滕明俊

一、以“核心問題”為驅(qū)動(dòng)的4MAT化學(xué)教學(xué)模式2019年發(fā)布的《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于新時(shí)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(dòng)式、啟發(fā)式、探究式、體驗(yàn)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(duì)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(guó)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(yàn)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(gè)部分（如圖1所示），以上四個(gè)問題構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，是學(xué)生在學(xué)習(xí)一個(gè)概念時(shí)需要經(jīng)歷的過程。學(xué)生通過體驗(yàn)、感知、內(nèi)化并付諸實(shí)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(lái)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(duì)4MAT教學(xué)模式進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究和實(shí)踐，但是從操作層面仍存在瓶頸，主要原因在于缺乏一個(gè)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(gè)內(nèi)容較好地串起來(lái)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(wú)縫對(duì)接，同時(shí)與學(xué)科素養(yǎng)的落實(shí)相契合，達(dá)到素養(yǎng)發(fā)展的落實(shí)和教育意義的實(shí)現(xiàn)。

為解決以上的難點(diǎn)，筆者提出并實(shí)踐了以“核心問題”為驅(qū)動(dòng)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(dòng)能將化學(xué)學(xué)科的大概念和核心素養(yǎng)落實(shí)分解到核心問題當(dāng)中，利用核心問題將章節(jié)中的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地串聯(lián)起來(lái)，形成完善的知識(shí)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(dòng)力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，同時(shí)也順應(yīng)以學(xué)生為中心的課堂設(shè)計(jì)理念。現(xiàn)以北京市區(qū)級(jí)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(dòng)的課例實(shí)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(diǎn)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(yàn)，對(duì)該原理的理解停留在表面;學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)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(yàn)，難以深刻理解該原理的問題，對(duì)本章內(nèi)容進(jìn)行整合，將測(cè)定反應(yīng)熱實(shí)驗(yàn)和蓋斯定律進(jìn)行融合，通過“測(cè)定氫氧化鈉與鹽酸中和反應(yīng)的反應(yīng)熱”的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)蓋斯定律進(jìn)行論證。以“如何測(cè)定在現(xiàn)實(shí)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(dòng)，開展基于4MAT模型的教學(xué)實(shí)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(shí)，進(jìn)一步深化對(duì)反應(yīng)熱測(cè)定、比熱容等概念的理解與應(yīng)用，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手操作獲取數(shù)據(jù)、分析和評(píng)價(jià)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(shí)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(cè)定為例，通過設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)路徑以及基于能量守恒定律來(lái)論證蓋斯定律。通過以上探究過程的設(shè)計(jì)、實(shí)踐、展示和評(píng)價(jià)，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知的水平;同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)。

（3）通過運(yùn)用蓋斯定律求解難以直接測(cè)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(duì)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(duì)社會(huì)發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)化學(xué)與社會(huì)關(guān)系的認(rèn)識(shí)水平以及在真實(shí)情景中的問題解決能力。

3.教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

“蓋斯定律”一課教學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)劃爬山，他想弄清楚從山腳A點(diǎn)到山頂D點(diǎn)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(diǎn)和D點(diǎn)海拔信息，而是提供了中間驛站B點(diǎn)、C點(diǎn)的海拔信息及與A、D兩點(diǎn)的高度差，根據(jù)以上間接的信息是否能夠推斷出A點(diǎn)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(lái)求得A→D的高度差。

追問：在化學(xué)反應(yīng)熱的測(cè)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(cè)量，比如難以測(cè)定碳單質(zhì)與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳的反應(yīng)熱，因?yàn)樵摲磻?yīng)發(fā)生的時(shí)候總是伴隨產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。如何測(cè)定在現(xiàn)實(shí)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(wú)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(shí)，無(wú)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(cè)：如果一個(gè)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(wú)關(guān)，那么就可以設(shè)計(jì)合適的反應(yīng)路徑獲得目標(biāo)反應(yīng)的焓變值。

設(shè)計(jì)意圖

通過設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)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(shí)，發(fā)展學(xué)生多角度、動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)變化的能力。

【第二階段】分析實(shí)例、提出猜想

素材提供：以真實(shí)反應(yīng)為例：

對(duì)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(gè)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(cè)定反應(yīng)A、B、C的焓變。這幾個(gè)反應(yīng)的焓變值之間存在什么樣的關(guān)系？

學(xué)生推測(cè)：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(jì)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(cè)定以上3個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱來(lái)論證蓋斯定律，使得抽象的定律轉(zhuǎn)變成更貼近實(shí)際的生活情景。重點(diǎn)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(shí)蓋斯定律的本質(zhì)特征，建立認(rèn)知模型，并運(yùn)用模型來(lái)解決問題。

【第三階段】系統(tǒng)探究、驗(yàn)證猜想

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

學(xué)生驗(yàn)證：學(xué)生收集、計(jì)算并展示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)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(yǔ)言來(lái)表述？

學(xué)生主張：考慮到焓是一個(gè)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(duì)于A→D的反應(yīng)，如果不能直接計(jì)算出反應(yīng)焓變?chǔ)，但是通過設(shè)計(jì)別的反應(yīng)路徑A→B、B→C、C→D并得到每一步的焓變?chǔ)1、ΔH2、ΔH3，則ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。說明若一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式可以由另外幾個(gè)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(gè)化學(xué)反應(yīng)焓變的代數(shù)和。

教師拓展：蓋斯在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出如下規(guī)律：一個(gè)化學(xué)反應(yīng)無(wú)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(gè)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)的規(guī)律，但是蓋斯定律實(shí)質(zhì)上是能量守恒定律的體現(xiàn)，能否用能量守恒定律來(lái)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(jì)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(gè)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?yàn)槲镔|(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(jì)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(yàn)、思考并動(dòng)手論證。學(xué)生既體會(huì)了化學(xué)家可以通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，又在教師的啟發(fā)下，理論和實(shí)踐相結(jié)合，由本質(zhì)推出變式，由個(gè)別推廣到一般，演繹和歸納能力得到鍛煉。同時(shí)，學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者和數(shù)據(jù)的分析者，落實(shí)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(diǎn)：證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。在反應(yīng)熱的測(cè)定中，學(xué)生通過小組合作、數(shù)據(jù)分享、獨(dú)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(shí)際， 遷移應(yīng)用

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

學(xué)生提煉并展示應(yīng)用場(chǎng)景：可以解決特殊場(chǎng)景下反應(yīng)熱測(cè)定困難的問題，比如以下情形可以運(yùn)用蓋斯定律來(lái)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(jì)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(shí)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?yàn)镃燃燒時(shí)不可能完全生成CO，總有一部分CO2生成，因此這個(gè)反應(yīng)的ΔH無(wú)法直接測(cè)得，如何根據(jù)蓋斯定律設(shè)計(jì)一個(gè)方案計(jì)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(jì)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(yùn)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(yùn)算式，對(duì)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(lái)計(jì)算反應(yīng)熱。

設(shè)計(jì)意圖 首尾呼應(yīng)，從實(shí)際問題引入開始到實(shí)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(cè)定的難題，讓學(xué)生深刻意識(shí)到化學(xué)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)生活的重大貢獻(xiàn)，發(fā)展其“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。此外，通過對(duì)蓋斯定律運(yùn)用流程的提煉，提升學(xué)生歸納概括的能力和運(yùn)用科學(xué)理論分析和解決實(shí)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(cè)定在現(xiàn)實(shí)條件下難以進(jìn)行的反應(yīng)的反應(yīng)熱？”為驅(qū)動(dòng)，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(dòng)手從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度來(lái)論證假設(shè)。學(xué)生在這個(gè)過程中完整地體驗(yàn)了一個(gè)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(lái)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(jì)中，以真實(shí)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(shì)。以上課例的實(shí)踐說明基于4MAT模型以“核心問題”為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)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(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度青年專項(xiàng)課題編號(hào)：CDCA2020111。

（收稿日期：2021-08-01）