基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)轉(zhuǎn)型實(shí)踐
—— 以 “物質(zhì)在溶解過程中的變化”為例

◎ 朱 康

國家教育部2014年印發(fā)的《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》中，首次提出“核心素養(yǎng)”概念。緊接著，2016年9月《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》正式發(fā)布，標(biāo)志著落實(shí)立德樹人任務(wù)的落地生根?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）也將學(xué)科核心素養(yǎng)作為重要的育人目標(biāo)，明確提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含的具體內(nèi)容為“宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”[1]等五個(gè)方面。筆者認(rèn)為“宏觀辨識與微觀探析”要求學(xué)生從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的視角認(rèn)識和解決問題，是化學(xué)概念原理的重要體現(xiàn)；宏、微觀的背后體現(xiàn)了化學(xué)的動(dòng)態(tài)變化，因此“變化觀念與平衡思想”是物質(zhì)變化的外在表現(xiàn)；基于證據(jù)進(jìn)行分析和推理，運(yùn)用建模的方法來具體描述和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使抽象的理論具體化，因此“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是思維的核心[2]；“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的中心所在，以實(shí)驗(yàn)探究為實(shí)踐基礎(chǔ)，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和提出有研究價(jià)值的問題，進(jìn)而上升到理性認(rèn)知層面；“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”是價(jià)值追求的核心，也是立德樹人的根本任務(wù)，更是學(xué)生終身發(fā)展的必要條件。日常課堂教學(xué)是發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的主要陣地?！拔镔|(zhì)在溶解過程中的變化”節(jié)選自滬教版高一化學(xué)第一冊第一節(jié)的部分內(nèi)容，是比較好的實(shí)驗(yàn)素材。筆者通過對這節(jié)課的設(shè)計(jì)和實(shí)施，有意識地去滲透和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

一、教材及學(xué)情分析

（一）學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)本課之前，已經(jīng)知道硫酸銅的物理性質(zhì)、化學(xué)鍵與化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的關(guān)系，常見物質(zhì)如濃硫酸的稀釋過程為釋放熱量、飽和溶液、溶解與結(jié)晶等基礎(chǔ)知識，但是很多知識現(xiàn)階段僅停留在記憶層面，對這些知識背后的原理不甚理解。如何充分利用學(xué)生已有的點(diǎn)滴知識，整合已有知識，新知和舊識在認(rèn)知沖突和碰撞中激發(fā)出思維的火花，運(yùn)用證據(jù)推理讓認(rèn)知提升深度，提煉出解決問題的模型，有利于形象地理解概念原理知識。

（二）教材分析

“物質(zhì)在溶解過程中的變化”這節(jié)課的學(xué)習(xí)是對初中物質(zhì)溶解性認(rèn)識的延伸和發(fā)展，既為溶解過程的變化和溶解過程熱效應(yīng)完善證據(jù)材料，又為兩者間相互解釋做證據(jù)鏈形成邏輯關(guān)系，為學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)奠定基礎(chǔ)；通過對溶解和結(jié)晶動(dòng)態(tài)平衡的學(xué)習(xí)，為將來學(xué)習(xí)其他平衡理論打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本節(jié)課知識容量較大，知識點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，如何突破常規(guī)教學(xué)中的思維慣性，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的最大功能和價(jià)值呢？為此經(jīng)過反復(fù)思考，筆者選擇了重構(gòu)教材中素材，選擇使用硫酸銅作為載體來設(shè)計(jì)本節(jié)課，通過對硫酸銅的挖掘，從水合到擴(kuò)散的熱效應(yīng)到溶解、結(jié)晶動(dòng)態(tài)溶解平衡，使得學(xué)生集中精力解決一個(gè)情境下的多個(gè)核心問題，避免了多素材精力分散的問題。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）情境主線貫穿課堂

在《課程標(biāo)準(zhǔn)》基本理念部分中提出，以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨和重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)。以“素養(yǎng)為本”的教學(xué)就是在實(shí)際教學(xué)過程中積極使用真實(shí)的情境，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主，多種形式的學(xué)習(xí)活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容知識的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。本節(jié)課使用了學(xué)生非常熟悉的硫酸銅作為本節(jié)課的研究對象，以銅離子的顏色為問題線索，圍繞顏色變化這一宏觀現(xiàn)象背后的深層次原因，作為激發(fā)學(xué)生興趣和思維挑戰(zhàn)的種子，從微觀、實(shí)驗(yàn)和邏輯推理等多個(gè)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的方面尋找證據(jù)。在解釋生活中常見現(xiàn)象的過程中，不知不覺中重新認(rèn)識了物質(zhì)的溶解過程，通過實(shí)驗(yàn)異常現(xiàn)象的推理分析，揭示溶解產(chǎn)生熱效應(yīng)的原因，溶解的最大限度是一定溫度下的飽和溶液，通過研討，了解溶解和結(jié)晶這對動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系受到環(huán)境的影響。

（二）思維碰撞滲透課堂

本節(jié)課中教師根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，創(chuàng)設(shè)一些合理的問題，形成一個(gè)螺旋上升的問題鏈條，更有利于思維的碰撞。

教學(xué)環(huán)節(jié)一：顏色引發(fā)的思考

師：請同學(xué)們觀看圖1，我們向無水硫酸銅粉末中滴加幾滴蒸餾水，產(chǎn)生藍(lán)色晶體，請問該藍(lán)色晶體應(yīng)該是什么物質(zhì)？說出你的判斷依據(jù)。

圖1

生：該藍(lán)色晶體是五水合硫酸銅，其依據(jù)是生成晶體的顏色為藍(lán)色。

師：從宏觀角度我們觀察到了物質(zhì)的變化，如果從微觀角度分析，我們知道硫酸銅是由銅離子和硫酸根離子構(gòu)成的，那構(gòu)成五水合硫酸銅的微粒是什么呢？

生：銅離子、硫酸根離子、水分子。

師：硫酸銅生成五水合硫酸銅的過程為化學(xué)變化，如果僅僅是微粒的簡單疊加，很明顯與宏觀物質(zhì)的化學(xué)變化相沖突。請同學(xué)們前后四人為一個(gè)小組討論“硫酸銅有銅離子卻不顯示藍(lán)色，硫酸銅溶液和五水合硫酸銅卻呈現(xiàn)藍(lán)色的原因”。

生：可能是銅離子遇水后生成藍(lán)色的新微粒。

師：科學(xué)研究表明，銅離子與水分子會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成如圖2所示結(jié)構(gòu)的藍(lán)色微粒四水合銅離子，我們把上述過程稱之為水合。

圖2

【設(shè)計(jì)意圖】一直以來學(xué)生都認(rèn)為銅離子的顏色是藍(lán)色，常用該特征顏色來判斷銅離子的存在，然而無水硫酸銅和五水合硫酸銅都含有銅離子卻有著截然不同的顏色，看似是一個(gè)很不起眼的問題，恰恰是引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，引發(fā)深層思考的好契機(jī)，通過宏觀認(rèn)識和微觀辨別的認(rèn)知不同步，提升學(xué)生從不同維度認(rèn)識物質(zhì)的能力。

我們一直說教師在課堂中起到主導(dǎo)地位，如何體現(xiàn)主導(dǎo)地位？課堂問題的設(shè)計(jì)是最重要的體現(xiàn)之一，問題的邏輯性能體現(xiàn)教師對問題思考的深度和廣度。學(xué)生通過思考、實(shí)驗(yàn)、研討等手段獲取科學(xué)證據(jù)自主解決問題的過程則體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位。

（三）實(shí)驗(yàn)探究架構(gòu)課堂

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的靈魂。實(shí)驗(yàn)對發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有著無可替代的作用，所以有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有利于促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

教學(xué)環(huán)節(jié)二：建模解決變化問題

師：水合是一種普遍存在的現(xiàn)象，化學(xué)反應(yīng)的過程往往會(huì)伴隨有熱效應(yīng)，那水合過程的熱效應(yīng)是怎樣的呢？

生1：吸收熱量。

生2：釋放熱量。

生3：不確定。

師：我們向盛有無水硫酸銅粉末的表面皿中滴幾滴水，請感受水合的熱效應(yīng)。

生：通過觸摸表面皿的底部能明顯感受到水合的過程是放熱的過程。

師：如果向20mL蒸餾水中依次加入五水合硫酸銅和無水硫酸銅，可能會(huì)產(chǎn)生怎樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？請大家認(rèn)真觀察、思考。

生4：從圖3可以看出，五水合硫酸銅溶解過程是吸收能量的過程，無水硫酸銅溶解的過程是釋放能量的過程。

生5：溶解的過程中除水合外，還有其他過程，而且該過程是吸收能量的過程。

師：在水分子的作用下，如圖4所示微粒從固體表面向外運(yùn)動(dòng)的過程稱之為擴(kuò)散，該過程為吸收能量的過程，若要判斷某物質(zhì)溶解過程中的熱效應(yīng)，可以通過比較擴(kuò)散和水合能量的相對大小。

【設(shè)計(jì)意圖】通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無水硫酸銅和五水合硫酸銅具有完全不同的熱效應(yīng)，通過兩組實(shí)驗(yàn)對照分析發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)溶于水包含水合和擴(kuò)散兩個(gè)過程，建立判斷溶解熱效應(yīng)的模型，知識建模構(gòu)建有利于學(xué)生歸納總結(jié)能力的提升。

溶解的熱效應(yīng)在常規(guī)課堂中教師可能三言兩語就能說清楚，為什么還要這么大費(fèi)周折呢？筆者認(rèn)為通過實(shí)驗(yàn)和邏輯推理的過程，留給學(xué)生的不僅僅是學(xué)習(xí)到的知識，畢竟獲取知識是比較低層次的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的看問題、解決問題的思維習(xí)慣才是受益終身的財(cái)富。

圖3

教學(xué)環(huán)節(jié)三：理不辯不清

師：播放結(jié)晶硫酸銅的制備過程，思考溶質(zhì)會(huì)一直結(jié)晶嗎？

生：在一定溫度下，物質(zhì)溶解達(dá)到最大限度時(shí)，會(huì)形成該溫度下的飽和溶液。

師：我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，室溫下，在CuSO4的飽和溶液中，懸掛一塊缺角的CuSO4晶體，一段時(shí)間后，晶體的質(zhì)量不變，形狀和原晶體結(jié)構(gòu)相似，思考可能的原因。

生：因?yàn)槭秋柡腿芤海w的質(zhì)量不變；形狀不變的原因可能是硫酸銅晶體有一定的幾何外形，溶液中不斷等速進(jìn)行著溶解和結(jié)晶。

師：像硫酸銅這類物質(zhì)，能自發(fā)形成且具有規(guī)則幾何形狀的固體叫晶體。物質(zhì)的溶解和結(jié)晶的過程是同時(shí)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)平衡，通過改變條件，可以改變?nèi)芙夂徒Y(jié)晶的快慢，以達(dá)到改變?nèi)芙馄胶夥较虻哪康摹?/p>

【設(shè)計(jì)意圖】通過實(shí)驗(yàn)事實(shí)做情境，引發(fā)學(xué)生思考，并積極通過證據(jù)推理解決實(shí)際問題。溶解結(jié)晶實(shí)驗(yàn)給我們的啟示是學(xué)會(huì)透過現(xiàn)象看本質(zhì)，通過對溶解過程的了解，對于溶解是有限度的，已經(jīng)水到渠成，再通過結(jié)晶知識的再回顧和有趣實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的思考，初步了解溶解平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，為以后其他平衡的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖4

三、進(jìn)一步思考

“物質(zhì)在溶解過程中的變化”的教學(xué)案例不多，大多數(shù)教師會(huì)選擇一帶而過或者割裂成多個(gè)獨(dú)立知識模塊，通過教學(xué)實(shí)踐，筆者有以下幾點(diǎn)感受。

（一）真實(shí)的問題情境可以有效地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變

在教學(xué)過程中使用真實(shí)的情境，在一個(gè)情境下保證了知識傳遞的完整性，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)促使教師教學(xué)的轉(zhuǎn)型升級，經(jīng)過遴選硫酸銅作為情境，可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)課堂多以教師的講授為主，學(xué)生往往是努力緊跟教師的步伐，這種學(xué)習(xí)相對比較被動(dòng)，學(xué)習(xí)效率大打折扣；然而通過精心創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境，在熟悉的舊知中產(chǎn)生認(rèn)知性沖突，往往更能激發(fā)學(xué)生的探究欲望，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式就會(huì)在教師的潛移默化的影響下，逐漸形成主動(dòng)思考、主動(dòng)解決問題的意識，這就是真實(shí)情境帶給教學(xué)和學(xué)習(xí)的變化，勢必也會(huì)促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升。

（二）大膽推測，小心論證，有利于提升學(xué)生的思維品質(zhì)

通過知識邏輯結(jié)構(gòu)的分析，梳理出本節(jié)課的問題鏈，在問題鏈中設(shè)計(jì)高思維容量的問題，問題的解決需要基于實(shí)際情況，做出合理的假設(shè)，對假設(shè)做理論推敲和實(shí)驗(yàn)求證。實(shí)驗(yàn)作為重要的證據(jù)獲取手段，在問題的解決過程中起到至關(guān)重要的作用，實(shí)驗(yàn)可以將推敲的抽象理論或微觀可能直觀化，學(xué)生可以快速地理解。理論推敲的過程更能夠培養(yǎng)學(xué)生思維習(xí)慣的養(yǎng)成，在合作研討的過程中思維得到激烈的碰撞。

（三）基于頂層設(shè)計(jì)的教學(xué)，需要教師勇于自我革命

一節(jié)課有若干個(gè)重要知識點(diǎn)，這些知識點(diǎn)如何呈現(xiàn)，每個(gè)知識點(diǎn)要通過哪些問題來驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，都需要頂層設(shè)計(jì)。頂層設(shè)計(jì)是為了梳理清楚知識的內(nèi)部、外部各部分的邏輯關(guān)系。在這種邏輯關(guān)系的指導(dǎo)下，教師在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)需要高度重視化學(xué)知識的結(jié)構(gòu)化。教學(xué)思路的轉(zhuǎn)變需要教師有敢于自我革命的勇氣，需要花大量的時(shí)間去思考學(xué)情能否承受設(shè)計(jì)出的問題。由此帶來的是，教師思考問題習(xí)慣的轉(zhuǎn)變，更多地考慮學(xué)情會(huì)讓課堂教學(xué)更接地氣，學(xué)生的學(xué)習(xí)也會(huì)因此變得更加輕松。

（四）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新意識

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究的重要手段，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)，然而為了創(chuàng)新而創(chuàng)新，不惜將簡單的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化的情況屢有發(fā)生。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的目的到底是為了什么呢？實(shí)驗(yàn)并不是為了作秀，而是用于獲取證據(jù)，解決實(shí)際問題，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，引發(fā)學(xué)生深入思考問題的本質(zhì)，所以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識為根本目的，通過新的方法、技術(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，能夠更直觀地刺激感官，引發(fā)學(xué)生對問題的深層次思考。