基于化学学科理解的教学实践

刘庆华 何彩霞 王妩艳

摘要： 基于化学学科理解，凝炼了“铁的冶炼”教学内容的学科本原性问题，抽提出认识视角，从教材编排、学科理解、价值增长点三个角度分析教学内容，建构了含杂计算的思维模型。从教学目标、教学设计思路、教学实施、教学体会等方面呈现了增进化学学科理解的教学实践过程。

关键词： 化学学科理解; 铁的冶炼; 大概念; 含杂计算

文章编号： 10056629（2022）09004006

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]（以下简称“新课标”）给出了教学建议：“深刻领会化学学科核心素养的内涵，合理选择和组织化学教学内容，增进化学学科理解，提高课堂教学能力。”由此可见，教师化学学科理解的程度决定着化学教学内容的选择和组织，制约着化学课堂教学的深度，影响着学生学习化学的深度，关系着化学学科核心素养是否在课堂中“落地”[2]。

化学学科理解是新课标提出的新名词，是“教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识，它不只是对化学知识的理解，还包括对具有化学学科特质的思维方式和方法的理解”。初中化学教师应学习新课标的教学建议，以期增进一线化学教师的化学学科理解，更好地发展学生的化学学科核心素养。

1 初中化学教师化学学科理解的现状分析

通过多次下校听课、教师访谈、学科教研发现，目前天津市滨海新区区域内初中化学课堂教学大都以知识点的记忆为中心，以习题训练为问题解决，以分数高低为学业评价，中考考什么，教师就教什么，中考怎么考，教师就怎么教，教师的化学学科理解重点放在了题目本身及解题招法上，这严重影响了化学学科核心素养在课堂中“落地”。

从初中化学教师的学科理解来看，主要存在以下问题。

1.1 重视表层程序化知识的模仿和训练，缺乏对知识本原性的理解

教师在人教版九年级化学“利用化学方程式的简单计算”教学时，大多采用“设、方、关、比、算、答”的程序性讲解，然后让学生模仿、反复练习，这样学生得到的只是简单数学运算的技能，缺乏化学学科特质的思维方式和方法，没有理解到化学方程式的计算是解决物质组成、结构、变化中“量”的问题，更没抽提出化学计算的本质是物质微观粒子在化学变化中的“质”和“量”的关系，它是化学问题的数学处理过程，其重点不是落在计算上，而是对概念、原理及对量的理解上[3]。

1.2 关注零散细碎知识的书写和记忆，缺乏大概念统领下的结构化处理

教师在人教版九年级化学“金属、酸、碱、盐”的教学时，由于涉及的知识点和化学方程式较多，大多数教师采用的方法都是对具体事实的感知与记忆，缺乏对这些知识间的内在联系及其所蕴含的学科思想与方法的理解，造成学生解决问题时思路不清。应该帮助学生加强从元素视角认识物质类别，基于物质类别认识物质的性质与反应规律以及各类物质间的转化关系，从而形成有纵向层次性、横向关联性的知识架构[4]。

总之，教师若缺乏对具体知识所承载的学科大概念、思想方法的认识，缺乏基于大概念对相关知识内在联系的认识，由此造成在教学中缺乏相应的明示。

2 初中化学教师化学学科理解的改进策略

增进化学学科理解的初中化学教学需要从学科大概念、学科思想方法、学科知识结构等维度来认识。

化学学科理解其本质就是化学教师的拓展学习，为提高教学水平需要教师在阅读中理解、实践中体验、反思中总结，以完善自己的学科教学素养。

2.1 基于本原性，促进学科理解

“本原性”要求教师对化学学科知识、化学概念从表象回归理性进行深度加工，在解决问题的过程中，更好地理解化学知识、概念产生的原始思想以及知识、概念中包含的化學本质。教师可以在研读课标、不同版本教材、化学专著、期刊及其他研究文献中汲取更多的养料，对化学学科知识、化学概念的本质进行深入思考，理解其功能价值，溯本求源，抽提其问题解决的本原性的学科大概念，促进学科理解[5]。从学科大概念来俯视具体知识内容，将具体知识内容与学科大概念建立关系，有利于认清具体内容背后更为本质的思想与方法，为教学指引方向[6]。

2.2 基于结构化，引发学科理解

“结构化”需要教师唤醒已有的经验，顺应旧知与情境新知的关联，将零散碎片的知识点进行整合，形成核心知识、大概念、次级大概念等系统有机的整体，从而克服“只见树木、不见森林”的问题。对初中化学教师来说，一是要跨高中学段，明确同一知识点在不同学段不同学期的纵向发展关系;二是在九年级阶段，明确不同知识点之间的组织线索及其横向逻辑关系;三是基于课标，思考课程内容如何为课标服务，从而统整横纵联系，形成逻辑关联的整体学科知识架构，引发学科理解。

2.3 基于场景化，运行学科理解

场景泛指某种情景。认识视角与思路是学科理解水平的直接体现。它的抽提除了清楚横纵向知识的关联外，还需要有强大的建构、抽提和结构化思考的能力[7]。建构、抽提和结构化是形成学科理解的关键点和难点，我们可以借助教研团队的力量，在相关教学问题的教研场景中激活自己的认知和情感，从而使教师的化学学科理解活动充满活力。学科组或教研组可以通过头脑风暴、学科沙龙、学习交流、榜样示范以及专家讲座等活动来认识、运行、提升学科理解。

3 基于化学学科理解的教学实践举例

教材内容结构化的过程要求教师对“化学学科知识的意义”有深入浅出的理解，这是化学学科理解的基础。

以人教版九年级《化学》下册第八单元课题3“金属资源的利用和保护”第一课时“铁的冶炼”为例，进行如下的思考、实践和反思。

3.1 “铁的冶炼”知识分析

3.1.1 基于教材编排角度分析“铁的冶炼”

本单元课题及其各内容间的逻辑关系如图1所示。从课题1到课题3的知识内容、认识角度和思路层层递进，螺旋上升。“铁的冶炼”一节除了简要介绍地球上及我国的金属资源分布情况、我国铁的冶炼历史外，主要是通过实验，说明从铁矿石中将铁还原出来的化学反应原理，并结合炼铁的实际情况，以例题的方式介绍化学方程式中有关杂质问题的计算。把化学原理、计算和生产实际紧密地结合在一起，使学习活动成为有机的整体，有利于学生主动参与学习[8]。

3.1.2 基于学科理解角度分析“铁的冶炼”

第一，從物质的组成和结构决定物质性质的视角看，工业铁矿石炼铁制得的生铁和实验室氧化铁还原制得的纯铁因为组成不同造成性质也不同，同时物质的组成和结构也决定了物质的获取途径。

第二，从化学性质决定物质存在形式的视角看，活泼金属如铝、镁等以化合物的形式存在，极不活泼的金属如金、银等有单质的形式存在，说明物质的化学性质决定了物质的存在形式。

第三，从金属存在形式决定冶炼原理的视角看，以化合物形式存在的金属需要通过氧化还原反应才能得到金属单质。

第四，从氧化还原反应的视角看，炼铁的原理为Fe2O3+3CO高温2Fe+3CO2，从氧的得失角度看该反应属于氧化还原反应，需要上升到化合价的变化来认识，为高中化学进一步学习氧化还原反应做铺垫。

第五，从高中化学的化学平衡视角看，炼铁反应是一个可逆反应。可逆反应是指在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的反应。绝大部分的反应都存在可逆性，初中学习过的碳和二氧化碳反应、二氧化碳和水的反应、一氧化碳还原氧化铁的反应都是可逆反应。教师和学生都应明确在进行含杂计算用料和产量时，应考虑化学反应的限度问题，为高中化学平衡观知识在初中实际生产中的应用做好合理渗透。

第六，从含杂计算的“宏微符”三重表征的视角看，其本质是建立铁和氧化铁之间“质”和“量”的关联，如何建立起如图2[9]所示的含杂计算的思维模型是解题的关键。

3.1.3 基于价值增长点角度分析“铁的冶炼”

教学应建立在学生已有认知发展水平的基础之上，本节学生已有的知识经验基础以及教学内容、教学价值如图3所示。通过学习，抽提出物质的化学性质决定其存在形式以及冶炼原理的本原性问题，逐步形成以冶炼原理为中心的结构化知识。

3.2 “铁的冶炼”教学目标

（1） 了解金属在自然界的存在方式、从铁矿石中得到铁的方法，初步形成物质的存在形式与其化学性质密切相关的化学认识视角。

（2） 能说出炼铁的原理并写出相关的化学方程式，了解实验室方法和工业炼铁的区别与联系，认识化学原理对实际生产的指导作用。

（3） 能说出含杂问题计算的解题步骤，从定性和定量的角度理解含杂问题的本质是混合物中的纯净物质参加化学反应，建构含杂计算中物质间“质”和“量”转化的思维模型。

（4） 了解我国现代金属冶炼工业的蓬勃发展，感受国力增强和文化自信，赞赏化学对社会发展的重大贡献。

3.3 “铁的冶炼”教学流程

具体教学流程见图4。

3.4 “铁的冶炼”教学实施

3.4.1 情景导学

[师]播放金属材料在衣、食、住、行中广泛应用的视频。

[问题1]金属材料与我们的生活和生产密不可分，那么，我们使用的金属材料是怎么来的？它们都可以从自然界中直接获得吗？

[生1]不能。

[生2]它们大多不能从自然界直接获取，而是冶炼出来的，材料不同冶炼方法也不同。

3.4.2 自学梳理

[活动1]阅读课本14～15页“金属资源概况”的有关内容，思考交流下列问题： （1）常见的金属铁、铝、铜在自然界中是如何存在的，说明它们具有怎样的化学性质？（2）金属在自然界的存在形式与其化学性质有什么关系？

[生]铁、铝、铜都以化合物的形式存在，说明它们的化学性质比较活泼，而金、银等以单质形式存在，是因为它们的化学性质不活泼，

所以金属在自然界的存在形式由其化学性质决定。

3.4.3 实验探究

[问题2]人类每年都要从自然界中获取数以亿计的金属，其中，用途最广泛、用量最大的金属是铁，我们如何从铁矿石中得到铁单质呢？

[生]要有炼铁装置、炼铁原料，还得要创造高温的条件。

[活动2]回顾所学知识并结合教师展示的铁元素的含量，讨论： 铁矿石的选择会考虑哪些因素？哪种铁矿石比较适合炼铁？哪些物质可以将赤铁矿中的主要成分氧化铁（Fe2O3）还原为铁单质？哪种更好？

[生]铁矿石的选择要考虑品位、铁元素的含量、运输成本、储藏量等因素;选用赤铁矿和磁铁矿较好;碳、氢气、一氧化碳都能把铁从其氧化物中还原出来，从成本、与铁矿石的接触面积以及高炉需要创造高温条件等方面考虑，一氧化碳最好。

[活动3]实验演示： 实验室炼铁的方法“一氧化碳还原氧化铁”，观察并记录实验现象，然后根据实验现象写出炼铁的反应原理（提示： 从得失氧的角度配平化学方程式）。

[生]观察发现玻璃管里的粉末由红棕色逐渐变黑;试管里有气泡冒出，使澄清石灰水变浑浊;玻璃管冒出的气体能燃烧，产生蓝色火焰。

[师]标出炼铁原理化学方程式中的元素化合价，观察变化情况，学会从化合价变化的角度认识氧化还原反应（见图5）。

[生]铁不是银白色的吗，怎么现在是黑色的？

[师]这是由于铁粉和铁制品发生的光的反射不一样造成的，一个是漫反射，一个是镜面反射（教师从跨学科角度增进学生对知识的理解）。

3.4.4 合作解疑

[活动4]观看视频“工业炼铁”，教师结合视频讲解铁的冶炼的相关化学史。然后小组合作交流下列问题： （1） 我国现代炼铁工业的蓬勃发展;（2） 比较实验室炼铁与工业炼铁过程中所用的原料、得到的产物以及炼铁的原理有何区别与关联;（3） 5000t含Fe2O3 76%的赤铁矿石中，Fe2O3的质量为    ;（4） 某生铁的纯度为98%，其中含铁2660t，则该生铁的质量为    （保留到小数点后一位）。

[生1]中国炼铁工业已达世界先进水平，炼铁总量连续多年世界第一。

[生2]沙钢拥有世界上最大的炼铁高炉……

[生3]工业炼铁主要是以铁矿石为原料得到生铁，实验室是以氧化铁为原料得到铁，其原理是相同的。纯净物的质量=混合物的质量×纯度;混合物的质量=纯净物的质量÷纯度。

3.4.5 结对互助

[问题3]在实际生产中所用的原料或得到的产物一般都含有杂质，如何根据化学方程式进行含杂问题的计算？

[活动5]自主阅读课本17页的例题，同桌结对相互说一遍含杂问题计算的解题思路。

[师生]统整思路，建构思维模型（见图6、图7）。

[活动6]完成课堂练习： 某钢铁厂每天需要消耗5000t含杂质24%的赤铁矿石，该厂理论上可日产含Fe 98%的生铁的质量是多少？然后同桌相互批改，针对出现的问题进行同桌互助或组内互助。

[师]我们通过计算得出来的是一个理论值，实际上化学反应是有一定限度的，炼铁的反应在实际生产中不能完全被转化，同时炼铁反应本身是一个吸热反应。

4 基于化学学科理解的教学实践体会

教师基于化学学科理解，内化为从学科视角驾驭所教内容。夯实教研的引领作用，从原先的关注零散知识的教学转变为以核心素养为导向的大概念的教学，对教师的教和学生的学都产生积极的意义。

4.1 通过学科大概念，引领学生认识视角

学科大概念并非指某一知识的具体概念，而是指具体知识背后的更为本质、更为核心的思想或观念，它是对概念之间关系的抽象表述，是对事物的性质、特征以及事物间的内在联系及规律的高度概括[10]。

基于以上考虑，本节课的教学围绕以下化学学科大概念而展开（见图8）： （1）物质在自然界的存在形式与其化学性质有关;（2）物质的冶炼原理与其存在形式有关;（3）冶炼原理能够指导生产实际;（4）生产实际问题的分析本质在于冶炼原理。

以大概念为统领进行单元教学，通过具体知识背后的更为本质的思想方法（大概念）可以明晰具体内容之间的内在联系，有利于教师把握教学内容的本质和关键，引领学生的认识视角[11]。

4.2 通过系统问题，激发学生思维活力

所谓“问题引领课堂”，就是根据教学目标围绕大概念，创设真实情境，设计有关联、有层次的系统问题开展教学活动。通过系统问题，激发学生的思维活力[12]。

在整个教学活动中，教师通过三个递进式的问题解决铁元素在自然界的存在形式、冶炼原理及含杂计算等问题，并通过将学习内容问题化和活动化，激发学生思维活力，促使学生的思维活动持续发展，在问题活动中促进对知识的深层理解，引领整个课堂走向深度学习[13]。

4.3 通过自主合作学习，促进学生思维发展

建构主义学习观认为，学习是学习者以自己的方式主动建构内部心理表征的过程，世界上不存在唯一的、标准的理解，但学习者的合作可以使理解更加丰富和全面。在教学过程中，教师可以通过具体的学习活动引导并促进学生对知识的理解和建构。

在活动4的设计中，首先通过多媒体播放工业炼铁的视频，使学生初步了解工业炼铁的原料、产物和反应过程，但此时学生的认识还不深刻、完善。然后采用小组合作交流的方式对我国工业炼铁现状，实验室炼铁和工业炼铁的原料、产物以及反应原理进行对比。通过这些活动，一方面使学生各抒己见，展现对知识不同角度的理解，形成认知结构的相互补充和完善。比如，有的学生会看到实验室炼铁和工业炼铁的区别： 实验室炼铁的原料和产物为纯净物，工业炼铁的原料和产物为混合物;有的学生会看到實验室炼铁和工业炼铁的联系： 氧化铁和铁矿石、铁和生铁是部分和整体的关系，并且它们的质量关系是可以通过数学计算相互转化的;还有学生会看到实验室炼铁和工业炼铁的化学原理是相同的。另一方面通过小组成员的思想交流，使学生从定性和定量的角度对含杂混合物与其主要成分纯净物关系的认识更加全面深入，初步形成了化学反应只与参加反应的主要成分纯净物有关的化学思维意识，为后面利用化学方程式进行含杂问题的计算做好铺垫。

4.4 通过直观形象图示，建构学生的认知模型

在化学教学中，用图示的方式表达知识之间的联系与区别以及思维流程，可以使复杂的、抽象的、隐性的知识显性化、可视化，便于学生思考、交流和表达，有利于突破学生学习的困难点和障碍点。

通过调研，学生在本节课中的学习障碍点主要有： 一是不能清楚地理解工业炼铁的原料和产物与其主要成分的关系和转化;二是不能深刻地意识到化学方程式代表的是纯物质之间的质量关系;三是较难形成关于含杂问题计算的解题思路。基于此，教师采取了图6所示的对比方式和图7所示的思维建模方式，将复杂的、抽象的问题直观化、可视化，帮助学生加深对知识的理解。

通过当堂检测，发现82%的学生对混合物与其主要成分纯净物的关系有比较深刻的认识;76%的学生形成了含杂问题计算的解题思路，并能根据题目条件的改变灵活运用。课后与个别学生的访谈中，了解到学生对炼铁的原理和含杂问题的计算都有比较深刻的印象;课堂上的小组合作和结对互助能促使学生积极主动思考，是学生比较喜欢的学习方式，因而学生认识物质及其变化的视角进一步确立。

总之，增进学科理解的教学需要教师从繁忙的粗放型的课堂教学中解脱出来，从而更好地汲取营养服务于教学内涵的发展，同时也需要管理部门和教研活动适时介入，在规范解读和个性解读中增进化学学科理解。增进化学学科理解的教学能使学生主动地参与知识形成的全过程，完成思维过程的自我建构和自我矫正，有利于学生对知识进行系统的、深刻的理解，走向深度学习，使核心素养真正在课堂中“落地”。

参考文献：

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