指向深度學習的化學實驗項目式教學研究

劉佳奇 林繩軒

杭州師范大學附屬未來科技城學校(311121)

化學是一門以實驗為基礎的自然學科,在中學化學教育中,實驗是不可或缺的?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準》倡導“素養為本”的教學,創設真實問題情境,開展以化學實驗為主的多種探究活動,通過實驗探究培養學生的學科核心素養。但實際教學中,學生自主實驗少,教師演示實驗多,演示實驗對于學生來說是被動接受,是淺層學習,在拓展學生知識和學科思維方面作用不足。為提高化學實驗的有效性,本文嘗試以項目式教學理念開發實驗教學并促進實驗深度學習。

1 深度學習

1.1 深度學習的內涵

深度學習是一種基于理解的學習,是對原有知識進行再認識、再構建,并批判性地吸收新知識、新思想,從而將眾多的思想聯系、遷移,最終做出正確的決策與解決問題的學習[1],是觸及知識內核和心靈深處的問題解決式學習[2]。深度學習有助于學習者積極地批判性理解,達成知識網絡化,理解知識的現實意義,實現有意義學習。

1.2 深度學習的達成路徑

胡久華教授認為挑戰性主題、學習目標、學習活動、持續性評價是開展深度學習的4個要素,實現深度學習需要讓學生親歷問題解決過程,充分體驗實踐,充分預設和生成,深度互動,教師指導與講解到位[3]。

達到化學深度學習需要教師關注學生原有認知結構,研讀課程標準,精選研究主題,突出實驗探究,進行持續性評價。通過真實情境激發學生的學習興趣,借助項目式教學、問題解決教學、實驗探究教學、議題式教學等方式來實現化學深度學習。

2 指向深度學習的實驗項目式教學

項目式教學是以項目驅動問題為出發點,在真實情境中以學生為探究和執行的主體,運用各種工具及資源解決實際問題,產生可以交流的成果或產品。實驗項目式教學需突出實驗的引領作用,由學生小組合作進行有挑戰性的實驗探究,獲得具有價值的成果或者產品,從而激發學生對未知領導的探索欲、落實學生核心素養、提升學生關鍵能力和必備品格。

3 項目式實驗教學內容要求與教學流程

3.1 課標內容要求

“鈉及其化合物”這節課的知識承載培養學生通過實驗探究來研究物質性質的一般方法,相關教學能夠促進學生對物質分類、氧化還原反應的理解,為學生繼續學習其他元素及其化合物、構建物質結構和元素周期律等理論知識奠定基礎和提供理論模式。

3.2 項目教學目標

(1) 能夠根據結構分析預測實驗現象,并會設計實驗探究,理解鈉的相關反應,會書寫相關化學方程式。形成宏觀辨識、微觀探析、證據推理、科學精神等學科核心素養。

(2) 通過學習鈉的相關應用,感受化學魅力,發展社會參與意識。

3.3 教學流程

本項目以鈉的性質為知識背景,選擇“曾青得鈉可否化為銅”這一統領性項目展開探究,將主項目分為6個子項目,環環相扣,逐級進階。具體流程見表1。

表1 鈉與水反應的試驗記錄

表1 “曾青得鈉”教學流程

4 教學實錄

4.1 “曾青得鐵”

課堂導入:我國早在距今2000余年前的西漢時期,《淮南萬畢術》中就有“曾青得鐵則化為銅”的記述,此乃現代濕法冶金術之先驅。從現代化學觀點理解,“曾青”的主要成分是硫酸銅,今天就讓我們繼續來研究這個反應,請同學們將其復現。

PPT呈現濕法煉銅的圖片。

學生實驗1:鐵釘與硫酸銅溶液反應

教師:請描述實驗現象,思考該反應為什么能夠發生?

教師:請用化學方程式賦予最恰當的解釋。該反應的類型是什么?

學生:鐵釘表面出現了一層古銅色物質,活潑金屬可以置換出不活潑的金屬。

教師追問:既然活潑金屬可以置換出不活潑的金屬,“曾青得鈉”可否化為銅?請展開思考并進行預測。

學生預測1:①鈉可以置換出曾青溶液中的銅單質;②鈉不可以置換出曾青溶液中的銅單質。

設計意圖:使用古籍引出主項目,具有真實性、趣味性、挑戰性,激發學生學習興趣,并引導學生展開合理預測,推進項目的進行。置換反應是學生初中已經掌握的,在學生已有基礎上展開教學,降低入門難度,有助于形成知識結構化。

4.2 觀察鈉

教師:我們對鈉能否置換出曾青溶液中的銅單質具有不同的看法。那么我們先來研究鈉,請觀察鈉單質,歸納其物理性質。

學生實驗2:觀察鈉,切割鈉

學生:鈉沉在煤油底部,鈉與煤油不反應,鈉具有金屬光澤,鈉非常柔軟,可以被切割。

設計意圖:由宏觀視角認識鈉的物理性質,符合認識元素的一般思路。

4.3 “氧氣得鈉”

教師:請注意看剛切開的鈉表面的金屬光澤很快消失并變暗。請思考為什么?

學生:鈉非?；顫?與空氣中氧氣很快發生了反應。

教師:結合鈉單質的結構,請解釋。

學生:鈉的核外電子排布為2、8、1,最外層的那個電子非常想離開,所以鈉具有很強的還原性,非?；顫?可以與氧化劑迅速反應。

方程式:4Na+O2= 2Na2O

教師:如果鈉在空氣中燃燒會生成什么?

學生實驗3:鈉與氧氣的反應

學生總結實驗現象:鈉受熱后先融化,然后與氧氣劇烈反應,發出黃色火焰,最后生成淡黃色固體。

設計意圖:初步認識鈉的化學性質,觀察實驗現象,解釋反應發生的本質原因,由宏觀到微觀,符合認知發展的順序。

4.4 “曾青得鈉”

教師:觀察完鈉后,我們回到主任務,請同學們再次預測實驗現象并帶著思考進行實驗。

學生實驗4:鈉與硫酸銅溶液反應

實驗現象:鈉在硫酸銅溶液表面迅速反應,有火星,鈉四處亂竄,最終生成藍色絮狀沉淀。

教師:鈉不能置換出硫酸銅溶液中的銅,那么藍色絮狀沉淀是什么呢?

學生預測2:藍色絮狀沉淀可能是氫氧化銅。

教師:氫氧根如何檢驗,為何產生?

學生:使用酚酞檢驗溶液堿性,可能是鈉與水反應產生的。

設計意圖:在了解鈉非?；顫娺@一事實性知識后,基于已有認知進行合理預測并進行實驗,發展學生的證據推理和科學探究等核心素養,流暢引出下一子項目。

4.5 “水得鈉”

學生實驗5:鈉與水反應

教師:請歸納實驗現象,完成表1。

教師:請完成鈉與水的化學方程式。

學生預測3:對于氣體產物有疑問,到底是氫氣還是氧氣。

教師:面對產物不全的氧化還原方程式,我們該如何確定產物?

學生:實驗出真知。

教師:實驗是一個好方法,但是我們也可以根據得失電子守恒來判斷,如果產物是氧氣,那么參與反應的鈉元素化合價升高,水中氧元素化合價升高,不符合氧化還原規律。掌握基本規律有助于我們更深刻地認識化學反應。

化學方程式:2Na+2H2O=2NaOH+H2

教師:思考鈉與水反應的實質。

學生:相當于鈉置換出了水中的氫元素。

教師:那么請預測鈉與稀或者濃鹽酸反應是否更劇烈?

學生預測4:稀鹽酸和濃鹽酸中有更多的氫離子,應該會反應更劇烈。

學生實驗6:鈉與稀或者濃鹽酸反應。

學生:稀鹽酸與我們的預測一致,但是鈉與濃鹽酸反應平穩,速率比在水中還要慢。

學生解釋:由微觀分析,濃鹽酸中電離出的氫離子更少,所以反應更慢,反應實質為2Na+2H+=2Na++H2。

設計意圖:充分運用POE(預測—觀察—解釋)教學策略,發揮學生的主體地位,在做中學。強化宏觀—微觀—符號間的聯系,突出化學反應的本質,促進學生的深度學習。

4.6 再探“曾青得鈉”

教師:我們通過實驗探究確定鈉不能與硫酸銅溶液反應置換出銅單質,那么有沒有別的途徑由鈉制銅?

學生:鈉首先和水會反應,或許我們可以創造無水體系進行實驗。

教師實驗7:鈉與熔融硫酸銅反應。

實驗結論:鈉置換出了黃色物質,經過稀鹽酸浸泡,得到固體,確定是銅單質。

學生:鈉可以置換出熔融狀態下的不活潑金屬單質。

實際應用:金屬鈦被稱之為“21世紀的金屬”,外觀與鋼相似、質量卻比鋼還要輕45%,儲量是銅鎳鉛鋅總量的16倍,號稱“全球最硬的金屬”,可應用于軍事、醫學等領域。但鈦單質在高溫狀態下變得異?；顫?在提煉的過程中會與空氣中的多種物質發生反應。

教師:請同學們根據今天所學,思考如何制備鈦單質。

設計意圖:在學生進行系列化的項目式試驗后,確定“曾青得鈉”也可以置換出銅,體會科學求真的樂趣。了解鈉在金屬冶煉中的應用,在項目式實驗中實現深度學習。

5 教學反思

本課例以“曾青得鈉”為實驗項目展開一系列的探究,由學生主動將具有挑戰性的總項目分為6個子項目,將鈉與氧氣、水、鹽酸、硫酸銅溶液等一系列實驗串聯起來,層層遞進,最終解決實際問題。在思考與項目化實驗中,達成實驗的深度學習,實現學科核心素養落地。關于達成深度學習的項目式實驗教學有如下思考。

5.1 關注學情與課標

教師需縱向分析學生的“過去—現在—未來”。關注過去:了解學生已經學習的知識內容和認知結構,確定課堂深度學習的“起點”。掌握現在:在學生的生活經驗與學習內容之間搭建橋梁,更好地幫助學生實現對知識的理解、分析、應用和遷移。把握將來:引導學生建立“將有”與“已有”知識、經驗和能力之間的內在關聯?！皺M向”分析學習內容的“課標要求—教材內容—評價目標”,教師將學情與學習內容進行匹配,確保深度學習的內容契合自己學生層次,順利開展深度教學。

5.2 尋找統領性的實驗項目主題

實驗項目主題是展開項目式教學的核心所在,是驅動學生學習的關鍵。教師需要參考教材和課程標準中的實驗要求,結合實際實驗條件開發具有統領性、趣味性、真實性、挑戰性、發散性的系列化項目式實驗。本文以“曾青得鈉”為實驗項目展開一系列的探究,將鈉與氧氣、水等一系列實驗串聯起來,在項目式主題統領下學生自然而然地過渡到下一個子實驗。在碳酸氫鈉和碳酸鈉的實驗教學中,設置“超市中的蘇打產品鑒別”這一統領性實驗項目,引導學生探究它們的鑒別方法,展開系列化的實驗探究。

5.3 注重學習進階

項目式實驗教學中,項目難度需要有梯度,有進階。學生小組將有挑戰性的總項目進行分解得到多個子項目,子項目間需要環環相扣,明線包含知識的深入,暗線包含學科方法、思想的進階。教師在進行教學設計時即進行充分預設,課堂上進行一定的引導,關注學生的課堂表現,促進學生知識和思維的進階。

5.4 強化POE教學策略

POE教學策略包含預測(Predict)、觀察(Observe)和解釋(Explain),在學生進行實驗項目式學習中,學生能根據物質的結構和性質預測可能發生的實驗現象,并小組進行實驗設計進行驗證,最后得出自己的解釋。預測—觀測—解釋三個環節順序可以有所變化,在這種教學模式下,可促進學生的證據推理、實驗探究和科學精神等核心素養。