基于PBL模式的高中化學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計與實踐

摘要：針對新課程背景下高中化學(xué)實驗的新特點開展的基于PBL學(xué)習(xí)模式的實驗教學(xué)設(shè)計與實踐，在教學(xué)策略上圍繞單元教學(xué)大概念升級教學(xué)目標(biāo)，預(yù)設(shè)問題情境開展實驗探究，巧用數(shù)字化技術(shù)破解認(rèn)知難點等學(xué)生在實驗情境下遷移知識解決真實問題，在深度學(xué)習(xí)活動中發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)識”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：PBL模式" 高中化學(xué)實驗" 大概念" 教學(xué)設(shè)計與實踐

化學(xué)實驗是化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，不僅具有教育教學(xué)功能，而且具有發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的功能。從認(rèn)識層面、實踐層面和價值追求層面來看，化學(xué)實驗在發(fā)展學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀、科學(xué)實踐觀和科學(xué)價值觀方面均發(fā)揮著不可替代的作用。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標(biāo)）強(qiáng)調(diào)：“應(yīng)該倡導(dǎo)真實的問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實驗為主的多種形式的活動，激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)化學(xué)實驗的興趣，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)實踐探究能力和創(chuàng)新精神。”在化學(xué)教學(xué)中基于PBL模式開展實驗教學(xué)，有利于提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的學(xué)科核心素養(yǎng)，達(dá)成實踐型人才培養(yǎng)的目的。

一、PBL教學(xué)模式概述

PBL（ProblemBasedLearning）是一種基于問題式學(xué)習(xí)的研究性教學(xué)模式，旨在解決“先學(xué)后用”、理論與實踐脫節(jié)的問題，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生置身于真實的情境，以小組合作的方式提出問題并積極尋找解決問題的方法，在此過程中學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論知識。PBL模式以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識為要旨，促進(jìn)了學(xué)生利用團(tuán)隊資源進(jìn)行互助學(xué)習(xí)。PBL模式在高中化學(xué)實驗教學(xué)中使用（圖1），以滿足學(xué)生的自我實現(xiàn)需要為方向，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生借助PBL模式進(jìn)行預(yù)習(xí)、小組互助，能力強(qiáng)的學(xué)生借助PBL模式探究創(chuàng)新、表達(dá)自我，有效解決了“教師教、學(xué)生學(xué)”的灌輸式教學(xué)以及“先教后學(xué)”的被動式低效學(xué)習(xí)弊端。

二、教材內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)及學(xué)情分析

“配制一定物質(zhì)的量濃度溶液”是新課標(biāo)必修課程中學(xué)生必須學(xué)會的化學(xué)實驗操作技能之一。該內(nèi)容是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有著重要意義的定量實驗。通過“物質(zhì)的量”單元教學(xué)前序活動，學(xué)生已經(jīng)知道了物質(zhì)的量濃度源于科學(xué)發(fā)展的需要，廣泛應(yīng)用于實際的生產(chǎn)生活中。“濃度”貫穿于初、高中三個階段的化學(xué)教材，主要涉及溶液的配制和含量的測定兩個方面，分別是初中化學(xué)“配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉溶液”，高中化學(xué)必修第一冊第二章物質(zhì)的量濃度的含義、應(yīng)用和配制，選擇性必修一《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章中和滴定。三處內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)，螺旋上升，其中“配制一定物質(zhì)的量濃度溶液”起到承上啟下的作用，教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生深刻體會到物質(zhì)的量及其相關(guān)物理量在化學(xué)計量中的應(yīng)用，實現(xiàn)思維方式由定性向精準(zhǔn)定量的初步轉(zhuǎn)變；了解化學(xué)學(xué)科對人類社會發(fā)展的推動作用，體會“發(fā)展中的化學(xué)計量”這一學(xué)科大概念；了解科學(xué)探究的基本過程，從問題出發(fā)確定研究目的，逐步分析生成性問題，改變盲目動手實驗的低階現(xiàn)狀。學(xué)生在合作探究中總結(jié)建模，了解模型在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)高階思維。

“配制一定物質(zhì)的量濃度溶液”是單元教學(xué)規(guī)劃的第三主題內(nèi)容（圖2），學(xué)生面對實驗步驟多、儀器新、定量要求高、容易產(chǎn)生誤差等具體問題時，分析、采集、整合數(shù)據(jù)，創(chuàng)新設(shè)計容量瓶，理解其特點及使用方法，認(rèn)識科學(xué)研究和生產(chǎn)實際的需求必然促使化學(xué)計量和計量儀器沿著更加精準(zhǔn)、操作更加便捷的方向推進(jìn)。

進(jìn)行“發(fā)展中的化學(xué)計量——物質(zhì)的量”單元教學(xué)第一、二主題的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生已經(jīng)構(gòu)建起以物質(zhì)的量為支柱的學(xué)習(xí)框架，繪制出單元思維導(dǎo)圖（圖3），初步對學(xué)習(xí)內(nèi)容形成系統(tǒng)認(rèn)知，并根據(jù)已有知識經(jīng)驗，提出在生產(chǎn)、生活中存在濃度與質(zhì)量、體積的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)，知道需要建立一個與物質(zhì)的量相關(guān)聯(lián)的濃度物理量，學(xué)生的深度思維悄然發(fā)展。單元教學(xué)第三主題的學(xué)習(xí)中，如何從現(xiàn)實生活中濃度問題著眼，類比質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)的形式自主構(gòu)建物質(zhì)的量濃度，成為本課時學(xué)生達(dá)成高通路遷移的關(guān)鍵難題。

受到初、高中化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀所限，學(xué)生缺乏實驗中的合作意識和探究創(chuàng)新意識。例如：為什么容量瓶的形狀是細(xì)頸梨形？溶解液可以直接轉(zhuǎn)入容量瓶嗎？配制100 mL 0.20 mol/L的NaCl溶液時如何確保溶液體積的準(zhǔn)確？學(xué)生對此需要從被動記憶轉(zhuǎn)為親身體驗探究，培養(yǎng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)。

四、設(shè)計流程

依據(jù)PBL教學(xué)模式，教師在本節(jié)課中設(shè)計了“三環(huán)節(jié)、五驅(qū)動”的任務(wù)情境，引導(dǎo)實驗教學(xué)活動深入開展。教學(xué)中包含的核心知識及對應(yīng)的核心素養(yǎng)如圖4，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)落地生根。

五、PBL模式下的課堂教學(xué)過程

（一）環(huán)節(jié)一：真實問題引導(dǎo)，認(rèn)識物質(zhì)的量濃度

[問題1]生活中常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示水果含糖量，用體積分?jǐn)?shù)表示消毒酒精液的乙醇含量，兩者都表示溶液濃度，是否可以互換方式表示濃度？

學(xué)生觀點：表示方式的選擇取決于使用時是否表達(dá)精準(zhǔn)，是否操作便捷。初中時固態(tài)物質(zhì)溶質(zhì)形成的溶液一般用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，液態(tài)物質(zhì)溶質(zhì)形成的溶液一般用體積分?jǐn)?shù)表示。

[問題2]探究體檢中血液化驗適合的濃度表示方法。

學(xué)生觀點1：通常取一定體積的血液化驗，需要以體積為單位進(jìn)行研究，國際制單位升（L），選用體積分?jǐn)?shù)。

學(xué)生觀點2：血液中的成分多樣且微觀難以計數(shù)，無法使用體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)當(dāng)創(chuàng)設(shè)一定體積下用物質(zhì)的量表示微觀粒子濃度的新物理量。

[追問3]類比質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)的公式，自主構(gòu)建新濃度物理量。

學(xué)生觀點：單位體積內(nèi)包含溶質(zhì)的物質(zhì)的量。

設(shè)計意圖：PBL教學(xué)策略尤為強(qiáng)調(diào)從問題入手激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識。學(xué)生遷移升華舊知，明確濃度表示方式的選擇取決于實際應(yīng)用中是否精準(zhǔn)、便捷，同時主動發(fā)現(xiàn)新知，創(chuàng)設(shè)新物理量——物質(zhì)的量濃度，理解“發(fā)展中的化學(xué)計量”這一學(xué)科大概念，實現(xiàn)從具體問題挖掘抽象原理到使用抽象原理解決具體問題的高通路遷移。

（二）環(huán)節(jié)二：聚焦問題研討，分析準(zhǔn)確配制溶液的要素

[問題1]如何準(zhǔn)確配制100 mL 0.20 mol/L NaCl溶液？

學(xué)生觀點：需要準(zhǔn)確稱質(zhì)量和準(zhǔn)確量體積。托盤天平無法準(zhǔn)確稱取1.17 g NaCl固體，應(yīng)當(dāng)改用精確度更高的電子天平。

[追問2]準(zhǔn)確配制溶液需要加入100 mL水還是加水到100 mL？

學(xué)生觀點：固體和液體混合后存在溶液體積變化，應(yīng)當(dāng)加水到100 mL。

[再問3]選擇什么量器準(zhǔn)確加水至100 mL？

學(xué)生觀點：燒杯容量大，但杯口大，接近100 mL刻度線時發(fā)現(xiàn)定容判斷困難，多加幾滴水觀察不出刻度的明顯變化；量筒定容觀察更清晰，但溶液體積不宜過大，否則管徑粗大不利于定容，管長過大不方便使用。

學(xué)生活動：積極設(shè)計新量器，將燒杯容量大和量筒精度高的優(yōu)點有效融合，互評設(shè)計的儀器優(yōu)缺點。

器使用弊端教師活動：聚焦學(xué)生的設(shè)計圖，展示定制的量器，演示使用量器，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)該設(shè)計存在的弊端（圖5），強(qiáng)化容量瓶的外形特征。

設(shè)計意圖：聚焦實驗中遇到的真實問題開展探討，學(xué)生分析得出準(zhǔn)確配制溶液的兩大要素。實驗活動亮點在于面對一系列生成性問題時，學(xué)生通過使用和分析已有量器，結(jié)合生活經(jīng)驗，采用定量思維創(chuàng)新設(shè)計新量器，討論設(shè)計的量器可能存在的弊端，引出“容量瓶”。PBL模式下學(xué)生積極參與學(xué)習(xí)的過程，真正成為過程中的體驗者和創(chuàng)新者，在傾聽、研討、鼓勵的氛圍下通過高通路遷移實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

（三）環(huán)節(jié)三：由問題推動試錯體驗，使用容量瓶進(jìn)行首次實驗配制

教師：觀察容量瓶，思考如何使用容量瓶準(zhǔn)確配制溶液，寫出實驗步驟。

學(xué)生活動：觀察討論，總結(jié)容量瓶使用注意事項，完成第一次配制實驗。

教師：匯報第一次實驗具體操作步驟，通過自評互評補(bǔ)充實驗注意事項，討論實驗具體步驟以及可能出現(xiàn)誤差的原因。

設(shè)計意圖：PBL模式使學(xué)生成為教學(xué)主體，強(qiáng)調(diào)問題的解決，注重讓學(xué)生在解決問題的過程中構(gòu)建知識并提升能力。學(xué)生在觀察容量瓶外形后，類比初中配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液完成第一次實驗，由試錯引發(fā)問題并深入探討，羅列諸多實驗注意事項。學(xué)生在互評交流中理解知識，更加充分地認(rèn)識到容量瓶瓶身三標(biāo)識的含義及誤差，尤其是溶解液需要冷卻才能轉(zhuǎn)移的原因，以及燒杯、玻璃棒的洗滌液必須轉(zhuǎn)移至容量瓶的意義。

（四）環(huán)節(jié)四：建構(gòu)配制溶液模板，理論指導(dǎo)下再次進(jìn)行實驗

教師：修正和完善準(zhǔn)確配制一定物質(zhì)的量濃度溶液的實驗步驟，構(gòu)建實驗?zāi)０濉?/p>

學(xué)生活動：討論梳理準(zhǔn)確配液的基本步驟（計算→稱量→溶解→冷卻→轉(zhuǎn)移→洗滌→定容→搖勻→轉(zhuǎn)移裝瓶），再次配制NaCl溶液。

教師：準(zhǔn)確配制一定物質(zhì)的量濃度硫酸溶液的過程儀器、步驟與配制NaCl溶液是否完全相同？

學(xué)生活動：討論計算與稱量步驟存在的不同之處。

設(shè)計意圖：構(gòu)建實驗?zāi)０蹇梢詷O大程度培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。從固體溶質(zhì)配液模板構(gòu)建推廣至液體溶質(zhì)配制，學(xué)生思維的深度和廣度獲得提升。學(xué)生推導(dǎo)得出c（濃）V（濃）=c（稀）V（稀）這一溶質(zhì)物質(zhì)的量守恒關(guān)系，認(rèn)識到用量筒量取濃溶液不夠精準(zhǔn)，初識滴定管和移液管，進(jìn)一步促進(jìn)了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的發(fā)展。

（五）環(huán)節(jié)五：巧用數(shù)字技術(shù)，啟動問題的深度探究

[問題1]配制的溶液濃度是否準(zhǔn)確，如何檢測？

學(xué)生活動：根據(jù)100 mL 0.20 mol/L NaCl溶液中氯離子的定量檢測，加入足量硝酸銀，稱取AgCl質(zhì)量。

教師：真實科學(xué)研究中常采用標(biāo)定的方法來確定溶液濃度，有關(guān)“標(biāo)定”操作我們將在選擇性必修一課程中繼續(xù)學(xué)習(xí)。下面我們采用測定電導(dǎo)率的方式來間接檢測（圖6）。

學(xué)生活動：反思實驗中可能存在的誤差，總結(jié)實驗成功的經(jīng)驗，體會物質(zhì)的量濃度的實踐價值。

設(shè)計意圖：在探究溶液濃度是否配制準(zhǔn)確的活動中，創(chuàng)新性地引入了手持技術(shù)，宏微結(jié)合幫助學(xué)生理解溶液濃度與導(dǎo)電能力的定性關(guān)系。在大單元教學(xué)的最后一課時，學(xué)生通過總結(jié)反思感悟科技的進(jìn)步、生產(chǎn)生活的需求推動著計量方式的不斷發(fā)展，相關(guān)儀器、技術(shù)不斷更新。

六、教學(xué)反思

在基于PBL模式的教學(xué)設(shè)計中，教師一方面根據(jù)“物質(zhì)的量”單元教學(xué)大概念設(shè)置課時主題，設(shè)立探知生活中物質(zhì)的量濃度應(yīng)用價值的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生把復(fù)雜的真實問題分解成若干細(xì)小的學(xué)科內(nèi)問題，在化學(xué)實驗實操中尋找解決問題的方案，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題并構(gòu)建思維模板的能力，發(fā)展其“科學(xué)探究和創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)；另一方面更加關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，包括課前預(yù)習(xí)過程，課中設(shè)計過程、討論過程、實驗探究過程、合作過程，課后復(fù)習(xí)鞏固過程等，不再用結(jié)論是否正確作為唯一評價標(biāo)準(zhǔn)，而是提供展現(xiàn)探究思維的機(jī)會，觀察學(xué)生是如何開展活動的、活動中遇到了哪些問題，幫助學(xué)生突破障礙解決問題，尊重個體差異的同時及時給予鼓勵性評價，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：黃大燦