯酸才是次氯酸鹽具有殺菌消毒作用的物質(zhì)后，以相同的方式將上述的研究程序應(yīng)用于次氯酸性質(zhì)的研究，為后續(xù)學(xué)習(xí)其他化學(xué)物質(zhì)做好方法論的準(zhǔn)備。因此，在深度學(xué)習(xí)的教學(xué)中，高階思維的形成、認(rèn)知模型的結(jié)構(gòu)必需層次清晰，這樣方可實(shí)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知的螺旋式上升。