基于逆向設計，培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的教學

黃鳳翔 汲叢家 郭飛紅

摘要：逆向設計的思路是以預期的學習結(jié)果為起點（以終為始），確定達到預期效果的評定證據(jù)，安排相關的教學活動。文章以高三一輪復習“原電池，化學電源第二課時”為例，探討基于逆向設計，培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的“前測領會-遷移應用-評價創(chuàng)造”教學。實踐證明，這種教學方式在高三復習課中有很大的優(yōu)勢，教學效果顯著，有利于提升學生的化學核心素養(yǎng)。

關鍵詞：逆向設計；核心素養(yǎng)；模型認知；原電池；一輪復習

文章編號：1008-0546（2021）12-0065-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.016

一、引言

逆向設計是美國知名專家格蘭特·威令斯和杰伊·麥克泰提出的，逆向設計是從終點——想要的結(jié)果（目標）開始，根據(jù)課程標準的“內(nèi)容要求”和“學業(yè)要求”來設計學生學習的教學活動形成教學[1]。其過程主要由三個階段組成：明確預期的結(jié)果、確定預期結(jié)果達到的證據(jù)、設計學習和教學活動[2]。逆向設計把評價嵌入教學過程中，其理念與《普通高中化學課程標準》倡導的“教、學、評”一體化不謀而合，可以促進學生的深度學習。高三復習課的難點之一是教學目標的確定，而逆向設計，是一種面向目標的設計，同時又是確保目標實現(xiàn)的設計，故在高三復習課中有很大的優(yōu)勢。在智慧化課堂技術的支撐下，基于逆向設計的教學可以更精準地把握學生的學情、更精準地監(jiān)控課堂學生表現(xiàn)、更精準地獲取預期結(jié)果的證據(jù)材料。本文以高三化學一輪復習課“原電池，化學電源第二課時”為例，闡述以終為始的逆向教學設計的實施過程，教學操作流程見圖1。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出：高中化學課程以全面發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)為主旨。而核心素養(yǎng)的達成需要依據(jù)具體的情景，在解決問題的過程中培養(yǎng)起來?；谏鲜稣J識，在逆向設計的教學活動中，應充分讓學生多參與、教師給予思維方法的指導，幫助學生建立思維模型，有了思維模型后，學生運用類比的方法對具體問題進行處理，按照模型化的方式思考并提出解決方案，解決學習難點，提高學習實效性。

二、教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析

在高考試題中，原電池是高考的熱點，通常以陌生的新型電池為情境，考查原電池的工作原理、電極反應式書寫、總反應式的書寫及定量計算。試題立足于真實情境，包含：二次電池（如鎳鎘電池）、燃料電池、金屬空氣電池、鋰電池、鋰離子電池、微生物電池、可呼吸電池等等，體現(xiàn)當今社會生產(chǎn)生活中電池技術的革新。試題情境雖然不斷變化，但設問變化不大，常見的設問包含電極判斷、電極反應式書寫（正、負極反應式或總反應式書寫）、定性分析（電子運動方向、電流方向或離子遷移方向、pH變化、現(xiàn)象描述等）、定量計算（電子轉(zhuǎn)移數(shù)目、電極質(zhì)量變化、離子遷移數(shù)目、離子濃度變化等），即課程標準的“內(nèi)容要求”和“學業(yè)要求”。

筆者查閱文獻發(fā)現(xiàn)，近年來關于原電池的教學目標制定特點如下：最先是從三維目標入手，其中知識與技能方面以“原電池的概念和形成條件，原電池的化學原理”為核心；過程與方法方面則重視探究，體驗實驗、觀察、比較、對比、推理、歸納、總結(jié)等科學方法的運用；情感態(tài)度價值觀方面主要重視聯(lián)系生產(chǎn)生活實際、結(jié)合化學史；逐步演變?yōu)閺哪芰坑^、微粒觀、變化觀、符號觀等角度進行目標制定；現(xiàn)階段主要從“證據(jù)推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創(chuàng)新意識”等科學素養(yǎng)下進行目標制定的原電池教學[3]。文獻中關于原電池教學方法主要有：情境教學、實驗探究、證據(jù)推理、翻轉(zhuǎn)課堂、游戲教學、模型教學、問題驅(qū)動、“宏-微-符-圖”多重表征等策略[4-6]。此外，關于學習原電池的障礙點，根據(jù)文獻和本人多年高三經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，學生面對陌生或者較為復雜的電化學裝置時，思維混亂，缺少合理的認識角度和思路[7-8]。

因此，本節(jié)課在文獻研究的基礎上，結(jié)合精心設計的前測調(diào)查及結(jié)果數(shù)據(jù)，給予學生思維方法的指導：原電池解題思維模型。并幫助學生運用原電池解題模型解決相關的學困點：電極方程式書寫及定量分析，提升解決這類問題的能力，從而達到提升學生模型認知的化學核心素養(yǎng)?；瘜W學科還要追求科學態(tài)度和社會責任核心素養(yǎng)，將理論聯(lián)系實際，因此，本節(jié)復習課以電源發(fā)展為情境線，提供給學生的教學素材是發(fā)展中的化學電源，帶領學生體會化學對滿足人民日益增長的美好生活需要有著重大的貢獻。

三、逆向設計在化學教學中的實踐

以終為始的逆向設計教學操作簡介如下。第一階段：明確預期的結(jié)果。在進行逆向設計之前，先研究課程標準，再了解學生學困點（課前準備的前測及問卷調(diào)查）。在平板技術支持下，精準掌握學生障礙點，明確本節(jié)課預期的結(jié)果，即確定教學目標。第二階段和第三階段：確定預期結(jié)果達到的證據(jù)、安排學習和教學活動。這兩個階段由兩部分組成：課中教學及課后檢測。課中教學采取三環(huán)節(jié)達成，環(huán)節(jié)一：前測領會——重溫模型。第二環(huán)節(jié)，遷移應用——應用原電池解題模型。第三環(huán)節(jié)，評價、創(chuàng)造——鞏固模型。課中三個環(huán)節(jié)設計了配套的學習任務，學習任務的確定緊緊圍繞如何突破教學目標，讓教學目標在課中三環(huán)節(jié)教學中不斷突破。后測數(shù)據(jù)為證據(jù)，檢測是否達成總的教學目標。

1.確定教學目標

根據(jù)化學課程標準制定了前測試題及問卷調(diào)查，數(shù)據(jù)顯示學生主要困難如下：第一、缺少分析原電池解題思維方法；第二、電極反應式書寫；第三、定量計算。由此確定本節(jié)課的教學目標是“構建并應用原電池解題思維模型、離子濃度變化/離子遷移數(shù)目、電極反應式書寫”三點。其中課前調(diào)查結(jié)果顯示學生遇到的困難數(shù)據(jù)見表1。

2.確定評價量表

確定教學目標后，通過課中三環(huán)節(jié)來完成。每個環(huán)節(jié)都有對應的評價目標。每個評價目標能否實現(xiàn)，需要相對應匹配的評價活動及教學策略來支撐，以便在教學過程中進行過程性評價。在每個評價目標中不斷落實化學核心素養(yǎng)。具體的評價量表見表2。

3.教學實錄

（1）環(huán)節(jié)一：前測領會——重溫原電池原理模型

前測反饋學生障礙點：第一，書寫電極反應式忽視環(huán)境問題。第二，不能全面分析問題。

師生共同歸納方法：原電池解題思維模型，見圖2。

設計意圖：通過知識回顧，引導學生歸納原電池解題模型。

（2）環(huán)節(jié)二：遷移運用——運用原電池解題思維模型

素材1（一次電池）：Mg-H2O2電池可用于驅(qū)動無人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質(zhì)溶液（海水呈弱堿性，達不到鎂離子沉淀的pH值），其工作示意圖如圖3。

（學生獨立完成，平板提交，投影做題情況，學生互評，代表講解思路）

學生表現(xiàn)：根據(jù)原電池解題模型：確定正負極→書寫電極反應式→定性、定量分析，獨立完成。

學生出現(xiàn)障礙：無法判斷正極生成物：H2O2對應的生成物是H2O還是OH-？

小組合作：組內(nèi)組間討論，運用電極反應式書寫步驟——根據(jù)電荷守恒補介質(zhì)，問題得到解決。

教師：隨著社會的發(fā)展，一次電池滿足不了人們的需要，所以有了二次電池，下面我們來體會用原電池解題模型解決二次電池相關問題。

素材2（二次電池）：鎳氫電池（Ni-MH）目前已經(jīng)成為混合動力汽車的一種主要二次電池。Ni-MH中的M表示儲氫金屬或儲氫合金。該電池在放電過程中的總反應方程式是：NiOOH+MH=Ni（OH）2+M。

回答下列問題：

負極上發(fā)生的電極反應式：；正極上發(fā)生的電極反應式：；

（學生獨立完成，平板提交，投影答案后交流心得，總結(jié)方法）

學生表現(xiàn)：用原電池解題模型解決問題

學生出現(xiàn)障礙：無法正確判斷體系環(huán)境是酸性還是堿性，即不清楚介質(zhì)。

小組合作：組內(nèi)、組間討論后，得出結(jié)論：產(chǎn)物需在介質(zhì)中穩(wěn)定。從而解決介質(zhì)問題。

設計意圖：遷移運用原電池解題模型，引導學生從定性分析到定量計算，對陌生化學電源中電極反應式書寫等方面進行歸納提升。發(fā)展模型認知素養(yǎng)。

（3）環(huán)節(jié)三：評價、創(chuàng)造——鞏固思維模型

教師：一次、二次電池存在污染、比能量低等問題，隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了燃料電池，現(xiàn)在你們是某廠的工程師，請設計燃料電池工作裝置圖。

任務一：小組PK，設計原電池

素材3（燃料電池）：肼（N2H4）暴露在空氣中容易爆炸，但是以其為燃料的燃料電池是一種理想的電池，具有容量大、能量轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物無污染等特點，請設計肼（N2H4）燃料電池的裝置圖（電解質(zhì)為KOH溶液，另一電極反應物為O2）每組提交一個答案。說明：平板提交答案，又快又準的小組前2名各加2分。

學生表現(xiàn)：小組合作設計，呈現(xiàn)三種方案（圖4）。

師生評析：從構成電池的條件來分析，三種方案均符合題意。但方案二未全面獲取題干信息：肼（N2H4）暴露在空氣中容易爆炸，即N2H4需與氧氣分開，不能接觸，故方案二錯誤。此外還需注意裝置需密封。

任務二：設計問題

素材4（燃料電池）：肼（N2H4）暴露在空氣中容易爆炸，但是以其為燃料的燃料電池是一種理想的電池，具有容量大、能量轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物無污染等特點。假如你是命題者，請根據(jù)圖5，從燃料電池的不同角度，提出相關的設問。要求：每組至少提2個問題（不需給出答案），限時2min。（提有效問題多的小組勝出，小組獎勵2分）

學生表現(xiàn)：思考、小組合作，從原電池解題模型出發(fā)，設計問題，小組組長平板提交所命的題目，命題從判斷正負極、電極反應式、定性分析（離子移動方向、電子移動方向、PH變化、離子膜的選擇）、定量角度（離子遷移數(shù)目、離子濃度變化）進行設問。

教師：匯總所有所命的題目，判斷正負極相關設問讓學生口頭搶答；電極反應式角度及定量角度相關的設問，平板發(fā)起做題讓學生書寫后提交。

學生表現(xiàn)：搶答、生生搶評。

設計意圖：培養(yǎng)小組合作精神，在分析、評價中培養(yǎng)學生深度思考的思維習慣。讓學生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題，在探究中培養(yǎng)分析、評價、創(chuàng)造等高階思維，發(fā)展模型認知素養(yǎng)。

（4）歸納總結(jié)

學生分享：原電池解題思維模型：確定正負極→書寫電極反應式→定性、定量分析

教師：本節(jié)課我們更進一步了解電源的發(fā)展史，需求刺激電源的發(fā)展，所以我們說：化學對滿足人民日益增長的美好生活需要有重大的貢獻！

設計意圖：發(fā)展學生的科學精神與社會責任素養(yǎng)。

四、教學效果與反思

1.教學效果

為了確定預期的學習結(jié)果及確定預期結(jié)果達到的證據(jù)，本節(jié)課采取課前前測、課后后測對比手段。前測以一道改編的高考真題為載體，將原電池的所有設問都呈現(xiàn)出來，后測與前測所有考點相同，難度相當，評分標準一致。前測及后測測試題通過我校三名高級化學教師審核，保證兩題的難度等效（總分10分）。測試對象是我校高三2個相同層次的班，學生知識水平基本一致。第一個班參與人數(shù)34人，前測平均分5.82分，后測平均分8.19分（比前測提高了2.37分，提高了40.7%）。第二個班參與測試人數(shù)37人，前測平均分5.73分，后測平均分8.13分（比前測提高了2.43分，提高了42.4%）。測試結(jié)果顯示，后測平均分比前測明顯提高，表明經(jīng)過這節(jié)課的學習后，學生對原電池解題模型應用良好，更好地應用模型解決相關的設問，教學達到預期效果。前后測試結(jié)果分析見表3。

后測電極反應式出錯的學生當中（見圖6），發(fā)現(xiàn)由于介質(zhì)判斷出錯而導致方程式出錯的占77.8%；由于書寫步驟存在問題的占11.1%；由于不清楚原電池原理，即存在氧化反應、還原反應同時存在于同一個電極反應式的占11.2%?？梢钥闯鼋橘|(zhì)的正確判斷是書寫電極反應式的最大難點。這些為以后的教學提供了參考：在進行書寫電極反應式教學時必須不斷強化介質(zhì)的影響。

2.反思

本節(jié)課采用逆向設計：以學習結(jié)果（課前前測和平板調(diào)查結(jié)果）為起點而展開的教學活動，課中是知識的應用、擴展和深化、創(chuàng)造，以課后的后測為證據(jù)，檢測效果。這樣設計實現(xiàn)了“教、學、評”一體化，使評價和教學緊密相連，本節(jié)課的評價結(jié)果不是終點，還可以是下一節(jié)課的起點，實現(xiàn)“教、學、評”的不斷上升。以終為始的逆向教學設計，符合布盧姆理論，布盧姆明確指出：有效教學必須回答三個問題：第一，你把學生帶到哪里去（教學目標）？第二，你怎么把學生帶到那里去（教學過程與方法）？第三，如何確信你已經(jīng)把學生帶到那里（學習結(jié)果評估）？逆向設計很好地解決了這三個問題。

另外，在平板技術支撐下，我們獲得了有效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，能更精準確定教學的方向，能更便捷、更精準地評價教學目標。綜上所述，采用逆向設計，并在平板技術支持下，可以推動學生小組合作學習、討論、分享，可以讓學生把有價值東西更好地展示出來、討論起來、產(chǎn)生思維碰撞，從而達到思維深化，更好培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1]吳麗瑩，林世威，佟文宇，歷晶，韓陽.逆向設計在化學教學設計中的應用——以《氧氣的化學性質(zhì)》為例[J].教育教學論壇，2018（39）：229-230

[2]蔡前德.逆向思維在高中化學教學中的應用[J].廣西教育，2014（38）：110-111

[3]張麗華，楊玉琴.“原電池”教學30年演進研究[J].化學教育（中英文），2019，40（15）：41-47

[4]蘇小俸，王強.基于教育游戲的翻轉(zhuǎn)課堂教學設計——以“原電池的設計”為例[J].化學教育（中英文），2018，39（3）：43-48

[5]史凡，王磊.促進學生學科能力發(fā)展的高一原電池教學關鍵策略[J].化學教育（中英文），2018，39（1）：19-26

[6]陳益，孫夕禮.促進學生認識發(fā)展的學科教學認識的構建——以“原電池”為例[J].化學教育（中英文），2018，39（1）：27-32

[7]黃毓展，蔡立媚，李震宇.從核心素養(yǎng)中“微粒觀”和“模型認知”角度出發(fā)分析電化學裝置——高三電化學專題復習課[J].化學教與學，2018（5）：52-57

[8]王磊.從知識解析為本到基于學生認識發(fā)展促進化學教學設計與實踐向高水平跨越——北京師范大學化學教育研究所“高端備課”項目簡介[J].化學教育，2010，31（1）：2