核心素养视角下的学科理解与教学设计——以高中化学《乙醇》为例

杜惠蓉， 刘 勇， 范芷欣

(内江师范学院 化学化工学院， 四川 内江 641100)

随着教育改革的不断深入，人们对改革的认识思路越来越清晰.在化学教育界大家一致认为，关注知识与技能、过程与方法、情感态度价值观为课程目标的结果，应该是让学生的化学核心素养得到发展和提升，即在化学教学中不仅要让学生掌握基础知识与基本技能，还要让学生具有宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的化学思维方法，树立变化观念与平衡思想的辩证观和整体观，具备科学探究的能力和创新的意识，体会科学精神，担负社会责任[1].要达成上述教学目标，强化化学思维方法的训练，就要基于学科的理解去设计教学.学科理解的含义是什么?如何设计基于学科理解的教学?以人教版高中化学必修二《乙醇》为例，做一点小小的尝试.

在化学教育界，“学科理解”这一概念，最早出现于2017年的高中化学课程标准的实施与建议部分.它要求高中化学教师要“增进化学学科理解，提升课堂教学能力”[2].为此，化学教育界的同仁们对化学学科理解进行了深入研究.一些研究者从理论层面对化学学科理解进行了研究.如王伟等[3]从化学学科价值、化学学科方法、化学知识结构、化学知识获取、化学知识本源等五个方面构建了化学学科理解的一级指标；郑长龙[4]在《课程标准》的基础上，结合教学实践论述了化学学科理解本原性及结构化的内涵.一些研究者从实践层面对化学学科理解进行了研究.如庄严等[5]从教学设计与实施的角度，基于化学学科理解对“化学平衡常数”进行了研究；丁原梅等[6]基于学科理解对醛的结构与性质进行了研究.总之，大家既从理论的层面对化学学科理解的内涵、价值等进行了研究，又从实践的层面研究了教师如何把对学科的理解转化为基于学科理解的教学行为.本文在理论分析和实践层面上，基于学科理解和核心素养的培养，对乙醇的化学性质的教学设计进行研究，以期为学科理解基础上的素养培养研究大厦添一块小砖.

1 化学学科理解的内涵

2017版的《普通高中 化学课程标准》指出，化学学科理解是指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[2].从教师的角度来讲，对化学学科的理解有利于明确课堂教学目标，提高课堂教学能力，优化课堂教学效果；从学生的角度来讲，对学科知识的理解和掌握，有利于学生通过寻找知识间的因果关系建立认识思路，通过梳理知识间的相互联系使知识结构化，通过解决问题发现知识的价值.对化学学科思维方法的理解，有利于学生了解一般科学思维方法，理解化学学科独特的思维方法，掌握化学学科核心观念.而增进化学学科理解最基本的目的是让学生高效掌握学科知识，培养其学科核心素养,以达到育智和育人的目的[7]；因此，素养导向的学科理解最终应该上升为对化学学科核心素养的理解，即教师在教学中不仅要增进对学科知识的理解，增进对学科思维方法的理解，还需要增进对化学学科核心素养的理解，并以此不断改革课堂教学方法和思路，提升教学能力.

1.1 对化学知识的学科理解内涵

对化学知识的学科理解包含了三层含义，具体如图1所示.

图1 化学知识学科理解的内涵

由图1可见，对化学知识的学科理解的第一层含义是：寻找知识间的因果关系建立认识思路，即要对化学知识进行追根溯源，刨根问底，形成问题串[4].具体策略是：找到化学知识产生的根源和学习这些知识需要的化学核心观念，并寻找证据来证实提出的问题.比如在学习乙醇时，刨根问底就可以得到这样的问题串，乙醇有哪些性质？为什么乙醇具有这些性质？以此突出从官能团认识有机物性质的思路.对乙醇结构的学习可以提出以下问题：你如何证明乙醇的结构是CH3CH2OH而不是CH3-O-CH3？有哪些方法可以证明乙醇的结构？你可以设计实验来验证吗？

在设计乙醇的催化氧化反应的时候，要让学生先建立学习思路，具体如图2所示.先从宏观上怎样认识乙醇发生了催化氧化反应？怎样设计实验证明？从元素守恒的角度看，乙醇被催化氧化的产物可能是什么？如何用符号表征乙醇的催化氧化反应？表征的依据是什么？如何从微观上认识乙醇的催化氧化反应机理？如何让微观过程可视化？如何认识乙醇的断键位置？通过这一过程，不仅能够使师生更深刻地理解知识，还能够训练思维的深刻性，培养问题意识，激发创新潜能，形成“官能团决定有机物性质”的认识思路，树立“三重表征”思维观念，建立证据推理和宏微辨识的化学思维方法，使认识思路结构化，培养化学核心素养.

图2 探究乙醇的催化氧化反应的认识思路

由图1可见，对化学知识的学科理解的第二层含义是：学习知识结构化的策略，使化学知识结构化.结构化策略实际上是指把知识按照一定的规律进行排列组合，使它们由零乱变成有序，由没有联系变成有联系，把知识变成有序的结构体[8].认知心理学家布鲁纳认为，除非把一件件事情放进构造好的模型里，否则很快就会忘记.详细的资料是靠表达它的简化方法来保存在记忆里.获得的展示如果没有完美的结构把它关联在一起，多半很快就会被遗忘[9].因此，结构化的知识有利于学生记忆的保持，结构化的知识为新知识的学习提供基础，帮助学习者对新知识进行有效的归纳和整理，形成新的知识结构.找到知识之间的顺序关系、因果关系、种属关系就有利于知识的结构化(见图3).由图3可见，从乙醇的官能团出发，可以把有关乙醇的化学性质结构化.

图3 对乙醇的化学性质的结构化认识

由图1可见，对化学知识的学科理解的第三层含义是：寻找知识产生的本源，让学生认识到化学知识是产生并服务于生产和生活实践的，而化学知识的发展又促进化学学科的发展，以此体现知识的社会价值和学科价值.比如，在学习乙醇的性质时，要让学生明白，酒的发现源于生活，酒在生产生活中有广泛的应用；酒的化学反应原理的发现、酒中主要成分乙醇的分子式和结构式的确定，又进一步丰富了化学科学知识.

由此可见，对化学学科知识的理解包括三个方面：一是寻找知识间的因果关系建立认识思路，找到学习化学知识的认识视角和核心观念，体现结构决定性质、同类物质有相似的性质等认识观；二是寻找知识间的相互联系，使知识结构化；三是回归知识产生的本源，寻找知识的社会价值和学科价值，激发学生学习化学的兴趣和动力.

1.2 对化学思维方法和方式的学科理解

化学思维方法是科学思维方法的主要组成部分.刘冠军等[10]把科学思维方法分为三个层次：一是哲学思维方法，二是各门科学通用的一般思维方法，三是各个科学学科独有的专门思维方法.哲学思维方法是科学思维方法的最高层次，它揭示了事物发展的普遍规律和本质，如归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括等思维方法.各门科学通用的一般思维方法包括定量研究使用的数学思维方法、实验中的控制变量法、模型方法等[10].化学学科独有的思维方法有宏观-微观-符号“三重表征法”“价类二维元素观”等思维方法.正如吴国庆[11]指出：“宏观与微观的联系是化学不同于其他科学最特征的思维方式，离开个基本点就不是化学”.

基于化学思维方法的学科理解第一层含义是：在化学教学的过程中，逐步培养学生的哲学思维方法，促进学生的思维从形象思维向抽象的哲学思维发展.教学中要逐步培养学生的哲学思维方法，如“类比思维方法”“对比思维方法”“迁移应用思维方法” “归纳法”“演绎法”“分析法”“综合法”等.而这些思维方法的培养也切合了化学核心素养中的“证据推理与模型认知”素养.但是这种转化是一个漫长的过程，在教学中要有意识地把哲学思维方法的培养设定为教学目标之一.比如，从初中化学一开始学习氧气的化学性质的时候，就要培养学生基于证据归纳得出氧气具有的化学性质，用归纳的方法总结出化合反应的特征等抽象思维方法，并把这种训练长期坚持下去.

基于化学思维方法和方式的学科理解第二层含义是：帮助学生学习科学领域通用的一般思维方法，提升科学思维能力.科学领域通用的一般思维方法，包括定量研究使用的数学思维方法、实验中使用的控制变量法、模型方法等.早在2010年，化学课程考试大纲就明确提出：学生要能够通过对实际事物、实验现象、实物、模型、图形、图表的观察，具有进行初步加工、吸取、有序存储的能力[12].图形、图表、数据就是数学思维在化学科学中的实际应用.新课标在学业质量水平4-3中也指出：学生要能用数据、图表、符号等描述实验证据并据此进行分析推理形成结论，再一次强调了数学思维在化学中的应用[2].

控制变量的方法是化学实验研究运用得较多的科学方法.新课标在学业质量水平4-3中要求学生能运用控制变量的方法探究并确定合适的反应条件，安全、顺利地完成实验[2].

模型方法是化学学科学习中较难掌握的化学思维方法.人们认为模型是与真实物体单一事件或一类事物相对应而且具有解释力的试探性体系或结构[14].模型是一种科学认知的工具，包括科学方法和科学操作[13].模型包括实物模型和理论模型.实物模型如分子模型、晶体结构模型等，理论模型如“氧化还原反应的认识模型”“化学平衡的认识模型”等.

新课标要求学生能识别化学中常见的物质模型和化学反应的理论模型，能将化学事实和理论模型之间进行关联和合理匹配等[2].

基于化学思维方法和方式的学科理解第三层含义是：建立认识化学知识特殊的思维方法、思维观念和思维模型，体现化学的学科价值.区别于其他学科的思维方法就是化学学科特有的思维方法,如在学习物质的化学性质的时候要用到的“三重表征法”“价类二维元素观”的思维方法等.化学特有的思维观念包括通过对元素“位”“构”“性”三者关系的建立，概括出具有化学学科特质的思维观念，即“位置反映结构”“结构决定位置”等(见图4).

图4 元素“位”“构”“性”的关系

教师在组织教学时应有目的、有计划地进行“认识思路”和“核心观念”的结构化设计，逐步培养学生的化学思维树立化学核心思维观念，发展化学学科核心素养.比如，对乙醇的化学性质的学习除了用宏观、微观和符号“三重表征”的思维方法，还要建立从反应类别认识乙醇的化学变化的认识思路，如加成反应、取代反应、消去反应、氧化反应等.乙醇表现出来的所有这些性质都与乙醇的官能团羟基有关，体现“结构决定性质”或“有机物的官能团决定性质的思维观念”.

总的来说，对化学思维方法的学科理解包括三方面，具体如图5所示.

图5 对思维方法的学科理解

1.3 对化学学科核心素养的理解

《普通高中 化学课程课标(2017版)》指出，学科核心素养是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值理念、必备品格和关键能力[2].

从化学学科核心素养的构成要素方面来看，各个要素既相互独立又相互联系.“宏观辨识与微观探析”是从原子、分子层次对物质结构、性质、能量变化及其应用关系的基本认识，是化学学科独有的思维观念与思维视角；“变化观念与平衡思想”是对物质发生化学变化的条件、方向、限度和变化规律的基本认识，是化学学科“物质变化与平衡相统一”的重要思想与思维视角；“证据推理与模型认知”是基于观察、实验等方法，对所获取的物质变化事实进行分析推理、抽象概括和模型建立，是化学学科中运用证据推理及模型化思想解决化学相关问题的能力和品质；“科学探究和创新意识”是化学学科中既能基于探究过程进行交流评估和反思，又能尊重事实独立思考，提出创造性见解和敢于质疑的能力品格；“科学态度和社会责任”是在理解STSE关系的基础上，认识化学学科本质和价值，深化化学学科思维，形成化学科学精神，肩负科学改造社会的重大责任[14].

1.4 学科知识、学科思维方法、学科核心素养之间的关系

在化学核心素养的培养中，学科知识是化学核心素养形成的基石；“宏观辨识与微观探析”既是核心素养的重要内容也是化学独有的思维方法；“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”是一般科学思维方法在化学学科中的具体表现；“科学探究与创新意识”强调的是“做”科学需要探究，需要有创新精神和创新能力，是对化学学科的实践表征，是关于“怎样理解化学”的问题.“科学态度与社会责任”是对化学学科价值的刻画，重点强调科学的绿色化和社会责任担当，是关于“理解了有什么用”的问题[15].

由此可见，课堂教学中要落实化学核心素养的培养，最有效的途径是：教师要切实增进对学科知识的理解，对学科思维方法的理解和对化学核心素养与学科理解之间的关系的理解.以此来提升教师的课堂教学水平，促进教师专业发展；以此来为学生的未来发展提供帮助，即从方法论层面帮助学生建立学习化学的思维方法、思维观念和思维模型；培养学生从实践层面教会学生“知识结构化”的策略，建立“做科学”的实践范式，培养探究能力和创新精神，从学科价值和社会价值层面帮助学生理解化学的价值[16].

下面以“乙醇”为例，展示基于学科理解的教学设计.

2 基于学科理解的“乙醇”的教学设计

乙醇是人教版化学必修二第三章第三节“生活中两种常见的有机物”中第一课时的内容，包括乙醇的结构、物理性质、化学性质，乙醇的用途等.乙醇是典型的醇类有机物.通过对乙醇催化氧化性质的学习，要求学生能学会应用类比迁移学习的方法，从反应物和生成物的官能团转化与断键成键的角度概括反应特征与规律，加强对乙醇催化氧化反应的认识，提升“结构决定性质”的化学思维能力，发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学态度与社会责任化学核心素养.

教学设计是从学科理解的角度出发，深入挖掘化学核心素养与学科知识、学科思维方法之间的关系.基于对乙醇这一节知识的深度理解、对学生学习过程中需要的化学思维方法的解析，设计出有利于培养学生化学核心素养的教学情境、教学目标、教学过程和教学评价.

2.1 教学与评价目标

教学目标

(1)通过实验探究乙醇的结构和主要化学性质，初步建立基于官能团认识有机物，并预测和检验有机物的认识模型；

(2)通过对乙醇性质的探究，体验宏观和微观相结合收集证据得出合理结论的过程，初步认识有机氧化反应；

(3)通过对燃料电池酒精检测仪的原理分析，感受化学变化的价值，增强合理使用化学药品的意识.

设计意图：教学目标既体现知识与技能的学习，又体现化学核心素养的培养和化学思维方法的培养.

评价目标

(1)通过学生在线学习交流的数据分析，诊断学生认识物质的水平(基于科学方法水平)和预测探究物质性质的水平(基于经验水平，基于物质结构水平)；

(2)通过对乙醇性质实验设计方案的交流与点评，发展学生认识物质和实验探究设计的水平(孤立水平、系统水平)；

(3)通过对乙醇催化氧化反应过程及原理讨论过程的引导，诊断并发展学生从物质结构角度认识物质及变化的能力水平(孤立水平、系统水平)；

(4)通过对几种呼气式酒精检测仪的原理讨论，诊断并发展学生对有机物官能团的认识水平，有机物氧化反应的认识水平，诊断发展学生解决实际问题的能力及其对化学价值的认识水平.

设计意图：实现教学评一体化.

2.2 教学过程

(1)在线学习和交流.

【学习任务1】课前，观看微视频，完成作业提交，在班级钉钉群中在线提问和交流.

【评价任务1】诊断学生认识物质的水平(孤立水平、系统水平)，诊断学生实验探究物质性质的水平(基于经验水平、基于物质结构水平).

设计意图：从对知识类比迁移的角度，预测乙醇可能的化学性质，设计有利于核心素养培养的教学情境，培养实验探究和创新意识的化学核心素养.

学生活动设计意图观看班级群发布的视频《酿酒》(乙醇化学式、结构式及酒与乙醇关系)《为什么会酒醉》(乙醇在人体中的代谢过程)利用生动有趣的科普小微课作为学习资源,联系实际生活认识乙醇,建立知识与日常生活的联系.完成作业并上传于班级群1、绘制酿酒及饮酒后的物质转化流程图;2、总结乙醇物理性质;3、对比乙醇与乙烷、乙醇与水结构式,预测乙醇可能性质,并设计实验验证.引导学生运用思维导图的方式对了解的知识进行梳理,引导学生运用比较的科学方法从结构认识物质,初步诊断认识物质和实验探究已有水平.班级群讨论1、就各自预测的性质和设计实验方案作出说明;2、交流对乙醇的认识.教师诊断和发现学生问题,学生通过讨论交流自我反思,完善认知和实验方案.

(2)交流实施实验，概括提炼认识有机物思路.

【学习任务2】交流基于结构预测乙醇性质及设计实验的理由，完善实验方案并观察实验、记录现象.从成键、断键角度讨论乙醇与钠反应实质，归纳羟基对乙醇性质的影响.

【评价任务2】诊断学生从结构认识物质及变化的能力水平.

设计意图：寻找证据证明乙醇的结构，从成键、断键角度讨论乙醇与钠反应实质，归纳羟基对乙醇性质的影响.形成官能团影响有机物性质的认识思路，培养证据推理的化学核心素养.

学生活动设计意图交流总结1小组汇报乙醇结构的分析,性质的预测理由,组间提问,归纳乙醇结构特征.发展并诊断学生从结构认识物质的能力水平,引导学生从物质的成键类型分析有机化合物结构并预测性质.交流讨论实验方案并实施实验优秀小组汇报实验方案,组间讨论完善方案,观看教师演示钠与乙醇实验,记录现象,用方程式表达发生的化学反应.发展并诊断学生实验探究的能力,帮助学生形成认识思路.讨论交流1、反应前后,乙醇的化学键改变情况;2、对比乙醇和乙烷、乙醇和水的结构,分析乙醇与钠反应和乙烷与水不同的原因.诊断和发展学生从结构分析物质及变化的能力水平:从成键和断键角度认识有机反应;结合乙醇、乙烷、水结构与性质的对比,整体分析官能团对有机物性质的影响;帮助学生形成认识思路.

(3)讨论反应产物及实验方案并实施，概括乙醇氧化反应实质.

【学习任务3】根据乙醇在人体内的代谢过程，讨论乙醇催化氧化反应，观察实验，记录现象，讨论反应实质并归纳概括有机氧化反应特征，设计实验验证乙醇还原性并实施实验方案.

【评价任务3】诊断学生从结构认识物质转化的能力水平和实验探究物质性质的水平(孤立水平、系统水平).

设计意图：基于学科思维方法理解的“三重表征法”学习乙醇的氧化反应，培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养.学生能从反应物和生成物的官能团转化与断键成键的角度概括反应特征与规律.

学生活动设计意图交流讨论1小组展示乙醇体内代谢流程图,交流讨论乙醇代谢过程的反应方程式.写出乙醇生成乙醛反应方程式.诊断学生获取和处理信息能力,发展学生结构决定性质的认识思路和能力水平.讨论实验方案及实验实施讨论产物验证方式,观察教师演示实验,记录实验现象并得出结论.发展并诊断学生实验探究的能力讨论概括1、乙醇催化氧化过程断成键情况;2、对照氧化反应模型概括有机氧化反应特征;3、乙醇的还原性及实验探究设计.诊断和发展学生分析物质及变化的能力水平(基于物质结构和基本概念):从断成键角度理解有机氧化反应,从氧化反应概念理解乙醇被氧化,形成研究乙醇催化氧化的认识思路.实施实验交流验证乙醇还原性实验方案,完善方案并实施.诊断和发展学生实验探究物质性质能力水平,以及迁移应用氧化还原反应模型解决陌生问题的能力.

(4)问题解决体现化学的社会应用价值，课堂总结使认识思路结构化.

【学习任务4】分析常见呼气式酒精检测仪工作原理，多方面分析使用优劣，以学习小组为单位完成科普论文，完成乙醇化学性质的结构化思维导图，在线交流并相互评价.

【评价任务4】诊断学生对有机物官能团和有机物氧化反应的认识水平，诊断学生解决实际问题的能力及其对化学价值的认识水平，诊断学生知识结构化的水平.

设计意图：基于以致用的学科理解设计教学过程，培养科学态度与社会责任的化学核心素养.

学生活动设计意图课后在线作业以学习小组为单位,完成在线学习任务:1、了解常见呼气式酒精检测仪种类及工作原理;将工作原理中化学变化用符号表征;从检测精确度、仪器成本、使用范围等多个角度讨论各种酒精检测仪优劣;完成科普论文《呼气式酒精检测仪》并上传于班级钉钉群.2、用思维导图的形式总结乙醇的化学性质和研究思路.诊断学生解决实际问题能力和对化学价值的认识水平:调用氧化反应相关知识分析湿法化学呼气式酒精检测仪原理(重铬酸钾);调用电化学原理和氧化反应知识分析燃料电池酒精检测仪;调用有机官能团相关知识分析红外光谱检测仪.能从安全、便利、准确、成本多角度评价检测仪的优劣.教会学生知识结构化的策略在线交流评价反思浏览其他各组文章,进行评价和建议点评,自我反思,完善论文,评选优质论文发表于班级公众号.发展学生自我反思能力以及化学价值观

3 结语

《乙醇》是高中化学必修课程中有机化学基础的核心内容，是学生生活中接触较多的烃的衍生物之一，在生产生活等方面应用广泛.学生通过《乙醇》的学习，进一步认识有机化合物中的官能团以及有机氧化反应，具有较为丰富的化学学科核心素养发展价值.

在教学设计中，教师首先从化学知识体现的社会应用价值角度出发，寻找创意载体，连贯知识主线.即用酿酒情境、乙醇在人体内的转化情境、呼气式酒精测试仪测试酒精含量等情境串联知识线，让学生在真实的情境中学习化学.课后的科普文章的书写，学生需要从多角度思考各种检测仪的优劣，发展学生科学精神与社会责任.

其次，从理解学科思维方法的角度设计教学.体现在课前线上活动，观看视频，初步建立糖-醇-醛-酸的有机物转化流程.课中主要通过证据推理，引导学生从结构预测乙醇的性质，讨论乙醇发生化学反应的实质.先建立从官能团认识有机物性质的认识思路，再建立从成键和断键角度认识有机物转化的实质，逐渐形成认识有机物的思维模型.

再次，情境触动自主迁移，建立科学学习方法.通过复习钠与水反应、氧化还原反应等知识，通过设置真实的应用情境，触动知识迁移应用，让学生在学习乙醇与水反应时对比钠与水反应学习，在学习乙醇的催化氧化反应的时候对比学习无机化学中的氧化反应概念.

最后，注重“教、学、评”一体化和知识结构化策略的培养.通过学生在实验探究、小组讨论、方案设计等活动中的表现，运用提问、课堂练习、课后线上作业等方式，对学生就乙醇的结构和性质的认识和对知识的实际应用水平给予准确的把握，实现了教、学、评”一体化.通过引导学生画出乙醇化学性质的思维导图，诊断学生知识结构化策略的掌握情况.

实践证明，在学科理解的基础上，以发展学生化学学科核心素养为导向进行教学设计，不仅有利于教师提升对新课程改革实质的理解，有利于提高课堂教学能力，而且有利于培养学生的学习能力、学生的化学核心素养，提高化学学习效率，为学生未来发展提供帮助.