“素養為本”的探究性實驗教學設計

趙瀏 高修庫 賈同改

摘要：學科知識只有轉變為自覺主動的認識角度和認識思路才能轉化為學科能力和學科素養。實驗探究是化學學科最基本的認識活動之一，只有在探究過程中掌握分析和解決問題的角度、思路和方法，才能實現能力進階。文章以“鈉”為例，通過實驗設計外顯問題解決過程中的思維和推理機制，發展學生的核心素養之實驗探究與創新意識。

關鍵詞：鈉;實驗探究;模型認知;素養

文章編號：1008-0546（2019）02-0068-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

學科素養是學生面對陌生不確定的問題情境所表現出的關鍵能力和必備品格，只有當知識轉變為自覺主動的認識角度和認識思路時才能轉化為學科能力和學科素養。[1]化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗探究是化學學科最基本的認識活動，需要獨特的分析和解決問題的角度、思路和方法。對于高中一年級的學生來說，在最初的實驗探究過程中，形成比較特定的學科認識思路和推理模式是學好化學的關鍵。但探究活動往往具有發散性，而以往的教學重結論而輕過程，重知識而輕方法，脫離社會和生活實際，導致學生掌握知識呈現碎片化、認識角度零散，認識能力得不到有效發展。實驗探究在無機物主題中占有舉足輕重的地位，在教學中以實驗引導學生發現問題，通過實驗探究外顯問題解決過程中的思維方法，培養學生的認識能力，成為發展學生素養的重要環節。王磊教授在東城區教研培訓中以“無機物主題為例”解讀“促進學生學科能力核心素養發展的教學”。其研究發現學生在無機物主題的各認識角度的表現并不均衡：運用具體知識解決問題的能力較好，而基于類別通性研究物質性質的能力相對較低，基于氧化還原反應和周期律研究物質性質的能力進一步下降，而在主動基于多角度研究物質性質的題目中，學生得分率最低（如圖1所示）。上述現象引發筆者思考，面對無機物主題的教學，有必要以實驗為依托針對不同認識角度，讓學生經歷外顯地形成特定認識的學習。

一、“鈉”知識分析

“鈉”是化學必修1（人教版）第三章《金屬及其化合物》的第一節，是學習元素化合物知識的起始章節。安排在物質的分類、離子反應和氧化還原反應之后，不僅可以鞏固從“物質類別”角度認識物質性質的觀點，亦可凸顯離子反應和氧化還原反應等核心概念的指導作用。本節中，學生初次接觸高中化學實驗，對鈉這一典型物質的實驗探究可以實現基于元素認識物質性質的核心觀念和關鍵能力的培養，幫助學生構建認知角度和思維模型，進而掌握學習元素化合物知識的一般方法。

鈉的化學性質通過其與氧氣在不同條件下的反應、與水及與硫酸銅溶液的反應三方面體現。其中，鈉與水反應的本質一直是教學上爭論的熱點[2]，王永森[3]在《探究鈉與酸反應時是與水反應還是與H'反應》中認為鈉是與水電離出的H⁺反應，與傳統教學觀點一致。直到2016年，Mason等在《Nature》的子刊上發表科研論文，運用科技手段揭示鈉與水反應的本質，發現鈉在水溶液體系中會率先與水分子發生反應，而非H⁺，顛覆了人們以往的認識。因鈉位于金屬活動性順序表的前端，極易失去電子，而水溶液體系中溶質被大量水分子包圍。因此不難理解，當金屬鈉進入水溶液體系后會首先接觸水分子，由于水分子也具備接受電子的能力，即可與金屬鈉發生反應。

二、學生學習的基礎與困難

學生學習的基礎：知識層面，學生在初中已經學習了金屬活動性順序表，知道氫前金屬可以與酸反應放出氫氣;高中階段剛剛學習了物質的分類、離子反應、氧化還原反應等知識，具備基于上述概念分析解釋問題的理論基礎。能力層面，現階段學生具有一定的邏輯思維能力，能夠基于事實性知識進行分析推理;具有簡單設計實驗的能力。

學生學習的困難：氧化還原性、得失電子難易程度以及金屬活動性等概念尚不能熟練應用;缺乏對核心知識的認識方法、認識角度和推理路徑，對陌生物質的性質預測無從下手;缺乏控制變量思想，不能有效進行簡單的實驗設計;很難基于多種角度分析解釋問題。

三、以“素養為本”的探究性實驗教學活動設計

1.教學與評價目標

（1）教學目標

①通過探究鈉的主要化學性質，初步形成基于物質類別、元素價態和溶液中的微粒對物質的性質進行預測和檢驗的認識模型。

②通過探究金屬鈉與水反應本質的實驗設計，發展學生控制變量的思維意識，并建立基于實驗事實探尋反應微觀本質的認識思路。

③通過揭示鈉與水反應的微觀實質，使學生體會“量變-質變”規律，認識到科學觀點是不斷發展變化的，培養學生崇尚真理、嚴謹求實的科學精神。

（2）評價目標

①通過課前對金屬鈉性質的預測活動，診斷學生認識物質性質的已有水平（基于經驗水平、基于物質類別水平）。

②通過對金屬鈉與水反應實驗設計方案的交流與點評，發展學生實驗探究物質性質的水平（基于經驗水平、基于概念原理水平、系統設計水平）。

③通過對鈉與水反應本質的揭示及探究鈉與硫酸銅溶液的反應，診斷并發展學生應用認識模型解決問題能力及其對化學價值的認識水平（學科價值視角）。

2.教學與評價思路

本節課由物質類別作為邏輯主線，分別探究鈉與氧氣、酸和鹽溶液這三類物質的反應。實施過程中，根據學生興趣讓學生自主選擇探究順序。（1）首先，探究了“呼聲最高”的鈉與酸的反應。教師以“鈉與酸反應同樣能放出氫氣，一定能說明是鈉把氫離子還原了嗎？”為問題主線，精心設計了3個學習任務，分別從微粒的觀點、化合價的角度引導學生關注到了體系中的溶劑分子——水;將目標鎖定在氫離子（H⁺）和水分子（H₂O）兩者之間后，教師再引導學生運用“控制變量”思想簡單設計實驗，探究鈉與酸反應的實質。學生通過動手實驗完成鈉與純水的反應，得出鈉的相關性質。任務難度的進階，體現了學生能力的進階。在隨后的對比實驗中，教師創新地引入學術界的最新發現，幫助學生理解鈉與酸反應的微觀實質。將鈉能與水分子反應的原因落腳在其強烈的失電子能力上，即強還原性，這與鈉在金屬活動性順序表中的位置及自然界中不存在游離態的鈉等事實相符，與課前引入相互呼應。（2）類比鈉與酸的反應，讓學生自主探究鈉與硫酸銅溶液的反應。學生通過學習任務3獨立運用所學知識和觀點分析解釋問題，做近變式的類比遷移。（3）最后，教師對教材中鈉與氧氣反應的實驗進行了大膽創新，讓學生直觀感受“物質的變化是有條件的”，完整總結出鈉的物理性質及化學性質。在總結提升環節，讓學生結合實驗探究過程自行總結出認識物質性質的三大角度，為今后預測陌生物質構建思維框架。

3.教學流程

（1）提出猜想

【學習任務1】課前，回顧金屬的通性，預測金屬鈉的性質。

【評價任務1】診斷學生認識物質性質的已有水平（基于經驗水平、基于物質類別水平）。

（2）實驗驗證

【學習任務2】討論、設計和實施實驗方案，探究鈉與酸的反應。

【評價任務2】發展學生實驗探究物質性質的水平（基于經驗水平、基于概念原理水平、系統設計水平）。

（3）提煉概括

【學習任務3】借助鈉與硫酸銅溶液的反應概括、反思和提煉認識思路。

【評價任務3】發展學生應用認識模型解決問題能力及其對化學價值的認識水平（學科價值視角）。

四、教學效果分析與教學反思

1.教學效果評價分析

（1）思路方法外顯、促進自主遷移

本案例包括教師主導的“鈉與酸反應”的完整實驗探究，并在此基礎上設計了學生自主的“鈉與鹽溶液反應”的探究。每個學習任務涉及2-3個學生活動，其中每個活動的設計均指向學生的能力進階。【學習任務2】設計了2個學生活動，其中活動1，學生基于對離子反應的認識能夠找出鹽酸溶液中大量存在的微粒;注重借助氧化還原觀點構建認識物質轉化關系一般思路的顯性化，使學生從基于經驗事實預測物質性質的水平發展到基于元素價態預測物質性質的水平。活動2，突出“實驗探究”，使學生從基于實驗經驗設計方案的水平發展到依據控制變量思想設計方案的水平。學生在完成任務、經歷活動的過程中概括物質性質、理清認識物質及其變化的規律的視角和路徑、學會運用實驗設計中的控制變量思想、體會“量變一質變”規律，進而實現化學學科核心素養的發展。

（2）體現“立德樹人”教學理念

培養學生嚴謹求實的科學態度，立學術規范之德。在傳統的教學觀念中，鈉與水的反應本質是與水電離出的氫離子反應，然而某些實驗事實卻與這一觀點大相徑庭，2016年國際頂級學術期刊《Nature-Chemistry》刊載了一篇文章，運用高科技手段揭示了鈉與水反應的微觀實質，顛覆了傳統認知。本節課基于最新的科研成果，通過實驗探究，讓學生了解科學觀點是不斷發展變化的，培養學生尊重科研事實、敢于批判的精神。

授人以魚不如授人以漁，教知識同時重方法，樹有思維意識之人。在高一階段有三大認識物質性質的角度：物質類別、氧化還原、離子反應。本節課的教學不斷滲透這三種觀點，并在總結階段將方法提升為思維模型。最后通過課后作業體現模型的實用性，學以致用。

（3）以學生為本、重視學生的實際獲得

本節課的教學通過讓學生自主選擇學習順序激發其參與熱情;通過對教材實驗的創新設計，使學生直觀地感受“不同條件下鈉與氧氣的反應”;讓學生類比鈉與酸的反應對鈉與硫酸銅溶液的反應進行自主探究，充分尊重了學生的主體性;學生在交流后獲得結論，對所學知識與方法印象深刻。

2.教學反思

知識層面，學生通過“觀察實驗一記錄現象一分組討論一得出結論一呈現結論”等過程，掌握金屬鈉的性質，并在微觀層面理解鈉與水反應的本質。教師在板書的設計上將“結論”位置留給學生，所有重要結論與方程式均由學生自行得出。過程與結果的雙向落實使學生對獲得的知識印象深刻。

方法層面，在教學過程中滲透認識物質性質的三大角度，在探究鈉與硫酸銅溶液的反應中讓學生體會掌握認識思路的優勢;在作業的設計中“趁熱打鐵”，將剛剛學到的“視角與思路”應用到對金屬鉀性質的預測上，通過作業將思維方法進行鞏固落實，真正做到學以致用。

能力層面，在本節課的課前準備中要求學生根據金屬的通性對鈉的性質進行預測，學生有獨立思考的過程;在探究鈉與酸反應的過程中需要進行小組討論，學生有機會與同伴進行分享與交流;在組織匯報的過程中需要小組派出代表，同時培養學生的總結歸納能力和語言表達能力;在學生實驗部分需要團隊協作完成，培養了學生的合作意識。

本節設計以實驗教學為主，充分運用了實驗探究式的教學方法。教師精心設計和錄制演示實驗，對鈉與氧氣反應的實驗做了改進。在探究鈉與酸反應過程中教育教學理念新穎，首次將國際上對鈉與酸反應實質的最新認識在課堂上傳遞給學生，培養了學生崇尚真理，嚴謹求實的科學精神。在推進教學進程時以“學生訴求為序”、以“物質類別為綱”，借助多媒體超鏈接即時調整教學順序，學生在課堂上擁有了主動權，其積極性被充分地調動起來，充分體現了以人為本的教學理念。

新課程標準為我們構建了一個廣闊的教學空間，在元素化合物知識的教學中，應發揮實驗探究的主體功能，基于物質分類、離子反應、氧化還原反應等核心概念理解和分析實驗事實;借助探究過程引導學生形成基于元素認識物質性質的角度、思維和方法，發展學生的實驗探究與創新意識。

參考文獻

[1]王磊.學科能力構成及其表現研究——基于學習理解、應用實踐與遷移創新導向的多維整合模型[J].教育研究，2016（9）：83-92

[2]王永森.探究鈉與酸反應時是與水反應還是與H⁺反應[J].教學儀器與實驗，2005，21：12

[3]吳文中.鈉與酸溶液反應的差異性分析[J].中學化學，2016（1-2）：5-8

[4]Philip E.Mason.Coulomb explosion during the earlystages of the reaction of alkali metals with water[J].Nature-Chemistry，2016（7）：250-254