基于“三序结合”的化学教学设计

王星乔 周千红 包朝龙 赵贤祥

摘要： 提出了教学过程中素养发展序、认知发展序、知识发展序“三序结合”的内涵、必要性及基于“三序结合”的教学设计程序，并以“创设实验情境，引发认知冲突；追寻先人认知，推测微观排列；基于宏观证据，探求微观模型；依据微观模型，预测宏观性质”为主线，设计了“不同类型的晶体”一课。

关键词： 素养发展序； 认知发展序； 知识发展序； 核心素养； 教学设计

文章编号： 10056629（2018）2003407中图分类号： G633.8文献标识码： B

发展学生的化学核心素养，开展“素养为本”的课堂教学已成为当前化学教学实践的新追求。如何将化学核心素养的培养在课堂教学中落地生根，成为深化课改中一线教师面临的新挑战。在此背景下，宁波市教育局教研室于2017年5月18～19日举行了第十届高中化学特级教师带徒第五次集中活动，活动的主题为“高中化学课堂教学设计深度交流”，共同探研核心素养背景下课堂教学转型。化学核心素养的发展是一个自我建构、持续进步的过程，教师应根据化学学科核心素养的内涵及其发展水平，结合学生的已有经验，对教学内容进行整体规划和有序设计，使得教学过程合乎素养发展规律和认知发展规律[1]。此外，化学知识是培养学生化学学科核心素养的重要载体，“素养为本”的教学不应仅将知识作为静态的事实结果，也应关注知识自身的发现和发展历程，建构起对化学知识、化学认识方式等的结构化认识[2]。综上所述，教学内容的组织应将素养发展序、认知发展序、知识发展序予以统筹考虑，促进学生从化学学科知识向化学学科核心素养的转化。

1“三序结合”的内涵与必要性

与熟知的“三序”（知识序、认知序和教学序）有所不同，本文中的“三序”指的是： 素养发展序、认知发展序、知识发展序。素养发展序指的是素养的发展是有阶段性的、有水平层次差异的，学生素养的发展是一个自我建构、螺旋式上升的过程；认知发展序是指学生学习知识、技能有一定的认识规律；知识发展序指的是学科知识本身的发现和发展历程，是从宏观到微观、简单到复杂不断深入的过程。所谓“三序结合”，就是根据教学目标，把以上三种顺序所涉及的种种因素加以考虑，使得教学合乎科学逻辑、认识规律和学生心理发展水平[3]。

教学设计过程中为何要统筹“素养发展序、认知发展序、知识发展序”，主要基于以下几点考虑： （1）拓宽教学设计思考的广度。“知识序、认知序和教学序”是从“课程、学生和教师是课堂教学中的三要素”这一视角提煉出来的，但是从教学设计的思考维度上来看，三者并非并列关系，知识序、认知序在很大程度上决定了教学序，教学设计的“三序”从三个维度实质上降到了两个维度。因此，增加“素养发展序”有利于拓展教学设计思考的广度，也契合当前基于核心素养的课程改革。（2）明晰素养发展的进阶性。2016年9月，普通高中课程标准修订组发布了《普通高中化学课程标准（征求意见稿）》，将高中化学核心素养划分为5个维度，每个维度又划分为4个水平层次。因此，教师在教学设计过程中须考虑到学生素养发展的现有水平及通过本节课学习可达到的水平层次。（3）遵循科学认识一般过程特征。人类对科学的认识一般经历了由现象到本质、由简单到复杂、由个别到一般的循序渐进、螺旋上升的过程。在教学设计时考虑知识发展序，就是要有意识“重演”人类的探索过程，开展“遵循知识形成原过程的教学”，不仅有助于突破思维上的障碍，还能更好地理解并掌握所学的知识，从中汲取前人的智能，领悟思想方法，陶冶科学精神，提升学生的科学素养[4]。

2基于“三序结合”的教学设计程序

基于“三序结合”的教学设计程序应把握以下几个方面：

2.1分析教学起点

这里的起点，既包括教材知识逻辑结构特点，也包括学生核心素养发展水平特点。教师要充分了解学生已有的认知状况，特别要注意研究原有认知结构中与新知识有密切相关的内容，这是优化教学的起点。

“不同类型的晶体”是苏教版化学2专题一第三单元内容，该单元的主题是“从微观结构看物质的多样性”。在前面的学习中，学生知道物质是由原子、分子、离子构成，微粒之间存在不同作用力，同素异形现象和同分异构现象是造成物质世界多样性的重要原因。本节课则是从构成物质微粒及微粒间作用力角度帮助学生认识微观结构与物质多样性的关系。

从核心素养层面来看，本节课主要涉及“宏观辨识与微观探析”这一维度，学生通过先前的学习能根据实验现象辨识物质及其反应，能从物质的宏观特征入手对物质及其反应进行分类和表征，初步具有结构决定性质的观念，处于水平1与水平2之间。本节课则将水平2、水平3的提升作为教学设计着力点。学生可能出现的障碍点主要是水平3： 微粒间作用力与晶体物理性质的关系。

2.2解构素养目标为教学目标

在确定教学目标时，需将对学生总体的素养期望具体化为课时教学目标，并以此来确定教学内容，选择教学活动方式。美国心理学家马杰在《准备教学目标》一书中指出陈述得好的目标具有三个成分： （1）说明通过教学后，学生能做什么（或能说什么）；（2）规定学生行为产生的条件；（3）规定符合要求的达成标准[5]。根据核心素养五个维度的内涵与目标，结合浙江省普通高中化学教学指导意见（2014版）[6]，可以如表1对“不同类型的晶体”教学目标的有关要素做进一步分解，以便形成相应的教学目标。

2.3设计“三序”路径

分析了教学起点、确定了课时教学目标之后，接下来要思考的便是设计“三序”路径，这是组织与优化教学实施的基础和前提，也是实现有效教学的关键和核心。

设计“素养发展序”路径指的是划分素养水平的层级结构，这些层级反映学生不同阶段的素养发展水平。素养水平层级结构的划分应依据《普通高中化学课程标准（征求意见稿）》附录中的素养水平划分，将素养水平发展融入每一学习主题中，以学习内容为载体，与学习内容相融合，有利于避免流于形式、缺乏操作性等弊端。本节课主要涉及“宏观辨识与微观探析”素养，结合课程标准中有关“宏观辨识与微观探析”素养的水平层次划分以及课时教学目标，确立了本节课的宏微素养序： 水平1： 能从晶体宏观特征入手对物质进行辨识、分类和表征→水平2： 能从晶体的微观排列解释说明晶体的宏观共性→水平3： 能从原子、分子水平解释不同类型晶体的宏观性质特征与差异→水平4： 能依据石墨的微观结构预测石墨的性质。

设计“认知发展序”路径指的是构建与学习者水平、认知特点相适应的课堂教学结构，一般包含以下几个环节： 充分利用原有认知结构，引发认知冲突。本节课利用干冰自然升华、石英晶体放在酒精灯上灼烧对比实验激起学生的探索欲望→实现认知结构的同化和顺应，建立新的认知结构： 从微观角度对晶体进行分类及解释宏观性质→最后运用新的认知结构解决陌生情境问题——依据石墨的微观结构预测石墨的性质，促进知识迁移应用。

设计“知识发展序”路径指的是“重演”人类对知识的探索历程。这需要查阅相关的史学文献资料，并根据教学的需要进行适当加工。从晶体发展基本史料分析来看，晶体学的发展大概经历以下几个阶段： 首先注意到天然晶体的规则几何外形，尝试从微观结构的角度进行解释→进而对晶体的其他性质（熔沸点、硬度等）

展开研究，并尝试依据这些物理性质对晶体进行分类，

研究晶体的类别特征→随着仪器的发展，使人类能够深入到晶体微观结构，并从微观角度进行晶体分类及解释宏观性质→最后能够根据晶体学知识预测未知晶体的性质特点，从而开发出人类所需要的晶体材料[7]。

3基于“三序结合”的教学设计

3.1创设实验情境，引发认知冲突

实验引入： 干冰自然升华，石英晶体放在酒精灯上灼烧。学生会发现干冰晶体在常温下直接升华成二氧化碳气体了，而石英晶体（二氧化硅）长时间灼烧却巍然不动。

教师设疑： 干冰、石英同属于固体、晶体，同属于非金属氧化物、酸性氧化物，组成也相似，为何两者的熔沸点差异却如此大？

设计意图： 余文森教授认为，基于核心素养的教学一个显著的特征是问题来源于真实情境、是原生态的。本节课选用学生所熟悉的干冰、石英晶体作为引入，制造认知冲突，激起学生强烈的求知欲，促使学生主动地投入到本节课学习中。

3.2追寻先人认知，推测微观排列

PPT投影： （1）生活中常见晶体图片；（2）《韩诗外传》对雪花的描述：“凡草木花多五出，雪花独六出”；《新修唐本草》对食盐的描述：“光明盐，大者如升，正方光砌”；（3）汉字“晶”字解为“精光也，从三日”。

教师设疑： 为什么晶体具有规则的几何外形？请猜测一下原因。

PPT投影： 钻石的超显微结构视频（金刚石从宏观形状不断放大至微观结构）。

教师讲解： 在晶体内部，构成晶体的微粒在空间有规则排列，这类似于阅兵式队伍整体非常整齐主要是由于其中的军人横成行、竖成列，排列得非常规则。随着科学技术的发展，X射线衍射仪使我们人类第一次“看见”了晶体的内部结构。图4左边是石英晶体投影图，微粒排列非常有规则；图4右边是石英玻璃，微粒排列杂乱无序。它们的谱图也是不同的（见图5）[8]。

PPT投影：

设计意图： 科学承载着人类对世界的认识和创造，同时又是与社会的发展和人类的认知水平相适应的。从晶体发展基本史料分析来看，人们总是先注意到天然晶体的规则几何外形，进而尝试从微观结构的角度进行解释。本环节既引用了古人对氯化钠、雪花晶体的描述，同时又展示了现代科技发展成果——X射线衍射仪，融人文气息与现代科技气息于一体。

3.3基于宏观证据，探求微观模型

教师设疑： 为什么构成晶体的微粒在空间会有规则的排列，是什么力量驱使的呢？组成和化学性质如此相似的干冰和石英晶體，熔点等物理性质上为何有如此大的差异？这就需要从微观角度认识构成晶体的微粒及微粒间的作用力。

PPT投影： 请根据下列晶体性质及构成微粒对其进行分类。

学生讨论回答： 氯化钠、氯化钡、二氧化硅为一类；干冰、白磷归为一类，因为它们的熔沸点、导电性性质很相似；钠、钨归为一类；金刚石单独一类。

教师追问： 为什么将二氧化硅与氯化钠、氯化钡归为一类？从熔融态的导电性来看，为何熔融氯化钠、氯化钡能导电，而二氧化硅不能导电？

学生回答： 说明氯化钠、氯化钡由离子构成而二氧化硅不是。

教师： 通过X射线衍射仪我们人类今天能够“看见”晶体的内部结构。

模型展示： 氯化钠。

问题组1： （1）指出模型中的钠离子、氯离子，晶体中是否存在氯化钠分子？（2）NaCl这一符号能否认为是氯化钠分子式？它表示什么含义？（3）每个钠离子周围吸引多少个氯离子，每个氯离子周围吸引多少个钠离子？

问题组2： （1）氯化钠晶体能导电吗，为什么？（2）氯化钠晶体在什么条件下能够导电？（3）氯化钠晶体溶于水、熔化状态下破坏什么作用力？

问题组3： 哪些类别物质属于离子晶体？

学生讨论回答： ……

教师小结： 像氯化钠这样的离子化合物中阴、阳离子按一定方式有规则地排列形成的固体称为离子晶体。离子晶体的构成微粒是阴阳离子，离子之间通过离子键有规则堆积结合形成晶体，所以离子化合物形成的晶体都是离子晶体。一般离子晶体中不存在分子，它的化学式不表示分子式，而是表示了阴阳离子的个数比。这类晶体特点是熔沸点较高、硬度较大、熔化状态下或溶于水能导电，克服的作用力是离子键。

模型展示： 金刚石。

问题组1： （1）金刚石晶体是由什么微粒构成的？（2）微粒间通过什么作用力结合在一起？（3）金刚石晶体熔化时破坏什么作用力？（4）用Si代替C原子形成的是什么晶体？如果Si原子间插入O原子呢？

问题组2： （1）石英晶体是由什么微粒构成的？（2）二氧化硅晶体中存在SiO2分子吗？化学式SiO2表示什么含义？（3）微粒间通过什么作用力结合在一起？（4）石英晶体熔化时破坏什么作用力？

学生讨论回答： ……

教师小结： 像金刚石、二氧化硅这样相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体称为原子晶体。原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。原子晶体中不存在分子，它的化学式不表示分子式，而是表示原子的个数比。这类晶体的特点是熔沸点高、硬度大，熔化状态下不能导电，克服的作用力是共价键。

模型展示： 干冰。

问题组： （1）干冰晶体是由什么微粒构成的？（2）化学式CO2表示什么含义？（3）二氧化碳分子空间构型？二氧化碳分子间通过什么作用力结合在一起？碳氧原子间通过什么作用力结合在一起构成二氧化碳分子？（4）干冰熔化时破坏什么作用力？有没有破坏碳氧原子间共价键？（5）哪些类别物质属于分子晶体？

学生讨论回答： ……

教师小结： 像干冰这样的分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体称为分子晶体。分子晶体的构成基本微粒是分子，基本微粒间的作用力是分子间作用力。这类晶体特点是熔沸点低、硬度小，熔化状态下一般不导电，克服的作用力是分子间作用力，溶于水后可能导电。非金属单质、非金属的氢化物等无机物以及多数有机化合物形成的晶体，大都属于分子晶体。

教师设问： 组成和化学性质如此相似的干冰和石英晶体，熔点、硬度等物理性质上为何有如此大的差异？

学生回答： 干冰熔化（升华）克服的是CO2分子间作用力，石英晶体熔化时克服的是硅氧共价键，化学键的作用力要远大于分子间作用力。

教师讲解： 晶体除了离子晶体、分子晶体、原子晶体三种类型外，还有一类是金属晶体。金属晶体有共同的物理特性，如有金属光泽、能导电和传热、具有延展性等，金属晶体的熔沸点（如钠、钨）、硬度差异较大（如钠、铬）。

设计意图： 教材是先定义、介绍各类晶体微观结构，再利用“观察与思考”栏目体会四类晶体的性质特点，而本节课教学过程则是先提供各类晶体性质等事实性证据，然后依据这些证据尝试对晶体进行分类。顺序的调整一方面增强了教学的开放性，另一方面也更加贴近人类对事物的认识发展规律，同时也符合学生的认知发展顺序。当然，晶体的宏观物理性质的巨大差异驱使人类探求晶体的微观结构，X射线衍射仪使人类能够“看见”晶体的内部结构，最后从微观角度解释宏观性质。教学过程中采用模型展示、问题组驱动、学生自主建构与教师引导相结合的教学方式，使学生从微粒观角度充分理解： 晶体类型与构成微粒关系、物理性质与微粒间作用力关系、晶体类型与物质类别关系，从而促进“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”素养的提升。

3.4依据微观模型，预测宏观性质

PPT投影： 石墨结构模型。

教师设问： 请结合石墨结构模型，预测石墨的硬度大小和熔点高低并解释其原因。

学生讨论回答： 石墨晶体晶体硬度小，就像铅笔芯很软，可能与它的层状结构有关，在前面学过层与层之间靠分子间作用力结合在一起；如果熔化时共价键发生断裂生成碳原子，则与金刚石类似，熔沸点较高。

PPT投影： 晶体学研究热点领域及相应图片。

教师总结： 通过今天的学习，同学们已经能够结合宏观性质感知微观结构差异，利用微观结构去解释、预测可能的宏观性质。类似于刚才提到的石墨晶体性质，晶体的领域也是异常丰富多彩，至今已发展成为一门科学——晶体学，当前研究的热点领域（投影图片）有生物大分子晶体学、功能分子晶体研究、非线性光学晶体材料、激光晶体材料研究、多晶衍射研究、电子显微学等，大有可为！

设计意图： 本环节向学生展示石墨的晶体结构，让其根据微观结构预测石墨的宏观物理性质并能够评估预测的合理性，认知水平要求较高，目的在于综合评价并巩固提升学生的“宏观辨识与微观探析”这一核心素养。最后的结语升华了主题，使学生能够了解晶体学领域的发展，激起他们进一步探索学习的欲望，赞赏化学对社会发展的重大贡献，提升了“科学精神与社会责任”这一核心素养。

从整体上看，本教学设计思路“从宏观到微观再回到宏观”、“从现象到本质再回归看现象”，遵循“素养发展序、认知发展序、知识发展序”，学生的思维发展是逐步进阶的，犹如经历了中国禅宗的三个境界： 一是看山是山，看水是水，对晶体的认识是从直观感性开始的；二是看山不是山，看水不是水，透过现象深入晶体的微观结构；三是看山还是山，看水还是水，对晶体的认识上升到理性，能够依据微观模型推断宏观性质。因此，从整个设计流程可以看出人类认识事物所经历的过程以及所包含的哲学大智慧！

总之，认识素养层级发展、深入学生认知心理和理解化学学科发展是进行化学教学设计的三大基石。化学教师要在充分分析学生前认知基础上，细化课时教学目标，设计“三序”进阶路径，循“序”渐进构建高效课堂，以期让学生经历有意义的学习过程。

参考文献：

[1]普通高中课程标准修订组.普通高中化学课程标准（征询意见稿）[Z]. 2016年9月.

[2]杨梓生.增进学科理解是把握化学核心素养的关键[J].化学教与学， 2017，（3）： 13～15.

[3]王雪梅，邱道驥.试用“三序结合”分析九年级化学（鲁科版上册）教材的编排[J].中学化学教学参考， 2009，（5）： 36.

[4]田成良.遵循“知识形成原过程”的教学[J].物理教学， 2015，（11）： 50～53.

[5]李锋.基于课程标准的教学设计研究——以上海市初中信息科技课程为例[D].上海： 华东师范大学博士学位论文， 2010.

[6]浙江省普通高中新课程实验工作专业指导委员会.浙江省普通高中化学学科教学指导意见（2014版）[M].杭州： 浙江教育出版社， 2014.

[7]蒋宛莉，张熙维.初论中国古代对晶体的认识[J].人工晶体学报， 2008， （6）： 769～775.

[8]吴国庆等.普通高中课程标准实验教科书·物质结构与性质（选修3）[M].北京： 人民教育出版社， 2009.