問題驅動促素養發展的微項目教學實踐

鄭敏

摘要：新課程倡導創設真實問題情境，促進素養發展的教學。在進行“氫鍵與物質的性質”的教學實踐中，選取最熟悉的水為素材，將概念知識、實驗探究、模型應用等通過“4MAT”問題驅動融合成以“冰為什么浮在水面上”為主題的微項目學習，培養并發展學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：核心素養;微項目：4MAT;問題驅動

文章編號：1008-0546（2020）04-0021-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.005

一、以素養發展為目標的微項目教學

普通高中化學課程標準（2017版）提出，重視開展“素養為本”的教學，促進學生學習方式的轉變，培養創新精神和實踐能力[1]。一線教師從關注“知識講授、技能灌輸”的教學過程，轉變到關注學生“探究原理、構建觀念”的思維過程和素養發展。采用“項目式學習”成為了老師們實施教學的一種有效途徑。發現并嘗試解決生活中的實際問題，研究具體的任務活動，完成相關主題單元的教學，達成知識構建與學科能力提升的目標。

“項目式學習”對學生的思維能力具備一定的要求。教學中可依據課型、學情及所要達成的目標，開展“微項目學習”。筆者常常在備課中思考：一是確定通過什么樣的主題來提升、發展學生的素養;二是如何幫助學生經歷知識的建構過程，使學生真正成為學習的主體;三是設計哪些問題情境，驅動學習，發展學生的化學學科能力。

二、問題驅動教學模式

開展“微項目學習”，核心策略是真實情境下的問題驅動。為學生提供層層深入的問題情境，維持積極的學習狀態，使每位學生都能根據自己的理解主動參與思考、探究。因此，問題驅動必須要遵循人類學習的認知過程。美國學者麥克卡錫借鑒教育學、心理學、腦科學提出了“4MAT”教學模式（自然學習模式），根據人們處理信息的方式將學習的過程主要分為了四個部分：Why？（為什么），What？（是什么），How？（如何用），What if？（又能如何用）2I。由具體經驗引發思考觀察、抽象概括、主動實踐，每一步驟學生都會遇到挑戰并被要求付出努力以獲取有價值的知識。

“4MAT”開展問題驅動的教學模式，可以展示學生對一個概念的理解應用過程，體現了以學為主的思想。結合王磊教授的文章《化學學科能力及其表現研究》中所提出的學習理解、應用實踐、遷移創新的能力要素[3]，筆者以化學概念原理知識為主題，思考形成“4MAT”的問題驅動教學模式（圖1）。在問題驅動的學習方式中，實現知識與能力的融合，發展學生的化學核心素養。綜合以上思考，筆者執教的課例“氫鍵與物質的性質”獲廈門市基礎教育課堂教學改革創新大賽一等獎。現結合課例談談教學實踐中的做法，以期得到反思和啟示。

三、微項目教學實踐

現行高中化學教科書《物質結構與性質》（選修3）中關于“氫鍵與物質的性質”的教學內容，重點是理解氫鍵的本質，并能解釋氫鍵對物質性質的影響。此前學生掌握化學鍵、范德華力等各種作用力的概念、本質及其對物質性質的影響，為學習氫鍵奠定了知識和方法層面的基礎。但往年的經驗中發現，學生對氫鍵的問題易存在迷思問題。具體為：（l）認為氫鍵是一種特殊化學鍵;（2）有氫原子就能形成氫鍵;（3）水在氣態、液態和固態時均有氫鍵存在;（4）氫鍵的強弱不同于共價鍵、離子鍵，但不知如何比較。究其原因是知識在傳授中只關注概念的講解和運用，而沒有遵循學生的認知過程，造成理解不深刻，遇到真實復雜問題就無從下手。

為此，筆者選取學生最熟悉的物質“水”，將概念知識、能力發展、實驗探究通過問題驅動融合成以“冰為什么浮在水面上”為主題的微項目學習，開展“4MAT”的問題驅動教學促素養發展的教學實踐。從宏觀到微觀、定性到定量的角度，幫助學生理清氫鍵的本質及形成條件，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”的核心素養。

1.教學目標

（1）通過比較和分析H²O、H²S、H²Se、H²Te的范德華力和沸點的大小，了解水分子間存在一種特殊的作用力一氫鍵。發展學生分析數據從中尋找充分證據并解釋證據與結論之間的關系的能力。

（2）通過手持技術實驗探究分子間作用力的大小，引導分析物質狀態變化過程伴隨發生的能量轉化與物質微觀結構之間的關系。加深對氫鍵本質的理解，知道氫鍵形成的條件及強弱的影響因素。發展學生宏觀辨識與微觀探析、科學探究與創新意識的素養。

（3）通過氫鍵球棍模型的搭建等探究活動，構建氫鍵結構的認知模型，并能運用模型解釋氫鍵對物質性質的影響。發展學生證據推理與模型認知的素養。

2.教學流程

教學流程如圖2所示。

3.教學實施

[教學環節1]創設情境、推論預測

情境導入：在遙遠的兩極，固態水以冰川形態浮在水面上，保留下層熱量，使水中生物在寒冷的冬季得以生存。冰為什么會浮在水面上？同學們有沒有相關想法或生活經驗？

學生聯想：把一瓶水放入冰箱，可能會將容器撐破。溫度降低，引起水的體積增大。

問題啟發：根據所學知識，物質由液態變成固態通常是微粒間距離更緊密，體積會變小。

水結成冰為什么會出現體積增大的反常現象？雪花為什么是六邊形的？

學生猜想：降低溫度時，可能是有分子間作用力的存在使得水分子間按照一定規則排列，形成體積更大的冰。

設計意圖及診斷評價：從生活中的例子切入，出現認知沖突。引發學生的興趣和思考，提出猜想。診斷并發展學生認識物質行為的水平（宏觀水平、微觀水平）。

[教學環節2]辨識記憶、概括關聯

素材分析：對比IVA族、VIA族的元素氫化物的沸點曲線圖（圖3），已知水的范德華力是16.4kj/mol，硫化氫的范德華力是21.14kj/mol。結合以上信息，從宏微結合的角度辨識水分子間存在的是什么作用力呢？

學生討論：依據范德華力規律，IVA、VIA族元素的氫化物結構相似，水的沸點應該低于硫化氫的沸點。水的沸點的反常，說明水分子間存在著不同于范德華力的一種特殊作用力。

問題啟發：該作用力影響了水的沸點，還影響了水結成冰過程中的體積變化。聯想微粒間作用力的強度、方向性、飽和性等知識，思考該作用力可能具有的特征？

學生主張：水的沸點升高，推測該作用力的強度可能大于范德華力。水結成冰的體積增大，推測該作用力可能具有一定的方向性。

設計意圖及診斷評價：分析圖表數據，關聯所學的范德華力知識，對水的沸點反常、體積變化的反常展開激烈的討論。在宏觀辨識與微觀探析中，尋找數據、結構的證據，提出主張，診斷并發展學生探究物質行為的證據意識。

[教學環節3]說明論證、系統探究

問題啟發：經過數據計算，人們發現水分子間的范德華力（16.4kj/mol）大約只占冰中水分子間作用力測定值的1/6。水分子間另一種特殊的作用力是氫鍵，增強了分子間的相互吸引。以水分子的結構為例（圖4），分析氫鍵的本質是什么，是否具有方向性？

學生實證1：由于氫、氧原子的電負性差異，一個水分子結構中帶部分正電荷的氫原子和另一個水分子中帶部分負電荷的氧原子充分接近時，產生的靜電作用。

學生實證2：利用球棍模型搭建水分子間的氫鍵，每個水分子最多可與四個水分子形成四個氫鍵。說明氫鍵具有方向性和飽和性。

追問思考：氫鍵的本質是靜電作用且有一定程度的軌道重疊，通常用X-H-Y表示，那么是不是含有H原子的分子就能形成氫鍵？氫鍵的形成條件有哪些？

實驗探究：為解決這一問題，選擇含有氫原子的乙醇、正戊烷為研究對象。利用手持技術開展實驗，使用溫度傳感器記錄相同條件下乙醇、正戊烷揮發過程中的溫度變化，表征分子間作用力的大小（圖5[4]。

學生實證3：由實驗可知，相同條件下的揮發過程中，乙醇溫度下降的幅度比正戊烷小（圖6）。溫度下降的幅度表征了分子間作用力的大小，說明乙醇分子間除了范德華力外還存在氫鍵。證實O-H可形成氫鍵，C-H難形成氫鍵。X-H-Y結構中，X原子、Y原子有較強電負性，易形成氫鍵。

構建模型：“氫鍵”這一靜電作用的形成條件是：①具備高正電性的H原子;②X原子、Y原子有較強電負性且半徑很小（主要是周期表右上角的N、0、F原子）。X原子、Y原子電負性越大，氫鍵越強。可依據氫鍵本質判斷NH³、H²0、HF分子間氫鍵的強弱。

設計意圖及診斷評價：利用作用力數據、手持技術實驗、曲線表征等多角度的證據，通過推理、論證等方法認識氫鍵的本質特征、形成條件、強弱因素，建立氫鍵的認知模型。診斷學生對科學本質的認識水平，能從定性與定量結合上收集證據，發展“證據推理與模型認知”的核心素養。

[教學環節4]復雜推理、遷移應用

情境應用：氫鍵是如何影響水的性質，運用氫鍵模型解釋冰為什么浮在水面上？

學生解釋：水結成冰時，由于氫鍵的方向性、飽和性，水分子間能最大程度形成氫鍵。使得冰晶體的微觀空間存在空隙，體積膨脹，密度減小，因此冰能浮在水面上。

追問思考：以一定質量的水為例，解釋不同溫度下水的體積、密度變化（表1）？

學生推理l：溫度升高，一定質量的冰融化成水時，破壞了部分的氫鍵結構，體積變小、使水的密度有增大的傾向。

學生推理2：溫度升高，水分子的熱運動增大了微粒間距離，體積變大，使水的密度有減小的傾向。

學生推理3：水的密度隨體積、微粒間距離而變。在O℃ -4℃時，氫鍵的存在是影響體積的主要因素，水的密度達到最大。4℃后，水分子距離是影響體積的主要因素，水的密度變小。

拓展：氫鍵是一種特殊的分子間作用力，也可以存在于分子內部的原子團之間。氫鍵可用于解釋物質的熔沸點、電離、溶解性等物理性質。在通常情況下，水在lOO℃沸騰，但要加熱到lOOO℃才會有部分分解。一般規律下，氫鍵的作用力遠小于共價鍵且大于范德華力，穩定性強的水分子為一切生命提供了生存資源。

設計意圖及診斷評價：回歸真實情境，理解氫鍵對水的性質的影響，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系，提升運用氫鍵模型解釋化學現象的能力。診斷學生對物質宏觀性質和微觀結構的辯證關系的認識水平，培養從科學數據分析推論的務實科學態度。

四、即時測評及反饋

課后，筆者對授課班級進行紙筆測試，收回有效答卷46份，題目與數據如下（表2）。

數據表明，學生對于氫鍵的概念及形成條件掌握程度較好，知道氫鍵對水的性質的影響。第1題，有1/3同學不能理解溶解性與氫鍵的關系。第2題，D選項占比80.4%，說明大多數學生能在復雜情境中，對比分析、判斷氫化物沸點大小。第3題，考查氫鍵的存在方式及對物質性質影響的表述，B選項、C選項各占比6.5%，說明部分學生對于氫鍵知識還需提高辨識記憶、概括關聯的概念理解能力，才能更好的遷移應用。課堂后測即時評價學生在學習活動中知識的獲取與應用水平，有效檢測微項目學習效果。

五、反思與啟示

化學是源于實驗探究的一門科學。以“冰為什么浮在水面上”為微項目主題，開展“4MAT”的問題驅動教學模式，探究氫鍵的概念和應用。利用數字化實驗的溫度傳感器記錄相同條件下乙醇、正戊烷的揮發過程中的溫度變化，生成數據曲線。把抽象的分子間作用力通過溫度曲線直觀化，并證實了氫鍵對物質沸點的影響。通過情境分析、創新實驗、構建模型，在實踐中發展了學生的核心素養，體會學以致用的過程。

對于一些抽象的、難理解的知識通過科學探究具象化的呈現給學生，開展基于教材、源于生活的微項目學習。為達成知識、能力、素養提升的目標，在教學中需要設計好Why（為什么）、What（是什么）的知識問題鏈，選擇合適的具體情境引發思考觀察，讓學生探究概念模型的構建。需要優選How（如何用）、What if（又能如何用）的素材問題鏈，搭建實踐、拓展的平臺，讓學生深化概念模型的運用。

想要落實學科核心素養，高中化學課堂教學必須有所創新，例如轉變課堂教學理念、結合傳統與現代實驗技術、思維發展與觀念構建等方面。以實驗創新、視頻演示、學案導學、智慧課堂等多元策略實施微項目學習，將化學知識的本源性輸入轉為結構化輸出，實現學科育人價值。

參考文獻

[l] 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]何翔.基于4MAT系統開發促進知識深層理解的學習策略[J].化學教育，2016（23）：41-47

[3] 王磊，支瑤.化學學科能力及其表現研究[J].教育學報.2016（4）：46-56

[4]何慶輝.促進學生學習微觀抽象概念和理論的教學研究——以“分子間作用力與物質性質”[J].化學教育，2016（17）：20-25