基于模型认知素养的翻转课堂教学研究——以“二氧化碳的实验室制法”教学为例

朱青

（福州第七中学，福建 福州 350011）

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》对培养学生的模型认知素养提出了要求。模型认知主要包含建模和用模两部分，即建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律［1］。模型认知是运用模型思想（模型方法）认识事物和解决问题的思想方法。化学实验探究活动是发展学生模型认知素养的最佳载体［2］。

本次研究以“二氧化碳的实验室制法”教学为例，尝试在化学实验教学中引入翻转课堂的教学模式，引导学生建构实验认知模型，深化理解物质制备的思维范式，提高学生科学探究的欲望与解决问题的能力，不断发展学生的模型认知素养。

翻转课堂是对学生的学习过程进行重构，学生在课前自主学习，课堂则成为师生和生生之间答疑解惑、合作探究的互动场所，以达到良好的教育效果［3］。翻转课堂教学模式具有结构化特点，课前任务驱动是通过网络平台的微课学习，完成教师设置的基本任务或学习效果测试，学生思考提出疑惑；课堂知识内化是教师为学生创造解决问题的课堂环境，通过小组互助研讨及评价反思，培养学生解决问题及分析评价的能力；课后应用拓展则是把学生的创新能力和创新思维的培养作为主要目标，基于翻转课堂教学模式的化学探究实验课型具体流程见图1。利用翻转课堂教学模式，从课前、课中、课后三阶段，使学生的思维由低阶至高阶不断发展。

图1 探究实验翻转课堂教学模式

一、教学设计思路

“二氧化碳的实验室制法”是建构实验原理选择、实验装置设计、实验步骤制定等实验室制取气体研究思路及实验评价反思和改进的最佳素材。在教材内容基础上，本节课重构教学设计，采用翻转课堂教学模式，设计课前、课中、课后三阶段任务，构建“初建模型、完善模型、应用模型”的课堂主线。在整个教学过程中，通过探究活动，合作讨论，师生互助，证据推理，逐步释疑，使学生体验一种化学的学习方法——模型建构法，利用模型再去解决同类问题，培育学生“证据推理和模型认知”化学核心素养，发展学生高阶思维能力［4］。

基于模型素养的“二氧化碳的实验室制取”翻转课堂教学思路如图2。

图2 “二氧化碳的实验室制取”教学思路

二、课前任务驱动

（一）微视频

制作微视频“实验室制取氧气”和“实验室制取二氧化碳”，上传至教师的个人微信公众号。前者帮助学生温故，后者在设计时，以反应原理的确定、实验装置的选择、实验操作为主线，在展现反应物和实验装置的选择时，从多种药品中选取石灰石和稀盐酸，多种仪器中挑选试管、单孔塞、导管、铁架台、集气瓶等组装为简易制取装置，意图引发学生思考和提问。

（二）学习任务单

设计的任务包含“温故”“知新”“拓展”。课前，学生在微视频学习后，完成“实验室制取氧气”的基础知识温故任务，初步建构实验室气体制取的认知模型。“知新”“拓展”任务则分别对应课中、课后学习，逐步完善应用认知模型。

（三）互动研讨

教师在公众号微视频“实验室制取二氧化碳”下方插入“留言板”小程序，引导学生将微视频中无法理解的问题发至“留言板”。学生的提问和讨论非常热烈，提出有关反应物、原理，装置改进，操作过程的一系列问题。个别学生查找资料后，在留言区与大家分享了自己对一些问题的思考。通过微信公众号和小程序，实现课下的师生、生生互动，学生在提问、释疑的过程中深思与交流。教师对问题进行归类总结，针对这些问题进行二次备课。

三、课中知识内化

（一）课前衔接，温故知新

学生展示课前学习成果，初步自主建构实验室制取气体的认知模型，即：实验原理→实验装置→实验操作。通过课前微视频学习，学生已了解实验室制取二氧化碳的流程，但也存在学习中无法解决的疑惑。课堂展示学生在课前学习中存在的问题，并将问题按照气体制备认知模型中的实验原理、装置、操作划分为三类。

【设计意图】本环节初步建构实验室制取气体的认知模型。通过温故任务和知新任务，评估学生的现有水平，通过学生自主发问，促进开发学生的潜能，激发探究热情，使学生进入最近发展区。

2.合作探究，讨论释疑

活动一：讨论互助

各小组选择问题进行互助解答。对于小组互助无法解答的问题，如“可否使用碳酸钙或碳酸钠与稀盐酸或稀硫酸发生反应？”等，教师引导学生通过亲身实验解决问题。

活动二：原理探究

学生讨论制定实验探究方案：进行对比实验，注意控制变量，观察反应速率及气体产生量，实验后对方案作出评价。

图3 二氧化碳制备原理探究实验方案

定性分析得出实验室制取二氧化碳的理想原料后，教师演示三组药品反应的手持技术数字化实验，用相对压强传感器测定反应过程中的相对压强值随时间的变化情况。学生从定量的角度分析实验药品的选择。教师提出思考问题：为什么曲线一骤升后骤降？学生讨论后，得出是由于碳酸钙和稀盐酸反应时产生大量气体，导致Y 型试管内压强迅速增大，造成冲塞，气体泄漏。此时，教师适时提示在进行气体实验时，首先需要检查装置的气密性。

图4 原理探究数字化实验方案和成果

通过以上分析，结合原料价格信息、环境保护等情况，确定实验药品，总结实验原理选择的依据。

【设计意图】本环节建构实验室制取气体的原理认知模型。引导学生依据实验事实获取相关证据，进行实验现象的分析和推理，得到合理的结论。学生通过合作探究，解决了关于实验原理的一系列问题。通过思考与交流、实验与反馈等多种方式强化学生的证据收集意识，提升学生的证据推理能力。运用数字化实验作为传统实验的升级和补充，从定性与定量相结合的角度收集实验证据，创新化学教学［5］。

活动三：装置探究

引导学生归纳气体制取装置选择的依据，创设小组合作改进装置的课堂活动。各小组利用EISClass 智慧教室学生端平板电脑中seewo 课件所给仪器，对二氧化碳制取的发生装置进行设计，并将作品分享至教师端，进行小组展示。

【设计意图】本环节建构实验室制取气体的发生装置和收集装置选择认知模型。学生将已有知识融会贯通，思考二氧化碳的制取原理、气体的性质，进而选择合适的发生、收集装置。

活动四：实验操作

学生通过对制取二氧化碳装置进一步认识，自由选择教师提供的实验装置，制取一瓶二氧化碳，并进行检验和验满。实验结束后，学生对使用的装置进行点评，分析其优缺点。

【设计意图】本环节建构实验室制取气体的操作认知模型。学生使用所设计的装置进行实际操作，在操作过程中发现并纠正问题，使教师由主导者变成帮助者和指导者。学生在操作中，对仪器的功能和实验改进的价值有了更深的体会，基于真实体验后的学生评价活动，培养学生科学精神和客观求实的科学态度。

活动五：总结建模，评价反思

归纳实验室制取气体的认知模型（如图5）。

图5 实验室制取气体的认知模型

小组交流实验过程中的反思和评价。以下呈现课堂精彩反思实录：“在药品选择时，如果用碳酸钙粉末和稀盐酸，可以选择分液漏斗滴加稀盐酸，起到控制反应速率的作用”；“在实验过程中，观察到气体产生速率快，虽然二氧化碳可溶于水，但若产气速率快于溶解速率，是否可以采用排水法收集二氧化碳？”“用燃着的木条放置于集气瓶口熄灭，此时的二氧化碳真的满了吗？”等。教师针对学生的提问，设计课外探究活动。借助手持技术数字化实验，帮助学生解决问题。

【设计意图】本环节学生借助认知模型，进行深度学习，完成最近发展区的跨越，同时向更高阶水平迈进。

四、课后应用拓展

课后学生利用实验室气体制备模型完成任务单中“实验室制取氢气的研究”。

【设计意图】本环节深化应用实验室制取气体的认知模型，解决同类实验问题，提高了学生学以致用的能力，着力培育了学生“证据推理与模型认知”的核心素养。

本节课是以实验室制取二氧化碳的科学探究活动作为明线，以培养证据推理和模型认知素养作为暗线，明暗线相互交织，互相促进。学生在观察、质疑、探究的过程中，不断深化对知识的理解，加深对证据的判断、获取和推理，逐步建构认知模型，并利用模型解决同类问题，这也符合化学学科核心素养中对证据推理和模型认知的要求，是学生高阶思维能力培养的有效载体。