基于模型建构与应用的单元教学设计——以“原电池”为例

毕占龙 房 健

(哈尔滨市阿城区第一中学校)

高中化学学科核心素养中对“模型认知”要求学生可以通过分析、推理等方法研究对象的本质特征、构成要素及相互关系,进而建立模型,能运用模型揭示化学现象的本质和规律。单元教学设计要求教师深入分析本单元教学内容,基于本单元所应承载的学科核心素养,整体设计教学活动,发展学生学科核心素养。结构化的教学单元从知识结构上分析,可以将一个单元整体分为若干个具有逻辑结构关系的知识层级,在教学整体观指导下将教学诸要素有序规划,从而达到最优的教学效果。

2022年4月16日,“第一天团”顺利返航,让国人为之振奋。我国航天人在探索星辰大海的征途上正越飞越高,越飞越远。宇宙飞船的电源是其最重要的分系统之一,化学技术是逐梦航天的重要保障,这为化学教与学提供了真实而富有感染力的情境,将航天器电源工作原理引入教学,基于原电池必备知识发展学生关键能力,结合学科特点及育人价值,确立以“宇宙飞船电源的设计与发展”为单元主题的原电池单元教学设计。在单元教学中,聚焦学科知识本质,引导学生掌握原电池本质特征,形成解决问题的思路和方法,促进模型认知素养发展,落实单元教学目标。

1.教学价值分析

原电池教学内容承载着化学反应与能量的核心知识。从微观角度分析原电池基本原理,以解释宏观观察到的电极反应现象,即从宏观、微观结合视角认识原电池基本原理,并分析其与氧化还原反应的关系。通过观察单液锌铜原电池两极均有气泡生成,产生认知冲突,基于此证据,推理电流衰减原因并尝试改进该装置,引出盐桥及离子交换膜,增强电池的实用性,发展证据推理与模型认知的学科核心素养。

原电池教学内容蕴含着化学学科思想方法,化学实验现象是物质发生变化的标志。原电池中,电极实验现象与我们的认知产生冲突,透过现象分析本质,找到与氧化还原反应的联系,建构其工作模型、辨析其基本原理是解决问题的关键。人教版高中《化学》必修第二册讲解原电池基本组成为两个活性不同的金属或金属与非金属作电极,后续学习二次电池和燃料电池时,发现电极可以是同种金属或者金属氧化物等,凸显出一般与特殊的哲学思想方法。在学习化学过程中,既要掌握某一类物质的共性,同时还要掌握部分特殊性质。电池工作过程中,正负极反应类型、阴阳离子移动方向、电子和电流流动方向等体现对立统一学科思想,分析正负极得失电子相同发展学生的守恒思想。

原电池教学内容呈现了绿色化学的价值观念。在“宇宙飞船电源的设计与发展”讨论过程中,“比能量” “比功率” “绿色环保”是同学们重点关注的内容,学生从环境保护和可持续发展角度分析电池发展方向有助于学生将必备知识与生态环境相关联,树立“绿色化学”思想,形成“化学—技术—环境—社会”和谐共生的价值观念。原电池教学价值维度分析如图1所示。

图1 原电池教学价值维度分析

2.教学目标确立

原电池教学内容位于人教版高中《化学》选择性必修1第四章化学能与电能第一节。《普通高中化学课程标准》中要求学生能认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要作用,促使学生认识到电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是电化学体系的基本要素,建立对电化学过程的系统分析思路,提高对电化学本质的认识。教学中应创设真实情境,组织学生开展基于能量利用需求选择反应、设计能量转化路径和装置等活动,形成合理利用化学反应中的能量变化意识和思路,提升“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

基于《普通高中化学课程标准》要求及学生已有认知水平,结合电源系统在宇宙飞船中起到的重要作用,分析单元教学内容内在逻辑关系,深研学情,确定本单元教学的核心观念、大概念、必备知识间的关系及发展学生学科核心素养即为本单元教学目标,结合《普通高中化学课程标准》相关要求确定两课时完成单元教学目标。单元目标、课时内容及课时目标如表1所示。

表1 “宇宙飞船电源的设计与发展”单元教学目标与内容

3.单元设计构思

单元教学内容紧紧围绕“宇宙飞船电源的设计与发展”主题,以探究实验现象与认知产生冲突展开教学,逐步开展讨论,积累核心知识,建构原电池认知模型,掌握核心概念。学会运用模型解决宇宙飞船电源设计与发展遇到的问题,提升解决问题的关键能力,发展学生学科核心素养。单元设计构思如图2。

图2 单元设计构思

4.教学过程设计

根据前述教学价值分析、教学目标确立、单元设计构思,以及学生在高一学习过的有关氧化还原反应相关知识,以“宇宙飞船电源的设计与发展”作为本单元教学的“大情境”以解决原电池模型构建及运用模型解决实际问题。第1课时以“设计宇宙飞船中供电与由电解质溶液制取纯净水一体化装置”为目标展开,基于实验现象的分析、原电池装置演变史以及建构原电池工作模型,为第2课时用原电池原理分析宇宙飞船电源装置奠定坚实基础。课时1“设计宇宙飞船中供电与由电解质溶液制取纯净水一体化装置”教学流程如表2。

表2 课时1:“设计宇宙飞船中供电与由电解质溶液制取纯净水一体化装置”教学情境、问题活动设计

续表

神舟十三号宇宙飞船自2021年10月16日发射,成功运行6个月于2022年4月16日回归,是在轨时间最长的载人飞船。神舟系列飞船的供电系统,为航天事业飞速发展奠定坚实基础。第2课时以“宇宙飞船电源的设计与发展”为情境开展,教学流程如表3。

表3 课时2:“宇宙飞船电源的设计与发展”教学情境、知识、活动设计

5.单元任务评价

单元任务评价是基于教学活动过程中,学生在实际问题中的行为表现,教师或伙伴对学生的学习过程和结果进行多元评价,即学生在开展探究实验、原理分析交流、真实情境问题提炼等活动结束后,教师对他们的行为表现进行观察记录。表4展示了“宇宙飞船电源的设计与发展”单元任务评价。评价时间与方式不定时且多元化,有助于多角度提升学生实践能力,发展学生学科核心素养。

表4 “宇宙飞船电源的设计与发展”单元任务评价

6.教学效果反思

本单元教学,学生在实验探究过程中利用已有知识设计实验方案,通过分析实验现象与认知产生冲突,反思产生现象的原因分析,生成一系列问题,小组通过宏观、微观结合的核心素养来探究问题所在并推导出解决问题的办法,建构出原电池原理模型,再运用模型分析活动任务,在任务驱动下,学生对已有知识和经验认识更加充分,对已有模型不足之处进行修正,深化对原电池问题要素模型内涵的理解。教学过程中体现以下特点:(1)情境化的课堂教学以情境活动为载体,以模型建构为驱动,以交流修正模型为契合点,以应用模型解决问题为发展点,学习过程是深度学习的进阶过程,经历了“实验—反思—问题生成—探究批判—解决问题”这一学习者思维发生过程,为高阶思维能力的研究奠定了基础。(2)对铜锌单液电池两极均产生气体的深入分析,发展学生审辨性思维,加速形成正确的思维模型。对宇宙飞船电源发展进行思辨,让学生养成合理论证、敢于创新的科学精神和态度。(3)在教学过程中,实施“宏—微—符”三重表征融入教学,既能够增进学生对原电池必备知识的认知,促进大概念的形成,又能够提高学生分析、解决问题的能力,建构化学核心观念。(4)在教学过程中,注重“教—学—评”一体化整体设计。根据真实情境提炼有价值的学科问题,教学活动中通过教师、学生共同研究互相评价学科问题,让学习过程成为发现与寻找的过程,让学习状态向深度进行,让思维模式向高阶转变。评价内容紧扣必备知识,评价任务发展学生高阶思维,评价方式人文而多元,达到教学任务与评价任务、教学方式与评价方式的一致性。

本文系黑龙江省哈尔滨市教育科学“十四五”规划2021年度一般课题“基于学科核心素养的高中复习课‘模课’教学模式探究”(课题编号:HKC21033)阶段成果。