基于创新实验设计的教学转型实践—— 以 “物质在溶解过程中的变化”为例

◎ 朱 康

国家教育部2014年印发的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中，首次提出“核心素养”概念。紧接着，2016年9月《中国学生发展核心素养》正式发布，标志着落实立德树人任务的落地生根。《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）也将学科核心素养作为重要的育人目标，明确提出化学学科核心素养包含的具体内容为“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任”[1]等五个方面。笔者认为“宏观辨识与微观探析”要求学生从物质结构的视角认识和解决问题，是化学概念原理的重要体现；宏、微观的背后体现了化学的动态变化，因此“变化观念与平衡思想”是物质变化的外在表现；基于证据进行分析和推理，运用建模的方法来具体描述和解释实验现象，使抽象的理论具体化，因此“证据推理与模型认知”是思维的核心[2]；“科学探究与创新意识”是化学学科核心素养的中心所在，以实验探究为实践基础，在实践中发现和提出有研究价值的问题，进而上升到理性认知层面；“科学态度与社会责任”是价值追求的核心，也是立德树人的根本任务，更是学生终身发展的必要条件。日常课堂教学是发展学生学科核心素养的主要阵地。“物质在溶解过程中的变化”节选自沪教版高一化学第一册第一节的部分内容，是比较好的实验素材。笔者通过对这节课的设计和实施，有意识地去渗透和发展学生的化学核心素养。

一、教材及学情分析

（一）学情分析

学生在学习本课之前，已经知道硫酸铜的物理性质、化学键与化学反应热效应的关系，常见物质如浓硫酸的稀释过程为释放热量、饱和溶液、溶解与结晶等基础知识，但是很多知识现阶段仅停留在记忆层面，对这些知识背后的原理不甚理解。如何充分利用学生已有的点滴知识，整合已有知识，新知和旧识在认知冲突和碰撞中激发出思维的火花，运用证据推理让认知提升深度，提炼出解决问题的模型，有利于形象地理解概念原理知识。

（二）教材分析

“物质在溶解过程中的变化”这节课的学习是对初中物质溶解性认识的延伸和发展，既为溶解过程的变化和溶解过程热效应完善证据材料，又为两者间相互解释做证据链形成逻辑关系，为学习化学反应的热效应奠定基础；通过对溶解和结晶动态平衡的学习，为将来学习其他平衡理论打下坚实的基础。

本节课知识容量较大，知识点之间关联性不强，如何突破常规教学中的思维惯性，发挥实验的最大功能和价值呢？为此经过反复思考，笔者选择了重构教材中素材，选择使用硫酸铜作为载体来设计本节课，通过对硫酸铜的挖掘，从水合到扩散的热效应到溶解、结晶动态溶解平衡，使得学生集中精力解决一个情境下的多个核心问题，避免了多素材精力分散的问题。

二、教学设计与实施

（一）情境主线贯穿课堂

在《课程标准》基本理念部分中提出，以发展化学学科核心素养为主旨和重视开展“素养为本”的教学。以“素养为本”的教学就是在实际教学过程中积极使用真实的情境，开展以化学实验为主，多种形式的学习活动，重视教学内容知识的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力。本节课使用了学生非常熟悉的硫酸铜作为本节课的研究对象，以铜离子的颜色为问题线索，围绕颜色变化这一宏观现象背后的深层次原因，作为激发学生兴趣和思维挑战的种子，从微观、实验和逻辑推理等多个化学学科核心素养的方面寻找证据。在解释生活中常见现象的过程中，不知不觉中重新认识了物质的溶解过程，通过实验异常现象的推理分析，揭示溶解产生热效应的原因，溶解的最大限度是一定温度下的饱和溶液，通过研讨，了解溶解和结晶这对动态平衡关系受到环境的影响。

（二）思维碰撞渗透课堂

本节课中教师根据学生的认知水平，创设一些合理的问题，形成一个螺旋上升的问题链条，更有利于思维的碰撞。

教学环节一：颜色引发的思考

师：请同学们观看图1，我们向无水硫酸铜粉末中滴加几滴蒸馏水，产生蓝色晶体，请问该蓝色晶体应该是什么物质？说出你的判断依据。

图1

生：该蓝色晶体是五水合硫酸铜，其依据是生成晶体的颜色为蓝色。

师：从宏观角度我们观察到了物质的变化，如果从微观角度分析，我们知道硫酸铜是由铜离子和硫酸根离子构成的，那构成五水合硫酸铜的微粒是什么呢？

生：铜离子、硫酸根离子、水分子。

师：硫酸铜生成五水合硫酸铜的过程为化学变化，如果仅仅是微粒的简单叠加，很明显与宏观物质的化学变化相冲突。请同学们前后四人为一个小组讨论“硫酸铜有铜离子却不显示蓝色，硫酸铜溶液和五水合硫酸铜却呈现蓝色的原因”。

生：可能是铜离子遇水后生成蓝色的新微粒。

师：科学研究表明，铜离子与水分子会发生反应生成如图2所示结构的蓝色微粒四水合铜离子，我们把上述过程称之为水合。

图2

【设计意图】一直以来学生都认为铜离子的颜色是蓝色，常用该特征颜色来判断铜离子的存在，然而无水硫酸铜和五水合硫酸铜都含有铜离子却有着截然不同的颜色，看似是一个很不起眼的问题，恰恰是引发学生认知冲突，引发深层思考的好契机，通过宏观认识和微观辨别的认知不同步，提升学生从不同维度认识物质的能力。

我们一直说教师在课堂中起到主导地位，如何体现主导地位？课堂问题的设计是最重要的体现之一，问题的逻辑性能体现教师对问题思考的深度和广度。学生通过思考、实验、研讨等手段获取科学证据自主解决问题的过程则体现了学生的主体地位。

（三）实验探究架构课堂

化学是一门以实验为基础的自然科学，实验是化学的灵魂。实验对发展学生的化学学科核心素养有着无可替代的作用，所以有效的实验设计，有利于促进学生化学学科核心素养的形成。

教学环节二：建模解决变化问题

师：水合是一种普遍存在的现象，化学反应的过程往往会伴随有热效应，那水合过程的热效应是怎样的呢？

生1：吸收热量。

生2：释放热量。

生3：不确定。

师：我们向盛有无水硫酸铜粉末的表面皿中滴几滴水，请感受水合的热效应。

生：通过触摸表面皿的底部能明显感受到水合的过程是放热的过程。

师：如果向20mL蒸馏水中依次加入五水合硫酸铜和无水硫酸铜，可能会产生怎样的实验现象呢？请大家认真观察、思考。

生4：从图3可以看出，五水合硫酸铜溶解过程是吸收能量的过程，无水硫酸铜溶解的过程是释放能量的过程。

生5：溶解的过程中除水合外，还有其他过程，而且该过程是吸收能量的过程。

师：在水分子的作用下，如图4所示微粒从固体表面向外运动的过程称之为扩散，该过程为吸收能量的过程，若要判断某物质溶解过程中的热效应，可以通过比较扩散和水合能量的相对大小。

【设计意图】通过实验发现无水硫酸铜和五水合硫酸铜具有完全不同的热效应，通过两组实验对照分析发现，物质溶于水包含水合和扩散两个过程，建立判断溶解热效应的模型，知识建模构建有利于学生归纳总结能力的提升。

溶解的热效应在常规课堂中教师可能三言两语就能说清楚，为什么还要这么大费周折呢？笔者认为通过实验和逻辑推理的过程，留给学生的不仅仅是学习到的知识，毕竟获取知识是比较低层次的学习，培养学生的看问题、解决问题的思维习惯才是受益终身的财富。

图3

教学环节三：理不辩不清

师：播放结晶硫酸铜的制备过程，思考溶质会一直结晶吗？

生：在一定温度下，物质溶解达到最大限度时，会形成该温度下的饱和溶液。

师：我们发现了一个有趣的实验现象，室温下，在CuSO4的饱和溶液中，悬挂一块缺角的CuSO4晶体，一段时间后，晶体的质量不变，形状和原晶体结构相似，思考可能的原因。

生：因为是饱和溶液，晶体的质量不变；形状不变的原因可能是硫酸铜晶体有一定的几何外形，溶液中不断等速进行着溶解和结晶。

师：像硫酸铜这类物质，能自发形成且具有规则几何形状的固体叫晶体。物质的溶解和结晶的过程是同时进行的动态平衡，通过改变条件，可以改变溶解和结晶的快慢，以达到改变溶解平衡方向的目的。

【设计意图】通过实验事实做情境，引发学生思考，并积极通过证据推理解决实际问题。溶解结晶实验给我们的启示是学会透过现象看本质，通过对溶解过程的了解，对于溶解是有限度的，已经水到渠成，再通过结晶知识的再回顾和有趣实验现象的思考，初步了解溶解平衡是一种动态平衡，为以后其他平衡的学习打下坚实基础。

图4

三、进一步思考

“物质在溶解过程中的变化”的教学案例不多，大多数教师会选择一带而过或者割裂成多个独立知识模块，通过教学实践，笔者有以下几点感受。

（一）真实的问题情境可以有效地促进学生学习方式的转变

在教学过程中使用真实的情境，在一个情境下保证了知识传递的完整性，通过实验设计促使教师教学的转型升级，经过遴选硫酸铜作为情境，可以促进学生学习方式的转变，传统课堂多以教师的讲授为主，学生往往是努力紧跟教师的步伐，这种学习相对比较被动，学习效率大打折扣；然而通过精心创设的真实情境，在熟悉的旧知中产生认知性冲突，往往更能激发学生的探究欲望，学生的学习方式就会在教师的潜移默化的影响下，逐渐形成主动思考、主动解决问题的意识，这就是真实情境带给教学和学习的变化，势必也会促进学生综合素养的提升。

（二）大胆推测，小心论证，有利于提升学生的思维品质

通过知识逻辑结构的分析，梳理出本节课的问题链，在问题链中设计高思维容量的问题，问题的解决需要基于实际情况，做出合理的假设，对假设做理论推敲和实验求证。实验作为重要的证据获取手段，在问题的解决过程中起到至关重要的作用，实验可以将推敲的抽象理论或微观可能直观化，学生可以快速地理解。理论推敲的过程更能够培养学生思维习惯的养成，在合作研讨的过程中思维得到激烈的碰撞。

（三）基于顶层设计的教学，需要教师勇于自我革命

一节课有若干个重要知识点，这些知识点如何呈现，每个知识点要通过哪些问题来驱动学习，都需要顶层设计。顶层设计是为了梳理清楚知识的内部、外部各部分的逻辑关系。在这种逻辑关系的指导下，教师在组织教学内容时需要高度重视化学知识的结构化。教学思路的转变需要教师有敢于自我革命的勇气，需要花大量的时间去思考学情能否承受设计出的问题。由此带来的是，教师思考问题习惯的转变，更多地考虑学情会让课堂教学更接地气，学生的学习也会因此变得更加轻松。

（四）创新实验驱动创新意识

实验是化学研究的重要手段，实验创新是实验研究的热点，然而为了创新而创新，不惜将简单的实验复杂化的情况屡有发生。实验创新的目的到底是为了什么呢？实验并不是为了作秀，而是用于获取证据，解决实际问题，通过对实验现象的分析，引发学生深入思考问题的本质，所以创新实验是以激发学生创新意识为根本目的，通过新的方法、技术改进实验，能够更直观地刺激感官，引发学生对问题的深层次思考。