證據(jù)促認知 認知建模型

摘要： 課堂是落實學科核心素養(yǎng)的主陣地，具體內容是發(fā)展核心素養(yǎng)的重要載體，“證據(jù)推理與模型認知”是化學學科核心素養(yǎng)的思維核心?！版V的提取及應用”教學以促進學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展為目標，通過問題導向驅動學生開展證據(jù)推理學習，在掌握“鎂的提取及其應用”的知識基礎上，建立歸納、提煉、構建形成同類知識學習的一般思路、方法、策略的認識模型，提升學生的元素化合物學習能力。

關鍵詞： 化學學科核心素養(yǎng)； 證據(jù)； 模型； 認知發(fā)展

文章編號： 1005-6629（2018）6-0060-05 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

化學學科核心素養(yǎng)是學生具有化學學科特質的關鍵能力和品格，是現(xiàn)代社會公民必備的科學素養(yǎng)[1]?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》將化學核心素養(yǎng)概括為：“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”五個方面[2]。發(fā)揮化學學科的特點和功能，將化學核心素養(yǎng)發(fā)展落實到具體教和學方式的轉變上，落實在課堂教學環(huán)節(jié)中，在促進學生掌握知識的基礎上形成素養(yǎng)，發(fā)揮學科應有的育人功能，成為新時期化學課堂教學的新任務。

1 設計思路

怎樣讓知識學習過程成為素養(yǎng)形成過程？張華教授認為“教學要尊重學生的個人知識，基于學生個體經驗開展教學；要把知識當做探究的對象和使用的資源；教學過程要將學科知識提升為學科觀念；要讓知識學習成為批判性思維和問題解決的過程……，轉變教的理念與學的方式是素養(yǎng)發(fā)展前提和關鍵”[3]。

基于上述教學指導思想，“鎂的提取及應用”以“證據(jù)推理促認知，認知發(fā)展建模型”為課時教學的核心目標，將活動探究、協(xié)作學習、問題解決等策略融于教學展開環(huán)節(jié)之中。課時整體設計構架為： ①以鎂字拆分引題，通過學生廣泛舉證鎂在生產、生活中應用的活動，構建“鎂價值認識”；②基于學生已有知識，提出“鎂有哪些化學性質”問題，驅動學生尋找鎂是活潑金屬的證據(jù)，再通過實驗探究、微觀推理，完善對鎂化學性質的認知，形成“鎂是活潑金屬認識”；③依據(jù)鎂元素在自然界中的存在形態(tài)，提出“如何制備金屬鎂？”“工業(yè)制鎂哪種原理更合適？”“工業(yè)制鎂主要原料來自何處？”等系列問題，類推假設、分析評價，勾畫鎂的“化學性質—存在形態(tài)—制備方法”的內在聯(lián)系認識；④通過“如何實現(xiàn)海水提鎂？”設計小組方案討論匯報、分組實驗探究歸納、方案與教材工業(yè)工藝對照、問題解決與研討等活動，同主題學習內容對比總結，促進學生形成“物質提煉工藝蘊含一般共性認識”。教學設計環(huán)節(jié)緊湊，不僅促進學生對鎂的性質及海水提鎂的認知發(fā)展，而且?guī)椭鷮W生構建出同類知識學習的認知模型。

2 教學分析

“鎂的提取及應用”是蘇教版《化學1》專題2“從海水中獲得的化學物質”第二單元教學內容的一部分，該課教學主要解決“海水中提取鎂和鎂的化學性質”兩部分知識內容，課時總體認知水平要求不高。學習本節(jié)課之前，學生已經學習了常見金屬冶煉，海水提取氯、溴、碘等物質的基本原理和方法，具備一定的原子結構基礎知識以及結構推理物質化學性質的能力。因此在教學策略上可采用問題導向、問題研討、問題解決等手段實現(xiàn)知識的遷移。課時內容的教學目標是幫助學生掌握鎂的化學性質及海水提鎂工藝中蘊含的化學知識；構建從自然資源獲取重要化學物質的一般步驟認識，從而建立工業(yè)生產與環(huán)境及資源綜合利用的社會責任感。

3 教學過程

3.1 “鎂”之社會價值

[拆字引題]今天我們學習一種美麗金屬的相關知識，同學們知道它是誰嗎？

展示： ①“鎂”文字；②精美金屬鎂錠圖片。

[提出問題]金屬鎂有廣泛用途及社會經濟價值，請舉例說明鎂的價值“美譽”。

[各抒己見]“厲害了我的國”，“厲害了金屬鎂”。

① 中國長征系列火箭、C919大飛機等航天設備；

② 和諧號動車、復興號高鐵等鐵路交通設備；

③ 汽車輪轂、發(fā)動機汽車整體構架部件設備；

④ 手機、電腦等電子產品部件；

⑤ 醫(yī)療器件及各種共享單車等生活用品；

⑥ “朱日和大閱兵”我國的軍事機械儀器設備。

[資料介紹]① 鎂合金性能： 鎂合金具有良好的輕量性、切削性、耐蝕性、減震性、尺寸穩(wěn)定性和耐沖擊性等優(yōu)點。

② 鎂合金用途： 鎂合金廣泛應用于航天軍工、高鐵、汽車、電子工業(yè)、醫(yī)療康復器械、自行車、建筑裝飾、手持工具等領域。鎂合金是我國新型材料發(fā)展方向之一，工信部“十二五”支持發(fā)展的400多種新材料目錄中，與鎂相關的就有12個，特別在航天軍工方面尤為突出，鎂有“航天金屬”的美譽。

③ 2011～2015年中國鎂合金產量規(guī)模及變化趨勢（圖1）。

設計意圖： 鎂字拆分為金與美，“鎂與美”諧音引入課題，激發(fā)學生興趣。聯(lián)系實際提出問題，驅動學生主動尋找生產、生活中“應用之鎂”的證據(jù)，再通過數(shù)據(jù)模型等手段，建構起對鎂有廣泛社會價值“美譽”的重要金屬的認識。

3.2 “鎂”之化學性質

[提出問題]鎂化學性質如何？請用事實證據(jù)說明你的認識。

[學生匯報]鎂是一種活潑金屬，能與很多物質反應。

① 鎂能與酸反應（如鹽酸、稀硫酸）；

② 鎂能與一些鹽反應（如硫酸銅、硝酸銀）；

③ 鎂能與活潑非金屬單質反應（如氧氣、氯氣）。

[案例情境]展示“天津市某鎂制品工廠，由于鎂屑燃燒不慎引發(fā)大火”場景圖。

[提出問題]能否用水或泡沫滅火器進行滅火？為什么？

[實驗觀察]① 鎂條與熱水反應（滴加酚酞試劑）；

② 將點燃的鎂條伸入盛有半瓶碳酸飲料瓶中（鎂與二氧化碳反應）。

已知： 碳酸飲料瓶上方空氣在實驗前通過擠壓、振蕩方式排除。

③ 鎂條在氮氣中燃燒實驗視頻。

[學生活動]書寫鎂與二氧化碳、氮氣反應的化學方程式。

[提出問題]能否從原子結構知識解釋鎂是一種活潑金屬？

[學生歸納]鎂原子核外電子排布： 2、 8、 2，且鎂原子半徑較大，因此易失2個電子生成Mg2+，顯+2價，鎂是一種活潑的金屬。

設計意圖： 問題“鎂化學性質如何”，驅動學生尋找鎂活潑性的事實依據(jù)，激發(fā)學生學習興趣。案例情境，拋錨生長，引出鎂化學性質新知探究，完善鎂化學活潑性認識，達成課時內容“鎂之化學性質”教學目標。問題引導，宏微結合，由表及里，進一步強化了“結構決定性質”的化學基本認知模型。

3.3 鎂”之存在形式

[提出問題]自然界中鎂的存在形式怎樣？

[資料支持]鎂元素是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一。自然界中鎂有固體礦和液體礦兩種。固體礦物主要有菱鎂礦（折算鎂儲量約3.43×1010t）、白云石等；液體鎂礦存在于鹽湖（如我國柴達木盆地鹽湖）、海水中，鎂總儲量高達1.50×1015t（展示礦石精美圖片及我國主要鎂礦比例圖，見圖2）。

圖2 我國主要含鎂礦物儲量

[提出問題]我國工業(yè)制備金屬鎂的主要原料來自哪里？

[學生歸納]主要是液態(tài)鎂礦中的鎂離子（海水或鹽湖）。

設計意圖： 性質決定存在形式。通過呈現(xiàn)自然界及我國鎂礦物形態(tài)、數(shù)據(jù)及比例圖等“鎂之存在”的信息證據(jù)，讓學生感悟“鎂之高產”的必然，認同“海水提鎂”是金屬鎂制備的主要方式，為鎂制備原理研討奠定基礎。

3.4 “鎂”之制備原理

[交流討論]如何制備單質鎂？結合所學金屬制備原理，說說你們的想法。

[學生方案]① 置換法制備。如用鈉、鉀等活潑金屬置換得到鎂；

② 熱還原法制備。如用氫氣、一氧化碳還原氧化鎂制金屬鎂；

③ 電解法制備。如電解氧化鎂、氯化鎂制備金屬鎂。

[原理評析]師生評析肯定了原理①③，否定了原理②。

[史料支持]① 1808年英國化學家漢弗萊·戴維采用電解熔融MgO制得鎂；

② 1828年法國化學家布西用鉀置換熔融的MgCl2得到鎂；

③ 1833年英國化學家法拉第又用電解熔融MgCl2制得鎂。

[提出問題]依據(jù)下列數(shù)據(jù)（見表1、表2），哪些方法適合工業(yè)制備金屬鎂？

[歸納總結]一般方法： 電解法；主要原料： （熔融）無水氯化鎂。

設計意圖： 研討“如何將化合態(tài)鎂轉化為游離態(tài)鎂”問題，激活常見金屬制備原理知識。學生假設、師生互評、史料支持，從而確定冶煉方法。通過對“工業(yè)上通常如何制備鎂”的問題討論，以及價格、熔點等數(shù)據(jù)的證據(jù)展示，從而確立工業(yè)制鎂方案。

3.5 “鎂”之生產工藝

[小組任務]設計以海水為原料獲取金屬鎂的方案（以流程圖形式表示）。

[小組匯報]學生小組匯報制鎂工藝流程總體思路如下：

[問題討論]① 將鎂離子轉化為氫氧化鎂目的是什么？

② 沉淀劑為什么選擇氫氧化鈣？能否用碳酸鈉？

③ 為什么用石灰乳？用澄清石灰水是否可行？

④ 利用曬鹽后母液來沉降Mg2+有哪些優(yōu)點？

[信息支持]呈現(xiàn)海水常見離子濃度、常用堿市場售價及鎂的化合物溶解度信息，見圖3，表3、表4。

[實驗探究]模擬海水（稀氯化鎂溶液）、模擬母液（濃氯化鎂溶液）、氫氧化鈉溶液（濃）、澄清石灰水，進行鎂離子富集沉淀實驗。

[學生匯報]① 模擬海水滴加澄清石灰水無明顯現(xiàn)象；

滴加氫氧化鈉濃溶液略有沉淀（現(xiàn)象不明顯）。

② 模擬母液滴加澄清石灰水略有沉淀（現(xiàn)象不明顯）；

滴加濃氫氧化鈉有大量沉淀（現(xiàn)象非常明顯）。

[提出問題]實驗結論對工業(yè)上沉降海水中鎂離子做法有何啟示？

[歸納總結]① 工業(yè)上要實現(xiàn)海水中鎂離子沉降，主要把握兩個方面；

一是海水先進行濃縮；二是堿濃度要足夠大。

② 采用石灰乳做沉淀劑優(yōu)點： 一是極大提高了堿的濃度，使鎂離子沉降更加完全；二是石灰乳價格低廉、來源廣泛，可以利用海洋中的貝殼資源，有利于資源綜合利用。

③ 利用母液沉降鎂離子優(yōu)點： 一是提取了氯化鈉，資源利用優(yōu)化；二是母液鎂離子濃度大，沉降更迅速有效。

設計意圖： 通過“如何將海水中鎂離子轉化為鎂”問題，任務驅動、小組設計、成果匯報、問題研討，凸顯學生主體性；實驗探究、互動釋疑、亮出觀點，培養(yǎng)批判精神；流程、圖表、數(shù)據(jù)證據(jù)呈現(xiàn)，初建工藝模型。

3.6 “鎂”之學習提升

[對照解讀]我們設計思路與實際生產是否一致？請同學對照閱讀教材第55頁。

[學生匯報]① 電解副產物氯氣在實際工藝中用來生產HCl，用做溶解氫氧化鎂及MgCl2·6H2O脫水制無水MgCl2的保護氣原料，資源循環(huán)利用，提高了經濟效益，同時又減少氯氣可能對環(huán)境造成的負面影響。

② 書本“從海水中提取鎂的流程”圖中，海水直接進入沉淀池，在實際生產中欠妥，應該利用海水提取食鹽、溴等物質后的母液（濃縮液）更合理。

[提出問題]“海水提取鎂”是人類利用化學知識，從自然資源獲取重要化學物質，創(chuàng)造社會價值的重要舉措之一。結合專題所學知識，歸納從自然界獲取重要化學物質工藝一般包含哪些環(huán)節(jié)？

[學生歸納]① 礦物富集、產品制備、產品提純（如海水中提取溴、碘）；

② 礦物富集、原料提純、產品制備（如鎂的提取，見板書）。

[學以致用]若從海水中提取金屬鈉，請設計制備流程方案。

[學生匯報]海水→粗鹽→精鹽→金屬鈉。（與鎂制備工藝對照，板書中體現(xiàn)）

[小結完善]總結本課時核心內容及認識模型，完善課時教學板書設計[4]（圖4）。

設計意圖： 提出“我們的構想與實際工藝有何異同”問題，驅動學生閱讀、剖析教材內容，對比反思、問題質疑，促進知識理解。通過“制備工藝可劃分為哪些主要環(huán)節(jié)？”，回顧“海水提取氯、溴、碘”知識，提煉物質制備一般“三步曲”。布置“怎樣從海水中提取鈉”任務，意含“問題解決、類比強化、遷移應用”學習建模之法教學意圖。

4 教后反思

化學核心素養(yǎng)不可能憑空產生，核心素養(yǎng)內隱于化學具體內容中，是以具體的事實性化學知識為依托，是學科知識不斷積累深化的結果。因此，有效設計教學內容，依托化學概念原理、元素化合物、化學實驗等各部分知識，充分挖掘化學知識中所包含的學科基本觀念和思想，挖掘化學學習的基本方法和思路等化學核心素養(yǎng)內涵成分，形成化學學科知識和觀念的基本理解，是化學課堂教學避免化學知識學習與核心素養(yǎng)“兩張皮”，達成學科核心素養(yǎng)目標的基本路徑。

“證據(jù)推理與模型認知”是化學素養(yǎng)的思維核心。如何使該素養(yǎng)落到教學實處？用問題來引導教學，激活學生認知結構，建立新舊知識聯(lián)系，驅動學生收集、提供證據(jù)，依據(jù)證據(jù)展開研討，對物質的性質及其變化進行分析推理，并運用宏微結合思想解釋、表達證據(jù)與結論之間的關系，是核心素養(yǎng)下化學課堂教學基本動作。用問題來調控教學，鼓勵學生質疑反思、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，培養(yǎng)學生的問題意識，是促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的教學策略與路徑。通過問題解決、比較歸納等靈動的教學手段，發(fā)展學生認識不同化學現(xiàn)象背后的一些共性道理，并幫助學生依據(jù)物質及其變化的信息建構一般認識以及解決復雜化學問題的思維框架（模型），是核心素養(yǎng)下化學課堂教學所追求的高度。

參考文獻：

[1]王寶斌. 發(fā)展學生化學核心素養(yǎng)的三大策略[J]. 中學化學教學參考， 2017， （9）： 10～12.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 3.

[3]張華. 論核心素養(yǎng)的內涵[J]. 全球教育展望， 2016， （4）： 10～22.

[4]張禮聰. 讓板書設計成為化學課堂教學的亮點[J]. 中學化學教學參考， 2009， （10）： 19～20.