基于深度学习的“金属和金属材料”单元教学设计实践

2023-02-23王琳琳孙应伦赵柳英窦星星高冬艳

云南化工 2023年1期

王琳琳，孙应伦，赵柳英，窦星星，高冬艳

(1.昆明市第三中学经开区学校，云南昆明 650000；2.昆明市教育科学研究院，云南昆明 650031； 3.云大附中呈贡校区，云南昆明 650050)

初中化学教学过程中，大部分教师的教学设计以课时为单位，课时教学重点关注本节课内的知识学习，缺乏系统统筹，容易忽略知识间的前后关联，知识无法有效融合，不利于学生知识体系构建、学科能力发展以及化学学科核心素养培养。深度学习中的“单元学习主题”则是通过整体规划，将零散的知识结构化，将化学观念、学科能力和学科思维方法展现并提炼出来，实现核心知识与学科素养的融合，促进“知识为本”到“素养为本”的转变。从课时教学到单元学习主题的转变是深度学习的重大突破。

单元整体教学设计，向上能兼顾课程整体目标和知识结构，向下可合理整合课时教学逻辑，具有整体性、宏观性、进阶性、生本性、创造性等特征，是促进化学学科核心素养落地的必然需求，是实现师生共育的课堂教学的必然趋势和促进教师专业化成长的重要途径[1]。

1 基于深度学习的单元整体教学设计案例

基于深度学习的单元整体教学设计在深入分析单元主题学习内容和教学现状的基础上，制定单元学习目标，通过架构单元整体设计，重新规划课时以及课时学习内容，同时建立适应目标实现的评价体系，使目标的落实可视、可控、可调，促进学生核心素养培养的落地。具体实施以九年级化学下册第八单元《金属与金属材料》的单元教学设计为例进行说明[2]。

1.1 单元主题学习内容及教学现状分析

1.1.1 单元主题学习的内容

初中化学课程标准中对本单元的相关教学指导思想和内容要求[3]：

1)核心知识层面：知道大多数金属在自然界中是以矿物形式存在。知道金属具有一些共同的物理性质；通过实验探究等活动认识金属的主要的化学性质及金属活动性顺序。知道在金属中加入其他元素形成合金可以改变金属材料的性能。了解金属及金属材料在生产、生活及社会发展中的重要作用。以铁生锈为例，了解防止金属腐蚀的简单原理和常用方法；了解废弃金属对环境的影响及金属回收再利用的价值。

2)学科思维层面：了解物质的性质与物质的存在、组成、变化、制法和应用的密切联系，初步建立认识物质性质的基本角度和思路。

3)学科学习方法层面：知道可以通过物质类别认识具体物质的性质；学习从物质的共性和差异性认识一类物质性质的方法。学习观察、实验及对现象和事实进行归纳概括、分析解释等认识物质性质的基本方法。

从教育价值角度分析，金属及金属材料对于人们生活质量的提高、科技发展、社会进步方面起着推动作用；从学科价值角度分析，本单元的学习是为高中阶段学习金属及其化合物起到铺垫作用；从学生认知角度分析，本单元的学习有利于学生建立起物质的分类观、变化观等化学观念；从学科育人角度分析，通过本单元的主题学习能够让学生认识到化学学科发展与人类社会发展进程的密切关联。

基于上述分析，本主题包括金属的共性与特性、金属的制备、用途、金属腐蚀的防护以及金属资源的合理利用等。课程标准和教材提供了丰富的素材，充分体现从化学走向生活、延伸到社会的理念。

1.1.2 学情分析

基于生活经验和前面的学习，学生对于常见金属如铁、铜、铝的物理性质，某些金属与氧气的反应以及某些金属锈蚀的生活现象有一定的认识，但对于金属的制备与冶炼、金属性质的共性与差异、金属锈蚀的原理与防护以及金属资源的利用与保护还有待深入学习，这是学生化学学科知识的待增长点。

学生初步具备基于实验现象预测物质性质；初步掌握实验探究的一般步骤和方法；初步具备查阅资料、提取信息和初步解释分析并表达的能力。本单元的学习使学生熟悉研究物质的一般思路和方法，系统设计实验方案并实施，培养学生进行文献检索、应用文献信息以及汇报表达能力，这是学生学科发展能力的待增长点；使学生从单一物质的学习转化为形成研究一类物质的思路和方法，以及在如何科学探究过程中运用单一变量设计实验，这是学生学科思维能力的待增长点。

1.2 教学思想与创新点

基于深度学习的单元设计需要解决的问题是：寻找适合的问题情境和如何架构单元设计。基于深度学习的单元教学设计模型见图1：

图1 基于深度学习的单元教学设计模型

本单元教学以“古滇文物出土记”为载体，整合教材内容，重新规划课时，达成对化学学科知识和评价体系的建构，同时培养学生的化学学科核心素养。

本单元教学设计的创新点在于：

1.2.1 双重目标的一致性

制定学习目标的同时呼应评价目标，保证教学目标与评价目标的一致性。常规的教学目标是从教师视角出发，着重考虑如何教，更加关注“教的逻辑”是否合理。基于深度学习的单元设计是基于学生角度，研究学生“知道什么”，可以通过学习获得哪些核心知识、方法指引以及提升哪些学科能力。因此，在进行目标设定时更符合学生的认知水平，更切合学生的实际学习能力。

1.2.2 真实情境的适切性

选取切合学生生活和认知领域的情境素材，以富有本土地域文化特色的“古滇文物出土记”为载体，能极大地激发学生探寻本土文化的兴趣，体现化学学科与地域文化融合的理念，淡化不同学科间的界限，增强学生的文化自信，升华学生的爱国情感。

1.2.3 活动设计的新颖性

以“文物修复和保护工作”为任务载体，采取小组合作探究学习模式开展学生活动。让学生从科学研究的角度，体验文物保护工作的职业日常，认识到职业与个人、社会、国家的内在联系，升华爱国情感，浸润学生心灵，对未来的职业规划产生潜移默化的影响。

1.2.4 评价功能的有效性

以评价目标为蓝本，探索适合实际教学的评价工具，通过教师评价、生生互评、自我评价的方式，解决传统教学中单一的纸笔测试评价的局限性、片面性的问题，多维度的呈现学生学习效果，从学生个人学习目标达成、个人综合能力角度，尝试建立更全面、更立体、有效的评价体系，实现“教—学—评”一体化。

1.3 单元教学目标设计

单元教学目标是单元教学过程设计的统领。其制定要以课程标准的要求为纲领，融合学科素养培育的实现。基于此，制定本单元教学目标如下：

1)通过分析金属冶炼原理和方法，体会金属矿石到金属材料应用的演变，体会化学学科知识与生活实际的融合，形成物质观、变化观等化学观念。

2)通过金属材料物理性质的归纳，领会根据物质的性质选择材料，体会金属材料在人类生活中的应用价值。

3)通过对常见金属化学性质的探究，分析滇王金印历久弥新而铁矛锈迹斑斑这一化学现象背后的化学原理，形成研究一类物质的基本思路与普遍方法，促进证据推理意识的形成，达成分类观、守恒观等化学观念的建立。

4)通过运用控制变量法，设计探究铁、铜生锈条件的方案，建立金属锈蚀条件的模型，探究防止金属锈蚀的原理和方法，培养学生的逆向思维，增强学生在解决问题中的创新意识和运用不同学科间知识融合解决实际问题的能力。

5)通过小组合作、家庭小实验、展示汇报等活动，形成独立思考与合作学习的意识。

1.4 课时教学规划及教学实践

1.4.1 基于深度学习的单元教学设计

课时规划为4课时。分为3个任务模块。

任务一滇王金印、青铜歌俑、铜铁长矛从哪里来？设计1课时教学。

通过展示滇王金印、青铜歌俑、铜铁长矛以及中国空间站的图片，见图2，以“发现这些物质的共同之处”为学习起点，促使学生关注物质间的共性。通过强烈的视觉反差，让学生感受化学学科能够跨越时间、穿越空间将物质建立关联的独特魅力。

图2 滇王金印、青铜歌俑、铜铁长矛、中国空间站图片

以“滇王金印、青铜歌俑、铜铁长矛是如何制成的？”问题驱动学生自主学习，落实金属在自然界中的存在形式的相关知识。通过阅读资料，学生有针对性的寻找关键信息，形成证据推理意识；学生对于金属存在形式以及某些金属冶炼方法有了初步认知，基于此，引导学生进一步思考“生活中常见的金属铁如何制备？选择什么原料炼铁？”通过阅读教材，学生尝试从环境保护、成本、金属资源利用和保护等方面综合考虑选材问题。从化学学科角度，思考实验室如何炼铁。通过观看视频和阅读教材，落实实验室炼铁原理、实验步骤、实验现象相关核心知识的学习。从生产生活实际角度，思考工业上如何炼铁，落实工业炼铁的原理、设备、生产流程的相关知识。

本课时在充分利用教材和资料信息的基础上，利用问题驱动实现学习任务的达成，环环相扣，将隐藏在学科问题背后的核心知识脉络逐一呈现，采用学生自主学习、小组合作、交流的模式，建构从“存在形式—制备方法—生产应用”的知识体系，形成从“化学学科到生产生活实际的转换”学科思维。

任务二滇王金印、青铜歌俑、铜铁长矛有何不同？设计2课时教学。

第2课时，以“从物质组成看，滇王金印、青铜歌俑、铜铁长矛、中国空间站有什么不同？”的真实问题，引导学生关注金属的差异性。同时选取生活中常见的金属制品进行展示，通过观察金属的外观，让学生尝试描述、归纳不同金属物理性质的共性和特性，完成金属物理性质的知识学习，形成从一种物质到一类物质学习的认知方式转变。

通过“为什么选择这种金属为原材料”，引发学生思考“选择金属材料时要考虑哪些因素”，建立性质与用途的密切关联，同时要兼顾价格、资源、是否美观、使用是否便利，废料是否易于回收和环境保护等因素。以“青铜歌俑、铜铁长矛、空间站的外壳材料属于合金”这一现象为研究主体，分析合金与纯金属的区别与联系，发现合金的优势，建立金属材料性能与性质之间的联系。通过分析生活中常见的铁合金——生铁和钢的联系与差异，落实铁的合金的相关知识的学习。以天宫课堂这一时事新闻为背景，聚焦太空站的新材料——钛合金，形成从“特殊——一般——特殊”的认知方式和思维方式。

第3课时，通过对“滇王金印、青铜歌俑、铜铁长矛锈蚀程度不同的化学现象，引导学生思考现象隐含的化学原理”，启发学生关注不同金属化学性质的差异。基于“如何保护修复金属文物”的核心任务，利用小组合作，探究金属的活动性顺序。

基于“生活中通常用盐酸除去铁制品表面锈迹”的客观事实，引导学生将生活经验凝炼为学科问题。查阅资料，预测铁锈的成因可能与氧气、水有关。通过分析不同金属与氧气反应的条件、现象不同的实验事实，比如铜丝加热变黑、而黄金加热却无明显变化，引导学生思考现象差异所蕴含金属活泼程度强弱差异的本质，从而初步对镁、铝、锌、铁、铜、金的金属活动性强弱的进行排序，形成“比较不同金属活动性”的方法之一。

通过“为什么用稀盐酸可以除去铁制品表面的锈迹，却不能长时间浸泡？”落实金属与酸反应的原理，追问“所有的金属都能与盐酸、稀硫酸反应吗？”，通过实验探究不同金属与盐酸、稀硫酸反应的情况，基于实验事实，达成对金属与酸反应的核心知识的学习，形成比较金属活动性的方法之二。完成比较金属活动性顺序的任务。

从节省资源的角度，以思考“如何回收清洗液中的金属铁？”，自主学习“金属与盐溶液反应”，并设计实验回收金属，让学生在问题解决的过程中，落实核心知识，品味自主学习的乐趣，感知化学反应的奇妙，体会从学科到实际应用的丰富内涵。

设计学生活动探究不同金属活动性差异时，凸显微型实验的优越性，既节省了教学时间，又体现控制变量的科学思想，培养学生严谨科学态度(见图3)。通过学习，学生对于金属文物的修复与保护所包含的科学性、严谨性有了更深的认知，促使学生将化学学科核心知识运用到实际问题的解决。

任务三金属文物的修复与保护。设计1课时。

通过观看“古滇文物出土记”的视频，以“铜铁长矛为何生锈”问题为载体，开始探究金属锈蚀原理之旅(见图4)。

反应前反应中反应后

图4 金属文物的修复与保护——古滇出土记的教学流程

1.4.2 基于“殇、困、美、贵”4方面的教学设计

以第4课时为例，从化学现象、探秘化学反应原理、建构锈蚀条件模型、运用模型解决实际问题四个方面进行说明。具体的教学过程设计如下：

【引入】云南简称为“滇”，我们脚下的这片土地正是古滇王国所在。历史上虽然有滇王国的记载，但非常少。直到滇王印出土，人们才慢慢了解古滇文化。今天我们一起来走进神秘的古滇王国。

【视频】古滇出土记

滇王印历久弥新，同时出土的青铜器锈迹斑斑，铁器伤痕累累，为什么有这样的现象？这背后有怎样的化学原理？我们一起探究铁生锈的原因。

环节一：探金属之“殇”

1)探究铁生锈的条件

【教师】上周布置的家庭小实验——探究铁生锈的条件，请同学们预测铁生锈与空气中的哪些成分有关？你的依据是什么？以小组为单位，汇报实验成果。

【学生】展示一周前家庭小实验结果(见图5)。

图5 学生探究铁生锈的家庭小实验

【教师】点评学生汇报结果。设问：教材实验中氯化钙起什么作用？植物油呢？为什么用煮沸过迅速冷却的蒸馏水？

【学生】氯化钙起吸收水分的作用，植物油是隔绝空气的，煮沸过迅速冷却的蒸馏水是为了除去溶解在水中的氧气。

【教师】为什么只有③中铁丝生锈？为什么①中铁丝不生锈？对比实验①、③，你得出什么结论？对比实验②、③，你得出什么结论？

引导学生通过列表法，建立控制变量的方法模型(见表1、表2)。

表1 “列表法”探究铁生锈的条件

表2 建立控制变量方法模型

【学生】对比实验①③，说明铁生锈需要水；对比实验②③，说明铁生锈需要氧气。因此铁生锈需要同时与水和氧气接触。

【教师】在设计对比实验时，保持其他条件不变，只改变其中的一个条件，我们把这种方法叫做控制变量法。请以小组为单位，尝试用控制变量法，探究铜生锈的条件。

【设计意图】让学生通过列表法，很容易得出不同影响因素对于铁生锈所起的作用，能更好地掌握控制变量法并建立方法模型，培养证据推理与模型认知的核心素养。

2)探究铜生锈的条件

【教师】长期放置在空气中的铜也会生锈，请根据铜锈的主要成分，预测铜生锈与空气中的哪些成分有关。以小组为单位，探究铜锈蚀的实验，设计实验方案。

【学生】通过查阅资料，根据元素守恒定律，预测铜生锈与空气中的CO2、O2、H2O有关。利用控制变量的方法模型——“列表法”进行实验方案设计。

【学生】经过小组讨论和教师指导，学生汇报成果，提出两种方案(见图6、7，每个图中有四个装置，编号依次为①②③④)：

图6 学生方案一

图7 学生方案二

方案一：①CO2②H2O ③O2④O2、H2O、CO2

方案二：①O2、H2O ②O2、CO2③CO2、H2O ④O2、H2O、CO2

教师引导学生应用“列表法”探讨方案的可行性(见表3、表4)。

【教师】请你分别对比方案一、方案二的实验①④、实验②④、实验③④，你能得出什么结论？

表3 学生方案一

表4 学生方案二

【学生】应用“列表法”时很容易地发现，方案一中通过对比实验①④的变量有2个，无法确定是哪种因素影响实验结果。基于以上分析，学生最终得出结论：选择方案二。

【设计意图】对于铁生锈条件的探究的基础上，利用“列表法”建模，使学生深刻体会“控制变量法”在化学实验中的重要作用，让学生在探究影响因素的过程中，有意识的运用控制变量法，形成科学思维。

3)分析铝制品抗腐蚀的原因

【教师】铜、铁在空气中长期放置会锈蚀，金属铝也会这样吗？请阅读课本18页找出原因。

【学生】铝制品表面有一层致密的氧化铝薄膜，阻碍金属腐蚀。而铁锈非常疏松无法阻碍金属腐蚀。

【展示】铁锈、氧化铝薄膜的微观结构(见图8)。

铁锈疏松，不能阳碍铁的锈蚀铝的表面有一层致密的氧化铝薄膜，能阻碍内部的铝继续氧化。

【设计意图】从宏观现象到微观结构，让学生感知化学学科认识物质的独特视角，形成化学学科独有的思维方式，培养学生的宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。

4)建构金属锈蚀条件模型

【教师】通过前面的学习，请你归纳金属锈蚀的条件。

【学生】金属生锈要与水、空气(氧气、二氧化碳等)接触。

【教师】金属生锈是化学变化，如果反应发生需要什么条件？

【学生】需要反应物，同时满足反应条件。

【追问】反应物不接触可以发生吗？

【学生】不行。反应物之间要接触才行。

教师引导下学生梳理出建构金属锈蚀条件模型(见图9)。

图9 金属锈蚀条件模型

【设计意图】通过对金属生锈这一类反应发生条件的分析，使学生完成从研究单一物质的性质到研究一类物质的性质的转变，为形成分类观、变化观等化学观念打下坚实基础。

环节二：解金属之“困”

【教师】每年因为金属锈蚀造成的巨大经济损失。铁制品在日常生活中应用广泛。生活中如何防止铁制品生锈？你知道哪些防止铁生锈的方法？试举例说明。

【学生】刷漆、自行车链条涂油、水龙头上镀铬、制成不锈钢……

【教师】这些方法利用了什么原理来防止铁生锈？

【学生】防止铁和空气、水接触。

【设计意图】结合生活中防止铁生锈的方法，将化学学科知识与生活实际关联起来，体现学科与实际的融合。

环节三：感金属之“美”

【教师】大家对于金属锈蚀和防止金属锈蚀已经有了一定的了解。现在，请你从文物工作者的角度，来体验修复文物的过程。请你按照“修复秘籍”，让你手中的汉代古币焕然一新吧。

【学生活动】学生为古铜钱币除锈(见图10)。

图10 古钱币除锈

【小结】金属修复还有其他的物理和化学的方法，这里只介绍其中的一种。有兴趣的同学可以课后再进行了解。对于文物的保护实际是对中国传统文化的传承，国家非常重视，投入大量的人力物力来进行该项工作。

【播放视频】习近平总书记提倡文物保护相关视频。

【结语】作为一名化学工作者，看到化学知识在文化传承中发挥作用，我非常自豪。希望同学们学好本领，未来用学到的化学知识为国家和社会贡献力量。

【设计意图】基于学科核心知识的学习，让学生感受到化学学科在学科融合中的重要作用，培养学生的科学态度和社会责任，同时引导学生思考自己的职业生涯规划，培养学生的爱国情怀与责任担当。

环节四：惜金属之“贵”

【实践作业】金属之“贵”，“贵”在有限。请你调查金属资源的现状，从保护金属资源的措施，撰写一篇金属资源利用和保护的小论文，谈谈你对金属资源保护的认识。

【设计意图】尝试通过作业设计方式的转变，通过调查、分析、整理的实践过程，培养学生的学科思维、学科能力和学科核心素养。

2 基于深度学习的单元评价目标设计

1)通过对炼铁原理的学习与实物感知，诊断并提升学生对于物质制备过程的可持续发展与成本意识。

2)通过观察感知生活中常见的金属制品，诊断并发展学生从化学学科角度选择使用材料的一般思路和方法。

3)通过对“滇王金印、青铜歌舞俑、铜铁长矛”的现状分析及原理分析，诊断学生探究物质性质的知识能力水平。

4)通过对铁、铜生锈的原理进行控制变量的实验探究方案设计，诊断并发展学生对化学学科价值的认同感，提升学生辩证统一的思维水平。

5)通过展示汇报、交流讨论等活动表现，诊断并提升学生对于学科方法、学科知识建构、学科思维形成的能力水平。

3 深度学习的评价工具

3.1 多角度评价

多角度的评价工具可以弥补传统课堂教师评价为主的评价方式，开展学生小组活动过程中，教师很难关注到学生的个体表现，组内成员互评表(见表5)、小组互评表(见表6)、学生自我测评表(见表7)可以从一定程度上进行补充。学生自我测评表，具有导向性、整体性，能够反映学生活动的关键要素，引导学生良性发展，促使学生提升自我反思的意识[4]。

表5 探究实验效果评价表(认知参与)(师评、自评)

表6 小组活动表现性评价(小组互评表)

表7 “古钱币修复与保护”实践活动评价自我评价表

3.2 评价量表数据分析

参考符爱琴[5]对学生课堂学习表现评价，基于认知参与、情感参与、行为参与3个领域13个维度设计调查问卷，对参与本次课程的昆明市第三中学经开区学校初三年级4个班级共201名学生进行评估研究，分析学生课堂参与效果。实际发放问卷201份，回收的有效问卷183份。

1)探究实验效果评价

在认知参与领域，依赖教师的占10.93%，浅层思维的占18.58%，深层思维的占75.96%。反映出学生对于准确描述现象、解释和分析，并得出结论方面的理解能力提升，对于实验的规范操作和实验过程的安全意识有所提高。

在情感参与领域，感到厌烦的占0%，有焦虑情绪的占9.84%，能胜任的占39.89%，很有乐趣的占50.27%。明显看出，经过学习，探究体验能带给学生更多的乐趣，收获成功，能使学生更能胜任探究任务，并从一定程度上增强学生自主完成课后习题的自信心。

在行为参与领域，能够投入探究的占56.28%，不能专注探究的占1.64%，能够专心探究的占25.68%。可看出大多数学生表示能够专心的参与探究过程。

2)“古钱币修复与保护”实践活动评价

76.5%的学生能对金属文物的修复方法有一定的认识，62.3%学生能够根据不同材质的金属文物，选取适合的方法进行预处理；74.86%的学生能规范安全的完成相应操作。93.44%、87.98%的学生表示愿意了解文物修复工作的职业内涵以及有兴趣了解国家文物保护的相关政策。

分析数据结果，可以知道，经过学习学生自我效能感增强，表现出对学科学习极大的兴趣，个体参与度增强，独立学习的积极性高涨。

4 教学反思

4.1 撷取真实有效的情境素材，激发学生深度学习

真实的情境素材是学生实现深度学习的载体。选取的情境素材最好是学生的兴趣点、关注点、社会热点，这就使得教师要对生活中热点新闻与学科间的关联度保持高度的敏锐。如本单元设计选取“古滇文物出土记”的真实情境，贴合学生实际，能激起学生学习兴趣和好奇心。深度学习的重点是完成学科核心知识的构建、学科关键能力的形成。同时也要考虑选取情境素材是否能承载核心知识的学习。本设计的第3课时，在探秘文物出土及文物修复的过程中，能将“金属与盐酸、硫酸的反应”，“金属与盐溶液的反应”等核心知识与任务问题的解决有机结合，完成知识体系的构建，促成学科思维的形成，激发学生深入思维，完成深度学习，培养化学学科核心素养。

4.2 甄别取舍课上与课下内容，促使教师深入思考

深度学习的主体是学生，但导演和设计者是教师。活动设计的重要原则是厘清主次、重点分明。重要内容需要教师引领学生在课堂上完成，次要内容在课下完成。比如第4课时在取舍内容时，充分考虑到“控制变量法”对于培养学生学科思维的重要作用，有必要让学生在课堂上深入透彻的理解。而对于“金属资源的利用和保护措施”则是学生通过自主能够独立完成的，故留到课后去做。学生自主活动真实发生，学生的主体地位得以充分体现，真正进行实验探究和汇报交流、评价等，而不是作为听众；教师的主导地位也得以充分体现，学生在教师的引导之下进行自主学习，同时对学习的情况进行评价和反思，有利于更深层次的学习的开展，真正有助于学生能力与素养提升。而教学内容的甄别取舍则依赖于教师对于学科研究的不断钻研，促使教师深入思考。

4.3 发掘与彰显学科育人功能，推动教育深层改革

核心素养视域下的教学中，学科的育人功能愈发凸显。基于深度学习的单元教学同样渗透者德育、智育、美育和劳动教育的育人价值，甚至影响到学生未来职业规划乃至人生方向。本单元设计中第4课时，以“习近平总书记提出建设有中国特色、中国风格、中国气派的考古学”的视频结尾，许多学生表现出对于文物保护、文化传承的极大兴趣。本单元所采用的真实情境与国家政策的巧妙融合，使得学科知识从书本的二维平面走进学生生活，浸润学生心灵，使学生在学科学习的过程中，感受学科魅力、体验学科乐趣、认识化学学科的社会价值，才能真正让深度学习“润物细无声”，从而推动教育深层改革。