初中化學挑戰性教學模式的應用研究
——以“奇妙的二氧化碳”教學為例

江蘇省蘇州市吳江區同里中學（215200）顧永宏 王寶權

一、挑戰性教學模式概述

在初中化學課堂教學中，可采用“一主體二支架三條線”挑戰性教學模式（見圖1），結合學生的最近發展區，以學生為主體確定挑戰性教學目標，運用有效的挑戰性教學策略，以“問題鏈”為導線，以“活動鏈”為情境，以“學科素養”為目標，通過科學探究，引導學生在實現挑戰性學習目標、夯實學科知識的同時體驗學科思維和學科觀念的形成過程，從而達到深度學習之目的，逐步提升學生的化學學科核心素養。本文以滬教版九年級化學上冊第二章第二節“奇妙的二氧化碳”的教學為例，探討基于挑戰性教學模式提升學生學科核心素養的化學課堂教學設計策略。

二、挑戰性教學模式下的教學設計思路

本節課以真假干冰的鑒別引入課題，讓學生結合課前的預習及已有的生活學習經驗，對干冰和冰提出合理的鑒別方案，并根據方案進行實驗驗證。在接下來的教學環節中，依照科學探究流程（見圖2），進行環環相扣的“問題鏈”和“活動鏈”設計。首先，創設挑戰性探究情境“如何證明二氧化碳與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣和水？”，以加深學生對二氧化碳與石灰水反應中水的作用的理解。接著，提出“怎樣證明二氧化碳能與水反應？”這一問題，讓學生設計實驗探究二氧化碳通入紫色石蕊溶液中，溶液由紫色變為紅色的原因，同時引導學生查閱文獻資料，找出自己的實驗設計與資料和教材中的實驗設計的異同。最后，提出“二氧化碳能否與氫氧化鈣反應，你能證明嗎？”這一問題，讓學生根據科學探究流程，做出合理的猜想，再通過查閱文獻資料或實驗探究進行相應的證實或證偽。學生經歷挑戰性問題的回答、實驗探究的親身參與，進而形成對二氧化碳常見物理性質、化學性質及其用途的深度認識。

三、教學過程

（一）以問題鏈為導線，創設實驗探究情境，形成學科觀念

【活動一】鑒別冰和干冰。

［問題引導］同學們，現在有兩塊無色固體，請猜測它們分別是什么，并思考怎樣區別它們。

［做出猜想］一塊是冰，一塊是干冰。

［實驗探究］分別用一張紙包裹以上固體，若紙上有水跡的是冰，沒有水跡的是干冰；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……

［問題引導］由以上實驗現象能得出干冰（二氧化碳）具有哪些性質和用途？

［分析討論］干冰易升華，可以做制冷劑，制造舞臺云霧，進行人工降雨；一般情況下，二氧化碳氣體的密度比空氣大，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。

設計意圖：經過小學科學、初中生物和物理學科的學習，學生已經初步具備結合情境做出猜想、設計實驗、進行實驗、證據推理、得出結論的能力。以學生素養提升為本，通過問題鏈的引導，借助真假干冰的辨別，既能引入課題，又能激發學生主動探究的興趣，讓學生逐步形成“變化體現性質，性質決定用途”的學科觀念。

［銜接過渡］干冰升華后產生的氣體你能看得到嗎？（不能）說明二氧化碳通常情況下是什么狀態？（無色、無味的氣體）如何檢驗它的存在呢？（可將它通入澄清的石灰水）

（二）以問題鏈為導線，以實驗探究為載體，激發學生的挑戰欲望

【活動二】探究二氧化碳和石灰水的反應。

［問題引導］根據前一節的學習，同學們已經知道二氧化碳可以用澄清的石灰水來檢驗。請問它們是怎樣反應的呢？

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

［實驗探究］把干冰裝在大試管中作為二氧化碳氣體的輸出源，通過導氣管不斷地通入另一支盛放少量石灰水的小試管中。

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

設計意圖：通過問題鏈的引導，讓學生對看似平常的二氧化碳的檢驗實驗進行仔細觀察，并認真描述實驗現象，從平常中發現不尋常（石灰水并非立刻變渾濁，且繼續通入二氧化碳一段時間后渾濁的石灰水又逐漸變澄清），進而引發學生的認知沖突，激發學生的挑戰欲望。

［問題引導］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）

［提出問題］二氧化碳能不能溶于水，是否能和水反應？

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

［教師追問］怎樣證明二氧化碳確實與水發生了反應？

［實驗設計］可以用紫色石蕊試液變紅來檢驗有酸性物質生成。

［實驗探究］學生把干冰放在試管里，通過帶有橡皮塞的導管把二氧化碳氣體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］會不會是二氧化碳使溶液變紅呢？怎樣證明？

［實驗探究］學生小組先將濾紙浸泡在紫色石蕊試液中，然后用吹風機吹干，接著將干燥的石蕊試紙放在盛有干冰的試管口，再與滴過水的紫色石蕊試紙進行對比。

［實驗現象］學生發現放在盛有干冰的試管口的干燥石蕊試紙沒有變紅，而滴過水的石蕊試紙變紅了。

［得出結論］說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。

［提出問題］紫色石蕊為什么會變紅呢？（遇到了酸性物質）

［教師追問］你可以用實驗證明嗎？

［實驗設計］可以用前面學過的稀鹽酸或白醋來證明。

［實驗探究］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。（平時教師演示時通常是在稀酸中滴入2～3 滴的紫色石蕊試液，雖然溶液也會變紅，但現象不明顯）

設計意圖：以學生素養提升為本，讓學生通過具有挑戰性的實驗設計和親身實驗去驗證教材上的某一個結論，以此增強學生的感性認識，培養學生實驗驗證能力和證據推理能力。

（三）以問題鏈為導線，借助實驗改進，提升學生的創新精神與信息檢索素養

【活動三】碳酸有關性質的探究。

［問題引導］碳酸穩定嗎？怎樣證明？

［實驗設計］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，說明碳酸分解成了二氧化碳和水。

［問題引導］這樣設計嚴謹嗎？如何檢驗生成的氣體是二氧化碳？（不嚴謹，應該將產生的氣體通入澄清石灰水中，看是否能使其變渾濁）

設計意圖：通過問題鏈的引導，促使學生對課本實驗的不足進行挑戰性思考，并改進相關實驗，從而讓學生體驗到實驗方案設計的嚴謹性和重要性，感受到好的實驗設計方案能更充分地體現出證據的可靠性、推理的邏輯性；在充滿挑戰性的學習情境中不斷提升學生的學科核心素養。

［實驗探究］把紅色溶液倒入一支大試管中，并連接好帶有橡皮塞的導管，把導管通入澄清石灰水中；加熱大試管，觀察現象。

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

猜想1：一定是，因為二氧化碳與水反應沒有明顯的現象。

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

猜想3：以上兩種情況可能同時發生。

［教師引導］哪種猜想正確呢？讓我們來查閱資料吧。

［呈現資料］沈鶴鳴等學者的研究表明：二氧化碳與氫氧化鈣的反應必須要有水參加，否則無法進行［1］。吳文中在《澄清石灰水與二氧化碳的作用機理和實驗探究》一文中指出：澄清石灰水中通入二氧化碳的實驗研究分為兩段，第1 段是碳酸鈣的沉淀過程，其作用機理一般而言，就是簡單的酸堿溶液之間的離子反應［2］。

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

設計意圖：從眾多資料中提取有用信息的能力是進行科學探究和證據推理不可缺少的素養和能力。這種能力需要在學習中逐漸養成，真正讓學生體會到尋找證據的樂趣，體驗文獻資料在科學探究中的重要作用；讓學生不僅掌握課本上的知識，還學會利用網絡進行文獻搜索并進行有用信息的篩選和提取，在挑戰性學習的過程中逐步提升個人能力和素養。

四、教學反思

本節課以真假干冰的鑒別引入課題，通過問題鏈引導依次進行二氧化碳的性質探究實驗，主要設計了三個課堂探究活動，所有的實驗及教學活動都緊緊圍繞如何科學地探究目標物質來展開，形成了環環相扣的實驗教學主線，讓學生在思考中深度學習，在探究中鍛煉實驗設計能力和動手操作能力，養成實驗探究的科學態度。

二氧化碳的性質探究實驗看似簡單，但若能引導學生厘清化學反應的機理，必然能增強學生的探究能力和思考能力，提高學生的問題意識和邏輯思維能力。教師結合學生的最近發展區，確定挑戰性教學目標，運用有效的挑戰性教學策略，促使學生在真實的問題情境中體驗實驗設計、實驗探究、文獻資料查閱、分析討論、得出結論等，從而逐步提升學生的證據推理、科學探究及創新意識等學科核心素養。

提升學生的學科核心素養，需要教師認真開展“素養為本”的課堂教學實踐，積極探索“素養為本”的有效教學策略和模式。在課堂教學設計和實施中，合理確定可操作的基于學科核心素養的教學目標，參照學生的最近發展區開展實驗探究活動，有目的、有計劃地引導學生運用挑戰性思維方式和方法學習相關學科知識；在學科知識結構化的過程中理解學科核心觀念；設置基于真實情境的問題探究任務，使學生在探究問題的過程中逐步提升學科核心素養。

“素養為本”的課堂教學設計與實施，對初中化學教師來說是一個富有挑戰性的研究課題。教師應積極開展“素養為本”的課堂教學研究，在研究中總結和提煉發展學生學科核心素養的有效途徑、方法和策略，提升自身開展“素養為本”的課堂教學的能力［3］。