基于真實(shí)情境的深度學(xué)習(xí)探索——以“茶多酚的提取及純化”為例

福建 蘇育波 張少雄

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)明確指出：“倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(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?！薄皬牟枞~中提取茶多酚”這一案例，通過解決具體問題的任務(wù)，促使學(xué)生查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究等，在問題解決過程中提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

深度學(xué)習(xí)不是停留在問題表面的單純記憶、機(jī)械背誦，而是真正把握問題背后的邏輯，知其然并知其所以然。深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)信息的整合與知識(shí)建構(gòu)，在對(duì)知識(shí)批判理解吸收之后，學(xué)生自主對(duì)知識(shí)進(jìn)行梳理、整合與吸收，重新建構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)與知識(shí)框架。深度學(xué)習(xí)指向分析和解決化學(xué)問題的能力，要求學(xué)生在面臨的真實(shí)情境中，能夠遷移運(yùn)用已有經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際問題，而這指向了學(xué)生的核心素養(yǎng)，要求學(xué)生具備良好的學(xué)科素質(zhì)與知識(shí)技能。

高三化學(xué)一輪復(fù)習(xí)教學(xué)往往采用這樣的教學(xué)方式：老師帶著教輔或?qū)W案，講解知識(shí)點(diǎn)，布置練習(xí)并評(píng)講；學(xué)生在老師講解過程中回憶已學(xué)知識(shí)，填寫學(xué)案并完成練習(xí)。這樣的復(fù)習(xí)存在模式單一、知識(shí)條目化、練習(xí)化等問題。此類復(fù)習(xí)課由于沒有真實(shí)的情境和深入的師生互動(dòng)，缺少探究、自主學(xué)習(xí)等高級(jí)思維的樂趣，復(fù)習(xí)效果差，只適用于基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱的學(xué)生，而不適用于基礎(chǔ)知識(shí)較扎實(shí)且有活躍思維能力的優(yōu)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)能力和素養(yǎng)能力的培養(yǎng)。

1.問題背景

《課程標(biāo)準(zhǔn)》在每一主題下提供了“情境素材建議”，這為教師設(shè)計(jì)情境式教學(xué)提供了充足的教學(xué)資源。高三復(fù)習(xí)課與新課教學(xué)有所不同，復(fù)習(xí)課要與高考對(duì)接，知識(shí)整合程度大，對(duì)學(xué)生能力發(fā)展有更高的要求。因此，高三復(fù)習(xí)課所使用的情境素材需更加貼近生產(chǎn)、生活或?qū)W術(shù)研究，更加注重知識(shí)與能力的整合應(yīng)用，這需要教師在查閱各類文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上對(duì)教學(xué)情境進(jìn)行再創(chuàng)造。

在復(fù)習(xí)中借助“茶多酚的提取及純化”這一情境進(jìn)行專題復(fù)習(xí)，將物質(zhì)的分離與提純這一化學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常重要的操作與生產(chǎn)、生活情境有機(jī)結(jié)合起來，讓學(xué)生能夠深入了解茶葉的功效，并且在技術(shù)的支持下將茶葉的成分進(jìn)行分離，使茶多酚能夠更加充分的發(fā)揮其效能，做到物善其用，讓傳統(tǒng)茶文化煥發(fā)新的活力，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究熱情，感受化學(xué)學(xué)科的價(jià)值與魅力。通過再現(xiàn)科研工作者的研究歷程，既有利于提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，又符合高考考查學(xué)生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力及分析和解決化學(xué)問題能力的測(cè)試要求。

2.教學(xué)思路與過程

本課題主要是建立物質(zhì)分離提純的方法及工藝模型，因此本節(jié)課采用的教學(xué)策略是：情境激發(fā)→方法導(dǎo)引→流程設(shè)計(jì)→模型建構(gòu)。在課堂實(shí)施過程貫穿兩條主線：一是知識(shí)線，物質(zhì)分離提純的一般方法及原則→茶多酚的性質(zhì)推導(dǎo)→物質(zhì)分離提純方法的綜合應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)→天然物質(zhì)的提取純化模型的建構(gòu)；二是核心素養(yǎng)線，宏觀辨識(shí)與微觀探析→證據(jù)推理與模型認(rèn)知→科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

2.1 核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)的確定

在情境選取及設(shè)計(jì)、學(xué)生學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了“從茶葉中提取茶多酚”專題復(fù)習(xí)的核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)，包括：

(1)通過復(fù)習(xí)，建構(gòu)物質(zhì)分離與提純的方法模型，指導(dǎo)茶多酚提取工藝流程的方案設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生自主思考、勇于質(zhì)疑、敢于批判的創(chuàng)新精神，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

(2)通過對(duì)物質(zhì)分離及純化原則和方法的復(fù)習(xí)，加深理解物質(zhì)性質(zhì)對(duì)分離純化方法選擇的指導(dǎo)性。形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的觀念，發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)。

(3)通過溶解、過濾、萃取與索氏提取、分液、蒸餾與減壓蒸餾等物質(zhì)的分離提純方法的應(yīng)用，掌握實(shí)驗(yàn)基本操作與技能，形成對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的正確認(rèn)知。

(4)通過對(duì)茶多酚提取工藝的學(xué)習(xí)，感受中國科研工作者的工作激情，感受中國傳統(tǒng)茶文化的魅力，增強(qiáng)文化自信。

2.2 教學(xué)整體思路設(shè)計(jì)

本課利用“茶多酚的提取及純化”這樣真實(shí)的情境，將物質(zhì)性質(zhì)和物質(zhì)分離、提純方法、實(shí)驗(yàn)條件選擇和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)及改進(jìn)等知識(shí)整合起來。

2.3 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

主題1：中國茶文化與茶多酚的性質(zhì)

主題流程：雅、俗茶文化→茶葉的組成→神農(nóng)嘗百草→茶多酚的功效

設(shè)計(jì)意圖：以中國源遠(yuǎn)流長、雅俗共賞的茶文化為切入點(diǎn)，介紹茶葉的組成及傳統(tǒng)文化中神農(nóng)氏嘗百草的故事，引起學(xué)生對(duì)中華優(yōu)秀文化的認(rèn)同，增強(qiáng)民族自信，發(fā)揮高考評(píng)價(jià)體系中“價(jià)值引領(lǐng)”的作用。

主題2：物質(zhì)分離提純的一般方法和原則

主題流程如圖1所示

圖1 物質(zhì)分離提純的方法及原則

設(shè)計(jì)意圖：通過天然物質(zhì)的提取及純化的方法模型的歸納及分離提純?cè)瓌t的學(xué)習(xí)，了解物質(zhì)性質(zhì)對(duì)分離方法選擇的重要性，讓學(xué)生重視科學(xué)研究的方法，逐步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定分離和提純方法”的觀念。

主題3：模型建構(gòu)——設(shè)計(jì)茶多酚提取流程

主題流程：建構(gòu)茶多酚提取純化流程的程序

環(huán)節(jié)一：性質(zhì)探究

資料：茶多酚是茶葉中所含的一類多羥基類化合物，其中比較有代表性的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

【問題】通過觀察茶多酚的結(jié)構(gòu)簡式，說說其可能具有的性質(zhì)并說明推斷依據(jù)。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)教學(xué)中最重要也最常用的方法是分類、類比、推斷。通過對(duì)茶多酚的結(jié)構(gòu)模型的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)陌生物質(zhì)以一定標(biāo)準(zhǔn)加以歸類，通過教材中已知物質(zhì)性質(zhì)加以類比，進(jìn)而合理推導(dǎo)出陌生物質(zhì)的相應(yīng)性質(zhì)。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)新知識(shí)、獲取新信息的能力。

環(huán)節(jié)二：情境激發(fā)

【投影】宋代蘇軾在《汲江煎茶》一詩中寫到：活水還須活火烹，自臨釣石取深清。這句詩里涉及哪些化學(xué)基本操作？

【學(xué)生】加熱，浸泡。

【問題】茶的香味來自于茶葉所含多種有機(jī)物，包括茶多酚。詩里的烹、煎等手段是化學(xué)中常見的物質(zhì)分離方法的雛形，該方法與哪種分離方法相似？其中，“煎”“烹”的目的是什么？

【學(xué)生】溶解。“煎”“烹”是為了讓溶解更快。

【過渡】茶在中國已經(jīng)有3000多年的歷史，說明古人早就已經(jīng)懂得利用溶解的原理從茶葉中獲取相關(guān)物質(zhì)以豐富自己的物質(zhì)及精神享受。若要從茶葉大量提取茶多酚，是否也可以采用“溶解”的方法呢？

【學(xué)生】是的。

設(shè)計(jì)意圖：從中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化出發(fā)，引入物質(zhì)提取的方法，既能體會(huì)古人的化學(xué)智慧，也能激起學(xué)生的思辨熱情，通過生活中無處不在的化學(xué)知識(shí)與操作，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任，體現(xiàn)化學(xué)的核心價(jià)值。

環(huán)節(jié)三：抽象研究流程

建模程序流程：設(shè)計(jì)問題→引導(dǎo)作答→形成流程→問題推進(jìn)→完善流程。教學(xué)的核心思路是基于問題驅(qū)動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)層層推進(jìn)的問題，推動(dòng)學(xué)生逐漸完善流程，引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用“物質(zhì)分離與提純”的基礎(chǔ)知識(shí)。在問題設(shè)計(jì)中加入較多的探究性內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生深入理解物質(zhì)分離、提純方法的內(nèi)涵，強(qiáng)化學(xué)生關(guān)注知識(shí)的本源性，提升學(xué)生分析問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維方式。在多種分離提純方法選擇的探究中，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

環(huán)節(jié)四：設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

【問題】圖3為同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的部分流程，這部分流程是否仍存在問題？

圖3

【投影】茶多酚主要存在于茶葉細(xì)胞原生質(zhì)體及液泡內(nèi)，細(xì)胞壁阻礙了茶多酚從細(xì)胞內(nèi)向外滲出。實(shí)驗(yàn)研究表明，用乙醇浸泡1小時(shí)，也只有少量的茶多酚溶解。

【追問】若要提高茶多酚的提取效率，應(yīng)如何解決以上問題？

【學(xué)生】①利用索氏提取器進(jìn)行連續(xù)萃取，提高浸泡溶解效率；

②超聲波在一定程度上能破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)快速溢出；

③果膠酶、纖維素酶等物質(zhì)可軟化或分解植物細(xì)胞壁，促進(jìn)胞內(nèi)成分流出，增加待提取物與提取劑接觸機(jī)會(huì)，提高提取率。

設(shè)計(jì)意圖：從操作方法、提取分離效果、操作的復(fù)雜程度等角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生打破常規(guī)思路，通過學(xué)科知識(shí)滲透，敢于質(zhì)疑，大膽求證，提出更加合理可靠的實(shí)驗(yàn)方案。充分發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)五：建構(gòu)模型

圖4

設(shè)計(jì)意圖：《中國高考評(píng)價(jià)體系說明》中指出，“基于情境的復(fù)雜程度，高考評(píng)價(jià)體系中的情境活動(dòng)可以分為兩層。第一層是簡單的情境活動(dòng)。第二層是復(fù)雜的情境活動(dòng)。復(fù)雜的情境活動(dòng)涉及的是復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)，主要考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)和能力應(yīng)對(duì)復(fù)雜問題的水平?！币囵B(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜的情境中快速有效的提取信息并準(zhǔn)確解答，就必須有行之有效的訓(xùn)練。師生共同分析得出復(fù)雜的茶多酚提取純化流程圖，結(jié)合教材中的提取純化流程，總結(jié)得出提取植物中可溶性有機(jī)物的一般性流程，建立解決復(fù)雜問題的思維及模型框架，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

主題4：作業(yè)

【投影】經(jīng)研究總黃酮(FIBL)有一定的體外抗氧化活性和抑菌作用，以3～5人為一組，設(shè)計(jì)從紅薯葉提取總黃酮的實(shí)驗(yàn)方法。

命題意圖：布置開放性實(shí)驗(yàn)，參照從天然物質(zhì)的提取純化模型，模仿茶多酚的提取設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)探究的完整過程，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)。

3.教學(xué)反思與啟示

(1)注重問題的情境性。將中國傳統(tǒng)優(yōu)秀詩、茶文化有機(jī)結(jié)合，提升學(xué)生的民族自信。

(2)滲透方法觀的培養(yǎng)和思維深度的訓(xùn)練。

(3)注重思維的系統(tǒng)性。

(4)創(chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)性問題情境，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。