基于问题情境实现从知识到能力到素养发展的教学思考*——以“物质分类及转化”的大单元设计为例

钟国华

（广东广雅中学 广东 广州 510160）

一、教学主题内容及教学现状分析

1.教学主题内容的功能、价值分析

人教版（2019年版）必修第一册第一章第一节“物质的分类及转化”包括根据物质的组成和性质分类、分散系及其分类、酸碱盐的性质、物质的转化等。其中，分散系及其分类侧重胶体相关性质介绍，内容相对独立。因此，本课“物质的分类及转化”的研究对象是除胶体以外其他知识的整合，安排两课时进行教学。

“物质的分类及转化”的教学功能不是具体的事实性知识，而是发展能根据物质的组成和性质对物质进行分类、基于元素认识物质类别等认识角度，进而深化结合物质类别通性预测陌生物质性质的认识思路，最终实现在陌生情境根据已知推测未知的认识路径自主化。

物质的分类及转化对后续元素化合物的学习有重要的指导作用。例如，学生能否根据类别转化提出从石灰石制备出牙膏中的摩擦剂碳酸钙的多种方案并评价方案的优劣；能否根据碳酸钠和碳酸氢钠在组成上的差异提出合适的鉴别方案；能否根据SO2具有酸性氧化物的类别通性选择实验室或实际生产中合适的尾气处理方法；能否根据复分解反应规律提出实验室制备氨气的原理等。这些都是学生在实际生产、生活应用、实验研究中基于物质的分类及转化进一步发展认知。此时，物质分类这个“知识”就成为“工具”——帮助学生预测陌生物质性质的工具，这样物质分类及转化的教学就变得工具化、功能化。

2.教学现状及学生学习障碍分析

以“物质分类”“物质转化”为检索词，发现《化学教与学》期刊近十年收录文章20篇，主要有三个研究方向。

一是以“物质分类”为素材讨论问题，如黄威［1］分析存在将“物质分类”作为知识要求而非学科观念的不良倾向，在教学实践中提出基于“物质分类”教学形成“分类观”的实践路径；张俊仙［2］基于建构主义理论，结合化学概念的教学特点，以“物质的分类”为例，提出化学概念教学的方法：创设情境，构建概念——关联鉴别，深化概念——深入本质，突破概念；徐新萍［3］基于物质分类研究导致学生学习困难的主要原因，提出解决学生对物质分类学习困难的主要策略有注重物质分类教学的阶段性，强化物质分类体系关系的认识，准确理解物质分类体系中的标准与依据，从而逐步学会从经验化的感性判断走向理性判断；翁志勇［4］以垃圾回收再利用为教学情境，开展围绕“物质分类与转化”的项目式教学的高中化学阶梯式深度学习研究，运用所学知识解释和解决与STSE有关的问题；司徒华［5］以物质分类为例研究基于以素养为导向的课堂引导性问题培育学生宏微观念、模型认知和科学探究等化学学科核心素养的问题。

二是基于物质分类思想进行后续专题教学，如魏樟庆［6］以“硫和含硫化合物的相互转化”为例，建立“物质是可以相互转化的、物质之间的相互转化是有一定规律的”基本认识，从元素的视角看物质的分类与转化，构建物质类别转化和元素价态转化的二维概念图；曾开家［7］以“观铜之美”“说铜之态”“炼铜之法”“用铜之性”为教学主线，创设真实情境，设置系列问题，实现人教版新教材第一单元核心概念（物质分类和氧化还原）的内容结构化关联复习；李雪［8］在初中化学教学中以分类观、变化观等化学核心观念为指导，以建构物质的反应和转化思维导图为载体，建构物质转化的三角模型、类别转化等认知模型，再应用模型解决物质转化和推断的常见问题。

三是物质分类的本体教学问题，如黄宏［9］以硫酸型酸雨形成过程中涉及的两种物质——SO2和H2SO3作为主要研究对象，通过对它们化学性质的推测，让学生建立从个别到一般、一般到个别以及类比和迁移的化学思想，并能够让学生认识物质的分类对研究物质化学性质的重要作用。

综上可知，新课标修订后“物质的分类及转化”的本体教学设计鲜少发现。

关于物质的分类及转化的教学，结合听课评课发现目前存在以下主要问题：

（1）照本宣科罗列知识，蜻蜓点水介绍不同的分类方法（单一分类、交叉分类、树状分类等）和分类标准（物质组成和性质、物质结构等），只关注分类的事实性知识，缺少从物质转化的角度看物质分类。

（2）一步到位呈现概念，直接给出物质转化关系，缺乏“演绎”和“同化”。教学设计只关注知识与技能的教学，缺少学科能力活动，从死记硬背的视角记住动态变化，深度不够，无法迁移。［10］

受以前概念教学存在的照本宣科、死记硬背等教学行为影响，学生习惯静止地记忆概念，记住概念的定义、内涵，但是关于概念的外延、应用、迁移却是表现糟糕。因此，长期的被动记忆学法使学生在“物质的分类及转化”的学习中产生显著障碍，表现为无法主动透过现象（物质组成）看本质（类别通性）。以SO2为例，不同层次的学生在头脑中反映出不一样的东西，思维的肤浅与深邃一目了然（见图1），而且对于前三层学生即使在教学过程中反复尝试调动，也无法促使学生自觉主动使用类别概念，“分类”只是停留在知识层面，无法成为生成知识的工具。

图1 SO2在不同层次学生头脑中的反映

二、教学创新点

知识为本的思想大大压缩概念形成过程的教学，往往导致在引入概念时没有让学生获得足够的感性认识，致使部分学生只能死记硬背，进而通过做题套用、强化概念。鉴于此，本课“物质的分类及转化”设计的创新点主要有3点：

（1）实现单元设计统领教学。将“物质的分类及转化”界定为两课时的教学单元，连续性和系统性更强。单元教学，强调从单元整体出发设计教学，把“物质分类”放到“化学物质及其变化”视角中，这样教学环节就不会出现“为分类而分类”的无效活动。再者两课时的连续设计更能由浅入深、环环相扣、前后呼应，在已有知识经验的基础上形成“物质分类”的化学视角，在物质分类的实践中领悟“分类法”的实质，在新旧知识的联系中拓展“物质分类”的应用，在宏观辨识与微观探析中发展认识“物质反应”的多种角度，实现基于分类认识和研究物质的进阶理解：引入基于类别转化的认识角度→建立基于元素组成预测性质的认识思路→形成陌生情境下的自主化认知方式→基于实验异常提出更高级的认识角度，不断深化和发展认识。

（2）基于情境实现意义生成。意义生成是一个自主的生成过程，是深度学习的重要表征。［11］“意义生成”强调意义应从学生内部有序生长出来，而不是外部嫁接进去。因此，本课创设六个问题驱动情境（见图2）来呈现知识脉络，让学生通过参与从熟悉原型到简单变式到复杂陌生的情境去发现学科知识与体验科学方法，让老师成为知识和方法的“助产婆”。

（3）基于学科能力活动实现从知识到能力到素养发展。学科知识能否形成学科能力和学科素养关键取决于知识能否转化为自觉使用的认识角度、认识思路和相应的认知方式。本课设计若干个需要学习和理解（图2中的辨识记忆和说明论证）、应用和实践（图2 中的推论预测和简单设计）、迁移和创新（图2 中的复杂推理和创新思维）的学科能力活动，使物质分类及转化的知识经过从陈述性知识到程序性知识再上升至观念化乃至自主化的认识方式，最终转化成学科核心素养。

图2 “物质的分类及转化”6个问题情境

总的来说，在学科大概念的指引下，物质的分类及转化实现大单元教学设计，其间创设众多有意义的问题情境，设置系列学科能力活动，实现从知识到能力到素养发展。为此，特提出基于问题情境实现从知识到能力到素养发展的一般教学流程，包含六步：任务驱动→总结经验→形成程序→建立模型→迁移应用→深化认知，见图3。

图3 基于问题情境实现从知识到能力到素养发展的一般教学流程

三、学情分析

1.学情分析

“物质的分类及转化”是初三学生进入高中的第一课，学生脑中只有以典型物质（如盐酸、氢氧化钠、金属镁等）为代表的零散的元素化合物知识，物质分类及转化意识不强，更谈不上从元素组成、物质类别的视角看待化学反应。因此，要把“理解物质的分类及转化的本质和意义，形成基于物质组成、物质类别的角度分析和解决相关问题的思路方法”作为教学的重要目标之一。这是实现知识的结构化和功能化，促进知识向能力和素养转化的重要途径。［7］

2.教学与评价目标

（1）教学目标

①通过设计以Ca 和C 为原料合成CaCO3的方案并比较，初步建立“单质—氧化物—酸/碱—盐”的物质转化模型。

②通过对酸性氧化物概念的辨识和对SeO2、H2S等陌生物质性质的预测，建立从类别（组成）分析物质性质及转化的认识角度，培育证据推理的学科素养。

③通过设计Na和Si为原料合成H2SiO3的方案，促进基于类别转化认识路径的自主化，提升学生在新情境中利用模型进行认知的能力。

④通过对Fe（OH）3和HI反应的预测和推断，促进利用相似组成类别（HI 是酸）分析物质性质及转化的模型进行分析，建立从同主族类比（Cl 和I 同主族）分析物质性质及转化的认识角度，并通过实验异常现象引出氧化还原反应的分析角度。

⑤通过改编课后练习，感受化学物质及其变化的价值，理解影响化学实际生产的因素。

（2）评价目标

①通过对合成CaCO3方案的交流和点评，诊断并发展学生方案设计和类别转化的水平。

②通过对陌生物质性质的预测，发展学生认识物质的水平。

③通过对合成H2SiO3方案的交流和点评，诊断并发展学生发现证据和使用模型的水平。

④通过对Fe（OH）3和HI反应的预测，诊断并发展学生对物质类别及转化的认识进阶（组成相似、同族类比），发展学生从氧化还原视角看待物质反应的认知水平。

⑤通过改编课后练习“利用Fe、CuO、H2SO4为原料提出两种方法制Cu并评价方案优劣”，诊断并发展学生解决实际问题的能力水平及其对化学价值的认识水平。

四、教学流程结构图

结合基于问题情境实现从知识到能力到素养发展的一般教学流程，“物质的分类及转化”的教学流程如图4所示。

图4 “物质的分类及转化”的教学流程

五、教学过程

1.环节一：任务驱动

【课前思考】结合已有知识，设计以Ca和C为原料制备CaCO3的方案，请写出每个方案中每一步的化学方程式。

【展示】依次呈现图5 中4 组不同的制备方案（a～d）。

图5 学生方案汇总

【教师】从物质类别的角度看，方案a 中涉及怎样的反应？

【学生甲】钙和氧气生成氧化钙，碳和氧气生成二氧化碳，氧化钙和二氧化碳生成碳酸钙。

【教师】这个回答只是看到反应的表象，并没有通过物质类别看到反应的本质规律。

【学生乙】这里涉及三类反应：金属和氧气生成金属氧化物，非金属和氧气生成非金属氧化物，金属氧化物和非金属氧化物生成盐。

【教师】方案b中新出现的类别反应有哪些？

【学生丙】金属氧化物和水生成碱，非金属氧化物和碱生成盐和水。

【教师】方案c中新出现的类别反应有哪些？是否都合适？理由是什么？

【学生丁】非金属氧化物和水生成酸，金属氧化物和酸生成盐和水。但是其中利用碳酸作为反应物不合适，因为反应物不稳定，容易分解。

【教师】不管是实验室还是实际生产，所选反应物要稳定性好，不然边反应边大量分解，原料利用率大大降低。方案d中新出现的类别反应有哪些？是否都合适？

【学生戊】酸碱中和生成盐和水。还是利用不稳定的碳酸作为反应物的问题。

【教师】根据几位同学的方案，可以建立起物质转化的常见模型，见图6。

图6 物质转化的常见模型

设计意图：通过合成活动将初三的零碎知识转化成“单质—氧化物—酸/碱—盐”的转化模型，并介绍方案选择的依据。

2.环节二：总结经验

【教师】结合初三知识，举例说明是否所有的金属氧化物都能转化成相应的碱。

【学生甲】不一定，关键要该金属氧化物可溶于水。例如：MgO就不能和水生成Mg（OH）2。

【教师】没错。反应要遵循一定规律，是否所有非金属氧化物均能和碱反应生成盐和水呢？

【学生乙】不一定。例如：CO就不能和NaOH溶液反应。

【教师】正确。所以如果仅仅根据元素组成对氧化物进行分类，CO 和CO2都属于非金属氧化物，但是并没有相似的性质，这样的分类对认识物质性质意义不大。因此，根据性质对氧化物进行划分成酸性氧化物和碱性氧化物。阅读课本，找出概念的定义。

【学生丙】和碱反应生成盐和水的氧化物叫酸性氧化物；和酸反应生成盐和水的氧化物叫碱性氧化物。

【教师】除了定义以外，还可以如何快速判断氧化物是否是酸性氧化物？

【学生丁】从经验看，大多数非金属氧化物属于酸性氧化物，大多数金属氧化物属于碱性氧化物。

设计意图：通过对“酸性氧化物”概念的深化与判断，凸显从元素组成判断类别的重要性。

3.环节三：养成观念

【教师】请预测SO2能否与盐酸或NaOH 溶液反应？能反应的写出化学方程式并说出依据；不能反应的说明原因。

【学生甲】初三我们学习过SO2和NaOH 溶液反应：SO2+2NaOHNa2SO3+H2O。

【学生乙】从元素组成看，SO2是非金属氧化物，估计是酸性氧化物，能发生反应：SO2+ 2NaOHNa2SO3+H2O。

【教师】显然，从元素组成的角度分析更有说服力。请继续预测SeO2和NaOH能否反应？

【学生丙】从元素组成看，SeO2是非金属氧化物，估计是酸性氧化物，能发生反应：SeO2+ 2NaOHNa2SeO3+H2O。

设计意图：通过对SO2和SeO2的性质预测，建立从元素分析物质性质的认知角度。

4.环节四：建立模型

【教师】请列出H2S能发生哪些反应？并说明推断理由。

【学生甲】从组成看，H2S很可能是酸，所以能够发生酸的一系列反应，如和金属反应、和碱反应、和碱性氧化物反应等。

【学生乙】从组成看，H2S还是二元酸，所以能够发生类似硫酸的表现：

设计意图：通过对陌生物质H2S 能发生哪些反应的预测，建立从物质分类分析物质性质及转化的认知角度，培育证据推理的学科素养。

5.环节五：迁移应用

【教师】以Na和Si为原料制备H2SiO3（已知沙粒的主要成分是SiO2，水和空气等基本原料任用），写出每一步化学方程式并说明依据。

【展示】依次呈现图7 中3 组不同的制备方案（a～c）。

图7 学生合成方案汇总

【教师】对比三个方案，差异在哪？哪些地方不太合理？

【学生甲】a 方案忽略题目信息“沙粒的主要成分是SiO2”，其实就是暗示SiO2不能溶于水。

【学生乙】b方案中的盐酸并不是题目给定的原料。

【学生丙】c方案中的碳酸不稳定，不宜用作原料。

【教师】一般来说，生产或实验中要使用碳酸，可以用CO2代替。结合已有知识，该合成最简单可以通过四步完成，请再思考完善方案。

设计意图：通过完成合成H2SiO3的任务，促进基于类别转化认识路径的自主化，提升在新情境中利用已有模型解决问题的能力。

6.环节六：深化认知

【教师】预测往Fe（OH）3悬浊液中加入HI溶液，是否会发生反应？若能发生反应，请写出相应的化学方程式并说明理由；若不能发生反应，请说明原因。

【学生甲】HI 有H 元素，估计是酸，能发生酸碱中和反应：

【教师】除了从H元素的角度判断外，还可以从哪些角度看出HI是酸？

【学生乙】HI组成像HCl，所以类似盐酸有酸性。

【教师】I 元素和Cl 元素是同一主族，结构相似的物质，性质必然相似。因此预测HI 类似盐酸体现酸性是合理的。可见目前判断“同类”的角度不仅有组成还有同族，见图8。

图8 “同类”的判断方法

【教师】下面通过实验进行验证：往Fe（OH）3悬浊液中加入HI溶液，再滴加几滴淀粉溶液，观察整个过程的变化。

【学生】观察实验现象：加入HI溶液后，悬浊液变成深黄色澄清液，滴加淀粉溶液后变蓝。

【教师】结合已有知识判断，滴加淀粉溶液后变蓝说明什么问题？

【学生丙】过程中有I2生成。

图9 物质转化的两个维度

设计意图：通过对Fe（OH）3和HI 反应的预测，除了实现自主利用已有的从相似组成类别分析物质性质及转化的认识角度外，还进一步拓展提出可以从同主族类比分析和预测，并通过实验异常现象引出氧化还原反应的分析角度，这是基于三元整合策略［12］进行概念建构的有效方法。

六、教学反思

1.本课以“物质的组成结构决定物质性质”这一学科大概念为统领，创设六个问题情境，充分体现“以知识为载体、以能力为主线、以素养为目标”的设计思想，从而使知识巩固与方法训练以及能力提升成为统一的过程。六个问题情境，涉及“脑手口并用”，既要用脑分析预测，又要用手符号表征，还要用口说出依据，避免陷入“为了概念而讲概念”的误区。通过大单元两课时的学习任务活动，把初三已有的零散知识系统化，并引领学生去发现和理解事实、概念、方法等知识之间的内在联系，以及由此构成有整体联系的、凸显化学学科特质的知识结构，并形成对这些关系的解释，深化对知识的理解与运用。在课堂中明显发现，学生对物质性质（从SO2→SeO2→H2S→H2SiO3）的预测行为越发主动，思路越发清晰。

2.作为对概念教学增长点的定位，建立“物质分类”的概念并不是本节课的核心目标，学生要能透过物质组成识别性质才是核心目标，学生要能在陌生情境中结合类别性质分析反应才是核心目标。可喜的是，在元素化合物“钠及其化合物”教学中涉及的众多与“物质分类及转化”相关的问题中，学生表现良好。例如：金属钠和水反应后按照Na元素升价为何产物不是Na2O而是NaOH，学生能够提出Na2O是碱性氧化物能和水反应生成NaOH；NaHCO3受热分解为何产物不是Na2O而是Na2CO3，学生能够提出Na2O是碱性氧化物能和酸性氧化物CO2反应生成Na2CO3。这些都是“物质的分类及转化”大单元教学后，实现从基础知识→活动经验→核心观念→认识方式→学科素养的转变。