基于模型建構與應用的單元教學設計
——以“原電池”為例

畢占龍 房 健

(哈爾濱市阿城區第一中學校)

高中化學學科核心素養中對“模型認知”要求學生可以通過分析、推理等方法研究對象的本質特征、構成要素及相互關系,進而建立模型,能運用模型揭示化學現象的本質和規律。單元教學設計要求教師深入分析本單元教學內容,基于本單元所應承載的學科核心素養,整體設計教學活動,發展學生學科核心素養。結構化的教學單元從知識結構上分析,可以將一個單元整體分為若干個具有邏輯結構關系的知識層級,在教學整體觀指導下將教學諸要素有序規劃,從而達到最優的教學效果。

2022年4月16日,“第一天團”順利返航,讓國人為之振奮。我國航天人在探索星辰大海的征途上正越飛越高,越飛越遠。宇宙飛船的電源是其最重要的分系統之一,化學技術是逐夢航天的重要保障,這為化學教與學提供了真實而富有感染力的情境,將航天器電源工作原理引入教學,基于原電池必備知識發展學生關鍵能力,結合學科特點及育人價值,確立以“宇宙飛船電源的設計與發展”為單元主題的原電池單元教學設計。在單元教學中,聚焦學科知識本質,引導學生掌握原電池本質特征,形成解決問題的思路和方法,促進模型認知素養發展,落實單元教學目標。

1.教學價值分析

原電池教學內容承載著化學反應與能量的核心知識。從微觀角度分析原電池基本原理,以解釋宏觀觀察到的電極反應現象,即從宏觀、微觀結合視角認識原電池基本原理,并分析其與氧化還原反應的關系。通過觀察單液鋅銅原電池兩極均有氣泡生成,產生認知沖突,基于此證據,推理電流衰減原因并嘗試改進該裝置,引出鹽橋及離子交換膜,增強電池的實用性,發展證據推理與模型認知的學科核心素養。

原電池教學內容蘊含著化學學科思想方法,化學實驗現象是物質發生變化的標志。原電池中,電極實驗現象與我們的認知產生沖突,透過現象分析本質,找到與氧化還原反應的聯系,建構其工作模型、辨析其基本原理是解決問題的關鍵。人教版高中《化學》必修第二冊講解原電池基本組成為兩個活性不同的金屬或金屬與非金屬作電極,后續學習二次電池和燃料電池時,發現電極可以是同種金屬或者金屬氧化物等,凸顯出一般與特殊的哲學思想方法。在學習化學過程中,既要掌握某一類物質的共性,同時還要掌握部分特殊性質。電池工作過程中,正負極反應類型、陰陽離子移動方向、電子和電流流動方向等體現對立統一學科思想,分析正負極得失電子相同發展學生的守恒思想。

原電池教學內容呈現了綠色化學的價值觀念。在“宇宙飛船電源的設計與發展”討論過程中,“比能量” “比功率” “綠色環保”是同學們重點關注的內容,學生從環境保護和可持續發展角度分析電池發展方向有助于學生將必備知識與生態環境相關聯,樹立“綠色化學”思想,形成“化學—技術—環境—社會”和諧共生的價值觀念。原電池教學價值維度分析如圖1所示。

圖1 原電池教學價值維度分析

2.教學目標確立

原電池教學內容位于人教版高中《化學》選擇性必修1第四章化學能與電能第一節。《普通高中化學課程標準》中要求學生能認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要作用,促使學生認識到電極反應、電極材料、離子導體、電子導體是電化學體系的基本要素,建立對電化學過程的系統分析思路,提高對電化學本質的認識。教學中應創設真實情境,組織學生開展基于能量利用需求選擇反應、設計能量轉化路徑和裝置等活動,形成合理利用化學反應中的能量變化意識和思路,提升“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”的化學學科核心素養。

基于《普通高中化學課程標準》要求及學生已有認知水平,結合電源系統在宇宙飛船中起到的重要作用,分析單元教學內容內在邏輯關系,深研學情,確定本單元教學的核心觀念、大概念、必備知識間的關系及發展學生學科核心素養即為本單元教學目標,結合《普通高中化學課程標準》相關要求確定兩課時完成單元教學目標。單元目標、課時內容及課時目標如表1所示。

表1 “宇宙飛船電源的設計與發展”單元教學目標與內容

3.單元設計構思

單元教學內容緊緊圍繞“宇宙飛船電源的設計與發展”主題,以探究實驗現象與認知產生沖突展開教學,逐步開展討論,積累核心知識,建構原電池認知模型,掌握核心概念。學會運用模型解決宇宙飛船電源設計與發展遇到的問題,提升解決問題的關鍵能力,發展學生學科核心素養。單元設計構思如圖2。

圖2 單元設計構思

4.教學過程設計

根據前述教學價值分析、教學目標確立、單元設計構思,以及學生在高一學習過的有關氧化還原反應相關知識,以“宇宙飛船電源的設計與發展”作為本單元教學的“大情境”以解決原電池模型構建及運用模型解決實際問題。第1課時以“設計宇宙飛船中供電與由電解質溶液制取純凈水一體化裝置”為目標展開,基于實驗現象的分析、原電池裝置演變史以及建構原電池工作模型,為第2課時用原電池原理分析宇宙飛船電源裝置奠定堅實基礎。課時1“設計宇宙飛船中供電與由電解質溶液制取純凈水一體化裝置”教學流程如表2。

表2 課時1:“設計宇宙飛船中供電與由電解質溶液制取純凈水一體化裝置”教學情境、問題活動設計

續表

神舟十三號宇宙飛船自2021年10月16日發射,成功運行6個月于2022年4月16日回歸,是在軌時間最長的載人飛船。神舟系列飛船的供電系統,為航天事業飛速發展奠定堅實基礎。第2課時以“宇宙飛船電源的設計與發展”為情境開展,教學流程如表3。

表3 課時2:“宇宙飛船電源的設計與發展”教學情境、知識、活動設計

5.單元任務評價

單元任務評價是基于教學活動過程中,學生在實際問題中的行為表現,教師或伙伴對學生的學習過程和結果進行多元評價,即學生在開展探究實驗、原理分析交流、真實情境問題提煉等活動結束后,教師對他們的行為表現進行觀察記錄。表4展示了“宇宙飛船電源的設計與發展”單元任務評價。評價時間與方式不定時且多元化,有助于多角度提升學生實踐能力,發展學生學科核心素養。

表4 “宇宙飛船電源的設計與發展”單元任務評價

6.教學效果反思

本單元教學,學生在實驗探究過程中利用已有知識設計實驗方案,通過分析實驗現象與認知產生沖突,反思產生現象的原因分析,生成一系列問題,小組通過宏觀、微觀結合的核心素養來探究問題所在并推導出解決問題的辦法,建構出原電池原理模型,再運用模型分析活動任務,在任務驅動下,學生對已有知識和經驗認識更加充分,對已有模型不足之處進行修正,深化對原電池問題要素模型內涵的理解。教學過程中體現以下特點:(1)情境化的課堂教學以情境活動為載體,以模型建構為驅動,以交流修正模型為契合點,以應用模型解決問題為發展點,學習過程是深度學習的進階過程,經歷了“實驗—反思—問題生成—探究批判—解決問題”這一學習者思維發生過程,為高階思維能力的研究奠定了基礎。(2)對銅鋅單液電池兩極均產生氣體的深入分析,發展學生審辨性思維,加速形成正確的思維模型。對宇宙飛船電源發展進行思辨,讓學生養成合理論證、敢于創新的科學精神和態度。(3)在教學過程中,實施“宏—微—符”三重表征融入教學,既能夠增進學生對原電池必備知識的認知,促進大概念的形成,又能夠提高學生分析、解決問題的能力,建構化學核心觀念。(4)在教學過程中,注重“教—學—評”一體化整體設計。根據真實情境提煉有價值的學科問題,教學活動中通過教師、學生共同研究互相評價學科問題,讓學習過程成為發現與尋找的過程,讓學習狀態向深度進行,讓思維模式向高階轉變。評價內容緊扣必備知識,評價任務發展學生高階思維,評價方式人文而多元,達到教學任務與評價任務、教學方式與評價方式的一致性。

本文系黑龍江省哈爾濱市教育科學“十四五”規劃2021年度一般課題“基于學科核心素養的高中復習課‘模課’教學模式探究”(課題編號:HKC21033)階段成果。