基于逆向設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)

黃鳳翔 汲叢家 郭飛紅

摘要：逆向設(shè)計(jì)的思路是以預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果為起點(diǎn)（以終為始），確定達(dá)到預(yù)期效果的評(píng)定證據(jù)，安排相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)。文章以高三一輪復(fù)習(xí)“原電池，化學(xué)電源第二課時(shí)”為例，探討基于逆向設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的“前測(cè)領(lǐng)會(huì)-遷移應(yīng)用-評(píng)價(jià)創(chuàng)造”教學(xué)。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方式在高三復(fù)習(xí)課中有很大的優(yōu)勢(shì)，教學(xué)效果顯著，有利于提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計(jì)；核心素養(yǎng)；模型認(rèn)知；原電池；一輪復(fù)習(xí)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）12-0065-06中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.016

一、引言

逆向設(shè)計(jì)是美國(guó)知名專家格蘭特·威令斯和杰伊·麥克泰提出的，逆向設(shè)計(jì)是從終點(diǎn)——想要的結(jié)果（目標(biāo)）開始，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的“內(nèi)容要求”和“學(xué)業(yè)要求”來設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)活動(dòng)形成教學(xué)[1]。其過程主要由三個(gè)階段組成：明確預(yù)期的結(jié)果、確定預(yù)期結(jié)果達(dá)到的證據(jù)、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)和教學(xué)活動(dòng)[2]。逆向設(shè)計(jì)把評(píng)價(jià)嵌入教學(xué)過程中，其理念與《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)的“教、學(xué)、評(píng)”一體化不謀而合，可以促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。高三復(fù)習(xí)課的難點(diǎn)之一是教學(xué)目標(biāo)的確定，而逆向設(shè)計(jì)，是一種面向目標(biāo)的設(shè)計(jì)，同時(shí)又是確保目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，故在高三復(fù)習(xí)課中有很大的優(yōu)勢(shì)。在智慧化課堂技術(shù)的支撐下，基于逆向設(shè)計(jì)的教學(xué)可以更精準(zhǔn)地把握學(xué)生的學(xué)情、更精準(zhǔn)地監(jiān)控課堂學(xué)生表現(xiàn)、更精準(zhǔn)地獲取預(yù)期結(jié)果的證據(jù)材料。本文以高三化學(xué)一輪復(fù)習(xí)課“原電池，化學(xué)電源第二課時(shí)”為例，闡述以終為始的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)施過程，教學(xué)操作流程見圖1。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出：高中化學(xué)課程以全面發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨。而核心素養(yǎng)的達(dá)成需要依據(jù)具體的情景，在解決問題的過程中培養(yǎng)起來。基于上述認(rèn)識(shí)，在逆向設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)充分讓學(xué)生多參與、教師給予思維方法的指導(dǎo)，幫助學(xué)生建立思維模型，有了思維模型后，學(xué)生運(yùn)用類比的方法對(duì)具體問題進(jìn)行處理，按照模型化的方式思考并提出解決方案，解決學(xué)習(xí)難點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)實(shí)效性。

二、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

在高考試題中，原電池是高考的熱點(diǎn)，通常以陌生的新型電池為情境，考查原電池的工作原理、電極反應(yīng)式書寫、總反應(yīng)式的書寫及定量計(jì)算。試題立足于真實(shí)情境，包含：二次電池（如鎳鎘電池）、燃料電池、金屬空氣電池、鋰電池、鋰離子電池、微生物電池、可呼吸電池等等，體現(xiàn)當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)生活中電池技術(shù)的革新。試題情境雖然不斷變化，但設(shè)問變化不大，常見的設(shè)問包含電極判斷、電極反應(yīng)式書寫（正、負(fù)極反應(yīng)式或總反應(yīng)式書寫）、定性分析（電子運(yùn)動(dòng)方向、電流方向或離子遷移方向、pH變化、現(xiàn)象描述等）、定量計(jì)算（電子轉(zhuǎn)移數(shù)目、電極質(zhì)量變化、離子遷移數(shù)目、離子濃度變化等），即課程標(biāo)準(zhǔn)的“內(nèi)容要求”和“學(xué)業(yè)要求”。

筆者查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，近年來關(guān)于原電池的教學(xué)目標(biāo)制定特點(diǎn)如下：最先是從三維目標(biāo)入手，其中知識(shí)與技能方面以“原電池的概念和形成條件，原電池的化學(xué)原理”為核心；過程與方法方面則重視探究，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、觀察、比較、對(duì)比、推理、歸納、總結(jié)等科學(xué)方法的運(yùn)用；情感態(tài)度價(jià)值觀方面主要重視聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際、結(jié)合化學(xué)史；逐步演變?yōu)閺哪芰坑^、微粒觀、變化觀、符號(hào)觀等角度進(jìn)行目標(biāo)制定；現(xiàn)階段主要從“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等科學(xué)素養(yǎng)下進(jìn)行目標(biāo)制定的原電池教學(xué)[3]。文獻(xiàn)中關(guān)于原電池教學(xué)方法主要有：情境教學(xué)、實(shí)驗(yàn)探究、證據(jù)推理、翻轉(zhuǎn)課堂、游戲教學(xué)、模型教學(xué)、問題驅(qū)動(dòng)、“宏-微-符-圖”多重表征等策略[4-6]。此外，關(guān)于學(xué)習(xí)原電池的障礙點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)和本人多年高三經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生面對(duì)陌生或者較為復(fù)雜的電化學(xué)裝置時(shí)，思維混亂，缺少合理的認(rèn)識(shí)角度和思路[7-8]。

因此，本節(jié)課在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合精心設(shè)計(jì)的前測(cè)調(diào)查及結(jié)果數(shù)據(jù)，給予學(xué)生思維方法的指導(dǎo)：原電池解題思維模型。并幫助學(xué)生運(yùn)用原電池解題模型解決相關(guān)的學(xué)困點(diǎn)：電極方程式書寫及定量分析，提升解決這類問題的能力，從而達(dá)到提升學(xué)生模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。化學(xué)學(xué)科還要追求科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)，將理論聯(lián)系實(shí)際，因此，本節(jié)復(fù)習(xí)課以電源發(fā)展為情境線，提供給學(xué)生的教學(xué)素材是發(fā)展中的化學(xué)電源，帶領(lǐng)學(xué)生體會(huì)化學(xué)對(duì)滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要有著重大的貢獻(xiàn)。

三、逆向設(shè)計(jì)在化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐

以終為始的逆向設(shè)計(jì)教學(xué)操作簡(jiǎn)介如下。第一階段：明確預(yù)期的結(jié)果。在進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)之前，先研究課程標(biāo)準(zhǔn)，再了解學(xué)生學(xué)困點(diǎn)（課前準(zhǔn)備的前測(cè)及問卷調(diào)查）。在平板技術(shù)支持下，精準(zhǔn)掌握學(xué)生障礙點(diǎn)，明確本節(jié)課預(yù)期的結(jié)果，即確定教學(xué)目標(biāo)。第二階段和第三階段：確定預(yù)期結(jié)果達(dá)到的證據(jù)、安排學(xué)習(xí)和教學(xué)活動(dòng)。這兩個(gè)階段由兩部分組成：課中教學(xué)及課后檢測(cè)。課中教學(xué)采取三環(huán)節(jié)達(dá)成，環(huán)節(jié)一：前測(cè)領(lǐng)會(huì)——重溫模型。第二環(huán)節(jié)，遷移應(yīng)用——應(yīng)用原電池解題模型。第三環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)、創(chuàng)造——鞏固模型。課中三個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了配套的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)任務(wù)的確定緊緊圍繞如何突破教學(xué)目標(biāo)，讓教學(xué)目標(biāo)在課中三環(huán)節(jié)教學(xué)中不斷突破。后測(cè)數(shù)據(jù)為證據(jù)，檢測(cè)是否達(dá)成總的教學(xué)目標(biāo)。

1.確定教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)制定了前測(cè)試題及問卷調(diào)查，數(shù)據(jù)顯示學(xué)生主要困難如下：第一、缺少分析原電池解題思維方法；第二、電極反應(yīng)式書寫；第三、定量計(jì)算。由此確定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是“構(gòu)建并應(yīng)用原電池解題思維模型、離子濃度變化/離子遷移數(shù)目、電極反應(yīng)式書寫”三點(diǎn)。其中課前調(diào)查結(jié)果顯示學(xué)生遇到的困難數(shù)據(jù)見表1。

2.確定評(píng)價(jià)量表

確定教學(xué)目標(biāo)后，通過課中三環(huán)節(jié)來完成。每個(gè)環(huán)節(jié)都有對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)。每個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，需要相對(duì)應(yīng)匹配的評(píng)價(jià)活動(dòng)及教學(xué)策略來支撐，以便在教學(xué)過程中進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)。在每個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)中不斷落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)。具體的評(píng)價(jià)量表見表2。

3.教學(xué)實(shí)錄

（1）環(huán)節(jié)一：前測(cè)領(lǐng)會(huì)——重溫原電池原理模型

前測(cè)反饋學(xué)生障礙點(diǎn)：第一，書寫電極反應(yīng)式忽視環(huán)境問題。第二，不能全面分析問題。

師生共同歸納方法：原電池解題思維模型，見圖2。

設(shè)計(jì)意圖：通過知識(shí)回顧，引導(dǎo)學(xué)生歸納原電池解題模型。

（2）環(huán)節(jié)二：遷移運(yùn)用——運(yùn)用原電池解題思維模型

素材1（一次電池）：Mg-H2O2電池可用于驅(qū)動(dòng)無人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質(zhì)溶液（海水呈弱堿性，達(dá)不到鎂離子沉淀的pH值），其工作示意圖如圖3。

（學(xué)生獨(dú)立完成，平板提交，投影做題情況，學(xué)生互評(píng)，代表講解思路）

學(xué)生表現(xiàn)：根據(jù)原電池解題模型：確定正負(fù)極→書寫電極反應(yīng)式→定性、定量分析，獨(dú)立完成。

學(xué)生出現(xiàn)障礙：無法判斷正極生成物：H2O2對(duì)應(yīng)的生成物是H2O還是OH-？

小組合作：組內(nèi)組間討論，運(yùn)用電極反應(yīng)式書寫步驟——根據(jù)電荷守恒補(bǔ)介質(zhì)，問題得到解決。

教師：隨著社會(huì)的發(fā)展，一次電池滿足不了人們的需要，所以有了二次電池，下面我們來體會(huì)用原電池解題模型解決二次電池相關(guān)問題。

素材2（二次電池）：鎳氫電池（Ni-MH）目前已經(jīng)成為混合動(dòng)力汽車的一種主要二次電池。Ni-MH中的M表示儲(chǔ)氫金屬或儲(chǔ)氫合金。該電池在放電過程中的總反應(yīng)方程式是：NiOOH+MH=Ni（OH）2+M。

回答下列問題：

負(fù)極上發(fā)生的電極反應(yīng)式：；正極上發(fā)生的電極反應(yīng)式：；

（學(xué)生獨(dú)立完成，平板提交，投影答案后交流心得，總結(jié)方法）

學(xué)生表現(xiàn)：用原電池解題模型解決問題

學(xué)生出現(xiàn)障礙：無法正確判斷體系環(huán)境是酸性還是堿性，即不清楚介質(zhì)。

小組合作：組內(nèi)、組間討論后，得出結(jié)論：產(chǎn)物需在介質(zhì)中穩(wěn)定。從而解決介質(zhì)問題。

設(shè)計(jì)意圖：遷移運(yùn)用原電池解題模型，引導(dǎo)學(xué)生從定性分析到定量計(jì)算，對(duì)陌生化學(xué)電源中電極反應(yīng)式書寫等方面進(jìn)行歸納提升。發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)。

（3）環(huán)節(jié)三：評(píng)價(jià)、創(chuàng)造——鞏固思維模型

教師：一次、二次電池存在污染、比能量低等問題，隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了燃料電池，現(xiàn)在你們是某廠的工程師，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)燃料電池工作裝置圖。

任務(wù)一：小組PK，設(shè)計(jì)原電池

素材3（燃料電池）：肼（N2H4）暴露在空氣中容易爆炸，但是以其為燃料的燃料電池是一種理想的電池，具有容量大、能量轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物無污染等特點(diǎn)，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)肼（N2H4）燃料電池的裝置圖（電解質(zhì)為KOH溶液，另一電極反應(yīng)物為O2）每組提交一個(gè)答案。說明：平板提交答案，又快又準(zhǔn)的小組前2名各加2分。

學(xué)生表現(xiàn)：小組合作設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)三種方案（圖4）。

師生評(píng)析：從構(gòu)成電池的條件來分析，三種方案均符合題意。但方案二未全面獲取題干信息：肼（N2H4）暴露在空氣中容易爆炸，即N2H4需與氧氣分開，不能接觸，故方案二錯(cuò)誤。此外還需注意裝置需密封。

任務(wù)二：設(shè)計(jì)問題

素材4（燃料電池）：肼（N2H4）暴露在空氣中容易爆炸，但是以其為燃料的燃料電池是一種理想的電池，具有容量大、能量轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物無污染等特點(diǎn)。假如你是命題者，請(qǐng)根據(jù)圖5，從燃料電池的不同角度，提出相關(guān)的設(shè)問。要求：每組至少提2個(gè)問題（不需給出答案），限時(shí)2min。（提有效問題多的小組勝出，小組獎(jiǎng)勵(lì)2分）

學(xué)生表現(xiàn)：思考、小組合作，從原電池解題模型出發(fā)，設(shè)計(jì)問題，小組組長(zhǎng)平板提交所命的題目，命題從判斷正負(fù)極、電極反應(yīng)式、定性分析（離子移動(dòng)方向、電子移動(dòng)方向、PH變化、離子膜的選擇）、定量角度（離子遷移數(shù)目、離子濃度變化）進(jìn)行設(shè)問。

教師：匯總所有所命的題目，判斷正負(fù)極相關(guān)設(shè)問讓學(xué)生口頭搶答；電極反應(yīng)式角度及定量角度相關(guān)的設(shè)問，平板發(fā)起做題讓學(xué)生書寫后提交。

學(xué)生表現(xiàn)：搶答、生生搶評(píng)。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)小組合作精神，在分析、評(píng)價(jià)中培養(yǎng)學(xué)生深度思考的思維習(xí)慣。讓學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問題，在探究中培養(yǎng)分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維，發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)。

（4）歸納總結(jié)

學(xué)生分享：原電池解題思維模型：確定正負(fù)極→書寫電極反應(yīng)式→定性、定量分析

教師：本節(jié)課我們更進(jìn)一步了解電源的發(fā)展史，需求刺激電源的發(fā)展，所以我們說：化學(xué)對(duì)滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要有重大的貢獻(xiàn)！

設(shè)計(jì)意圖：發(fā)展學(xué)生的科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

四、教學(xué)效果與反思

1.教學(xué)效果

為了確定預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果及確定預(yù)期結(jié)果達(dá)到的證據(jù)，本節(jié)課采取課前前測(cè)、課后后測(cè)對(duì)比手段。前測(cè)以一道改編的高考真題為載體，將原電池的所有設(shè)問都呈現(xiàn)出來，后測(cè)與前測(cè)所有考點(diǎn)相同，難度相當(dāng)，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一致。前測(cè)及后測(cè)測(cè)試題通過我校三名高級(jí)化學(xué)教師審核，保證兩題的難度等效（總分10分）。測(cè)試對(duì)象是我校高三2個(gè)相同層次的班，學(xué)生知識(shí)水平基本一致。第一個(gè)班參與人數(shù)34人，前測(cè)平均分5.82分，后測(cè)平均分8.19分（比前測(cè)提高了2.37分，提高了40.7%）。第二個(gè)班參與測(cè)試人數(shù)37人，前測(cè)平均分5.73分，后測(cè)平均分8.13分（比前測(cè)提高了2.43分，提高了42.4%）。測(cè)試結(jié)果顯示，后測(cè)平均分比前測(cè)明顯提高，表明經(jīng)過這節(jié)課的學(xué)習(xí)后，學(xué)生對(duì)原電池解題模型應(yīng)用良好，更好地應(yīng)用模型解決相關(guān)的設(shè)問，教學(xué)達(dá)到預(yù)期效果。前后測(cè)試結(jié)果分析見表3。

后測(cè)電極反應(yīng)式出錯(cuò)的學(xué)生當(dāng)中（見圖6），發(fā)現(xiàn)由于介質(zhì)判斷出錯(cuò)而導(dǎo)致方程式出錯(cuò)的占77.8%；由于書寫步驟存在問題的占11.1%；由于不清楚原電池原理，即存在氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)同時(shí)存在于同一個(gè)電極反應(yīng)式的占11.2%。可以看出介質(zhì)的正確判斷是書寫電極反應(yīng)式的最大難點(diǎn)。這些為以后的教學(xué)提供了參考：在進(jìn)行書寫電極反應(yīng)式教學(xué)時(shí)必須不斷強(qiáng)化介質(zhì)的影響。

2.反思

本節(jié)課采用逆向設(shè)計(jì)：以學(xué)習(xí)結(jié)果（課前前測(cè)和平板調(diào)查結(jié)果）為起點(diǎn)而展開的教學(xué)活動(dòng)，課中是知識(shí)的應(yīng)用、擴(kuò)展和深化、創(chuàng)造，以課后的后測(cè)為證據(jù)，檢測(cè)效果。這樣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“教、學(xué)、評(píng)”一體化，使評(píng)價(jià)和教學(xué)緊密相連，本節(jié)課的評(píng)價(jià)結(jié)果不是終點(diǎn)，還可以是下一節(jié)課的起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評(píng)”的不斷上升。以終為始的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)，符合布盧姆理論，布盧姆明確指出：有效教學(xué)必須回答三個(gè)問題：第一，你把學(xué)生帶到哪里去（教學(xué)目標(biāo)）？第二，你怎么把學(xué)生帶到那里去（教學(xué)過程與方法）？第三，如何確信你已經(jīng)把學(xué)生帶到那里（學(xué)習(xí)結(jié)果評(píng)估）？逆向設(shè)計(jì)很好地解決了這三個(gè)問題。

另外，在平板技術(shù)支撐下，我們獲得了有效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，能更精準(zhǔn)確定教學(xué)的方向，能更便捷、更精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)教學(xué)目標(biāo)。綜上所述，采用逆向設(shè)計(jì)，并在平板技術(shù)支持下，可以推動(dòng)學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)、討論、分享，可以讓學(xué)生把有價(jià)值東西更好地展示出來、討論起來、產(chǎn)生思維碰撞，從而達(dá)到思維深化，更好培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

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[7]黃毓展，蔡立媚，李震宇.從核心素養(yǎng)中“微粒觀”和“模型認(rèn)知”角度出發(fā)分析電化學(xué)裝置——高三電化學(xué)專題復(fù)習(xí)課[J].化學(xué)教與學(xué)，2018（5）：52-57

[8]王磊.從知識(shí)解析為本到基于學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展促進(jìn)化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐向高水平跨越——北京師范大學(xué)化學(xué)教育研究所“高端備課”項(xiàng)目簡(jiǎn)介[J].化學(xué)教育，2010，31（1）：2