基于化学学科核心素养的教学设计课例

林琳 江家发

摘要：围绕氢氧化铝是否和氨水反应，基于理论事实，通过数字化实验探究活动，采用POE教学策略，创设问题情境，形成认知冲突，既弥补了传统实验不能解释这一知识点的不足，更新了学生对氢氧化铝两性化学性质的进一步认识，也培育了学生“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”的核心素养。

关键词：化学学科核心素养;数字化实验;POE教学策略;教学研究

文章编号：1008-0546（2020）01-0051-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.015

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出：化学学科核心素养是学生必备的科学素养，是学生终身学习和发展的重要基础，反映了化学学科对于科学文化的传承具有不可替代的作用。为此广大一线教师要以化学核心素养理念为统领来设计和组织相应的教学活动，让具体知识的学习服务于学生化学核心素养的形成和发展。

一、基于“核心素养”的教学设计应关注的几个问题

“素养为本”的教学活动，除了落实化学学科核心素养，还要保证教学实践过程和理论相结合，避免将理论生搬硬套的“一条腿走路”，忽视教学实践目标的达成。

1.基于真实问题情境形成认知冲突

真实、有意义的、引发学生兴趣的问题情境是发展学生化学学科核心素养的重要载体，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会，因此，创设真实而有价值的问题情境为整个教学过程开了一个好头。

在本节课的教学实践过程中，以实验事实和教材教辅权威不符的真实情境引入，与学生之前所学知识形成认知冲突，引发学生思考，进而根据所学知识预测氢氧化铝和氨水到底是否发生反应。这一问题情境既真实，又富有价值，引导学生大胆质疑，进而培养其创新精神。而在本节课的最后，进一步提出氢氧化铝能否和醋酸等其他弱酸发生反应的问题，引发学生深入思考，既呼应课堂开始的引入，又加强了本节课重点知识的学习和应用，同时还能使学生举一反三，形成迁移能力。

2.设计“核心素养”教学目标

对于好的教学设计来说，特别要根据本节课要发展的学生“核心素养”为中心来确定教学目标。教师在选择相应的内容进行教学设计时，应事先分析本节课教学内容与化学学科核心素养内涵的联系，根据核心素养的课程目标、学业要求、具体教学内容的特点和学情来确定相应的教学目标，将学科核心素养的培养目标明确落实于教学活动中。在进行具体的教学设计时，要切合实际，根据具体教学内容的特点和相应的学情来确定教学目标，不能生搬硬套化学学科核心素养，应认识到并不是每节课教学内容的教学目标都能够完成或者达到化学学科核心素养的5大要素，一般情况下，一节课能关照到2-3个核心素养目标即可。

“氫氧化铝和氨水反应”的教学内容是必修1第三章第二节氢氧化铝的重要化合物，从发展学生核心素养的角度看，本节课的学习内容主要包括：第一，认识氢氧化铝和氨水的反应，对氢氧化铝两性的化学性质进一步了解;第二，了解氢氧化铝和氨水反应的实质，深化对氢氧化铝化学性质反应原理的模型构建的认识;第三，通过数字化实验从宏微结合的角度认识氢氧化铝，初步建立相应的认识思路和方法。为此，可以确定“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”为中心的“氢氧化铝和氨水反应”教学的核心素养目标。

3.突出“宏观辨识与微观探析”核心素养

学生化学素养的形成和发展需要以典型的事实和重要的原理模型为基础，并在教师引导下通过对具体实验事实的观察与分析、思考和内化，逐步建立起对所学知识的理解。在这个过程中，要将宏观现象与微观本质联系起来，需要发挥宏观实验和微观原理的重要作用，从宏微结合的视角分析与解决实际问题，并能用符号和曲线进行表征。

在“氢氧化铝和氨水反应”的教学中，采用POE（预测-观察-解释）教学策略，教学流程如表1，通过实验探究促进学生对该反应的理解，在实验探究中将宏观实验现象与微观粒子运动有意识地联系起来，并结合数字化实验用曲线表征实验事实，引导学生经历化学离子方程式原理模型建构的过程。实现了化学学科核心素养中科学探究与解决问题能力的发展，落实了“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”的核心素养教学目标。

4.突出“科学探究与创新意识”核心素养

新课标课程结构在设计依据中要求化学学科的教学设计要基于化学学科特点，包括基本方法（实验方法和思想方法等）和化学学科的基本理念（基本观念、核心概念等）。这就要求教师在进行教学设计时要体现化学学科的特点，综合体现化学学科核心素养的内涵，避免出现引导学生认知走偏、脱离正确方向甚至发生错误的现象。

本节课的教学设计（如表2所示），以实验为载体凸显化学学科特点，引导学生大胆质疑，利用数字化实验进行实验探究，从宏微结合的角度进行验证，学生分组合作并对实验现象进行预测，验证猜想。落实了发展学生大胆质疑和勇于创新的“科学探究和创新意识”学科核心素养的教学目标。

二、“氢氧化铝和氨水反应”的教学设计

课程内容及其实施是培育核心素养的主要载体与途径，本文基于学生化学核心素养的培养对“氢氧化铝与氨水的反应”教学片段进行教学设计，说明如何在实际教学活动中落实学生的“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”核心素养的发展。

1.教学内容与学情分析

氢氧化铝是两性化合物，既能溶于强酸又能溶于强碱，学生通过必修1的学习对于氢氧化铝溶于强酸强碱不难理解，并有了一定的知识建构和认知。但是，对于氢氧化铝能否溶于氨水，学生还不能从本质上理解。传统实验并不能解释氢氧化铝能溶于氨水，通过查找文献，氨水溶解氢氧化铝的能力不大，所以通过传统实验并不能给学生解释该结论。

2.教学目标

（1）宏观辨识与微观探析：从宏观和微观角度分析、感受氢氧化铝的两性化学性质。

（2）科学探究与创新意识：推测氢氧化铝与氨水的反应实质，设计实验方案，学会细致观察，提高分析问题能力和通过现象推测结论的能力。

3.教学过程

（1）氢氧化铝和氨水是否发生反应的问题引入

【引入】请同学们回忆实验室如何制取氢氧化铝？为什么用氨水制取而不用氢氧化钠呢？

【学生】实验室利用硫酸铝和氨水反应制取氢氧化铝。因为氢氧化钠是强碱，可以和氢氧化铝反应，氨水是弱碱不和氢氧化铝反应。

【教师】课后有同学通过查阅资料发现在一定条件下氢氧化铝可以和氨水发生反应，氢氧化铝究竟能不能和氨水反应呢？今天我们就来一探究竟！

【板书】氢氧化铝和氨水不反应吗？

【教师】

请同学们分组讨论氢氧化铝是否和氨水反应？

如果反应，如何设计实验方案来验证？请同学们自己尝试设计实验方案（教师巡视并随机评价）

【学生】

学生分组讨论并猜测：

猜测1：氢氧化铝和氨水反应。

猜测2：氢氧化铝和氨水不反应。

学生分组讨论并设计实验方案：

方案1：将氢氧化铝直接与浓氨水混合，检验是否发生反应。

方案2：将硫酸铝与氨水反应，搅拌，检验沉淀是否减少。

（2）数字化实验探究氢氧化铝和氨水的反应

【教师】同学们设计的方案都很好，我们选择方案1进行验证。

【教师】由于这个反应现象不明显，今天我们引入数字化实验，但是选择什么样的傳感器合适呢？

【学生】同学1：既然发生了反应，粒子种类肯定发生变化！可以选择电导率传感器。

同学2：如果反应了，溶液的pH肯定有改变！可以选择pH传感器。

【教师】同学们说的都很有道理，下面我们就利用电导率传感器检验氢氧化铝和氨水是否发生反应。请同学们仔细观察如图1所示的曲线变化，并思考曲线变化的原因。

【学生】认真观察电导率的曲线变化。

【教师】请同学们思考加入氢氧化铝后电导率为什么增大了？

【学生】因为AI（OH），和氨水发生了反应，溶液中粒子发生变化使电导率增大。

【教师】为了排除实验误差，做了2组对照实验，结果如图2和图3所示。

【教师】通过2组对照实验请同学们总结并分析实验现象，得出实验结论。

【学生】小组总结，初步分析：

①通过图1可知，加入过量AI（OH）3后，氨水的电导率从1221上升到1605左右，电导率上升。

②通过图2和图3排除了因稀释等原因带来的实验误差。

【教师】通过曲线表征，反映出这样三个问题：

①图1可以观察到30mL浓氨水的电导率稳定在1221左右，加入过量AI（OH）3后的30mL浓氨水的电导率从1221上升到1605左右。

②通过图2的对比实验可知，加入等量蒸馏水电导率保持在1288左右，无明显变化，可排除因稀释溶液带来的误差。

③通过图3的对比实验可知，蒸馏水中加入等量氢氧化铝电导率保持在274左右，无明显变化，可排除因氢氧化铝中残留的其他干扰离子带来的误差。

④对比图1、图2和图3可知，AI（OH）3的确与氨水发生一定程度的反应。

【教师】既然AI（OH）3的确能与氨水发生一定程度的反应，同学们能尝试写出这个反应的离子方程式吗？请一位同学上黑板写出该反应的离子方程式。

设计意图：数字化实验将信息技术与化学知识的探索相融合，并实时地、有效地把氢氧化铝溶解的过程通过数字、曲线的方式呈现，从宏观到微观，将难以观察的实验现象形象化，变抽象为直观，变静态为动态，引导学生进行思考和学习，对培养学生“科学探究和创新意识”的化学核心素养十分有利。

【师生归纳】化学性质：氢氧化铝能够与强酸强碱反应，也能与弱碱氨水发生一定程度的反应，猜想1正确。

（3）微观深入理解氢氧化铝和氨水反应的实质

【教师】通过以上实验我们发现AI（OH）3和氨水在一定程度上确实发生了反应，但是为什么我们一般认为氢氧化铝和氨水不反应呢，接下来，老师从反应平衡的微观角度进行理论说明，供大家参考借鉴。

【板书】氢氧化铝是一种两性化合物，是一种弱碱，也可作为一种极弱的酸来看待：

由上述计算知，1L浓氨水理论上能溶解1.2g氢氧化铝，这就证明氢氧化铝能被氨水部分溶解。

结论：通过计算，我们可以得出结论：氢氧化铝能微溶于浓氨水。在实际反应过程中，随着反应的发生，浓氨水浓度降低也会导致反应停止，因此中学阶段我们一般认为氢氧化铝和氨水不反应。

【学生】和老师一起探讨氢氧化铝和氨水反应的理论计算，从微观角度理解氢氧化铝确实能与氨水在一定程度上发生反应。

设计意图：从微观原理的理论计算上再次证明氢氧化铝和氨水确实可以反应，进一步加深学生对氢氧化铝和氨水反应的理解，此处涉及反应平衡的知识，学生了解即可，不做过多要求，为后面反应平衡内容的学习打下基础。

【教师】课后请同学自己查阅资料推测氢氧化铝和弱酸（如醋酸，碳酸）是否发生反应？如果反应，如何设计实验方案来验证？下面请几位同学和大家分享今天的收获。

【学生】进一步探究氢氧化铝反应的本质，完成课后作业;回顾本节课学习内容，归纳总结所学收获。

【教师】感谢这几位同学的分享，今天我们分别从定性、定量及宏微结合的角度分析并证明了氢氧化铝和氨水能否发生反应，其实生活中与此类似的例子还有很多，正如物理中所说的“运动是绝对的，静止是相对的”，化学变化也是如此，“反应是绝对的，不反应是相对的”，同学们要学会用辩证的眼光来看待化学变化，勇于创新，大胆质疑，愿我们每一位同学都能够成为科学的弄潮儿！

设计意图：增强学生对重点知识的理解和应用;鼓励学生大胆质疑，敢于创新;培养自主学习、利用资料解决问题的能力，形成知识迁移，达到举一反三。

三、课例反思

本节课的创新点是基于建构主义理论，通过引入实验事实与教材不符的情况来引导学生形成认知冲突，改变了氢氧化铝与弱碱不能反应的原有印象，利用POE教学策略，培养学生大胆创新与质疑的科学精神。通过数字化实验，综合应用曲线、符号、反应平衡等知识实时有效地把难以观察的实验现象形象化，帮助学生更加深入透彻地理解氢氧化铝与氨水反应的现象和实质，培养学生“科学探究与创新意识”的核心素养，弥补了传统实验不能解释这一知识点的不足，也更新了学生对氢氧化铝的进一步认识。同时引导学生注意宏微结合，从微观原理上加以分析以增进对新知识的本质理解，体现“宏观辨识和微观探析”的化学学科核心素养。通过课后反思，得出以下有利于核心素养目标培养的教学行为。

1.强化课堂预设，鼓励“头脑风暴”，促进核心素养目标培养

在设计本节课的预设实验方案时用了可选择性方案，方案1：将氢氧化铝直接与浓氨水混合，检验是否发生反应。方案2：将硫酸铝与氨水反应，搅拌，检验沉淀是否减少。在实际的课堂中，学生学习的实际情况不同，对该知识点的理解和掌握程度不同，会有部分同学无法及时地设计出预设的实验方案。

教师可以课前多设置几种可能的学生课堂生成情况，并引导学生进行“头脑风暴”，分组讨论哪些方法可以检验，并设计实验方案;或者教师可以适当归纳几种常见的检验方法，拓展学生的思路，巩固复习已学知识，引导学生选择最佳方案。若时间允许也可选几种典型的设计方案进行验证，这样既发散了学生的学习思维，满足了他们的探究欲望，也落实了相应的学科核心素养。但在教学过程中教师需要把握课堂的深广度，详略得当。

2.-N-建学习支架，步步引导，落实核心素养目标培养

在一堂课的教学设计中，教师是设计师，从新课导人开始，逐步引导学生参与到学习中来，对所遇到的学习问题，让学生通过合作、交流，共同建构知识，解决问题，以期达到目标要求。本节课教师从氢氧化铝是否和氨水反应的问题提出到实验方案设计，从数字化实验的曲线表征到反应微观原理的理论计算，由浅入深，由易到难，步步深入，符合学生的认知规律。但是在实际课堂中，学生对实验现象的描述和分析能力参差不齐，导致在课堂生成中并未能流畅地达成通过实验现象解决实际问题的教学目标。譬如在观察数字化实验氢氧化铝和氨水反应的曲线变化时，希望学生在观察实验现象后能够解释加入氢氧化铝后电导率为何发生变化，部分学生只能从实验中看出氢氧化铝加入后电导率升高，却不能解释此问题。

教师可以设置相应的辅助问题和温馨提示，搭建学习支架步步引导学生，譬如是否可以从微观反应原理的角度去考虑，是否可以尝试写出该反应的离子反应方程式？是否能结合反应离子方程式的产物进行解释？这样步步引导，使学生始终在问题的引导下积极思考，分析问题并尝试解决问题，用已有的化学知识进行探究学习，达成了预设的“科学探究与创新意识”的核心素养教学目标。

3.构建多重知识联系，迁移应用，深化核心素养目标培养 化学知识看似零散无序，实际上每个知识之间都有千丝万缕的联系。本节课的最后，设计让学生自己联系所学知识来探讨氢氧化铝和醋酸、碳酸等弱酸是否也能反应呢？通过这样一个问题，拓展了学生对氢氧化铝两性化学性质的认识，引起学生的好奇心和求知欲，无形中幫助学生构建了多重知识之间的网络联系，很好地渗透了模型构建的思想意识，增强学生对重点知识的理解和应用;培养学生自主学习、自主构建知识体系的能力，形成知识迁移，达到举一反三，深化了“科学探究与创新意识”的核心素养培养目标。