PCK視域下五線合一的教學設計
——以鐵鹽及亞鐵鹽的轉化為例

楊水金,劉晶晶,周 鑫,李雄建

(湖北師范大學 化學化工學院,湖北 黃石 435002)

1 學科教學知識(PCK)理論的發展

學科教學知識(Pedagogical Content Knowledge,簡稱PCK)是美國學者Shulman L S[1]于1986年提出的與教師教學相關的一個重要概念,他比較系統地闡述了教師教學知識與學科知識協調作用的規律,對于我國的教育改革具有一定的現實意義。當前,我國正處于課程改革和高考改革深水期,這對高中化學的教與學提出了新的要求,PCK教學理論能夠很好地適應當前形勢下高中化學教學的需求,近年來在高中化學教學設計及教學中的應用得到了教育工作者的廣泛重視。

自2017年版的《普通高中化學課程標準》[2]中認為在教學活動中學生知識的發展與學科核心素養的培養應該同樣重視、科學思維與實踐能力并進,學科核心素養應該在高中化學教學設計及實施中得到體現。因此如何在PCK理論的基礎上構建化學教學設計以發展學生的化學學科核心素養成為當前一線教師需要重視的問題,筆者基于五線合一的PCK教學設計模型,即一個學科主題、五條PCK主線(知識線、素養線、興趣線,策略線及評價線),創設教學設計。當前該課題的研究多偏向于教師PCK水平的對比研究,少有以教學設計案例開發,故筆者以人教版高中化學中《鐵鹽及亞鐵鹽的轉化》作為學科主題,通過分析本節課的知識線,明確教學過程中需要落實的化學學科素養,挖掘契合的生活實際情景作為興趣線,提出適當的教學策略并將評價線貫穿始終,實現教、學、評一體化[5～8]。本文力求能有效提升學生的化學學科核心素養并對此節內容的講授提供一定的借鑒。

2 基于PCK理論下解析“鐵鹽與亞鐵鹽的轉化”的教學

2.1 基于五線合一的PCK理論的教學內容解讀

本文基于五線合一的PCK理論模型分析本節教學內容:本節課的知識線分為課程知識(對于常見的無機化合物及其應用的學習,需結合實際情景中的應用或實驗探究,了解鐵及其重要化合物的化學性質,了解鐵的化合物在實際生活中的應用,要求學生能從元素的價態變化,根據氧化還原反應原理,推測物質的類別和化學性質,并設計實驗,根據實驗現象分析相關性質)和學生知識(學生已經了解了分類法,實驗探究法,學習了氧化還原反應,離子反應等理論知識,整體能力較強,素養較高,能從元素的價態、物質的類別認識無機化合物;學生思維敏捷,對化學實驗有濃厚的興趣。但是學生還不能將宏觀概括思維和微觀探析相結合,概括、分析實驗現象的能力有待提高,學生的氧化還原思維還處于初步階段,不能很好的將元素的價態與物質的類別相結合來認識元素化合物,無法獨立的設計實驗進行探究或設計方案不夠完整) 。通過以上知識線分析,筆者挖掘三個生活實際情景作為興趣線(補血劑、久置FeSO4變質,補鐵劑變質綜合探究),嘗試以多元化的教學策略(問題驅動策略,實驗探究策略,小組合作策略),培養學生的化學核心素養(證據推理與模型認知,科學態度與社會責任),評價線貫穿始終(通過Fe2+、Fe3+的檢驗及其轉化關系的認識過程,發展學生宏觀辨識和變化觀念的核心素養。診斷并發展學生物質鑒別知識的綜合運用能力;通過分析、設計實驗探究Fe2+、Fe3+的相互轉化,初步建立假設、猜想和檢驗的認知模型,發展學生證據推理與模型認知的化學核心素養,診斷并發展學生元素二維價態觀;通過運用所學知識解釋、解決實際問題,建立化學來源于生活又用于生活的基本觀念,發展學生的科學態度與社會責任,診斷并發展學生對鐵的化合物的結構化認知水平)。筆者將知識線、興趣線、素養線、策略線和評價線融合于《鐵鹽及亞鐵鹽的轉化》這一學科主題中,試圖發展學生化學核心素養。

2.2 教學思路

“鐵鹽及亞鐵鹽的相互轉化”教學思路如圖1:

圖1 “鐵鹽及亞鐵鹽的相互轉化”教學思路

3 《鐵鹽與亞鐵鹽的轉化》教學流程

教學環節一 如何判斷補血劑中亞鐵離子是否被破壞

【課堂導入】鐵不僅是我們生活中常見的金屬材料,更是人體的重要組成元素,如果缺鐵,人體就會發生缺鐵性貧血,也會造成免疫功能下降和新陳代謝紊亂等;因此,如果人體缺乏鐵元素時通常需要及時補充鐵元素?！咎釂枴窟@是老師找到的市場上常見的補鐵劑,同學們能否觀察一下,這些補鐵劑都是幾價的鐵元素呢?

【學生回答】大多是二價鐵。

【教師】對,市場上常見的補鐵劑大多是二價鐵的化合物,這是因為人體更容易將二價鐵吸收轉化。老師在補鐵劑的服用說明書上發現這樣一段話:一些蔬菜水果中富含維生素C,服用補鐵劑期間可多使用此類食物,也可以直接服用維生素C片劑來促進鐵的吸收,但是不能食用花生、核桃、濃茶、咖啡等,否則鐵劑的有效成分可能被破壞。

【提出問題】如何判斷補鐵劑中的亞鐵離子有效成分是否被破壞?請同學們根據已學知識小組討論,設計方案鑒別亞鐵離子和三價鐵離子。

【學生】小組討論,設計方案

【學生1】可以通過溶液顏色進行判斷。

【學生2】可以加入氫氧化鈉溶液觀察現象的差異。

【教師】那如果溶液中存在其他有色離子,或溶液中離子濃度較小,這些判斷方法還可靠嗎?還有更科學嚴謹的方法鑒定Fe3+嗎?

【演示實驗】教師當堂演示氯化鐵溶液中鐵離子與硫氰化鉀反應,現象:溶液迅速變為血紅色。

【教師】硫氰化鉀是一種靈敏的Fe3+特征檢測試劑,能與Fe3+反應產生血紅色。

設計意圖:以生活中補血劑的服用原則創設教學情景,從學生已有知識層面出發,形成有效的問題驅動,激發學生解決實際問題的興趣,也可以使學生對舊方法的不足和新方法的印象更深刻,構建螺旋上升,不斷前進的知識結構,培養宏觀辨識和微觀探析的化學核心素養。

教學環節二 實驗探究 證據推理

【情景創設】取少量久置于實驗室的FeSO4溶液,分成兩份,向其中一份溶液中滴加少量KSCN溶液。觀察現象,發現溶液變紅,為什么FeSO4會使KSCN溶液變紅?

【學生】結合氧化還原反應原理,明確認識到鐵鹽與亞鐵鹽相互轉化過程。

【教師】通過以下幾種常見的氧化劑、還原劑以及檢驗試劑,小組討論,合作探討出Fe2+向Fe3+的轉化實驗方案,要求方案盡可能嚴謹細致,包括選取試劑、預測依據、實驗現象等。

【實驗藥品】 FeCl2溶液、FeCl3溶液、KSCN溶液、KMnO4酸性溶液、 3%H2O2溶液、Cl2水、Fe粉、KI溶液、CCI4(萃取I2)、淀粉、維生素C

【學生活動】各小組的成員合作,積極討論,將氧化劑與還原劑分組,選用合理的試劑,設計實驗方案,預測實驗現象并解釋預測依據。

【幻燈片展示】

【教師】老師觀察了各小組代表提出的探究實驗方案后,提出以上表格,有同學能根據順序匯報一下你們小組的方案一嗎?

【學生1】在盛有少量FeCl2的試管中加入氯水,再滴加1～2滴KSCN溶液,試管內溶液迅速變為血紅色。

【學生2】在盛有少量FeCl2的試管中滴加1～2滴KSCN溶液,無明顯變化,再加入少量氯水,試管內溶液迅速變為血紅色。

【教師】兩位同學的方案有所不同,先加硫氰化鉀溶液還是先加氧化劑更好?為什么?

【學生思考】先加入KSCN溶液更好,排除溶液中原有Fe3+的干擾情況。

【教師】請同學們根據方案一,進一步修改完善自己小組的實驗方案,小組合作繼續完成方案二和方案三。

抽取小組學生代表進行實驗,并檢驗同學們的離子方程式書寫。

【學生】依據教師的點評和給出的參考方案對自己設計的實驗方案進行完善。并仔細觀察參考實驗中的現象,完成實驗現象觀察(收集實驗證據)、現象解釋、得出該實驗的結論。

【過渡銜接】在生活中補鐵劑為什么要與維生素C(Vc)同時服用?請參照上述過程設計實驗探究Fe3+轉化為Fe2+.

【學生】完善本小組設計的實驗方案。完成實驗并收集實驗證據,得出該實驗的結論。

【設計意圖】 以久置的FeSO4變質設置問題情景,小組合作設計Fe2+與Fe3+相互轉化的探究方案,讓學生能夠將所學的氧化還原理論知識運用于試劑選擇、預測現象、實施實驗等環節,落實學生證據推理與模型認知的核心素養培養;小組合作設計實驗方案充分發揮學生在實驗探究學習中的主體地位;在實驗探究的學習中穿插實驗試劑添加順序問題,充分認識試劑添加順序對實驗結果的影響,進一步樹立嚴謹的科學態度。分別從物質類別與核心元素價態認識物質轉化,并進而建立到運用氧化還原規律對物質性質進行推理的模型,培養學生基于價類二維的元素觀、轉化觀與模型觀。

教學環節三 鞏固留疑 綜合實踐

【鞏固留疑】現有一瓶補鐵劑,請同學們小組合作根據所學知識設計實驗探究該補鐵劑是否為假冒偽劣產品。

【設計意圖】呼應新課導入中提到的補鐵劑服用注意事項,引導學生使用所學知識解決生活中的實際問題,提升學生對鐵的化合物的結構化認知水平,喚醒學生的化學探究意識,培養學生的科學態度與社會責任。

4 結論

化學作為一門自然科學,教學環節充分體現了科學情懷,學科核心素養中的“證據推理與模型認知”就是嚴謹的科學態度最好的詮釋,本文以該核心素養為主要素養培養目標,這一培養目標對于培養新時代的合格高中生具有十分重要的意義;本文研究基于PCK理論及五線合一的教學模式,以人教版高中化學中《鐵鹽及亞鐵鹽的轉化》作為學科主題,結合知識線、興趣線、素養線、策略線與評價線,試發展高中學生化學學科核心素養,通過開發教學設計案例為一線教師提供教學參考。