基于4MAT模式以 “核心問題”為驅(qū)動的深度學習設(shè)計

滕明俊

一、以“核心問題”為驅(qū)動的4MAT化學教學模式2019年發(fā)布的《國務院辦公廳關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中明確提出：“深化課堂教學改革”積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學。在從“教”向“學”的轉(zhuǎn)變中，教師作為支持者和指導者，如何采用合適的策略，幫助學生建立起對學科關(guān)鍵概念的正確認知并靈活應用，促進學生的深度理解，將是提高課堂質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

美國學者麥卡錫（McCarthy）博士結(jié)合心理學、腦科學研究和體驗學習理論， 發(fā)展了4MAT教學模式（自然學習模式）。麥卡錫根據(jù)人們處理信息的方式將學習的過程主要分為了Why？（為什么） What？（是什么） How？ （如何用）What if？（又能如何用）？四個部分（如圖1所示），以上四個問題構(gòu)成一個循環(huán)，是學生在學習一個概念時需要經(jīng)歷的過程。學生通過體驗、感知、內(nèi)化并付諸實踐等方式，自主探尋并構(gòu)建關(guān)鍵概念的意義和內(nèi)涵，并最終應用和遷移。該模式使得教師能夠在課堂的不同階段，采用不同的教與學的方式，來幫助學生深度理解關(guān)鍵概念。

當前中等教育工作者對4MAT教學模式進行了創(chuàng)新性的研究和實踐，但是從操作層面仍存在瓶頸，主要原因在于缺乏一個適合的載體將Why？（為什么） What？（是什么） How？ （如何用）What if？（又能如何用）這四個內(nèi)容較好地串起來并融入課堂教學當中。而其中，最為關(guān)鍵的是第一步，通過什么的方式設(shè)疑，既能引起學生的興趣，又能與課程內(nèi)容無縫對接，同時與學科素養(yǎng)的落實相契合，達到素養(yǎng)發(fā)展的落實和教育意義的實現(xiàn)。

為解決以上的難點，筆者提出并實踐了以“核心問題”為驅(qū)動的4MAT模式（如圖2所示），通過核心問題一方面能聚焦學生，另一方面能夠順應4MAT教學模式展開。以“核心問題”為驅(qū)動能將化學學科的大概念和核心素養(yǎng)落實分解到核心問題當中，利用核心問題將章節(jié)中的知識點有機地串聯(lián)起來，形成完善的知識體系。通過核心問題的提出和解決，可以激發(fā)學生學習的內(nèi)動力，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，同時也順應以學生為中心的課堂設(shè)計理念?，F(xiàn)以北京市區(qū)級公開課“蓋斯定律”為例進行剖析，以期進行反思并提供啟示。

二、基于4MAT模式“核心問題”驅(qū)動的課例實踐

1. 教材內(nèi)容及學情分析

人教版高中化學教科書《化學反應原理》（選修四）熱化學章節(jié)中關(guān)于“蓋斯定律”的教學內(nèi)容，其教學重點是學生能理解并正確應用蓋斯定律。這部分是反應熱學習的延續(xù)，也為后續(xù)化學能轉(zhuǎn)化的學習打下基礎(chǔ)，因此具有承上啟下的作用。

蓋斯原理的學習較為抽象，學生往往只是記住結(jié)論并直接用于解題，沒有切身的體驗，對該原理的理解停留在表面;學生缺乏實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、實驗觀察和測量相結(jié)合的訓練，難以建立反應熱與化學變化之間的深層關(guān)系。

為了解決學生缺乏深度學習體驗，難以深刻理解該原理的問題，對本章內(nèi)容進行整合，將測定反應熱實驗和蓋斯定律進行融合，通過“測定氫氧化鈉與鹽酸中和反應的反應熱”的實驗，引導學生對蓋斯定律進行論證。以“如何測定在現(xiàn)實條件下難以進行的反應的反應熱？”為核心問題進行驅(qū)動，開展基于4MAT模型的教學實踐以促進學生的深度學習，幫助學生在學習理解蓋斯定律的同時，進一步深化對反應熱測定、比熱容等概念的理解與應用，同時加強學生動手操作獲取數(shù)據(jù)、分析和評價數(shù)據(jù)的能力。

2.教學目標

（1）通過海拔高度差的類比以及焓作為狀態(tài)函數(shù)的介紹， 學生能理解蓋斯定律提出的理論依據(jù)和基礎(chǔ)，了解其在科學研究中的意義，同時掌握有關(guān)蓋斯定律的應用。

（2）以氫氧化鈉固體與鹽酸溶液的反應熱測定為例，通過設(shè)計合理的反應路徑以及基于能量守恒定律來論證蓋斯定律。通過以上探究過程的設(shè)計、實踐、展示和評價，發(fā)展學生證據(jù)推理和模型認知的水平;同時在實驗中體會科學家進行實驗探究的完整過程，培養(yǎng)學生的科學精神、科學方法以及創(chuàng)新意識。

（3）通過運用蓋斯定律求解難以直接測量的化學反應的反應熱（如碳與氧氣生成一氧化碳的反應熱），加深對反應熱概念和蓋斯定律的理解。讓學生感受到化學對社會發(fā)展的巨大貢獻，進一步提升學生對化學與社會關(guān)系的認識水平以及在真實情景中的問題解決能力。

3.教學設(shè)計及實踐

“蓋斯定律”一課教學設(shè)計如圖3所示。

【第一階段】創(chuàng)設(shè)情景、引出問題

設(shè)置問題情景：小王同學假期計劃爬山，他想弄清楚從山腳A點到山頂D點的海拔高度差有多少米。地圖上提供了三條路徑，但沒有直接提供A點和D點海拔信息，而是提供了中間驛站B點、C點的海拔信息及與A、D兩點的高度差，根據(jù)以上間接的信息是否能夠推斷出A點和D的海拔高度差？

學生思考并回應：可以通過A→B，B→C，C→D的高度差來求得A→D的高度差。

追問：在化學反應熱的測定中，也存在這樣類似的沒有直接數(shù)據(jù)可參考的問題。比如，受反應條件的限制，有的反應的焓變很難直接測量，比如難以測定碳單質(zhì)與氧氣反應生成一氧化碳的反應熱，因為該反應發(fā)生的時候總是伴隨產(chǎn)生二氧化碳氣體。如何測定在現(xiàn)實條件下難以進行的反應的反應熱？

教師啟發(fā)：在指定狀態(tài)下，各種物質(zhì)的焓值都具有確定的數(shù)值，因此從反應物變成產(chǎn)物，無論經(jīng)過哪些步驟，他們的焓的差值都是不變的。就好比登山時，無論是徒步攀登，還是坐纜車直達山頂，雖然路徑不同，但是總的上升高度是一樣的。

學生推測：如果一個化學反應的焓變只取決與反應體系的終態(tài)和始態(tài)，與反應途徑無關(guān)，那么就可以設(shè)計合適的反應路徑獲得目標反應的焓變值。

設(shè)計意圖

通過設(shè)計實際問題情景，利用類比的方法為蓋斯定律的引出做好鋪墊。激發(fā)學生興趣，引發(fā)學生猜想，促進學生對焓的定義的深度理解，為蓋斯定律的探究奠定理論基礎(chǔ)。同時，發(fā)展學生多角度、動態(tài)地分析化學變化的能力。

【第二階段】分析實例、提出猜想

素材提供：以真實反應為例：

對于中和反應A：

NaOH（s）+H+（aq）+Cl-（aq）

Na+（aq）+Cl-（aq）+H2O ΔHA

是否可以由另外幾個熱化學方程式相加減而得到？

學生討論分享：

（1）氫氧化鈉固體溶解的過程B：

NaOH（s）Na+（aq）+OH-（aq） ΔHB

（2） NaOH溶液和HCl溶液的中和反應C：

Na+（aq）+OH-（aq）+H+（aq）+Cl-（aq）

Na+（aq）+Cl-（aq）+H2O

ΔHC

啟發(fā)：我們可以直接測定反應A、B、C的焓變。這幾個反應的焓變值之間存在什么樣的關(guān)系？

學生推測：反應A可以由反應B和反應C相加而得到，則可能存在ΔHA=ΔHB+ΔHC

設(shè)計意圖

本環(huán)節(jié)引導學生將熟悉的氫氧化鈉固體與鹽酸溶液的中和反應拆分成氫氧化鈉固體的溶解和氫氧化鈉溶液與鹽酸溶液的中和反應，通過測定以上3個反應的反應熱來論證蓋斯定律，使得抽象的定律轉(zhuǎn)變成更貼近實際的生活情景。重點發(fā)展學生“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)，引導學生通過分析、推理和演繹等方式不斷接近和認識蓋斯定律的本質(zhì)特征，建立認知模型，并運用模型來解決問題。

【第三階段】系統(tǒng)探究、驗證猜想

教師展示量熱計的使用并說明注意事項，學生聆聽，了解任務要求，分組進行實驗。通過量熱計收集各組相關(guān)數(shù)據(jù)，利用Q=C×m×ΔT， 計算出反應熱;利用ΔH=Q/n計算出反應焓變ΔHA、ΔHB、ΔHC。

學生驗證：學生收集、計算并展示數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)表明：在誤差范圍內(nèi)（<5%），存在以下關(guān)系ΔHA=ΔHB+ΔHC。 （備注：理論值：氫氧化鈉的溶解焓：-44.6 kJ/mol， 氫氧化鈉和鹽酸的中和熱：-57.3 kJ/mol）

問題啟發(fā)： 以上的結(jié)論是否可以進行推廣并用科學的語言來表述？

學生主張：考慮到焓是一個狀態(tài)函數(shù)，以上結(jié)論可以遷移到一般的化學反應中。對于A→D的反應，如果不能直接計算出反應焓變ΔH，但是通過設(shè)計別的反應路徑A→B、B→C、C→D并得到每一步的焓變ΔH1、ΔH2、ΔH3，則ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。說明若一個化學反應的熱化學方程式可以由另外幾個化學反應的熱化學方程式相加減而得到，則該化學反應的焓變即為另外幾個化學反應焓變的代數(shù)和。

教師拓展：蓋斯在大量實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出如下規(guī)律：一個化學反應無論是一步完成還是分幾步完成，反應熱都是一樣的，此定律稱為蓋斯定律。雖然這是一個基于實驗數(shù)據(jù)總結(jié)的規(guī)律，但是蓋斯定律實質(zhì)上是能量守恒定律的體現(xiàn)，能否用能量守恒定律來論證蓋斯定律？

學生探究：

目標反應為從始態(tài)A變化到到終態(tài)D，體系的焓變是ΔH。如圖4所示，可以設(shè)計另外途徑：從A到B、B到C，C到D，體系的焓變分別為ΔH1，ΔH2，ΔH3 。假設(shè)經(jīng)過一個循環(huán)，從始態(tài)A出發(fā)經(jīng)過B、C、D，再回到A， 體系仍處于A態(tài)，因為物質(zhì)沒有發(fā)生變化，所以就不能引發(fā)能量變化，即ΔH1+ΔH2+ΔH3-ΔH=0。所以ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3圖4

設(shè)計意圖 改變了以往將蓋斯定律直接教授給學生的方式，而是換用科學探究的方式讓學生親身體驗、思考并動手論證。學生既體會了化學家可以通過巧妙的實驗設(shè)計，又在教師的啟發(fā)下，理論和實踐相結(jié)合，由本質(zhì)推出變式，由個別推廣到一般，演繹和歸納能力得到鍛煉。同時，學生成為實驗的主導者和數(shù)據(jù)的分析者，落實了新課程標準中化學學科核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵第三和第四點：證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識。在反應熱的測定中，學生通過小組合作、數(shù)據(jù)分享、獨立分析給出結(jié)論，能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑。

【第四階段】聯(lián)系實際， 遷移應用

教師追問：蓋斯定律在實際生產(chǎn)生活中有哪些獨特的應用？

學生提煉并展示應用場景：可以解決特殊場景下反應熱測定困難的問題，比如以下情形可以運用蓋斯定律來解決：

（1） 進行得很緩慢的反應;

（2） 在特定條件下不容易直接發(fā)生的反應;

（3） 伴隨有副反應發(fā)生的反應。

追問探究：蓋斯定律解決問題的關(guān)鍵是設(shè)計流程，從反應物開始，經(jīng)歷若干中間反應（不一定是真實的反應歷程），最終生成生成物。

本節(jié)課開始階段曾經(jīng)提到因為C燃燒時不可能完全生成CO，總有一部分CO2生成，因此這個反應的ΔH無法直接測得，如何根據(jù)蓋斯定律設(shè)計一個方案計算該反應的ΔH？需要哪些數(shù)據(jù)？

學生討論分享：

為了規(guī)避不完全燃燒的情況，可以設(shè)計C完全燃燒及其CO完全燃燒的反應，因此需要C及其CO分別在氧氣下完全燃燒的反應熱，然后通過數(shù)學處理將熱化學方程式相加減而得到C不完全燃燒生成CO的反應熱。

C（s， 石墨）+O2 （g）CO2（g）

ΔH1=-393.5 kJ/mol①

CO（g）+12 O2CO2（g）

ΔH2=-283.0 kJ/mol②

①-②得到：

C（s， 石墨）+12 O2 （g）CO（g）

ΔH總=ΔH1-ΔH2

問題啟發(fā)：蓋斯定律運用的基本流程是什么？

學生提煉：寫出目標熱化學方程式，確定“過渡物質(zhì)”（要消去的物質(zhì)），然后用消元法逐一消去“過渡物質(zhì)”，從而導出四則運算式，對熱化學方程式進行適當變形，ΔH進行相應的變化后來計算反應熱。

設(shè)計意圖 首尾呼應，從實際問題引入開始到實際問題的解決結(jié)束，引導學生“學以致用”，從單純的“解題”向“解決問題”進行轉(zhuǎn)變。通過解決CO生成焓測定的難題，讓學生深刻意識到化學對社會生產(chǎn)生活的重大貢獻，發(fā)展其“科學態(tài)度與社會責任”化學學科核心素養(yǎng)。此外，通過對蓋斯定律運用流程的提煉，提升學生歸納概括的能力和運用科學理論分析和解決實際問題的能力。

三、反思與啟示

在本課例中，以核心問題“如何測定在現(xiàn)實條件下難以進行的反應的反應熱？”為驅(qū)動，激發(fā)學生好奇心，引發(fā)學生深度思考，從而提出假設(shè)并親自動手從理論和實驗兩個角度來論證假設(shè)。學生在這個過程中完整地體驗了一個概念或者結(jié)論的形成、論證和遷移的過程，逐漸學習從科學家的視角來看待問題、分析問題并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地解決新問題。在整體的設(shè)計中，以真實問題為情景，與關(guān)鍵概念建立起意義關(guān)聯(lián)，從核心問題切入，最后以學生自主探究解決核心問題結(jié)束，較好地體現(xiàn)了以學生為主體，從教走向?qū)W的課改趨勢。以上課例的實踐說明基于4MAT模型以“核心問題”為驅(qū)動的教學模式，可以促進學生對核心概念的深度理解，有利于發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)，值得進一步研究和關(guān)注。

基金項目：北京市教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度青年專項課題編號：CDCA2020111。

（收稿日期：2021-08-01）