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        基于4MAT模式以 “核心問題”為驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)設(shè)計

        2021-12-07 02:01:36滕明俊
        中學(xué)化學(xué) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:蓋斯核心問題定律

        滕明俊

        一、以“核心問題”為驅(qū)動的4MAT化學(xué)教學(xué)模式2019年發(fā)布的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于新時代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》中明確提出:“深化課堂教學(xué)改革”積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學(xué)。在從“教”向“學(xué)”的轉(zhuǎn)變中,教師作為支持者和指導(dǎo)者,如何采用合適的策略,幫助學(xué)生建立起對學(xué)科關(guān)鍵概念的正確認(rèn)知并靈活應(yīng)用,促進(jìn)學(xué)生的深度理解,將是提高課堂質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

        美國學(xué)者麥卡錫(McCarthy)博士結(jié)合心理學(xué)、腦科學(xué)研究和體驗學(xué)習(xí)理論, 發(fā)展了4MAT教學(xué)模式(自然學(xué)習(xí)模式)。麥卡錫根據(jù)人們處理信息的方式將學(xué)習(xí)的過程主要分為了Why?(為什么) What?(是什么) How? (如何用)What if?(又能如何用)?四個部分(如圖1所示),以上四個問題構(gòu)成一個循環(huán),是學(xué)生在學(xué)習(xí)一個概念時需要經(jīng)歷的過程。學(xué)生通過體驗、感知、內(nèi)化并付諸實踐等方式,自主探尋并構(gòu)建關(guān)鍵概念的意義和內(nèi)涵,并最終應(yīng)用和遷移。該模式使得教師能夠在課堂的不同階段,采用不同的教與學(xué)的方式,來幫助學(xué)生深度理解關(guān)鍵概念。

        當(dāng)前中等教育工作者對4MAT教學(xué)模式進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究和實踐,但是從操作層面仍存在瓶頸,主要原因在于缺乏一個適合的載體將Why?(為什么) What?(是什么) How? (如何用)What if?(又能如何用)這四個內(nèi)容較好地串起來并融入課堂教學(xué)當(dāng)中。而其中,最為關(guān)鍵的是第一步,通過什么的方式設(shè)疑,既能引起學(xué)生的興趣,又能與課程內(nèi)容無縫對接,同時與學(xué)科素養(yǎng)的落實相契合,達(dá)到素養(yǎng)發(fā)展的落實和教育意義的實現(xiàn)。

        為解決以上的難點,筆者提出并實踐了以“核心問題”為驅(qū)動的4MAT模式(如圖2所示),通過核心問題一方面能聚焦學(xué)生,另一方面能夠順應(yīng)4MAT教學(xué)模式展開。以“核心問題”為驅(qū)動能將化學(xué)學(xué)科的大概念和核心素養(yǎng)落實分解到核心問題當(dāng)中,利用核心問題將章節(jié)中的知識點有機(jī)地串聯(lián)起來,形成完善的知識體系。通過核心問題的提出和解決,可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)動力,發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng),同時也順應(yīng)以學(xué)生為中心的課堂設(shè)計理念?,F(xiàn)以北京市區(qū)級公開課“蓋斯定律”為例進(jìn)行剖析,以期進(jìn)行反思并提供啟示。

        二、基于4MAT模式“核心問題”驅(qū)動的課例實踐

        1. 教材內(nèi)容及學(xué)情分析

        人教版高中化學(xué)教科書《化學(xué)反應(yīng)原理》(選修四)熱化學(xué)章節(jié)中關(guān)于“蓋斯定律”的教學(xué)內(nèi)容,其教學(xué)重點是學(xué)生能理解并正確應(yīng)用蓋斯定律。這部分是反應(yīng)熱學(xué)習(xí)的延續(xù),也為后續(xù)化學(xué)能轉(zhuǎn)化的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ),因此具有承上啟下的作用。

        蓋斯原理的學(xué)習(xí)較為抽象,學(xué)生往往只是記住結(jié)論并直接用于解題,沒有切身的體驗,對該原理的理解停留在表面;學(xué)生缺乏實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、實驗觀察和測量相結(jié)合的訓(xùn)練,難以建立反應(yīng)熱與化學(xué)變化之間的深層關(guān)系。

        為了解決學(xué)生缺乏深度學(xué)習(xí)體驗,難以深刻理解該原理的問題,對本章內(nèi)容進(jìn)行整合,將測定反應(yīng)熱實驗和蓋斯定律進(jìn)行融合,通過“測定氫氧化鈉與鹽酸中和反應(yīng)的反應(yīng)熱”的實驗,引導(dǎo)學(xué)生對蓋斯定律進(jìn)行論證。以“如何測定在現(xiàn)實條件下難以進(jìn)行的反應(yīng)的反應(yīng)熱?”為核心問題進(jìn)行驅(qū)動,開展基于4MAT模型的教學(xué)實踐以促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí),幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)理解蓋斯定律的同時,進(jìn)一步深化對反應(yīng)熱測定、比熱容等概念的理解與應(yīng)用,同時加強(qiáng)學(xué)生動手操作獲取數(shù)據(jù)、分析和評價數(shù)據(jù)的能力。

        2.教學(xué)目標(biāo)

        (1)通過海拔高度差的類比以及焓作為狀態(tài)函數(shù)的介紹, 學(xué)生能理解蓋斯定律提出的理論依據(jù)和基礎(chǔ),了解其在科學(xué)研究中的意義,同時掌握有關(guān)蓋斯定律的應(yīng)用。

        (2)以氫氧化鈉固體與鹽酸溶液的反應(yīng)熱測定為例,通過設(shè)計合理的反應(yīng)路徑以及基于能量守恒定律來論證蓋斯定律。通過以上探究過程的設(shè)計、實踐、展示和評價,發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知的水平;同時在實驗中體會科學(xué)家進(jìn)行實驗探究的完整過程,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、科學(xué)方法以及創(chuàng)新意識。

        (3)通過運用蓋斯定律求解難以直接測量的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱(如碳與氧氣生成一氧化碳的反應(yīng)熱),加深對反應(yīng)熱概念和蓋斯定律的理解。讓學(xué)生感受到化學(xué)對社會發(fā)展的巨大貢獻(xiàn),進(jìn)一步提升學(xué)生對化學(xué)與社會關(guān)系的認(rèn)識水平以及在真實情景中的問題解決能力。

        3.教學(xué)設(shè)計及實踐

        “蓋斯定律”一課教學(xué)設(shè)計如圖3所示。

        【第一階段】創(chuàng)設(shè)情景、引出問題

        設(shè)置問題情景:小王同學(xué)假期計劃爬山,他想弄清楚從山腳A點到山頂D點的海拔高度差有多少米。地圖上提供了三條路徑,但沒有直接提供A點和D點海拔信息,而是提供了中間驛站B點、C點的海拔信息及與A、D兩點的高度差,根據(jù)以上間接的信息是否能夠推斷出A點和D的海拔高度差?

        學(xué)生思考并回應(yīng):可以通過A→B,B→C,C→D的高度差來求得A→D的高度差。

        追問:在化學(xué)反應(yīng)熱的測定中,也存在這樣類似的沒有直接數(shù)據(jù)可參考的問題。比如,受反應(yīng)條件的限制,有的反應(yīng)的焓變很難直接測量,比如難以測定碳單質(zhì)與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳的反應(yīng)熱,因為該反應(yīng)發(fā)生的時候總是伴隨產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。如何測定在現(xiàn)實條件下難以進(jìn)行的反應(yīng)的反應(yīng)熱?

        教師啟發(fā):在指定狀態(tài)下,各種物質(zhì)的焓值都具有確定的數(shù)值,因此從反應(yīng)物變成產(chǎn)物,無論經(jīng)過哪些步驟,他們的焓的差值都是不變的。就好比登山時,無論是徒步攀登,還是坐纜車直達(dá)山頂,雖然路徑不同,但是總的上升高度是一樣的。

        學(xué)生推測:如果一個化學(xué)反應(yīng)的焓變只取決與反應(yīng)體系的終態(tài)和始態(tài),與反應(yīng)途徑無關(guān),那么就可以設(shè)計合適的反應(yīng)路徑獲得目標(biāo)反應(yīng)的焓變值。

        設(shè)計意圖

        通過設(shè)計實際問題情景,利用類比的方法為蓋斯定律的引出做好鋪墊。激發(fā)學(xué)生興趣,引發(fā)學(xué)生猜想,促進(jìn)學(xué)生對焓的定義的深度理解,為蓋斯定律的探究奠定理論基礎(chǔ)。同時,發(fā)展學(xué)生多角度、動態(tài)地分析化學(xué)變化的能力。

        【第二階段】分析實例、提出猜想

        素材提供:以真實反應(yīng)為例:

        對于中和反應(yīng)A:

        NaOH(s)+H+(aq)+Cl-(aq)

        Na+(aq)+Cl-(aq)+H2O ΔHA

        是否可以由另外幾個熱化學(xué)方程式相加減而得到?

        學(xué)生討論分享:

        (1)氫氧化鈉固體溶解的過程B:

        NaOH(s)Na+(aq)+OH-(aq) ΔHB

        (2) NaOH溶液和HCl溶液的中和反應(yīng)C:

        Na+(aq)+OH-(aq)+H+(aq)+Cl-(aq)

        Na+(aq)+Cl-(aq)+H2O

        ΔHC

        啟發(fā):我們可以直接測定反應(yīng)A、B、C的焓變。這幾個反應(yīng)的焓變值之間存在什么樣的關(guān)系?

        學(xué)生推測:反應(yīng)A可以由反應(yīng)B和反應(yīng)C相加而得到,則可能存在ΔHA=ΔHB+ΔHC

        設(shè)計意圖

        本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生將熟悉的氫氧化鈉固體與鹽酸溶液的中和反應(yīng)拆分成氫氧化鈉固體的溶解和氫氧化鈉溶液與鹽酸溶液的中和反應(yīng),通過測定以上3個反應(yīng)的反應(yīng)熱來論證蓋斯定律,使得抽象的定律轉(zhuǎn)變成更貼近實際的生活情景。重點發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生通過分析、推理和演繹等方式不斷接近和認(rèn)識蓋斯定律的本質(zhì)特征,建立認(rèn)知模型,并運用模型來解決問題。

        【第三階段】系統(tǒng)探究、驗證猜想

        教師展示量熱計的使用并說明注意事項,學(xué)生聆聽,了解任務(wù)要求,分組進(jìn)行實驗。通過量熱計收集各組相關(guān)數(shù)據(jù),利用Q=C×m×ΔT, 計算出反應(yīng)熱;利用ΔH=Q/n計算出反應(yīng)焓變ΔHA、ΔHB、ΔHC。

        學(xué)生驗證:學(xué)生收集、計算并展示數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)表明:在誤差范圍內(nèi)(<5%),存在以下關(guān)系ΔHA=ΔHB+ΔHC。 (備注:理論值:氫氧化鈉的溶解焓:-44.6 kJ/mol, 氫氧化鈉和鹽酸的中和熱:-57.3 kJ/mol)

        問題啟發(fā): 以上的結(jié)論是否可以進(jìn)行推廣并用科學(xué)的語言來表述?

        學(xué)生主張:考慮到焓是一個狀態(tài)函數(shù),以上結(jié)論可以遷移到一般的化學(xué)反應(yīng)中。對于A→D的反應(yīng),如果不能直接計算出反應(yīng)焓變ΔH,但是通過設(shè)計別的反應(yīng)路徑A→B、B→C、C→D并得到每一步的焓變ΔH1、ΔH2、ΔH3,則ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。說明若一個化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式可以由另外幾個化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式相加減而得到,則該化學(xué)反應(yīng)的焓變即為另外幾個化學(xué)反應(yīng)焓變的代數(shù)和。

        教師拓展:蓋斯在大量實驗的基礎(chǔ)上,總結(jié)出如下規(guī)律:一個化學(xué)反應(yīng)無論是一步完成還是分幾步完成,反應(yīng)熱都是一樣的,此定律稱為蓋斯定律。雖然這是一個基于實驗數(shù)據(jù)總結(jié)的規(guī)律,但是蓋斯定律實質(zhì)上是能量守恒定律的體現(xiàn),能否用能量守恒定律來論證蓋斯定律?

        學(xué)生探究:

        目標(biāo)反應(yīng)為從始態(tài)A變化到到終態(tài)D,體系的焓變是ΔH。如圖4所示,可以設(shè)計另外途徑:從A到B、B到C,C到D,體系的焓變分別為ΔH1,ΔH2,ΔH3 。假設(shè)經(jīng)過一個循環(huán),從始態(tài)A出發(fā)經(jīng)過B、C、D,再回到A, 體系仍處于A態(tài),因為物質(zhì)沒有發(fā)生變化,所以就不能引發(fā)能量變化,即ΔH1+ΔH2+ΔH3-ΔH=0。所以ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3圖4

        設(shè)計意圖 改變了以往將蓋斯定律直接教授給學(xué)生的方式,而是換用科學(xué)探究的方式讓學(xué)生親身體驗、思考并動手論證。學(xué)生既體會了化學(xué)家可以通過巧妙的實驗設(shè)計,又在教師的啟發(fā)下,理論和實踐相結(jié)合,由本質(zhì)推出變式,由個別推廣到一般,演繹和歸納能力得到鍛煉。同時,學(xué)生成為實驗的主導(dǎo)者和數(shù)據(jù)的分析者,落實了新課程標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵第三和第四點:證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。在反應(yīng)熱的測定中,學(xué)生通過小組合作、數(shù)據(jù)分享、獨立分析給出結(jié)論,能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系,確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑。

        【第四階段】聯(lián)系實際, 遷移應(yīng)用

        教師追問:蓋斯定律在實際生產(chǎn)生活中有哪些獨特的應(yīng)用?

        學(xué)生提煉并展示應(yīng)用場景:可以解決特殊場景下反應(yīng)熱測定困難的問題,比如以下情形可以運用蓋斯定律來解決:

        (1) 進(jìn)行得很緩慢的反應(yīng);

        (2) 在特定條件下不容易直接發(fā)生的反應(yīng);

        (3) 伴隨有副反應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)。

        追問探究:蓋斯定律解決問題的關(guān)鍵是設(shè)計流程,從反應(yīng)物開始,經(jīng)歷若干中間反應(yīng)(不一定是真實的反應(yīng)歷程),最終生成生成物。

        本節(jié)課開始階段曾經(jīng)提到因為C燃燒時不可能完全生成CO,總有一部分CO2生成,因此這個反應(yīng)的ΔH無法直接測得,如何根據(jù)蓋斯定律設(shè)計一個方案計算該反應(yīng)的ΔH?需要哪些數(shù)據(jù)?

        學(xué)生討論分享:

        為了規(guī)避不完全燃燒的情況,可以設(shè)計C完全燃燒及其CO完全燃燒的反應(yīng),因此需要C及其CO分別在氧氣下完全燃燒的反應(yīng)熱,然后通過數(shù)學(xué)處理將熱化學(xué)方程式相加減而得到C不完全燃燒生成CO的反應(yīng)熱。

        C(s, 石墨)+O2 (g)CO2(g)

        ΔH1=-393.5 kJ/mol①

        CO(g)+12 O2CO2(g)

        ΔH2=-283.0 kJ/mol②

        ①-②得到:

        C(s, 石墨)+12 O2 (g)CO(g)

        ΔH總=ΔH1-ΔH2

        問題啟發(fā):蓋斯定律運用的基本流程是什么?

        學(xué)生提煉:寫出目標(biāo)熱化學(xué)方程式,確定“過渡物質(zhì)”(要消去的物質(zhì)),然后用消元法逐一消去“過渡物質(zhì)”,從而導(dǎo)出四則運算式,對熱化學(xué)方程式進(jìn)行適當(dāng)變形,ΔH進(jìn)行相應(yīng)的變化后來計算反應(yīng)熱。

        設(shè)計意圖 首尾呼應(yīng),從實際問題引入開始到實際問題的解決結(jié)束,引導(dǎo)學(xué)生“學(xué)以致用”,從單純的“解題”向“解決問題”進(jìn)行轉(zhuǎn)變。通過解決CO生成焓測定的難題,讓學(xué)生深刻意識到化學(xué)對社會生產(chǎn)生活的重大貢獻(xiàn),發(fā)展其“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。此外,通過對蓋斯定律運用流程的提煉,提升學(xué)生歸納概括的能力和運用科學(xué)理論分析和解決實際問題的能力。

        三、反思與啟示

        在本課例中,以核心問題“如何測定在現(xiàn)實條件下難以進(jìn)行的反應(yīng)的反應(yīng)熱?”為驅(qū)動,激發(fā)學(xué)生好奇心,引發(fā)學(xué)生深度思考,從而提出假設(shè)并親自動手從理論和實驗兩個角度來論證假設(shè)。學(xué)生在這個過程中完整地體驗了一個概念或者結(jié)論的形成、論證和遷移的過程,逐漸學(xué)習(xí)從科學(xué)家的視角來看待問題、分析問題并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地解決新問題。在整體的設(shè)計中,以真實問題為情景,與關(guān)鍵概念建立起意義關(guān)聯(lián),從核心問題切入,最后以學(xué)生自主探究解決核心問題結(jié)束,較好地體現(xiàn)了以學(xué)生為主體,從教走向?qū)W的課改趨勢。以上課例的實踐說明基于4MAT模型以“核心問題”為驅(qū)動的教學(xué)模式,可以促進(jìn)學(xué)生對核心概念的深度理解,有利于發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng),值得進(jìn)一步研究和關(guān)注。

        基金項目:北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度青年專項課題編號:CDCA2020111。

        (收稿日期:2021-08-01)

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