思維課堂的設(shè)計(jì)、實(shí)踐與生成

李發(fā)順 葉躍娟

摘要： 學(xué)科核心素養(yǎng)包括價(jià)值觀念、關(guān)鍵能力與必備品格。化學(xué)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是學(xué)生思維的形成、進(jìn)階與結(jié)構(gòu)化。課堂設(shè)計(jì)、實(shí)踐及生成是學(xué)生思維能力形成的重要途徑。描述并分析了“化學(xué)反應(yīng)與熱能”的一節(jié)示范課，突出思維進(jìn)階的設(shè)計(jì)、實(shí)踐與生成。

關(guān)鍵詞： 思維課堂； 思維進(jìn)階； 化學(xué)反應(yīng)與熱能

文章編號(hào)： 10056629（2022）10006004

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

伴隨著教學(xué)改革進(jìn)入深水區(qū)，單純以接受知識(shí)與學(xué)會(huì)技能為目標(biāo)的雙基教學(xué)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代學(xué)生發(fā)展的需要。教師在組織開展學(xué)科教學(xué)活動(dòng)時(shí)，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得必備知識(shí)和關(guān)鍵能力的同時(shí)，應(yīng)基于提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生學(xué)科思維的邏輯性、完整性和嚴(yán)密性，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)和正確的價(jià)值觀念。思維是智慧的核心，是影響人的發(fā)展的重要能力；化學(xué)思維是關(guān)于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化和相互聯(lián)系的思維，是認(rèn)知化學(xué)、掌握化學(xué)和發(fā)展化學(xué)的智慧，是探究活動(dòng)的靈魂［1］；思維課堂是指學(xué)生在任務(wù)和問題驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行預(yù)測(cè)、推理、實(shí)證的課堂實(shí)踐活動(dòng)，并通過（與宏觀世界、伙伴世界、自我世界）對(duì)話，發(fā)展“具象到抽象、歸納到演繹、模仿到創(chuàng)新、孤立到系統(tǒng)”認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與化學(xué)變化的思維能力。

R老師示范了“化學(xué)反應(yīng)與熱能”的思維課堂教學(xué)活動(dòng)，從教什么、怎樣教、怎樣測(cè)及怎樣學(xué)等角度分析課堂生成的思維活動(dòng)與思維進(jìn)階。據(jù)此得出，化學(xué)學(xué)科教學(xué)的著力點(diǎn)應(yīng)以“思維發(fā)展”為抓手進(jìn)而實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)教育。

1 設(shè)計(jì)中的思維活動(dòng)與進(jìn)階

教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的前提是設(shè)計(jì)，包括對(duì)文本內(nèi)容的理解、學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定、學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)定（含學(xué)習(xí)活動(dòng)中的思維發(fā)展）、評(píng)價(jià)活動(dòng)的匹配、育人理念的融合。帶著這樣的思考，我們嘗試與讀者分享R老師在教學(xué)設(shè)計(jì)中的思維活動(dòng)及其進(jìn)階與結(jié)構(gòu)化。

人教版教科書［2］第二冊(cè)（必修）第6章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)與熱能”包括2個(gè)演示實(shí)驗(yàn)（用溫度計(jì)測(cè)量“鎂和鹽酸”反應(yīng)溫度變化、“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體”混合攪拌后促使水結(jié)成冰，以此說明化學(xué)反應(yīng)有吸熱和放熱現(xiàn)象），認(rèn)識(shí)典型的放熱和吸熱反應(yīng)，以“H2（g）+Cl2（g）2HCl（g）”反應(yīng)過程中斷鍵吸熱和成鍵放熱（微觀認(rèn)識(shí)）為例認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)中能量變化的原因，以圖表數(shù)據(jù)展示我國的能源消費(fèi)構(gòu)成和人均能源需求。

學(xué)習(xí)內(nèi)容中思維活動(dòng)與進(jìn)階是怎樣設(shè)計(jì)的？

R老師的教學(xué)設(shè)計(jì)一共設(shè)定了三個(gè)任務(wù)：認(rèn)識(shí)能量與能源、認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、化學(xué)反應(yīng)中能量變化的原因及表示方法。下面以布魯姆（bloom）認(rèn)知思維分類學(xué)方法［3］分析任務(wù)活動(dòng)設(shè)計(jì)中的思維活動(dòng)與思維進(jìn)階（見表1）。

2 實(shí)踐中的思維活動(dòng)與進(jìn)階

任務(wù)設(shè)計(jì)的思維活動(dòng)，需要通過教學(xué)實(shí)踐得到體現(xiàn)與落實(shí)。有沒有達(dá)到預(yù)期？學(xué)生思維活動(dòng)怎樣描述？思維活動(dòng)與進(jìn)階是怎樣實(shí)踐與體現(xiàn)的？帶著這些問題走進(jìn)R老師的課堂教學(xué)，觀察、記錄、描述、分析和整理學(xué)生的思維活動(dòng)。

2.1 實(shí)驗(yàn)從定性到定量，思維從具象到抽象

教科書實(shí)驗(yàn)［61］測(cè)定“鎂與鹽酸反應(yīng)”前后溶液溫度，推理出反應(yīng)過程放出熱量。教學(xué)活動(dòng)中除了觀察反應(yīng)前后溫度的變化，還讓學(xué)生觸摸試管外壁（安全前提下）感受反應(yīng)過程的熱量變化，并讓學(xué)生預(yù)測(cè)和描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（固體、溶液、溫度），定量測(cè)定熱量變化與定性感受放熱反應(yīng)相結(jié)合，增強(qiáng)了對(duì)放熱反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。從講解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到用化學(xué)用語規(guī)范表達(dá)化學(xué)反應(yīng)，分析整個(gè)過程中學(xué)生思維的變化，師生對(duì)話活動(dòng)情況如下。

師：鎂和鹽酸反應(yīng)很常見，我們先在試管中加入稀鹽酸，再加入打磨光亮的鎂條。（加入鎂條前）請(qǐng)同學(xué)們預(yù)測(cè)可能的現(xiàn)象？

生：鎂條逐漸溶解，有氣泡產(chǎn)生。

師：氣體產(chǎn)生是否快速？為什么會(huì)很劇烈？

生：因?yàn)殒V是活潑金屬。

師：還可能有什么現(xiàn)象發(fā)生？

生：……放出熱量。

師：如何知道反應(yīng)時(shí)放出了熱量？

（讓前排學(xué)生小心觸摸試管壁，感受溫度的變化）

R老師用溫度計(jì)測(cè)量反應(yīng)過程中溶液溫度的變化：向鹽酸溶液中加入鎂條，溫度計(jì)度數(shù)從13℃→30℃→40℃→50℃，此后溫度不再上升。根據(jù)這一現(xiàn)象，R老師解釋反應(yīng)放熱，溫度不再上升說明反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束。

學(xué)生的思維過程有預(yù)測(cè)（來自于已有的經(jīng)驗(yàn)），實(shí)驗(yàn)實(shí)證并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（定性和定量結(jié)合），再到對(duì)反應(yīng)快慢（程度）基于證據(jù)（氣泡）來說明，更進(jìn)一步關(guān)注了熱量變化。整個(gè)過程學(xué)生思維水平有明顯的提高。

師：上述過程中能量形式如何轉(zhuǎn)化？

生：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。

師：化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)能是否全部轉(zhuǎn)化為熱能？

生：可能有光能，如氫氣在氯氣中燃燒會(huì)發(fā)出蒼白色的光。

生：可能還有聲能，如鈉在水中四處游動(dòng)，發(fā)出“咝、咝”的聲音。

學(xué)生通過這個(gè)過程體驗(yàn)到化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)能的轉(zhuǎn)化方式不僅僅只有熱能，既拓展了對(duì)化學(xué)反應(yīng)中能量變化的認(rèn)知，也為后續(xù)學(xué)習(xí)埋下伏筆。

師：上述反應(yīng)中反應(yīng)物是鎂和鹽酸，生成物是氯化鎂和氫氣。大家判斷一下，反應(yīng)物和生成物誰的能量高？為什么？

生：反應(yīng)物能量更高，反應(yīng)過程中有熱量跑出來，所以生成物能量降低了。

此處結(jié)合學(xué)生剛剛獲得的體驗(yàn)馬上提出反應(yīng)物和生成物的能量（內(nèi)能）高低問題，既是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中水到渠成的結(jié)論，又很好地突破了學(xué)生在能量圖學(xué)習(xí)過程中的一大難點(diǎn)。

師：請(qǐng)同學(xué)們?cè)谧鴺?biāo)圖上畫出反應(yīng)物（鎂和鹽酸）、生成物（氯化鎂和氫氣）能量的相對(duì)位置圖。

教師出示“能量反應(yīng)過程”圖示，體現(xiàn)反應(yīng)物和生成物能量相對(duì)高低及差值ΔE，并提問ΔE是什么？ΔE的符號(hào)應(yīng)該是“+”還是“-”？從而認(rèn)識(shí)能量減少與熱量的關(guān)系（并區(qū)別了能量與熱量）；解釋對(duì)于反應(yīng)物來說，能量減少了（損失了），所以用“-”來表示這個(gè)過程的能量變化。教師和學(xué)生之間基于圖示中反應(yīng)物和生成物位置交換，通過對(duì)話認(rèn)識(shí)了吸熱反應(yīng)中ΔE數(shù)值的符號(hào)應(yīng)該為“+”。這個(gè)過程中學(xué)生思維水平的發(fā)展從圖示到符號(hào)，從正向到逆向，從文字到專業(yè)用語，一氣呵成。

2.2 認(rèn)識(shí)從具體到歸類，方法從歸納到演繹

對(duì)于吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)經(jīng)歷了具體反應(yīng)→典型反應(yīng)→一類反應(yīng)，歸屬為反應(yīng)物和生成物能量相對(duì)高低的認(rèn)識(shí)。下面來討論R老師是怎樣引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展認(rèn)識(shí)水平、促進(jìn)思維活動(dòng)進(jìn)階的。

師：那么對(duì)于吸熱反應(yīng)，能量圖要如何修改？說說我們學(xué)過的反應(yīng)中哪些是吸熱反應(yīng)。

生：硝酸銨溶于水；碳酸受熱分解。

師：硝酸銨溶于水主要是一個(gè)物理過程，不是化學(xué)反應(yīng)；碳酸受熱分解確實(shí)是吸熱反應(yīng)。大家分析一下，哪一類化學(xué)反應(yīng)通常是吸熱反應(yīng)？證據(jù)是什么？

生：分解反應(yīng)，大多數(shù)分解反應(yīng)需要加熱才能進(jìn)行。

師：如果移去酒精燈，就不會(huì)繼續(xù)分解了，這是吸熱反應(yīng)的一個(gè)外顯的判斷方法。當(dāng)然，并不是說需要加熱就一定是吸熱反應(yīng)，如木材的燃燒，也需要引燃，但引燃后拿走火柴還是可以繼續(xù)燃燒下去的，也就是反應(yīng)產(chǎn)生的能量足夠使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行下去，所以木材的燃燒是放熱反應(yīng)。那么，有沒有化合反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)的例子？

生：……木炭和二氧化碳的反應(yīng)好像是吸熱反應(yīng)。

教師高度肯定學(xué)生能夠說出木炭和二氧化碳的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

師生共同梳理常見的放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)。

上述學(xué)習(xí)過程從具體的吸熱反應(yīng)出發(fā)，發(fā)散思維，通過類比、關(guān)聯(lián)、遷移、分類來認(rèn)識(shí)吸熱反應(yīng)，并運(yùn)用此方法和特征對(duì)某另一個(gè)未知反應(yīng)作初步判斷，再根據(jù)吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的能量相對(duì)大小與反應(yīng)特征，演繹、推理、分類、整理典型的放熱反應(yīng)。

3 生成性的思維活動(dòng)與進(jìn)階

預(yù)設(shè)與生成是教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，教學(xué)設(shè)計(jì)中的思維活動(dòng)與進(jìn)階在教學(xué)實(shí)踐中不一定能夠如期實(shí)現(xiàn)，而教學(xué)實(shí)踐中的演繹和變化又常常會(huì)有意外的發(fā)生和精彩的生成。筆者在認(rèn)真研究R老師的課堂中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生思維活動(dòng)敏捷，思維的層次、進(jìn)階和深度足以令人興奮。下面以怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來證明“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合”反應(yīng)是放熱還是吸熱為例進(jìn)行分析。

師：剛才大家觀察了“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合使水結(jié)冰”的實(shí)驗(yàn)，又動(dòng)手“在塑料袋中混合兩種晶體并揉搓”體驗(yàn)到冰涼的感覺，知道了上述兩種晶體混合反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的儀器或裝置證明某反應(yīng)是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)，請(qǐng)將裝置圖畫在草稿紙上。

學(xué)生開始自主獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)單的描繪。教師適時(shí)引導(dǎo)“怎樣的現(xiàn)象能證明是吸熱或者放熱”，從生活和原有經(jīng)驗(yàn)中尋找。教師糾正個(gè)別學(xué)生將草圖畫在教科書上的做法，指導(dǎo)學(xué)生如何在教科書上做筆記。

展示兩位學(xué)生的成果，見圖1A和圖1B，并請(qǐng)學(xué)生來評(píng)價(jià)。

第一位學(xué)生認(rèn)為，可根據(jù)圖1A中氣球的變化（脹大放熱、縮小吸熱）來分析和判斷化學(xué)反應(yīng)過程中能量的變化；第二位學(xué)生回答，如果是放熱反應(yīng)，圖1B燒杯水中會(huì)有氣泡，如果是吸熱反應(yīng)，圖1B燒杯中的水會(huì)倒吸入導(dǎo)管中，據(jù)此可判斷反應(yīng)過程中的能量變化。

師：請(qǐng)大家來評(píng)價(jià)上述兩個(gè)裝置的合理性。

生：如果反應(yīng)中沒有氣體的參加或生成，這兩個(gè)裝置是可以的。但對(duì)于氫氧化鋇和氯化銨兩種晶體的反應(yīng)，這兩個(gè)裝置都不合理，因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)除了是吸熱反應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生氨氣，所以第一個(gè)裝置中根據(jù)氣球的變化難以判斷。

師：為什么難以判斷？

生：因?yàn)槲鼰岱磻?yīng)會(huì)使氣球變小，而產(chǎn)生氨氣又會(huì)使氣球脹大。

師：很好！這位同學(xué)分析了這個(gè)反應(yīng)中作用效果相反的兩個(gè)因素。現(xiàn)實(shí)中這樣的情形是很多的。遇到這樣的情況我們就要作科學(xué)的分析，看看哪個(gè)因素起主導(dǎo)作用，才能得出正確的結(jié)論（思維的辯證性）。

生：第二個(gè)裝置產(chǎn)生的氨氣會(huì)溶于水，所以不光看不到氣泡，還可能會(huì)倒吸。

師：確實(shí)如此。氨氣極易溶于水，所以確實(shí)會(huì)產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象（批判性思維）。那么你有沒有更好的方案？

畫出圖1A裝置的學(xué)生舉手提出了用小試管套大試管的改進(jìn)方法。教師肯定其創(chuàng)意并讓該同學(xué)到黑板上畫出她的設(shè)計(jì)，見圖1C。這位同學(xué)解釋：將反應(yīng)試劑裝在小試管中，如果是吸熱反應(yīng)，氣球會(huì)縮小，如果是放熱反應(yīng)，氣球會(huì)脹大，而氨氣的產(chǎn)生對(duì)氣球不產(chǎn)生任何影響。全班學(xué)生自發(fā)響起熱烈的掌聲（創(chuàng)造性思維）。

師：非常好！這就是設(shè)計(jì)，這就是創(chuàng)新。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，我們需要進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮分析各種可能影響結(jié)果的具體情況。要證明一個(gè)反應(yīng)是放熱還是吸熱，主要方法是依據(jù)封閉體系內(nèi)壓強(qiáng)的變化，比如（教師展示裝置圖1D），我們可以利用這個(gè)裝置導(dǎo)管中紅色水柱的移動(dòng)方向分析封閉體系內(nèi)壓強(qiáng)的變化來判斷化學(xué)反應(yīng)過程的吸熱或放熱。當(dāng)然這個(gè)裝置對(duì)于氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體的反應(yīng)來說同樣要作圖1C那樣的改進(jìn)。

學(xué)生在設(shè)計(jì)（繪制）“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合”實(shí)驗(yàn)吸熱或放熱反應(yīng)的判斷中，從一開始僅僅考慮氣球大小變化或氣泡逸出，到在設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)忽視了NH3的生成，后面又再設(shè)計(jì)排除氣體因素的改進(jìn)裝置，最后教師展示出預(yù)設(shè)的裝置（也要補(bǔ)充改進(jìn)）。整個(gè)教學(xué)流程的推進(jìn)好似行云流水，學(xué)生在這樣一個(gè)過程中充分享受了學(xué)習(xí)的快樂和思維的進(jìn)階。化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及操作不僅訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力和觀察能力，更能全面培養(yǎng)學(xué)生的問題分析能力、證據(jù)推理能力和邏輯思維能力。本環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過自己混合塑料袋實(shí)驗(yàn)獲得了較好的感受與體驗(yàn)，到了設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)活動(dòng)環(huán)節(jié)，學(xué)生的思維水平從簡(jiǎn)單應(yīng)用發(fā)展到了一定的批判質(zhì)疑和創(chuàng)新水平，尤其是圖1C的套管實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與說理過程生動(dòng)且自然，既發(fā)生在預(yù)設(shè)之外，又似乎在情理之中。

4 啟示

4.1 任務(wù)設(shè)計(jì)中的思維進(jìn)階

思維課堂實(shí)現(xiàn)的前提是設(shè)計(jì)，“化學(xué)反應(yīng)與熱能”的教學(xué)設(shè)計(jì)中三個(gè)大任務(wù)（認(rèn)識(shí)能量與能源、認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、化學(xué)反應(yīng)中能量變化的原因及表示方法）之間有著天然的、十分緊密的邏輯關(guān)系。首先，R老師從（以前）僅研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化到研究伴隨的能量轉(zhuǎn)化，站在化學(xué)研究對(duì)象“物質(zhì)”和“能量”兩個(gè)領(lǐng)域，打開學(xué)生的眼界和思維空間，區(qū)分能量與能源，引導(dǎo)學(xué)生辨析，并學(xué)會(huì)辯證看待兩者之間的關(guān)系；其次，通過實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生在定性描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推理結(jié)論的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)定量表達(dá)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推理實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從實(shí)驗(yàn)實(shí)施活動(dòng)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)，提升學(xué)生分析、評(píng)價(jià)、批判、創(chuàng)造的思維水平；再次，通過將教科書文本中能量變化圖示、能量變化數(shù)據(jù)在給定的坐標(biāo)系中定量表示，從能量相對(duì)大小到定量差值變化理解化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，并在圖示中揭示“化學(xué)反應(yīng)中能量變化”的微觀本質(zhì)（斷鍵吸熱與成鍵放熱的相對(duì)大?。?；最后的課堂重回任務(wù)并介紹青年科學(xué)家劉翀和中科院院士李燦在利用太陽能領(lǐng)域的研究成果，為人類發(fā)展、為實(shí)現(xiàn)碳中和做出的貢獻(xiàn)，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值。

4.2 生成性活動(dòng)中的模仿與創(chuàng)新

思維課堂設(shè)計(jì)與實(shí)踐過程中，往往會(huì)出現(xiàn)預(yù)料之外的活動(dòng)和想法，這正是思維課堂的精彩之處，如上述學(xué)生設(shè)計(jì)與分析套管裝置（圖1C）檢驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)的吸熱和放熱，氣球裝置（圖1A）和水封裝置（圖1B）也一樣能檢驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)的吸熱或放熱，但他們都受到了反應(yīng)物、生成物的狀態(tài)、性質(zhì)的影響，因而遇到問題不斷地進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，這就是生成性的活動(dòng)。生成性活動(dòng)中學(xué)生的思維進(jìn)階表現(xiàn)得尤為明顯，如評(píng)價(jià)“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合加熱”中氣球裝置的不合理性的辯證性思維活動(dòng)、水封裝置不合理性的批判性思維活動(dòng)、套管裝置合理性的創(chuàng)新與創(chuàng)造的高層次思維活動(dòng)，學(xué)生思維的敏捷性、層次性、邏輯性和完整性都得到了充分的發(fā)展。在這樣一種生動(dòng)的教學(xué)活動(dòng)過程中，教師智慧的預(yù)設(shè)和過程中的“導(dǎo)”和“引”顯然是至關(guān)重要的。

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