巧设阶梯任务 促进深度学习

张纯佩 范标

摘要：深度学习是一种处于较高思维认知水平的理解性学习，具有强调知识建构，着意迁移应用，注重批判精神等特征。文章以“二氧化碳与碱溶液反应”为例，应用深度学习理念重构初中化学课堂，通过设置“如何使塑料瓶一瘪再瘪的探究型学习任务，在教师引导与生生互动中提高新旧知识的整合能力，激发学生的高阶思维，帮助学生有效学习。

关键词：二氧化碳;深度学习;教学设计;初中化学

文章编号：1008-0546（2021）07-0044-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.012

一、设计背景

深度学习（Deep Learning）起源于1976年，由美国学者Ference Marton和Roger Saljo根据学习者获取和加工信息的方式提出[1]。国内外的许多学者均对此展开了深入研究，虽然他们对深度学习概念的界定不尽相同，但也达成了一定的共识。深度学习是指在理解的基础上，通过联系和应用新旧知识，解决真实问题或复杂学习任务，以促进高阶思维能力的发展[2]。深度学习具有注重批判理解、强调内容整合、促进知识建构、着意迁移应用等特征[3]，对应于布鲁姆认知学习目标的后四个层次——“应用、分析、评价、创造”[4]。

与深度学习相对应的是，以单纯的知识获取与记忆为主要特征的浅层学习。区别于此，深度学习需要建立新旧知识之间的联系，将所学知识迁移应用到实践中，强调理解记忆，掌握复杂概念、深层知识等非结构化知识[5]。然而两者虽相对应，但并不完全对立。浅层学习是深度学习的前提，正确的学习是一个由浅入深的过程[6]。学习者只有牢记通过浅层学习得到局部知识，才能在深度学习时进行整合与应用，搭建知识框架。

目前，已有许多学者和一线教师对深度学习应用于化学教学展开研究，主要可分为两方面。一是结合相应案例，在理论层面研究深度学习实施时的要求、方法和关注点[7-8]。二是根据相关理论，阐述和探讨深度学习在教学中实施时的具体案例[9-11]。这些案例，从年级上看，大多选自于高中阶段。从课型上看，大多为复习课或选修型实验课。而在初中阶段的新授课中，促进深度学习的具体案例较为少见。

笔者认为，可能的原因一方面是在初中新授课中，为深度学习留有的余地有限。初中是学生学习化学的启蒙阶段，学习伊始，由于学生对化学一无所知，需要从浅层学习开始，以习得分离的基础知识。随着学习的深入，各部分内容才能够逐渐相关联。另一方面，中考化学考查的难度不大，知识点多且琐碎，许多教师在教学时倾向于记忆性知识训练，忽视了对知识的整合与学生思维能力的培养。而启蒙不仅意味着要打下坚实的知识基础，更要掌握学习化学的基本方法。但正是由于知识点的零散，教师更应该在日常教学中促进深度学习，加强新旧知识的联系与应用，关注高阶思维的发展，为以后深入学习化学打下坚实的能力基础。

依据初中生的心理特点，让学生在内部动机驱使下自发地深度学习有一定的难度。因此，笔者认为为了实现深度学习，初中教师需要设计具有思维空间的阶梯式学习任务，激发学生利用多向思维解决问题的能力，在探究过程中建构知识、学会迁移。

二、教学设计与实施

1.教学内容分析

“二氧化碳与碱溶液反应”主要涉及到二氧化碳分别与水、氢氧化钙溶液、氢氧化钠溶液三者的反应，是二氧化碳的性质中较为重要的一个组成部分。这一性质不仅是二氧化碳的检验与除杂中重要的基础知识，而且经常渗透到酸碱盐的鉴别之中。由于这一性质有一定的递进与对比关系，也是探究型对比实验中经常考查的对象。

然而沪教版初中化学教材中，这一性质分布得较为零散。早在学习第一章时，学生已经掌握了用澄清石灰水检验二氧化碳;到了第三章学习水的性质时也学习了二氧化碳可溶于水且与水反应的性质。而二氧化碳系统性的学习在第四章“二氧化碳一氧化碳”中，但此时并没有与氢氧化钠的反应内容，直到第五章“碱的性质研究”时才被提及。这便导致了二氧化碳与水、氢氧化钙溶液、氢氧化钠溶液反应的递进关系被教材内容的编排顺序打乱、隐藏了起来。若教师在教学中并没有关联、对比的意识，或者学生的迁移应用能力较为欠缺，很可能导致学生在遇到此类探究型对比实驗常常不知如何下手，使得这类实验也成为了学生学习的难点与易错点之一。但正是由于二氧化碳这一性质具有递进、对比的特点，是初中阶段进行深度学习难得的绝佳素材，笔者认为有必要将这一知识点进行整合，通过设计阶梯式的学习任务，联系和应用已知知识，探究和推断二氧化碳与碱的反应，构建二氧化碳性质的知识网络，促进高阶思维的发展，以实现深度学习。

2.教学目标

（1）应用“控制变量法”思想，设计、评价与完善使“塑料瓶一瘪再瘪”的系列实验方案，掌握基本实验操作，培养实验设计能力与观察能力，形成敢于质疑的创新精神，体会知识形成与科学探究的基本过程。

（2）通过观察宏观现象，推断微观反应，能够结合二氧化碳与氢氧化钙的反应，推断二氧化碳与氢氧化钠反应的产物、书写相应化学方程式。并在教师的引导下，结合相关实验现象，得出氢氧化钙与氢氧化钠两种碱溶液的不同用途。

3.教学流程

本节课的线索是“使塑料瓶变瘪-更瘪-再瘪”的阶梯式学习任务（见图1）。通过一而再地加大塑料瓶变瘪的程度，不断提高任务难度，激发学生的多向思维，结合已学知识分析使塑料瓶变瘪的不同方案，培养学生的实验设计与应用能力，拓宽思维的广度。通过不断深入分析塑料瓶变瘪的根本原因及相关影响因素，培养学生的实验探究与评价能力，帮助学生逐步掌握依据“控制变量法”设计探究实验方案的方法，提升思维的深度。在解决阶梯式任务的过程中，回顾和应用了CO2与水、Ca（OH）2的反应，又将CO2与NaOH的反应与Ca（OH）2以分析、应用、探究的方式相联系。不仅实现了在高阶思维水平理解性学习了“CO2与NaOH反应”的新知识，也促进了“CO2与碱溶液”的知识迁移与建构。

4.教学实录

（1）任务1：“如何使装满CO2的塑料瓶变瘪？”

[教师设问]每一组桌面上都有几个装有CO2的塑料瓶。请大家思考，根据我们已学的二氧化碳的性质，如何使一瓶装满CO2的塑料瓶变瘪？

[学生回答]可以降温、向塑料瓶中倒一些水或澄清石灰水。

[教师追问]为什么可以用这些方法？

[学生回答]塑料瓶变瘪的直接原因是瓶内压强小于瓶外。气体热胀冷缩，CO2可溶于水，且能与水、Ca（OH）2反应，都可使瓶内压强减小。

[教师追问]从操作和原料选择的简便性角度分析，你会选择哪种方案？

[学生回答]加水。

[教师讲解]请大家分组动手实验，分别往塑料瓶中加入一些水，并充分振荡。

[教师设问]我们来对比一下，这两组同学的塑料瓶。变瘪的程度一样吗？为什么？

[学生回答]不一样，两组同学加的水量不一样。加的水越多，塑料瓶变瘪程度越大。

设计意图：设置探究实验任务，在教师的引导和追问下，帮助学生回忆并应用已学知识：二氧化碳可溶于水，能与水、Ca（OH）2反应等等。通过不同小组实验现象的对比，引出塑料瓶变瘪程度的影响因素之一：水的用量，从而引出进一步的任务：“如何使得装满CO2的塑料瓶更瘪？”

（2）任务2：“如何使装满CO2的塑料瓶更瘪？”

[教师设问]还有什么方法可以使塑料瓶更瘪呢？请小组讨论，并填写在学案上。

[学生回答]方案1：加更多的水。方案2：加水后再降温。方案3：加澄清石灰水。

[教师追问]为什么加水后再降温可以使得塑料瓶更瘪？

[学生回答]一方面是气体热胀冷缩，另一方面气体的溶解度随温度的升高而减小。降温可以使二氧化碳更多地溶于水，使瓶内压强进一步减小。

[教师追问]很好，这位同学思考到了气体溶解度的影响因素。那请大家思考一下方案3的可行性。澄清石灰水一定比水使塑料瓶更瘪吗？

[學生回答]不一定，还跟液体用量有关系。水越多塑料瓶越瘪。

[教师追问]除了控制用量，也就是液体体积以外，如果我们想用石灰水使得塑料瓶变瘪的程度最大化，还要考虑什么因素？什么样的石灰水能使塑料瓶变更瘪？

[学生回答]跟Ca（OH）2的浓度有关……用饱和的石灰水。

[教师追问]看来，液体的体积和种类都会影响实验结果。有多个因素影响的时候，要根据什么方法来进行实验？

[学生回答]控制变量法。

[教师讲解]为了比较水和饱和石灰水使塑料瓶变瘪的程度，请大家以小组为单位进行实验：分别向2个塑料瓶中加入50mL的水和澄清石灰水，充分振荡后对比观察。

设计意图：通过提高任务难度，激发学生的多向思维，思考使“塑料瓶更瘪”的多种可行性方案，回忆并应用CO2溶解性的影响因素与CO2与Ca（OH）2的反应。在教师的追问下，帮助学生分析影响塑料瓶变瘪的多种因素，引导学生逐步形成控制变量的探究意识，从而优化实验方案，培养实验的设计、分析与评价能力。

（3）任务3：“如何使装满CO2的塑料瓶再瘪一些？”

[教师设问]当把水替换成等体积的饱和石灰水后，塑料瓶更瘪了。还有没有其他方法，能使塑料瓶再瘪一些？这对所加入的液体有什么要求呢？我们来看PPT上这三种溶液，见表1。请大家分析一下，哪种液体能使得塑料瓶变瘪？

[学生回答]NaOH溶液，因为它是碱性的。

[教师追问]为什么碱性溶液能使塑料瓶更瘪？

[学生回答]因为二氧化碳溶于水生成碳酸，是酸性的，可以和碱性物质反应，这样的话“水”里就能吸收更多的二氧化碳了。

[教师追问]那NaOH溶液就一定能比饱和石灰水使塑料瓶更瘪吗？

[学生回答]不一定，跟NaOH溶液的浓度有关。

[教师讲解]非常好。等体积的液体能吸收的二氧化碳越多，塑料瓶越瘪。在液体体积相同时，我们可以近似认为水的体积是相同的。那么也就是要对比NaOH和Ca（OH）2在水中消耗CO2的量了。

[教师设问]在等体积水，或者说等质量水时，NaOH和Ca（OH）2哪一种能消耗CO2更多？这需要比较两种物质的什么？

[学生回答]两者在水中的溶解度。

[教师讲解]在20℃时，Ca（OH）2的溶解度是0.0165g/100g水，而NaOH是109g/100g水。从数据上看，很明显NaOH溶解度比Ca（OH）2要大得多。

[教师设问]如果想要使得塑料瓶变瘪程度最大化，可以选择什么浓度的？

[学生回答]饱和NaOH溶液。

[教师讲解]理论上来说，饱和NaOH溶液肯定是效果最好的。但因为NaOH有一定的腐蚀性，出于安全性角度的考虑，我们今天就用20%的NaOH溶液来进行实验。

设计意图：再次提升任务难度，通过3种酸碱性不同的溶液的选择以及氢氧化钠溶液与饱和石灰水的对比，引导学生思考相关溶液使塑料瓶变瘪的根本原因，得出可行溶液的两个相关因素：一是碱性溶液;二是溶质有较大的溶解度，培养学生的逻辑推理与分析能力。

（4）巩固训练，总结提升

[课堂练习]实验：验证二氧化碳的性质（改编自2019学年杨浦二模）

如图2所示，用3个250mL的烧瓶收集满CO2进行实验，同时迅速将注射器内液体全部注人各自烧瓶中，关闭活塞;一段时间后，同时振荡三个烧瓶。得到如图3所示的烧瓶内压强与时间的关系曲线图。

①曲线1中导致cd段气压快速变小的操作是___________。

②曲线2和3中发生反应的化学方程式分别为_______、_____。

③比较曲线2与曲线3的差异，说明原因_____

④根据图3所示，可以得出的结论是_____（填编号）。

A.1体积水中溶解CO2的量约为1体积

B.CO2能与水发生反应

C.CO2能与NaOH溶液发生反应

D.检验CO2用饱和澄清石灰水较合适

E.吸收CO2用氢氧化钠溶液的效果最好

[练习解析]①振荡;②CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O、CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O;③40%的NaOH溶液比饱和石灰水浓度大，等体积时能吸收更多的CO2，使得并内压强减小得更多;（4）ACE。

设计意图：该练习与本节课三次的学生实验有着极大的相似性，例如装满CO2的瓶子以及等体积的水、石灰水与NaOH溶液等等。较大的不同之处在于将体现瓶内压强变化的表征从直观地用“塑料瓶变瘪程度”数字化为略为抽象的“气压传感器”。因此该练习在考查学生基础知识掌握情况的同时，也检测了读图能力与知识的迁移应用能力。此外在教师的引导下，在题②方程式的书写时，可以使学生通过对比Ca（OH）2与CO2，书写NaOH与CO2的反应方程式，加强新旧知识的联系，培养类比推理能力;在题④D、E选项判断时，可以联系两种碱溶液与CO2反应时的现象与吸收能力的不同，得出两者不同的用途。

三、教学反思

1.创设任务情境，促进知识建构

本节课的知识点并不难，在课前学生也已经掌握了部分知识点，只不过这些知识较为零散。为了实现深度学习，根据教学内容“递进式特点”，笔者设计了以“塑料瓶一瘪再瘪“的阶梯式任务为依托，搭建学习的脚手架，使学生在应用、迁移、探究中完成对“二氧化碳与碱溶液反应”的知识整合与建构。通过设置趣味性的任务，可以调动学习的积极性，帮助学生回忆、应用旧知识。再通过进一步提高任务难度，通过分析、类比旧知识，使学生在最近发展区中认同、内化新知识，提高新旧知识的整合能力，更新原有的认知框架，形成更为完备的知识体系。

2.及时评价反馈，促进互动反思

虽然本节课“塑料瓶一瘪再瘪”的任务设计能够有效激发学生的学习兴趣，但同时也是学生学习的难点。不仅要求学生能够联系、掌握新旧知识，同时也要求学生充分理解、应用控制变量法。但在实际教学中，笔者发现这对于还处于化学启蒙阶段的初三学生学习的迁移和应用能力较高，并且不同学生之间的差异也较大的。为了突破难点，在课堂实践中需要教师通过及时、有效的多次追问，例如：“澄清石灰水一定比水使塑料瓶更瘪吗？”“为什么碱性溶液能使塑料瓶更瘪？”等等，引导学生充分思考、开展讨论，共同评价、改进、完善实验方案，加深学生对二氧化碳与碱溶液反应的认识。同时，及时有效的追问引导，能够给予学生积极正面的反馈，激励学生在交流互动中学会评价和反思。在师生和生生互动中整合集体智慧，激发学生的多向思维，促进知识与方法的整合。

3.关注学生实验，加强操作能力

本节课設置在九年级第一学期期末阶段，此时学生已经学习了近三个月的化学知识。但由于在前期启蒙阶段的学习中，学生甚少有机会以小组为单位独立设计、评价和实施实验方案，因此在实际教学中，教师除了要引导学生关注“控制变量法”在化学实验中的应用，更要在实际操作中提醒学生实验操作的规范性与安全性，例如如何正确使用胶头滴管;如何使视线与凹液面最低处相平;应将塑料瓶正放后再打开瓶盖以防二氧化碳逸散等等。另外在实际教学中还发现值得思考的小细节：在课前准备时，笔者为每个小组准备了125mL的滴瓶来装液体试剂，而在学生实验时发现由于需取用两次50mL的饱和石灰水，第二次取用时由于液体量已经大大减少，个别小组用滴瓶配套的胶头滴管已经无法吸取液体，一时不知道该如何继续实验。在笔者的提醒之下，才使用了放置一旁的普通胶头滴管完成了实验，可见学生在实验操作能力的欠缺。尤其是在现阶段上海中考改革的背景下，化学实验操作考试已经纳人了化学中考中，一线教师在教学中除了该思考如何让学生有效学习基础知识，更应该加强对学生实验操作能力的关注。毕竟化学始终是一门以实验为基础的科学，笔者期盼着每一个孩子都能在启蒙阶段真正领略化学的魅力。

参考文献

[1]Marton，F.，Saljo，R..On qualitative differences in learning：I-Outcome and Process[J].British Journal of EducationalPsychology，1976（46）：4-11

[2][7]杨玉琴，倪娟.促进“深度学习”的教学设计[J].化学教育，2016，37（17）：1-8

[3]安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法，2014，（11）：57-62

[4]张浩，吴秀娟，王静.深度学习的目标与评价体系构建[J].电化教育研究，2014（7）：51-55

[5]张浩，吴秀娟.深度学习的内涵及认知理论基础探析[J].中国电化教育.2012（10），7

[6]付亦宁.深度学习的教学范式[J].全球教育展望.2017，46（7）：47-56

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[9]吴海萍.促进“深度学习”的教学实践与思考——以“基于桃酥烘焙配方的实验探究”为例[J].化学教育.2018，（19）：23-27

[10]郑晓明.以氢氧化钠为主线的深度学习——以“溶液”单元复习课的教学为例[J].化学教育.2019（15）：23-27

[11]陈新华.指向深度学习的高三化学深度备课——以氯、溴、碘及其化合物的单元复习为例[J].化学教育.2019，（1）：17-22