商曉緒 趙亞楠

（1.朝陽區(qū)教育科學(xué)研究院 北京 100018；2.北京中學(xué) 北京 100026）

一、初中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)教學(xué)背景分析

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》［1］修訂原則提出堅持目標(biāo)導(dǎo)向，堅持問題導(dǎo)向，堅持創(chuàng)新導(dǎo)向。將重大的主題教育有機(jī)融入課程，注重對實(shí)際問題的有效回應(yīng)，強(qiáng)化課程的實(shí)踐性，推動育人方式變革，著力發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。教學(xué)和評價都是基于學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的，隨著發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的提出，考試評價方式也由知識立意轉(zhuǎn)向了能力立意和素養(yǎng)立意的學(xué)習(xí)評價，即將知識置于簡單或復(fù)雜的情境中，考查學(xué)生運(yùn)用知識解決問題的能力，從而來考查學(xué)生的學(xué)科知識和素養(yǎng)，如下圖所示：

圖1 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)評價體系

基于真實(shí)情境，以解決真實(shí)有意義的問題為任務(wù)驅(qū)動，運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識解決實(shí)際問題，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)?；瘜W(xué)是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，學(xué)習(xí)和運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)探究方法，離不開實(shí)驗(yàn)活動。教師應(yīng)結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)校實(shí)際，積極創(chuàng)造條件，通過多種途徑，安排和組織學(xué)生至少完成下列化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動。

表1 初中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)分析

學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的實(shí)質(zhì)是建立物質(zhì)組成、物質(zhì)制備、物質(zhì)分離、物質(zhì)結(jié)構(gòu)探究、反應(yīng)規(guī)律探究、物質(zhì)性質(zhì)探究的核心活動經(jīng)驗(yàn)，理解核心活動經(jīng)驗(yàn)并能在簡單情境中應(yīng)用，進(jìn)而遷移到復(fù)雜情境中創(chuàng)造性地應(yīng)用。從活動對象和目標(biāo)來看，實(shí)驗(yàn)探究活動可以分為兩類：利用性質(zhì)和規(guī)律實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的應(yīng)用類活動和探究物質(zhì)變化和物質(zhì)性質(zhì)的探究類活動。第一類活動的特點(diǎn)是其不指向發(fā)現(xiàn)新的事物或規(guī)律，而是應(yīng)用已知的物質(zhì)和規(guī)律進(jìn)行設(shè)計以獲得新的產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)，以設(shè)計為特征；第二類活動則是指向發(fā)現(xiàn)規(guī)律或性質(zhì)，以假設(shè)檢驗(yàn)和建構(gòu)解釋為特征［2］。因此，在教學(xué)中，應(yīng)深入挖掘八個必做實(shí)驗(yàn)的功能和價值，多角度尋找適合的真實(shí)問題的情境素材設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

基于以上分析，本文以“多角度認(rèn)識太空艙的制氧原理”為例，探究水的組成及變化，建構(gòu)基于解決真實(shí)問題的知識框架，梳理基于“宏觀-微觀-符號-圖形”四重表征的必做實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略，聚焦核心素養(yǎng)發(fā)展。

二、素養(yǎng)導(dǎo)向的必做實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

1.教學(xué)背景分析

電解水的學(xué)習(xí)在人教版教材第四單元課題3“水的組成”。在該課題內(nèi)容學(xué)習(xí)后，學(xué)生知道水通電分解后生成氫氣和氧氣，反應(yīng)過程中能看到兩極有氣泡產(chǎn)生，與電源正極相連的一端產(chǎn)生的氣體和與電源負(fù)極相連的一端產(chǎn)生的氣體的體積比為1∶2，會寫反應(yīng)的化學(xué)方程式等。但是這些知識都是零散的、缺少關(guān)聯(lián)的。特別是應(yīng)用知識解決實(shí)際問題時提取知識信息比較困難。同時利用電解水的實(shí)驗(yàn)來研究水的組成，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識到“可以通過不斷分解物質(zhì)直至不能分解為更簡單的成分為止”得到元素的游離態(tài)，進(jìn)而確定物質(zhì)的組成，這是人類研究和認(rèn)識物質(zhì)組成的一般方法。通過對電解水實(shí)驗(yàn)生成氫氣和氧氣體積比2∶1的分析，為水的化學(xué)式的確定提供事實(shí)依據(jù)［3］。

因此，“水的組成”的學(xué)習(xí)重在認(rèn)識電解水實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)，掌握通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究物質(zhì)元素組成的科學(xué)過程與方法。在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)將教學(xué)內(nèi)容融于真實(shí)問題的解決，建構(gòu)結(jié)構(gòu)化知識，同時調(diào)動多種教學(xué)感官，如宏觀、微觀、符號、圖形，發(fā)展學(xué)生多角度認(rèn)識水的組成及其變化，還能為學(xué)生從元素觀的角度研究物質(zhì)組成提供有力的證據(jù)支撐。

2.教學(xué)主線分析

在真實(shí)的問題情境下展開必做實(shí)驗(yàn)“水的組成”的學(xué)習(xí)，需要對學(xué)生結(jié)構(gòu)化的知識進(jìn)行建構(gòu)與梳理。在教學(xué)中以太空艙中制氧原理為真實(shí)的情境素材，學(xué)生在認(rèn)識學(xué)習(xí)太空艙制氧氣的原理過程中，從純凈物分解的角度認(rèn)識水的組成，宏微結(jié)合認(rèn)識水的分解實(shí)驗(yàn)，定性與定量結(jié)合認(rèn)識電解水，實(shí)現(xiàn)“多角度認(rèn)識太空艙的制氧原理”，教學(xué)問題與活動設(shè)計見圖2。同時，從宏觀、微觀、符號、圖形四個角度分析與總結(jié)，建構(gòu)關(guān)于水的組成的結(jié)構(gòu)化的知識體系。

圖2 水的組成教學(xué)流程

圖3 太空艙制取氧氣系統(tǒng)的剖面圖

圖4 電解水微觀實(shí)質(zhì)

圖5 電解水過程中水的質(zhì)量和生成氧氣的質(zhì)量的關(guān)系

3.教學(xué)流程

4.教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：情境引入激發(fā)興趣

【教師】載人航天是我國幾代航天人的夢想，如今我國已成功完成了多次載人飛行任務(wù)。最長的一次，宇航員要在太空艙中工作生活180天，在這個密閉的環(huán)境下生活，每天所需的氧氣從哪來呢？

【學(xué)生】用高錳酸鉀制取氧氣，用過氧化氫制取氧氣……

【教師】選擇的依據(jù)是什么？這些方法可以用于太空艙制氧氣嗎？

【學(xué)生】理論依據(jù)是均含有氧元素。討論，思考。

【教師】它主要是由這個神秘的制氧系統(tǒng)提供的。這個制氧系統(tǒng)真的那么神秘嗎？下面我們就來看一看這個制氧系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)的剖面圖。從這個圖示中你看到了什么？

【學(xué)生】空間站利用電解水的方法制取氧氣。

設(shè)計意圖：利用我國高科技的事件不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的愛國情感，同時能夠激發(fā)學(xué)生的興趣、創(chuàng)新意識與社會責(zé)任，讓學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)在解決真實(shí)問題方面的應(yīng)用。引導(dǎo)學(xué)生借助剖面圖的分析揭開制氧系統(tǒng)的神秘面紗，其實(shí)就是熟知的電解水這個反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)一步建立了物質(zhì)的性質(zhì)與物質(zhì)的用途之間的關(guān)系，物質(zhì)的性質(zhì)決定了物質(zhì)的用途，物質(zhì)的用途能夠體現(xiàn)物質(zhì)的性質(zhì)的學(xué)科思想。

環(huán)節(jié)二：宏觀認(rèn)識“電解水”

【教師】分析剖面圖，你能根據(jù)你所學(xué)的知識描述一下這個設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為什么是這樣的嗎？

【學(xué)生活動】根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中水電解器的原理，在設(shè)備中應(yīng)該有一個具有兩個盛放氣體容器的連通器，兩個電極和一個電源。對比分析實(shí)際裝置與實(shí)驗(yàn)室所學(xué)的熟悉裝置得出一致性的結(jié)論。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】電解水實(shí)驗(yàn)

【教師】請同學(xué)們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【學(xué)生】兩極有氣泡產(chǎn)生，且正極與負(fù)極產(chǎn)生氣體的體積比為1∶2，正極產(chǎn)生的氣體能支持燃燒，負(fù)極產(chǎn)生的氣體能燃燒。

設(shè)計意圖：通過對該問題的分析，明確該反應(yīng)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，正由于這些現(xiàn)象的產(chǎn)生才進(jìn)一步給水具有通電條件下分解的性質(zhì)提供了證據(jù)，提升了學(xué)生的證據(jù)意識及獲取證據(jù)的路徑和方法。學(xué)生了解到水在通電條件下分解是水的一條化學(xué)性質(zhì)，這條性質(zhì)可以用于太空艙的制氧裝置，并通過電解水實(shí)驗(yàn)裝置對應(yīng)的現(xiàn)象給水通電能分解這條性質(zhì)找到了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，無論是裝置、現(xiàn)象、性質(zhì)還是用途，都是從宏觀的視角認(rèn)識電解水這個反應(yīng)，建構(gòu)了宏觀表征相關(guān)知識之間的相互關(guān)系。

環(huán)節(jié)三：微觀認(rèn)識“電解水”

【教師】為什么我們會看到這樣一系列的宏觀表象呢？

【學(xué)生活動】借助電解水的微觀示意圖，從該反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)來分析。

水是由水分子構(gòu)成的，水分子在通電條件下分解為氫原子和氧原子，水中的氫原子顯正電性，向負(fù)極移動，每兩個氫原子構(gòu)成一個氫分子，氫分子在負(fù)極聚集成氫氣，而水中的氧原子顯負(fù)電性，向正極移動，每兩個氧原子構(gòu)成氧分子，氧分子在正極聚集成氧氣，且生成氫分子和氧分子的個數(shù)比是2∶1，于是我們就看到了上述的現(xiàn)象。

設(shè)計意圖：通過對電解水的微觀反應(yīng)過程的分析，了解該反應(yīng)的微觀表征，同時進(jìn)一步理解了宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，從而建立起宏觀表征與微觀表征之間的關(guān)系。

環(huán)節(jié)四：定量認(rèn)識“電解水”

【教師】我們還可以想一想，如果宇航員在太空平均一天要消耗0.8 kg 的氧氣，理論上一天至少需要電解多少水？

【學(xué)生活動】借助電解水的化學(xué)方程式進(jìn)行計算。

以此類推，我們可以分別得出，若電解1.8份質(zhì)量的水則生成1.6份質(zhì)量的氧氣，電解3.6份質(zhì)量的水則生成3.2份質(zhì)量的氧氣，電解9份質(zhì)量的水則生成8份質(zhì)量的氧氣。

表2 電解水過程中物質(zhì)定量關(guān)系

【學(xué)生活動】繪制消耗的水的質(zhì)量和生成氧氣的質(zhì)量的關(guān)系圖。

設(shè)計意圖：通過計算的過程理解符號表征與圖形表征之間的邏輯關(guān)系，并從定量的角度認(rèn)識電解水的化學(xué)反應(yīng)，同時采用列表和圖像的方式記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，促進(jìn)學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的定量表示方法及定量關(guān)系。通過圖像的方式將電解水的過程表示出來，目的是更好地幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)過程與圖形之間的內(nèi)在關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對圖形表征的理解及圖像信息的獲取與加工能力的提升。

環(huán)節(jié)五：結(jié)構(gòu)化認(rèn)識“電解水”

【學(xué)生活動】自我梳理，歸納總結(jié)，建構(gòu)如圖6所示的電解水的四重表征，多角度地認(rèn)識水。

圖6 結(jié)構(gòu)化認(rèn)識電解水

設(shè)計意圖：通過該環(huán)節(jié)的分析與梳理，使學(xué)生不僅從宏觀表征、微觀表征、符號表征和圖形表征四個角度認(rèn)識了電解水的化學(xué)反應(yīng)，還了解到這四重表征之間的內(nèi)在聯(lián)系，拓展遷移到化學(xué)的學(xué)習(xí)方法，利用四重表征的視角不僅可以認(rèn)識物質(zhì)的變化，還可以認(rèn)識物質(zhì)。

三、素養(yǎng)導(dǎo)向的知識結(jié)構(gòu)化建構(gòu)

在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)當(dāng)挖掘情境素材，設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的問題，宏微結(jié)合，運(yùn)用證據(jù)推理與模型認(rèn)知的思維方式，建立解決問題的思路方法［4］。在任務(wù)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)學(xué)生積極參與、產(chǎn)生情感共鳴、深度理解、自主建構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的知識體系，如圖7。運(yùn)用四重表征的視角學(xué)習(xí)化學(xué)，認(rèn)識化學(xué)物質(zhì)和物質(zhì)的變化，形成多角度認(rèn)識物質(zhì)的視角，不僅有助于知識之間建立起關(guān)聯(lián)，還能夠幫助學(xué)生加深對化學(xué)知識的理解，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的真正發(fā)生。

圖7 基于真實(shí)問題解決建構(gòu)結(jié)構(gòu)化知識體系

四、素養(yǎng)導(dǎo)向的必做實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

四重表征是認(rèn)識物質(zhì)及其變化的學(xué)習(xí)方法，不僅適用于初中化學(xué)的學(xué)習(xí)，而且適用于高中化學(xué)的學(xué)習(xí)。四重表征給學(xué)生留下了思考的空間，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的欲望，聯(lián)系太空艙這一特定的環(huán)境，如制氧裝置的結(jié)構(gòu)、攜帶物質(zhì)的用量、哪些物質(zhì)可以循環(huán)使用等問題，為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)及系統(tǒng)思考解決問題奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)課內(nèi)、課外學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合?；谒闹乇碚饕暯窍碌恼n堂教學(xué)模式，如圖8所示，是將知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的重要手段，為真實(shí)問題的解決提供了條件。

圖8 基于四重表征的課堂教學(xué)策略

我們在解決實(shí)際問題時，首先要將情境中的問題轉(zhuǎn)化為化學(xué)問題，調(diào)取已有的結(jié)構(gòu)化的知識來解釋情境中的問題，從而評價情境中的問題是否得到解決。情境中的問題是變化多樣的，也是我們抓不住的，但是我們具有的結(jié)構(gòu)化的知識是不變的，只有從四重表征的認(rèn)知視角建構(gòu)知識之間的關(guān)聯(lián)，才能促進(jìn)認(rèn)知的邏輯化和思維的系統(tǒng)化，才能真正做到運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的知識解決實(shí)際問題。

綜上所述，四重表征既是化學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是激活化學(xué)課程內(nèi)容的重要的認(rèn)識視角，它能夠幫助我們認(rèn)識到知識的共同特征和知識之間的關(guān)聯(lián)性，將所學(xué)知識在頭腦中組織形成知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并能夠在外界刺激下成功提取，運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的知識解決真實(shí)的、復(fù)雜的問題。