基于學生認知發展的教學實踐分析

摘要：在分析學生已有認知經驗的前提下，以高中化學金屬鈉的性質和應用為例，通過分類預測、實驗探究、微觀分析的方法開展教學實踐，探討了促進學生認知發展的元素化合物的教學方法，建構相關認知模型。

關鍵詞：認知發展;真實教學情境;系統性實驗探究

文章編號：1008-0546（2020）04-0014-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.003

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準》2017版修訂原則之一是要求教學遵循學生身心發展規律，貼近學生生活實際，促進學生主動發展[1]。王磊教授在學習進階的研究中也提出了這樣的觀點[2]：根據學習者現有的知識水平，結合已有的研究，發現可能的學習路徑，就可能通過教學促進學習者學習。金屬鈉是高中化學元素化合物知識的代表物質之一，也是第一個學習的典型金屬。因其性質與初中已習得的金屬有一定的差異，導致學生對鈉和氧氣的化合反應、和鹽溶液的置換反應等問題上出現認知差異。目前高中教師已經設計和實踐了大量的優秀課例，分析相關文獻可以發現，這些課例主要集中在生活中鈉的事故及處理方法、圍繞金屬鈉的相關實驗改進、師生教學方式的改進等。在這些教學實踐中，教師重視了情境的創設和合作探究的多樣化的學習方式，但追求的仍是以金屬鈉的相關性質獲得為目的，仍然沒有突破元素化合物知識學習的思維慣性，對于教學過程中多角度多層次發展學生認知能力的實踐研究并不多見。

本課題的教學活動以蘇教版化學1第二單元第一節“金屬鈉的性質與應用”為載體，基于學生認知水平的發展，通過教學活動，擬解決以下3個問題：如何幫助學生形成自主認識元素化合物的一般方法，豐富學生認知角度;如何幫助學生體驗高水平實驗探究的過程和意義，促進學生認知發展;如何幫助學生建構元素化合物知識的認知模型，完善學生認知方式。

二、基于認知發展的教學設計

蘇教版化學1教材編排為：通過鈉原子和鈉離子兩種微粒結構描述鈉的性質，提供實驗方案進行觀察性實驗，探究鈉的性質，對鈉及其變化進行分類表征，分析鈉的制法及用途。教材的編排思路體現出學習元素化合物的一般思路，關注了學生對具體知識的理解，并未注重學生認識能力的發展和提高。

《普通高中化學課程標準》2017年版中，對“金屬鈉的性質與應用”內容的相關要求為：結合真實情境中的實例，通過實驗探究，了解鈉的主要性質，了解鈉在生產生活中的應用。在學業要求中建議從物質類別角度預測鈉的化學性質，設計實驗進行驗證，分析、解釋有關實驗現象[3]。課標對教學的建議，突破了課本編排的以鈉為中心的教學思路，建議創設真實情境，分類預測性質，開展高水平實驗探究進行分析論證，預期學生敢于批判質疑形成理性思維。

學生在初三已有金屬單質的物理性質和化學性質的相關知識經驗，在化學l第一章中習得分類法、實驗法、微觀分析法。學生具有基于分類進行預測的能力，也具有一定的實驗探究能力，但由于個體認知方式和認知水平差異較大，部分學生面對復雜、陌生的個性問題時，往往無法進行預測和分析，不能形成分析思路，只能靠背誦來解決問題。

基于教材、課標和學習者分析，本節內容確定的教學目標為：通過切身體驗激發認知興趣，了解鈉的相關性質;通過類比預測明確認知思路，感悟元素化合物知識的學習方法;通過不同層次的實驗論證感受認知角度，體驗高水平探究的一般過程;通過證據推理掌握認知手段，培養嚴謹的科學態度;通過微觀分析感悟認知方式，強化學學科知識素養;通過應用理解感知認知目標，明白化學學科實際價值。筆者根據學生已有經驗，分4個環節開展教學實踐建構學生元素化合物知識的認知模型。學科方法線：“激活已有知識→分類法預測性質→實驗法論證預測→微觀分析法解釋用途”。在教學過程中筆者整合多種認知方式，喚醒學生已有認知經驗，基于已有}人知開展多角度假設猜想，定向論證預測，幫助學生將金屬鈉的性質和應用納入已有的認知結構，構建符合學生思維規律的元素化合物知識認知模型，幫助學生有意識地改善自身認知發展。

三、教學過程

1.呈現真實情境，激活認知儲備

【情境與問題】投影與鈉有關的四幅圖片：（1）金屬鈉制取供氧劑;（2）鉀鈉合金消融腫瘤;（3）金屬鈉制取金屬鈦;（4）高壓鈉燈用于金屬照明。引言：這是有關鈉的四個真實生活情境，說明鈉是我們生活中的重要物質。

投影：化學課本專題l目錄截圖，化學家是通過哪些方法研究物質的呢？（學生l參考投影上的目錄，準確描述出“分類法”“實驗法”“微觀分析法”。）這節課我們就借鑒化學家的方法，研究陌生卻重要的物質鈉。

（1）根據分類法，鈉單質屬于哪一類物質？（2）根據常見金屬的性質，預測金屬鈉有哪些性質？（根據方法提示，學生2、3能準確回答出鈉是金屬單質，并隨機回答出一些性質，如金屬光澤，和氧氣反應等。）

【推理與假設】投影滬教版《化學》九年級上冊1 14頁截圖“常見金屬的物理性質”，116頁截圖“常見金屬的化學性質”。請根據九年級教材的提示，補充物理性質和化學性質。（根據文本提示，學生4能預測物理性質，如銀白色固體，金屬光澤等;學生5能準確預測化學性質，如能跟氧氣、稀鹽酸、硫酸銅溶液反應。）

追問預測1：鈉和氧氣反應的產物是什么？反應的條件是什么？（學生6認為產物為氧化鈉，點燃和常溫下都能反應。）預測依據是什么？（學生6認為鎂條在空氣中被氧化，點燃時能反應生成氧化鎂，鈉比鎂活潑，所以都可以反應生成氧化鈉。）

追問預測2：鈉和鹽酸溶液反應的類型是什么？產物是什么？（學生7認為發生置換反應，生成產物氫氣和氯化鈉。）

追問預測3：鈉和硫酸銅溶液反應的類型是什么？產物是什么？（學生8認為發生置換反應，生成產物銅和硫酸鈉。）

設計意圖：以圖片形式呈現生活中的四個真實場景，貼近學生生活實際，明確鈉的重要作用，喚醒學習注意。展示教材中前一專題的文本，提示學生分析研究物質的一般方法，激活已有知識經驗儲備。從學生歸納出的分類法入手，引導學生預測鈉的相關性質，在學生認知無法系統生成時，提供初三教材文本，幫助學生建立新舊知識間的聯系，提取遷移知識。用追問的方式，促進學生對三個預測的思考，激活已有相關知識儲備，明確學生認知偏差，生成課堂研究點。

2.定向實驗探究，修正認知差異

探究點一：鈉常溫和加熱下能否和氧氣反應？產物是否都是氧化鈉？

【實驗探究l】找到實驗盒中封在玻璃導管[4]中隔絕空氣的鈉和塑料袋中接觸到空氣的鈉，對比兩種鈉塊的顏色，說明現象，分析原因。（根據實物對比，學生9描述，玻璃導管中的鈉塊有金屬光澤，塑料袋中的鈉塊沒有光澤，是白色的，說明鈉和氧氣反應生成白色固體，鈉常溫下能和氧氣反應。）

【實驗探究2】用玻璃棒推出導管中的鈉塊，置于易拉罐底部的鋁板凹槽，用酒精燈加熱點燃[5]，觀察實驗現象，分析原因。（學生10：鈉塊燃燒生成淡黃色固體，鈉能在氧氣中燃燒。）

【推理與結論】根據觀察到的現象，判斷兩種條件下生成的產物是否相同？判斷依據是什么？（學生6：不同，因為兩種氧化物的顏色不同，所以產物不同。）展示圖片：白色的氧化鈉和淡黃色的過氧化鈉。類比圖片和實驗現象，判斷鈉和氧氣在兩種條件下反應的產物分別是什么？（學生6：鈉和氧氣常溫下反應生成白色的氧化鈉，加熱時生成淡黃色的過氧化鈉。）

探究點二：鈉能否和鹽酸反應生成氫氣？

【演示實驗1】2mm₃鈉塊在針筒中和O.Olmol/L的鹽酸溶液反應，推出并點燃針筒中的氣體[6]。

【推理與結論】描述看到的現象，氣體是氫氣嗎？預測2是否正確？（學生II認為針筒中有氣體生成，氣體點燃有黃色火焰，因為溶液有鈉離子，針尖部分出現鈉離子的焰色，結合元素守恒，所以氣體為氫氣，預測正確。）

探究點三：鈉能否和硫酸銅反應生成銅和硫酸鈉？

【實驗探究3】用鑷子夾取塑料袋中壓成片狀的Imm₃的鈉塊，放入盛放在小盒內的硫酸銅溶液中，觀察有沒有紅色的銅生成。

【推理與結論】是否出現紅色的銅？預測3是否正確？還有什么現象？猜測鈉和硫酸銅溶液中的什么物質在反應？說明判斷依據？（學生12認為沒有紅色物質，說明預測三錯誤，看到了鈉片變成鈉球浮在水上，在動，有聲音，有藍色的沉淀，預測可能跟水發生反應。）

【實驗探究4】同學12根據實驗現象做出了新的推測，根據他提供的四個觀察點（見表1），定向探究鈉和水的反應：用鑷子夾取塑料袋中壓成片狀的Imm-的鈉塊，放入盛放在小盒內的水中，觀察。

【推理與結論】看到什么現象？能否說明鈉和水反應？（根據文本提示，學生13能準確描述鈉和水反應浮在水面上、熔化成小球、運動、有響聲，說明鈉和水能反應）這些現象說明了鈉的什么性質？（學生13認為鈉浮在水面上說明鈉的密度比水小;熔化成小球是鈉的熔點低，使鈉熔化的熱量來自于反應放出的熱量;氣體推動，氣體發聲導致小球會動會響，根據組成元素，預測氣體是氫氣。）

【情境與問題】硫酸銅溶液和鈉的針筒實驗，點燃氣體;水和鈉的針筒實驗點燃氣體。同樣進行針筒實驗，都能觀察到氣體的燃燒，說明同學12的預測正確。請利用物質的組成元素分析藍色沉淀是什么？預測鈉和水反應除了氫氣外還生成什么？（學生14認為藍色沉淀為氫氧化銅，鈉和水生成氫氧化鈉。）

【實驗探究5】向鈉和水反應后的溶液中滴加酚酞，驗證學生14的預測。

【推理與結論】什么現象？同學14的預測正確嗎？根據這兩組實驗和結論，分析硫酸銅溶液中的藍色沉淀是怎么生成的？（學生8通過酚酞變紅，認為同學14的預測正確，分析鈉和硫酸銅溶液的反應是鈉和水先生成氫氧化鈉和氫氣，氫氧化鈉和硫酸銅再生成氫氧化銅。）同學8通過類比分析，完善了自己對鈉和鹽溶液反應的認知。若希望鈉能置換出銅單質，你會給我怎樣的建議？（學生8建議不要有水。）

【視頻實驗l】在蒸發皿中加熱無水硫酸銅粉末，加入5mm₃的鈉塊，攪拌。劇烈反應，火星四射，蒸發皿破裂，底部出現紅色物質。

【推理與結論】展示蒸發皿底部的紅色物質，得到什么結論？（學生15回答，沒有水的情況下鈉能置換出不活潑的銅。）

設計意圖：對前一環節中學生提出三個預測，設計一系列的實驗方案，或證實或證偽。通過開展差異性實驗探究，修正學生預設和生成之間的認知差異，教學環節的兩個教學創新點為：（1）在教學過程中利用對比氧化鈉和過氧化鈉的實物圖片，幫助學生辨析鈉和氧氣在兩種不同情況下的產物，修正原有的認知偏差。（2）根據實驗對學生預測的鈉和硫酸銅溶液反應的證偽，跟進預測鈉和水反應，利用學生對前一個實驗的分析生成觀察量表，實驗證實鈉和水的反應，跟進預測鈉和硫酸銅置換出銅的條件，實驗證實鈉和鹽的反應。在教學過程中利用追問的方式進行師生對話，引導學生深度思維，重構知識聯系，促進記憶編碼，完善認知結構。基于學生的課堂表現能夠論證，隨著教學的進行學生的知識理解及認知能力有了提升，體驗了探究彰顯科學精神的過程。

3.解決真實問題，完善認知過程

【情境與問題】剛剛同學體驗的三個實驗，模擬了生活中三個真實的情景。鈉在鋁盤上加熱制過氧化鈉，鈉和水反應消融腫瘤，鈉和熔融金屬鹽反應制金屬。

投影：圖片（l）金屬鈉制取供氧劑。圖片（2）鉀鈉合金消融腫瘤。圖片（3）金屬鈉制取金屬鈦。請同學們將三幅圖片中的介紹，改寫成化學反應方程式，并標出鈉元素化合價的變化。（學生16上黑板板書。）請找出這些反應中鈉元素的化合價的變化？電子轉移的數目？畫出鈉原子和鈉離子的結構示意圖，并從微粒結構的角度分析鈉原子和得失電子之間的數量關系？（學生17上黑板板書并分析：根據雙線橋法分析得到鈉和轉移的電子數目是I：I，鈉的原子結構中最外層是1個電子，所以在反應中1個鈉原子很容易失去1個電子形成鈉離子。）

【問題與討論】根據剛剛習得的化學知識，思考：金屬鈉應該如何保存？為什么？（學生18認為要密封保存，隔絕空氣鈉會和空氣中的氧氣和水反應。）

實物展示：小塊鈉保存在煤油中;圖片展示：大塊鈉密封在石蠟中。

生活中鈉的保存就是同學18提出的方法，利用有機物隔絕空氣。自然界中有沒有天然鈉單質的存在？為什么？（學生18認為沒有，鈉會和空氣中的氧氣和水反應。）

圖片展示：1807年戴維利用電解碳酸鈉第一次獲得鈉，目前T業上最常用的鈉的制取方法是食鹽熔融電解法，請寫出工業制鈉的方程式。

設計意圖：化學課程的社會性體現在利用化學知識解決生活中的問題，本環節的教學中選用積極正面的圖片和真實的案例，旨在幫助學生了解化學的社會價值，反思化學對社會發展的積極作用。利用微觀分析法幫助學生關聯三重表征，用簡單化學符號描述復雜的宏觀現象，整理復習認知方式，將有意義的關聯納入認知結構，幫助學生從學習理解到應用實踐，最終建立認知模型。

結束語：今天同學們利用化學家的眼光研究了生活中的重要物質鈉，初步感受了分類預測、實驗探究、微觀分析的研究方法，明確了類別通性和個體性質之間的差異。希望同學們能繼續用化學家的眼光和方法研究更多的化學物質，共筑中國夢。

四、教學過程分析

1.從知識解析走向學生認知發展，形成自主認識元素化合物的一般方法

用四個真實的情境引課，投影化學課本專題l目錄截圖，根據學生總結出的研究思路，分類預測鈉的相關性質，將初三教材文本設置為觸發器，幫助學生生成系統認知，系統完善對鈉的預測。基于預測，設計實驗方案，尋找證據論證猜想，完善認知結構，分析引課的真實情景，利用原子結構、化學方程式、電子轉移等符號建構認知體系，基于習得知識，解決生活中的相關問題。在教學實踐中，學生的認知方式由共性到個性、由宏觀到微觀、由孤立到關聯，生成了認識元素化合物的一般的方法：了解物質在生活中的情境，分類預測相關性質，實驗論證相關預測，多角度完善相關認知，用已有認知解決生活中的情境。

2.從觀察性實驗走向多角度認知，體驗開展系統性實驗探究的過程和意義

探究性實驗從實驗形式上可以分為學生分組實驗探究、教師演示實驗探究和視頻實驗探究，從實驗能力上分為基于觀察的思考性實驗探究和基于論證的系統性實驗探究。簡單安全的實驗設計為學生分組實驗，如鈉和氧氣、鈉和硫酸銅溶液、鈉和水的反應;操作復雜的實驗設計為教師演示實驗，如鈉和酸溶液的反應，針筒反應操作中有入酸口位置，抽推速度等多處注意點;操作風險系數高的實驗設計為視頻實驗，如硫酸銅固體和熔融金屬鈉的反應。在利用實驗開展教學的過程中，不斷明確開展實驗的目的是為了論證學生的三個假設是否正確。鈉和氧氣、鈉和鹽溶液的實驗探究均發生了認知誤差，這種誤差是通過就知識的遷移自然生成的，通過觀察性實驗機械記憶實驗結論難以改變學生的認知，通過能力水平層層遞進的定向實驗探究，可以促進概念的轉變。對比基于觀察的思考性探究，基于論證的系統性實驗探究更強調學生的認知發展過程，為什么要做這個實驗，預期看到什么現象，說明什么結論，在實驗與預期有偏差時，分析偏差，再次設計方案，跟進實驗論證。學生在學習過程中明確了認知行為，即：預測提出探究方案，設計、評價、優化方案，根據實驗進行推論，對異常進行分析解釋、對結論進行描述說明。

3.從知識點走向基于素養進階的教學，建構元素化合物知識的認知模型

利用教材文本為支架，引導學生從氧氣、酸溶液、鹽溶液等認知角度分析金屬的相關性質，利用降低學生思維起點，不斷采用追問的方式，引發生生對話，師生對話，生本對話，在互動過程中不斷發生思維碰撞，引發學生對生活情境、研究方法、實驗現象的思考和探索，激發學生認知思維始終處于高度活躍狀態，環環相扣地開展推理論證，最終修正自我認知結構，形成促進學生認知發展的元素化合物知識的一般教學思路，即將真實的生活情境轉化為化學學科問題，用實驗探究的方法分析問題形成學科知識，利用學科知識分析生活中的復雜情境。

綜合上述，基于學生認知發展的教學設計能建構元素化合物知識的認知模型（見圖1），幫助學生有意識地改善認知方式和認知行為，有效促進了學生的認知發展。

參考文獻

[1][3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：2，16-19

[2]王磊，黃鳴春.科學教育的新興研究領域：學習進階研究[J].課程·教材·教法，2014（1）：113

[4][5][6]王澄，孫宇紅.蘇教版教材中“金屬鈉性質”的實驗改進[J].化學教與學，2014（11）：94-95