UbD理論下的科學(xué)說理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

葉淑嬌 金隆

摘 要 基于UbD理論，采用逆向教學(xué)設(shè)計(jì)，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，確定預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，制定評(píng)估依據(jù)，設(shè)計(jì)了“走‘進(jìn)生石灰干燥劑”的科學(xué)說理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐表明，這種以學(xué)習(xí)預(yù)期結(jié)果為出發(fā)點(diǎn)的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)教、學(xué)與評(píng)一致性的有效路徑之一。

關(guān)鍵詞 初中化學(xué) UbD理論 逆向教學(xué)設(shè)計(jì) 科學(xué)說理

“追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)”（Understanding by Design簡(jiǎn)稱“UbD”）是由美國(guó)學(xué)者威金斯和麥克泰格倡導(dǎo)的一種新型教學(xué)設(shè)計(jì)模式，核心是“意義學(xué)習(xí)，理解為先”，強(qiáng)調(diào)為理解而教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生持久而深入地理解知識(shí)，是一種“以終為始”的教學(xué)模式。該模式以明確的預(yù)期目標(biāo)為起點(diǎn)，以促進(jìn)學(xué)生有意義的學(xué)習(xí)為宗旨，強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)先于教學(xué)活動(dòng)的開展[1]。這種逆向教學(xué)設(shè)計(jì)與科學(xué)說理的結(jié)合使用，能促進(jìn)知識(shí)的理解、遷移與應(yīng)用，從而提高學(xué)生的科學(xué)說理能力?？茖W(xué)說理，是指運(yùn)用科學(xué)事實(shí)、概念和原理，通過科學(xué)的邏輯推理，使用準(zhǔn)確的科學(xué)語(yǔ)言來解釋某一科學(xué)問題或科學(xué)現(xiàn)象的過程[2]。以下，筆者以“走‘進(jìn)生石灰干燥劑”一課為例，展示依據(jù)UbD理論而設(shè)計(jì)的教學(xué)的三個(gè)階段：制訂預(yù)期教學(xué)目標(biāo)、選擇合適的評(píng)估證據(jù)、設(shè)計(jì)教學(xué)過程。

一、制訂預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，有的放矢

教師要在了解學(xué)情、依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、研讀教材后制定預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。為了幫助學(xué)生了解需要遷移的知識(shí)，教師還要根據(jù)預(yù)期教學(xué)目標(biāo)確定基本問題，并圍繞這些基本問題確定學(xué)生需要理解的內(nèi)容[3]3。本課例以變質(zhì)的生石灰干燥劑作為教學(xué)情境，以鑒別物質(zhì)、定性定量鑒定其成分等問題作為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，并對(duì)學(xué)生掌握“物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、物質(zhì)的檢驗(yàn)、含量的測(cè)定”等核心知識(shí)的程度進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。筆者從教學(xué)目標(biāo)、基本問題、學(xué)生需要理解的內(nèi)容三個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，詳見表1。

三、設(shè)計(jì)教學(xué)過程

教師在設(shè)計(jì)教學(xué)過程時(shí)，應(yīng)認(rèn)真思考：選取哪些資源和活動(dòng)來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)？這些資源和活動(dòng)如何呈現(xiàn)？設(shè)計(jì)的活動(dòng)要充分考慮情境素材的生活化、問題設(shè)置的科學(xué)性和合理性、學(xué)生的參與性和目標(biāo)達(dá)成的有效性。因此，需要通過把問題任務(wù)化并融入表達(dá)、書寫、合作、實(shí)驗(yàn)、觀察、討論、展示等具體活動(dòng)的方式來設(shè)計(jì)教學(xué)過程，以驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)。據(jù)此，筆者設(shè)計(jì)了本節(jié)課例的教學(xué)流程圖，如圖1所示。

以教學(xué)流程圖為主線，具體的教學(xué)過程設(shè)計(jì)如下（以下“科學(xué)說理”簡(jiǎn)稱“說理”）：

（一）創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

展示食品——波力海苔，打開包裝袋，取出干燥劑。查看干燥劑名稱：生石灰干燥劑。

（二）復(fù)習(xí)回顧，喚起前知

【設(shè)計(jì)意圖】巧用情境，以生石灰干燥劑為載體，激發(fā)學(xué)生的說理興趣。通過復(fù)習(xí)回顧，先設(shè)置三個(gè)較為簡(jiǎn)單的說理目標(biāo)，再根據(jù)說理目標(biāo)來設(shè)置問題或問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生在CaO、Ca（OH）2和CaCO3三種鈣元素化合物之間建立聯(lián)系，認(rèn)識(shí)物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)建構(gòu)。通過演示實(shí)驗(yàn)，歸納物質(zhì)檢驗(yàn)方法。從學(xué)生的說理、方程式書寫中尋找證據(jù)，判斷學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。

說理目標(biāo)一：生石灰為什么能做干燥劑？

設(shè)置問題1：生石灰干燥劑的主要成分是什么？

查看干燥劑包裝袋說明：不可浸水、不可玩耍等。

設(shè)置問題2：為什么不可浸水？

設(shè)置問題3：很多新聞報(bào)道，小孩把干燥劑放入有水的礦泉水瓶中玩耍，發(fā)生了爆炸，造成人體嚴(yán)重?fù)p傷。為什么會(huì)爆炸？

學(xué)生思考，表達(dá)觀點(diǎn)：生石灰的主要成分是CaO，CaO能與水反應(yīng)，所以能做干燥劑;反應(yīng)放出大量的熱，所以不可浸水，否則會(huì)發(fā)生爆炸。

說理目標(biāo)二：如何檢驗(yàn)干燥劑是否有效？

設(shè)置問題：這包生石灰干燥劑有效嗎？如何檢驗(yàn)？

目的：檢驗(yàn)干燥劑中是否還含有氧化鈣。

原理：檢驗(yàn)物質(zhì)要依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)，包括物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。氧化鈣的性質(zhì)之一：遇水反應(yīng)且放熱。

學(xué)生表述實(shí)驗(yàn)步驟并說理：取少量樣品于試管中，加入少量水，觸摸試管外壁，若溫度升高，說明還含有氧化鈣，干燥劑應(yīng)該有效。

教師演示實(shí)驗(yàn)，師生一起歸納物質(zhì)檢驗(yàn)的一般方法：取樣品、加試劑、看現(xiàn)象、得結(jié)論。

說理目標(biāo)三：暴露于空氣中久置的干燥劑含有哪些成分？請(qǐng)作出解釋。

設(shè)置問題：新制得的干燥劑成分是生石灰，久置后還有效嗎？若失效，會(huì)變成哪些物質(zhì)？

學(xué)生書寫化學(xué)方程式并說理：CaO+H2O[? ? ? ?]Ca（OH）2，CO2+Ca（OH）2[? ? ? ?]CaCO3↓+H2O。會(huì)失效。暴露于空氣中久置的氧化鈣會(huì)與空氣中的水反應(yīng)，生成氫氧化鈣。氫氧化鈣又會(huì)與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣。所以久置的干燥劑中可能有CaO、Ca（OH）2、CaCO3。

（三）定性鑒定，低階應(yīng)用

任務(wù)一：檢驗(yàn)久置干燥劑的成分。

【設(shè)計(jì)意圖】讓學(xué)生選擇合適的試劑對(duì)久置干燥劑中的三種成分[CaO、Ca（OH）2、CaCO3]進(jìn)行檢驗(yàn)，目的是通過學(xué)生選擇的試劑來診斷學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的掌握情況。通過說理，規(guī)范科學(xué)用語(yǔ)，增強(qiáng)邏輯思維能力，掌握物質(zhì)檢驗(yàn)的方法。利用分組隨堂實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究的基本過程，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，形成把科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)際的意識(shí)。

情境升級(jí)：老師這里有一包暴露于空氣中久置的生石灰干燥劑，這包干燥劑中是否含有CaO、Ca（OH）2和CaCO3三種物質(zhì)？請(qǐng)結(jié)合他們的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，思考如何檢驗(yàn)。

說理目標(biāo)四：如何檢驗(yàn)久置的生石灰干燥劑的成分？

分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生表達(dá)，教師提示并進(jìn)行操作指導(dǎo)。

1.檢驗(yàn)CaO：取部分樣品于試管中，加入少量水。

提示：久置后的干燥劑中氧化鈣含量可能會(huì)比較少，為了使現(xiàn)象明顯可以多放點(diǎn)樣品。

操作指導(dǎo)：在溫度計(jì)上讀出室溫（即干燥劑初始溫度），用滴管將少量水滴加到樣品中，再用溫度計(jì)測(cè)出此時(shí)干燥劑的溫度并進(jìn)行前后對(duì)比，若溫度升高，則說明有CaO存在。

2.檢驗(yàn)Ca（OH）2：取部分樣品于試管中，加入適量硫酸銨并混合加熱。

提示：在沒有氧化鈣的情況下，可以依據(jù)堿溶液的化學(xué)性質(zhì)，如加指示劑或加酸、加CuCl2、加Na2CO3等檢驗(yàn)Ca（OH）2;在有CaO干擾的情況下，則無法使用上述試劑檢驗(yàn)Ca（OH）2。Ca（OH）2等堿性物質(zhì)能跟銨態(tài)氮肥反應(yīng)釋放出有臭雞蛋氣味的氨氣，可以采用將樣品與銨鹽混合加熱的檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)。為避免銨鹽自身分解產(chǎn)生干擾，應(yīng)選擇分解溫度較高的硫酸銨（分解溫度為280 ℃）。

操作指導(dǎo)：取樣品加硫酸銨后，稍稍振蕩混合，銨鹽一般會(huì)受熱分解。如果現(xiàn)象不夠明顯，則放在熱水中稍稍加熱。

3.檢驗(yàn)CaCO3：取部分樣品于試管中，加入足量稀鹽酸。

操作指導(dǎo)：加稀鹽酸時(shí)注意觀察試管中的現(xiàn)象，邊加邊觀察有無氣泡產(chǎn)生。

（四）定量測(cè)定，高階創(chuàng)造

任務(wù)二：構(gòu)建測(cè)定各成分含量的實(shí)驗(yàn)裝置模型。

【設(shè)計(jì)意圖】采用問題鏈驅(qū)動(dòng)，利用裝置卡片，逐步引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建裝置模型。通過小組合作、展示與交流，教會(huì)學(xué)生根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?，?gòu)建測(cè)定CaCO3含量的裝置模型;通過比較分析和討論說理，明確方案的優(yōu)缺點(diǎn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高測(cè)量的精確度。

問題升級(jí)：通過上述實(shí)驗(yàn)，我們確定了這包久置生石灰干燥劑的成分，你能據(jù)此判斷這包干燥劑大概放置了多長(zhǎng)時(shí)間嗎？

提示：干燥劑中CaCO3含量越高，說明它被放置的時(shí)間越長(zhǎng)。因此，可以通過測(cè)定干燥劑中各成分的含量來推斷干燥劑放置的時(shí)間。

說理目標(biāo)五：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測(cè)定久置生石灰干燥劑成分含量的實(shí)驗(yàn)方案，并說說各方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

測(cè)定思路：稱取樣品，加入相關(guān)試劑后，會(huì)生成相應(yīng)的氣體或沉淀;測(cè)量氣體或沉淀的量，利用化學(xué)方程式計(jì)算出反應(yīng)物的量。

1.測(cè)定CaCO3含量的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

方案（1）：稱重法[稱量法（1）]

稱量收集裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量，增加的量即為二氧化碳的質(zhì)量。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置的步驟如下：

①需要一個(gè)發(fā)生裝置和收集裝置（用濃NaOH溶液吸收），如圖2所示;

②生成的二氧化碳中攜帶了水，需要在收集裝置前加一個(gè)干燥裝置（用濃H2SO4溶液吸收）;

③為避免裝置內(nèi)部殘留二氧化碳而影響測(cè)量的精確度，需要由外向內(nèi)通入空氣;

④通入的空氣也含有二氧化碳，需要在發(fā)生裝置前加一個(gè)盛有濃NaOH溶液的裝置以除去空氣中的二氧化碳;

⑤為防止空氣中的二氧化碳和水倒吸入收集裝置，還需要在收集裝置的末端連接一個(gè)充滿無水硫酸銅的裝置。

最后構(gòu)建出的實(shí)驗(yàn)裝置模型如圖3所示。

方案（2）：稱輕法[稱量法（2）]

實(shí)驗(yàn)裝置和步驟同方案（1）。稱量發(fā)生裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量，差值即為二氧化碳的質(zhì)量。

方案（3）：排液法

利用反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳排出集氣瓶中的液體，用量筒盛接并讀出排出液體的體積，即為反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳的體積，再換算成二氧化碳的質(zhì)量。裝置模型如圖4所示。

提示：二氧化碳易溶于水，或在集氣瓶的液面上方鋪放油層，或采用排“飽和”的碳酸氫鈉溶液的方法。

學(xué)生說理，比較三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：方案（1）和方案（2）的裝置連接較復(fù)雜，操作麻煩，測(cè)質(zhì)量需考慮多方面誤差。方案（3）裝置簡(jiǎn)便，無需考慮裝置內(nèi)部的氣體殘留，不足的是需由二氧化碳的密度和體積算出質(zhì)量，而二氧化碳的密度受環(huán)境的溫度、氣壓等影響較大，并非定值。

2.測(cè)定Ca（OH）2含量的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

任務(wù)：小組合作，選擇合適的裝置（見圖5），連接裝置（提示：裝置圖可重復(fù)使用，藥品自選）。

學(xué)生展示，教師點(diǎn)評(píng)，構(gòu)建裝置模型，見圖6、圖7。

方案（1）：稱重法

裝置見圖6。

利用Ca（OH）2與（NH4）2SO4反應(yīng)產(chǎn)生氨氣，用濃硫酸裝置C吸收氨氣。由于濃硫酸具有吸水性，需在吸收裝置C前加堿石灰裝置D來干燥氨氣。為避免氨氣在裝置內(nèi)的殘留，需向裝置內(nèi)通入空氣。為防止裝置倒吸空氣中的水蒸氣，需在濃硫酸裝置C后加干燥裝置D。稱量吸收裝置C反應(yīng)前后的質(zhì)量并計(jì)算出差值，即為氨氣質(zhì)量。

方案（2）：稱輕法

裝置同圖6。稱量發(fā)生裝置C反應(yīng)前后的質(zhì)量，差值即為氨氣的質(zhì)量。

方案（3）：排液法

裝置如圖7。利用反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣排出集氣瓶E中的液體，用量筒盛接并讀出排出液體的體積，即為反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣體積，再換算成氨氣的質(zhì)量。氨氣易溶于水，應(yīng)在集氣瓶的液面上方鋪放油層。

（五）問題迭代，課外拓展

教師小結(jié)：根據(jù)這兩個(gè)方案我們就可以測(cè)算干燥劑變質(zhì)后各成分的含量，進(jìn)而推測(cè)它的放置時(shí)間。當(dāng)然，這只是我們推斷的依據(jù)之一，它的變質(zhì)速度還跟環(huán)境的濕度、溫度等有關(guān)。

問題迭代：怎樣才能使生石灰干燥劑得以循環(huán)使用？

（六）多元評(píng)價(jià)，總結(jié)提升

學(xué)生根據(jù)GRASPS評(píng)估框架進(jìn)行自評(píng)。教師總結(jié)：本節(jié)課我們通過定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)，對(duì)暴露于空氣中久置生石灰干燥劑的成分進(jìn)行了探究。物質(zhì)的檢驗(yàn)和測(cè)定都是依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)來設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。通過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，我們可以總結(jié)出實(shí)驗(yàn)的基本過程：明確目的、選定原理、設(shè)計(jì)步驟、觀察現(xiàn)象、分析評(píng)價(jià)。本節(jié)課的板書設(shè)計(jì)如圖8所示。

總之，說理是考查學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要手段。它既能檢測(cè)、完善科學(xué)認(rèn)知，培養(yǎng)比較、分析評(píng)價(jià)和邏輯等科學(xué)思維能力，又能增強(qiáng)語(yǔ)言表達(dá)能力。當(dāng)下，說理教學(xué)的現(xiàn)狀不容樂觀，教師很少自己設(shè)計(jì)說理并將其運(yùn)用于課堂教學(xué)，往往只針對(duì)題目進(jìn)行枯燥的分析，學(xué)生說理興趣不強(qiáng)，說理能力難以得到有效培養(yǎng)?；赨bD理論的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)，先以清晰的目標(biāo)為導(dǎo)向，再進(jìn)行說理教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知與生活相聯(lián)系，從而培養(yǎng)其說理能力。UbD理論強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)與反饋，因此，教師應(yīng)考慮設(shè)計(jì)多種評(píng)價(jià)方式，給學(xué)生充分表達(dá)的機(jī)會(huì)，從中捕捉評(píng)價(jià)證據(jù)，這也與說理教學(xué)常見的SOLO分類評(píng)價(jià)方法一致。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]李婉瑩.“逆向備課”的UBD教學(xué)設(shè)計(jì)框架[J].上海教育，2018（14）：32-34.

[2]張翔，胡逢堯，金隆.基于PISA測(cè)試的科學(xué)說理能力培養(yǎng)[J].中小學(xué)教材教學(xué)，2020（3）：32-34.

[3]威金斯，麥克泰格.追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）[M].閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2017.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）