基于科學(xué)思維培養(yǎng)的作業(yè)設(shè)計(jì)案例研究

朱韶紅 李桂珍

摘要：隨著新一輪教學(xué)改革的推進(jìn)，要求在作業(yè)設(shè)計(jì)上下功夫，促進(jìn)作業(yè)的減量增質(zhì)。本文以“金剛石、石墨和C60（第二課時(shí)）”為例，以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維這一化學(xué)核心素養(yǎng)為目標(biāo)，從課前作業(yè)、課中作業(yè)、課后作業(yè)角度入手，探索了化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)的新路徑。

關(guān)鍵詞：作業(yè)設(shè)計(jì)；科學(xué)思維；課前作業(yè)；課中作業(yè)；課后作業(yè)

文章編號(hào)：1008-0546（2023）12-0007-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.002

一、研究背景

作業(yè)作為課堂教學(xué)的輔助和補(bǔ)充，是較為有效的培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的途徑之一。作業(yè)的定位在很長一段時(shí)間里都被認(rèn)為是對教師教的反饋和學(xué)生學(xué)的鞏固的一種手段，課外作業(yè)則更是課堂教學(xué)的延伸。但作業(yè)很少被認(rèn)為是學(xué)情的前測和學(xué)習(xí)習(xí)慣養(yǎng)成的一個(gè)側(cè)面，更別說在作業(yè)層面的“減量提質(zhì)”。為了落實(shí)作業(yè)的“減量提質(zhì)”，確保減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)，從中央文件到學(xué)校教研，都在呼吁要調(diào)整作業(yè)設(shè)計(jì)的思路和形式。作業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)承載學(xué)科知識(shí)和學(xué)科能力考查，包括多種類、跨學(xué)科知識(shí)和能力的考查，并最終指向核心素養(yǎng)的培育。［1］

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》提出要培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思維”。所謂“科學(xué)思維”指的是從化學(xué)視角研究物質(zhì)及其變化規(guī)律的思路與方法，是解決與化學(xué)相關(guān)的實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力；［2］是學(xué)生在科學(xué)探究與實(shí)踐中解決情境問題、形成科學(xué)結(jié)論的思維方式；［3］也是學(xué)生在高中階段能靈活運(yùn)用宏微聯(lián)系、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等方法的認(rèn)知

基礎(chǔ)。

二、教材分析

本課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容位于義務(wù)教育教科書《化學(xué)》（上冊）第六單元“碳和碳的氧化物”。該單元是初中階段較為全面學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)的一個(gè)單元，所涉及到的學(xué)科知識(shí)內(nèi)容較廣，化學(xué)反應(yīng)較多，物質(zhì)之間的聯(lián)系較為復(fù)雜。學(xué)生學(xué)習(xí)過程中雖然普遍感到該單元的知識(shí)容易上手，但距離真正掌握還是存在一定困難。教學(xué)過程中如何根據(jù)這部分知識(shí)內(nèi)容的特點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)的思維建立有序的知識(shí)結(jié)構(gòu)尤為重要?！敖饎偸⑹?C60（第二課時(shí)）”主要涉及單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)，本課時(shí)中碳的可燃性涉及到第二單元課題2“氧氣的性質(zhì)”中的相關(guān)內(nèi)容；而還原性又為后續(xù)學(xué)習(xí)“一氧化碳的性質(zhì)”做了鋪墊。教材設(shè)計(jì)的順序體現(xiàn)了化學(xué)課程的學(xué)科內(nèi)邏輯關(guān)系，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的一般思路。

三、實(shí)踐研究

學(xué)習(xí)是基于知識(shí)建構(gòu)的社會(huì)協(xié)商過程。［4］已有的知識(shí)和能力是引起學(xué)習(xí)的內(nèi)部條件，教學(xué)活動(dòng)必須建立在學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。鑒于上述認(rèn)識(shí)，筆者在作業(yè)設(shè)計(jì)中加入課前作業(yè)內(nèi)容，一是了解學(xué)生已有的知識(shí)水平，二是可以在教學(xué)中糾正學(xué)生已形成的一些可能存在錯(cuò)誤的前概念。課中作業(yè)則主要是“對話”，是學(xué)生同客體（教材）的相遇與對話，是同他人（教師與伙伴）的相遇與對話，也是同自己的相遇與對話。［5］課后作業(yè)除了鞏固所學(xué)知識(shí)，還增設(shè)跨學(xué)科實(shí)踐作業(yè)。

以義務(wù)教育教科書《化學(xué)》（上冊）第六單元課題1“金剛石、石墨和 C60（第二課時(shí)）”為例，筆者設(shè)計(jì)本節(jié)課的作業(yè)如下。

1.課前作業(yè)

（1）作業(yè)內(nèi)容

Ⅰ.利用網(wǎng)絡(luò)等了解“清明上河圖”的年代、使用的繪畫材料，找到相關(guān)的圖片。

Ⅱ.了解書寫檔案材料的“碳素墨水”的主要成分，思考用這種物質(zhì)來做“碳素墨水”的原因。

Ⅲ.燒烤時(shí)用木炭來烤制食物，說明木炭具有什么性質(zhì)？請說說木炭在空氣中燃燒的現(xiàn)象。

Ⅳ.請查找相關(guān)材料冶金工業(yè)常常用到的原料，說說各種原料的作用。

（2）作業(yè)類型

Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ信息搜集題，Ⅲ為基礎(chǔ)知識(shí)題，全體學(xué)生均需完成。

（3）設(shè)計(jì)目的

①設(shè)計(jì)思想

從生活的真實(shí)情境入手，讓學(xué)生在課前去感受單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)，初步養(yǎng)成單質(zhì)碳的性質(zhì)決定了其用途的化學(xué)觀念；通過對古代書畫的繪畫材料、碳素墨水、燒烤燃料、冶金原料等，讓學(xué)生知道碳單質(zhì)是一種常見的重要化學(xué)物質(zhì)。

通過讓學(xué)生課前在網(wǎng)上搜尋相關(guān)資料，不僅培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、加工信息的能力，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，而且學(xué)生通過分析收集的真實(shí)情境下的資料，進(jìn)行獨(dú)立思考、分析、判斷、歸納、總結(jié)，提出自己獨(dú)到的看法，發(fā)展科學(xué)思維。

②涉及的知識(shí)與能力

A.信息收集與加工的能力；

B.表達(dá)和交流的能力；

C.性質(zhì)決定用途，了解碳單質(zhì)在生活中較為廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗?dú)特的性質(zhì)。

③培養(yǎng)的學(xué)科素養(yǎng)

√化學(xué)觀念；√科學(xué)思維；√科學(xué)探究與實(shí)踐；□科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

（4）預(yù)估完成時(shí)間15分鐘。

2.課中作業(yè)

（1）作業(yè)內(nèi)容

Ⅰ.“鉆石恒久遠(yuǎn)”是經(jīng)典的廣告詞，通俗易懂地解釋了鉆石作為單質(zhì)碳的性質(zhì)是（填選項(xiàng)序號(hào)）。

A.熔點(diǎn)高? B.常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

C.硬度大? D.還原性

從碳原子的結(jié)構(gòu)入手，解釋形成這一性質(zhì)的原因。

Ⅱ.冬季北方地區(qū)常常使用煤炭（主要成分是單質(zhì)碳）燃燒來取暖，說明煤炭具有性，其燃燒是（填“吸熱”或“放熱”），在使用煤爐取暖時(shí)，要注意通風(fēng)的原因是。

Ⅲ.焦炭是冶金工業(yè)的重要原料之一。它可以與磁鐵礦（主要成分是 Fe3O4）反應(yīng)生成鐵單質(zhì)，該反應(yīng)的化學(xué)方程式是，該反應(yīng)中（填物質(zhì)名稱）發(fā)生還原反應(yīng)。

Ⅳ.在學(xué)習(xí)了碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)之后，小東同學(xué)構(gòu)建了圖1所示的碳、一氧化碳、二氧化碳轉(zhuǎn)化的關(guān)系圖。

a.請寫出同時(shí)滿足轉(zhuǎn)化①和轉(zhuǎn)化④的化學(xué)反應(yīng)方程式；

b.請寫出兩個(gè)滿足轉(zhuǎn)化③的化學(xué)反應(yīng)方程式;??? ;

c.已知 CO也有可燃性和還原性，根據(jù)信息寫出滿足轉(zhuǎn)化⑤的化學(xué)反應(yīng)方程式；

d.轉(zhuǎn)化②的一個(gè)途徑是鎂在二氧化碳中燃燒，生成碳和一種氧化物，請寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。

（2）作業(yè)類型

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均為基礎(chǔ)題，Ⅳ為提高題，全體學(xué)生均需完成。

3.設(shè)計(jì)目的

（1）設(shè)計(jì)思想

A.課中作業(yè)Ⅰ～Ⅲ ， 明確指向了單質(zhì)碳的三個(gè)化學(xué)性質(zhì)，課堂中通過三道作業(yè)的反饋?zhàn)寣W(xué)生認(rèn)識(shí)到碳在化學(xué)變化中體現(xiàn)出的性質(zhì)，樹立起結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的意識(shí)。所創(chuàng)設(shè)的作業(yè)情境均來自生活和生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合實(shí)例讓學(xué)生了解化學(xué)與生活、生產(chǎn)之間的關(guān)系，樹立科學(xué)態(tài)度。

B.課中作業(yè)Ⅳ是通過“碳三角”的形式展現(xiàn)，讓學(xué)生初步了解三種物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，養(yǎng)成物質(zhì)之間可以相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)思維，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化。

C.所設(shè)計(jì)的作業(yè)不僅有促進(jìn)新知識(shí)掌握的鞏固性作業(yè)，還有在情境中運(yùn)用知識(shí)解決問題的應(yīng)用性作業(yè)，發(fā)展了學(xué)生科學(xué)思維。例如解決“從碳原子結(jié)構(gòu)的角度解釋碳在常溫下穩(wěn)定性”，培養(yǎng)了學(xué)生宏微結(jié)合的能力；再如解釋用煤爐取暖時(shí)要注意通風(fēng)的生活現(xiàn)象、根據(jù)給出的一氧化碳性質(zhì)，寫出一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的化學(xué)方程式等，都培養(yǎng)了學(xué)生證據(jù)推理的能力；再如讓學(xué)生通過類比碳和氧化銅、碳和氧化鐵的反應(yīng)方程式，完成碳和四氧化三鐵反應(yīng)的化學(xué)方程式，歸納總結(jié)碳還原金屬氧化物這一類反應(yīng)方程式的書寫方法和規(guī)律，強(qiáng)化學(xué)生邏輯思維能力。

（2）涉及的知識(shí)與能力

A.碳的化學(xué)性質(zhì)；

B.化學(xué)方程式的書寫；

C.證據(jù)推理能力；

D.邏輯思維能力。

（3）培養(yǎng)的學(xué)科素養(yǎng)

√化學(xué)觀念；√科學(xué)思維；√科學(xué)探究與實(shí)踐；√科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

（4）預(yù)估完成時(shí)間8分鐘。

5.課后作業(yè)

（1）作業(yè)內(nèi)容

Ⅰ.請用相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)解釋一些生活中的事實(shí)：①書寫檔案時(shí)用碳素墨水；②石墨做電極材料；③焦炭可以冶煉金屬；④制糖工業(yè)中用活性炭來脫色用以制白糖。

Ⅱ.根據(jù)木炭還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)回答下列問題：

①酒精燈上網(wǎng)罩的作用是；

②該反應(yīng)的化學(xué)方程式為，該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是；該實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了碳的性；

③預(yù)熱時(shí)，澄清石灰水中立即出現(xiàn)了氣泡，但此時(shí)石灰水不變渾濁，可能的原因是；

④反應(yīng)結(jié)束先將導(dǎo)管從石灰水中撤出，并用彈簧夾夾緊橡皮管，再停止加熱，原因是；

⑤待冷卻至室溫后再把試管內(nèi)的紅色粉末倒出，原因是。

Ⅲ.5 g碳和10 g 氧氣在密閉容器中充分反應(yīng)后，剩余的氣體是（）

A. CO B. CO2 C. CO和CO2 D. CO2和O2

Ⅳ.小明同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室把18 g木炭和氧化銅的混合物用酒精噴燈加強(qiáng)熱使之充分反應(yīng)，冷卻后稱量固體剩余物的質(zhì)量為13.6 g，求參加反應(yīng)的CuO的質(zhì)量（寫出計(jì)算過程）。

Ⅴ.小明同學(xué)整理燃燒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)木炭、鐵絲在氧氣中燃燒沒有火焰，氫氣、蠟燭燃燒卻有明亮的火焰。該小組同學(xué)進(jìn)行了如下探究。

【提出問題】物質(zhì)燃燒是否產(chǎn)生火焰與什么因素有關(guān)？

【猜想假設(shè)】物質(zhì)燃燒是否產(chǎn)生火焰可能與如下因素有關(guān)：

a.可燃物的狀態(tài)? b.氧氣的濃度

c.燃燒達(dá)到的溫度和可燃物沸點(diǎn)的相對高低

【查閱資料】

【結(jié)論】

①通過木炭在空氣和氧氣中燃燒均不產(chǎn)生火焰，可以得出假設(shè)不合理；

②分析表中數(shù)據(jù)，可以得出假設(shè)正確?！痉此冀涣鳌?/p>

①“查閱資料”表格中的橫線應(yīng)填；

②小娟同學(xué)發(fā)現(xiàn)生活中木炭在木炭爐中燃燒時(shí)，木炭爐上方有藍(lán)色火焰出現(xiàn)，并且木炭爐進(jìn)風(fēng)口一般在下方，產(chǎn)生火焰的原因可能是。

（2）作業(yè)類型

Ⅰ、Ⅱ?yàn)榛A(chǔ)題，全體學(xué)生均需完成；Ⅲ、Ⅳ為提高題；Ⅴ為拓展題，學(xué)生選擇性完成。

（3）設(shè)計(jì)目的

①設(shè)計(jì)思想

A.根據(jù)作業(yè)的難度，結(jié)合每個(gè)學(xué)生自身學(xué)情，分層設(shè)計(jì)和布置課后作業(yè)，因材施教，讓每個(gè)學(xué)生都在完成課后作業(yè)時(shí)得到知識(shí)和能力的提升。

B.課后作業(yè)Ⅰ旨在利用碳的性質(zhì)解釋其實(shí)際生活應(yīng)用中，鞏固了物質(zhì)決定用途的化學(xué)觀念。

C.課后作業(yè)Ⅱ通過類比高錳酸鉀制氧氣的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生類比推理的科學(xué)思維，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力。

D.課后作業(yè)Ⅲ和課后作業(yè)Ⅳ讓學(xué)生意識(shí)到通過質(zhì)量比例關(guān)系和質(zhì)量守恒定律認(rèn)識(shí)化學(xué)變化，理解化學(xué)反應(yīng)中的定量關(guān)系。這兩道作業(yè)對學(xué)生的思維轉(zhuǎn)換和計(jì)算能力有一定要求。

E.課后作業(yè)Ⅴ是培養(yǎng)學(xué)生基于已知信息進(jìn)行證據(jù)推理，預(yù)測物質(zhì)變化，用以解決真實(shí)問題的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。

②涉及的知識(shí)與能力

A.碳的相關(guān)性質(zhì)；

B.質(zhì)量守恒定律；

C.根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行簡單計(jì)算；

D.實(shí)驗(yàn)探究能力；

E.類比與遷移能力；

F.證據(jù)推理能力。

③培養(yǎng)的學(xué)科素養(yǎng)

√化學(xué)觀念；√科學(xué)思維；√科學(xué)探究與實(shí)踐；□科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

（4）預(yù)估完成時(shí)間20分鐘。

四、實(shí)踐反思

1.課前作業(yè)要有針對性和多樣性

課前作業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)要明確指向本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，與之相互呼應(yīng)，確保學(xué)生在完成課前作業(yè)后了解本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。在設(shè)計(jì)本次課前作業(yè)時(shí)，有針對性地設(shè)計(jì)了問題：了解《清明上河圖》及碳素墨水是針對性地指向碳的化學(xué)性質(zhì)在常溫下不活潑；用木炭烤制食物是指向碳的可燃性；搜尋冶煉金屬的材料以及作用是指向碳的還原性。當(dāng)然課前作業(yè)在設(shè)計(jì)的形式上可以多樣化，不僅僅包括紙筆形式的課前導(dǎo)學(xué)案，而且還可以結(jié)合自主學(xué)習(xí)，研討和搜尋相關(guān)材料。該案例中的課前作業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，不僅有木炭烤制食物的性質(zhì)體現(xiàn)、木炭燃燒現(xiàn)象的簡單知識(shí)回憶，而且采用了讓學(xué)生自主在網(wǎng)上尋找古畫、墨水、冶金等相關(guān)材料，并讓學(xué)生在課堂上做分享和交流，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)驅(qū)力。

2.課中作業(yè)要有典型性和增長點(diǎn)

課中作業(yè)的設(shè)計(jì)需要對本節(jié)課所涉及的重難點(diǎn)知識(shí)，在呈現(xiàn)方式上合理且明確。課中作業(yè)要基于真實(shí)的問題情境，所蘊(yùn)含的化學(xué)思想、解題思路和方法要有典型性，能有舉一反三的效果。在該案例中的課中作業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，無論是從廣告詞中體現(xiàn)出碳的化學(xué)性質(zhì)，并從結(jié)構(gòu)上解釋，還是從煤炭燃燒角度解釋注意通風(fēng)的原因，還是基于類比方法書寫焦炭還原磁鐵礦的化學(xué)方程式，都具有代表性。課中作業(yè)中應(yīng)該富含化學(xué)思維增長點(diǎn)，基于證據(jù)推理要符合學(xué)生的化學(xué)認(rèn)知規(guī)律和心理發(fā)展特征。基于思維增長點(diǎn)的角度考慮，在課中作業(yè)設(shè)計(jì)上選擇了“碳三角”的情境，在相關(guān)問題的解決中讓學(xué)生建構(gòu)三種物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，為后續(xù)化學(xué)學(xué)習(xí)中遇到的“鐵三角”“鋁三角”等物質(zhì)轉(zhuǎn)化建構(gòu)模型。

3.課后作業(yè)要有分層性和提高性

課后作業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧不同能力層次的學(xué)生，根據(jù)難度進(jìn)行作業(yè)分層?；A(chǔ)薄弱的學(xué)生完成基礎(chǔ)題即可。在本文的課后作業(yè)設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)題是用以鞏固碳的性質(zhì)，其中碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)，用以鞏固和掌握本節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí)。對于一些學(xué)有余力的學(xué)生，可額外設(shè)計(jì)一些培養(yǎng)能力的提高題和拓展題。兩道提高題均需學(xué)生進(jìn)行簡單的化學(xué)計(jì)算，培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算能力和質(zhì)量守恒思想。拓展題是一道探究物質(zhì)燃燒時(shí)產(chǎn)生火焰因素的實(shí)驗(yàn)題，根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和相關(guān)信息，得到“物質(zhì)燃燒能否產(chǎn)生火焰與物質(zhì)在燃燒時(shí)的狀態(tài)有關(guān)”這個(gè)正確的推論，并根據(jù)所得到的推論來預(yù)測相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解釋生活中的真實(shí)問題，培養(yǎng)學(xué)生的信息加工能力、科學(xué)探究能力、類比遷移能力和證據(jù)推理能力，提高這些學(xué)生的思維質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

［1］余昆侖.中小學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)與管理如何有效落實(shí)［J］.人民教育，2021（3）：34-36.

［2］占小紅.《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的變化、特征及啟示［J］.化學(xué)教學(xué)，2022（8）：9-13.

［3］吳星.全面提高學(xué)生義務(wù)教育化學(xué)課程所要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)——《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》解讀（一）》［J］.化學(xué)教學(xué)，2022（9）：3-8.

［4］王希華.建構(gòu)主義促進(jìn)了學(xué)習(xí)理論的三次變革［J］.心理科學(xué)，2005（6）：1520-1522.

［5］佐藤學(xué).學(xué)習(xí)的快樂：走向?qū)υ挘跰］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2011.