“问题—探究”模式下的深度学习——以硝酸的性质教学为例

张金伟 吴 飞

(浙江省衢州第三中学)

深度学习是师生在教学过程中的灵魂碰撞,是一趟智慧之旅,它以培养学生核心素养为根本追求,以落实立德树人、培养全面发展的人才为出发点和落脚点。深度学习是学生在教师的帮助和指导下,围绕着具有较高挑战性的学习主题进行全面的学习,是思维、感知、情感、意志和价值观充分参与的活动,也是学生形成核心素养的基本途径。新课程改革倡导学生主动参与、勤于动手、乐于探究,培养获取新知识的能力、分析和解决问题的能力及交流与合作的能力,某种意义上讲就是提倡深度学习。问题是思维的起点,没有问题便没有思考的欲望,以问题为导向,引导和激发学生自主探究即“问题—探究”模式是深度学习发生的有效教学模式。

1.深度学习培养学生高阶思维,促进学生自我价值的实现

深度学习是指在有意义的教学过程中,学生在素养导向学习目标的引领下,聚焦引领性学习主题、展开有挑战性的学习任务与活动。深度学习注重主动的理解、联系和结构的建立、基本原理的追求、相关证据的权衡、批判思维和应用等高阶思维培养的同时以立德树人为根本目的,使学生成为既有扎实学识基础又有独立思考能力,善于合作、有社会责任感、具备创新精神和实践能力、能够创造美好未来的社会实践的主人。深度学习的特征见图1。指向核心素养的深度学习模型包含六要素:素养导向的学习目标、挑战性学习任务、引导性学习主题、持续性学习评价、开放性学习环境、反思性学习改进。图2反映了六要素在时间和空间上的相对位置,开放性学习环境围绕着素养导向的学习目标,挑战性学习任务,引导性学习主题,持续性学习评价四要素,反思性学习改进在学习活动进行之后开展。

图1 深度学习的特征

图2 深度学习模型六要素

深度学习立意高远,从促进学生的全面发展的角度来谈学习,强调教为主导、学为中心、素养为本。随着课程改革的不断推进及核心素养的提出,高中化学教学要求学生学会主动学习、学会思考问题、学会迁移和应用,这都需要学生将浅层次的学习转变成深度学习。相较于浅层学习而言,深度学习最为明显的特征便是更加重视学生的实际学习过程以及高阶思维的培养,加深学生对知识的理解程度。浙江省特级教师任学宝老师曾提出:如何让“深度学习”发生,其主要观点可以用图3表示:

图3 深度学习的发生

2.“问题—探究”模式有效促进深度学习的发生

传统的教学模式下,教师与学生一问一答,一问集体答,问题间没有关联和系统性,学生对问题的处理容易随意和主观,这种模式下,教师容易变成机械式的知识“倾灌”者,学生容易成为麻木的知识接受者,学习停留在浅层次。《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)(以下简称化学新课标)明确指出要在高中化学教学中培养学生的化学核心素养,其中培养学生应用知识解决实际问题的能力,培养学生的探究精神,更需要教师在教学时引导学生进行探究。高中阶段的学生认知水平已经足够支撑学生进行互动探讨活动,通过不同的观点来激发学生的探索欲望,从而实现良好的教学效果。化学课堂教学过程应该是不断发现问题、解决问题的思维过程,在中学化学课堂教学中教师创设恰当的情境,通过问题引发学生认知的冲突,引导学生积极主动地在“起疑—合作—探究”过程中发现问题、解决问题,习得知识和提高能力,在这种紧张而又热烈的螺旋式递进氛围中交流、探究,达到认知的建构,从而提高学科素养,培养思维品质,由此我们提出了“问题—探究”教学模式,该模式促进深度学习的发生。“问题—探究”模式下的深度学习的一般环节和教学流程图如图4:

图4 “问题—探究”教学模式的一般环节和流程图

(1)创设情境 提出问题

(2)小组合作 探究讨论

(3)问题驱动 促进引导

(4)成果展示 互评自评

(5)总结归纳 反思升华

3.“问题—探究”教学模式实践——以硝酸的性质教学为例

3.1 教学过程设计

硝酸强氧化性的理解是本课的重难点,本课的目标在于能从物质类别、元素价态的角度,依据复分解反应和氧化还原反应原理,分析预测硝酸的化学性质和变化,通过设计实验进行探究验证,并能分析、解释有关实验现象。通过设计驱动问题串,激发学生自主分析探究,教师再给予恰当的引导和评价,让硝酸强氧化性的性质的认知得以构建,培养学生的化学核心素养,图5为硝酸性质的教学设计流程。

图5 硝酸性质的教学设计流程

3.2 “问题—探究”教学模式实践

【驱动问题1】硝酸是一种重要的化工原料,也是一种重要的化学试剂。安徽华尔泰有限公司硝酸产能居全国前茅,此公司工作人员在用某种型号的不锈钢储存稀硝酸时,发现硝酸变绿而储存浓硝酸却不会,参考学过的浓硫酸性质,以及价态规律预测以上问题与硝酸的什么性质有关?

【PPT】不锈钢,是不锈耐酸钢的简称,它是含有多种元素的铁基合金,耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢,耐化学腐蚀介质(酸、碱、盐等)腐蚀的钢种称为耐酸钢。不锈钢中的主要合金元素是Cr(铬),当Cr含量在一定范围增加时,钢材耐蚀性增强。因此,不锈钢一般Cr(铬)含量至少为10.5%。不锈钢中还含有C、Ni、Ti、Mn、N、Nb、Mo、Si、Cu等元素。

【学生分析】用不锈钢储存稀硝酸,稀硝酸发绿,可能是稀硝酸与金属(Cr,Ni或者Fe)发生反应,而浓硝酸也具有酸性却没有变质,可能是发生了类似于浓硫酸的钝化。

【设计意图】创设情境,引发认知冲突,把核心知识内容改编为可供学生探究的问题,提出驱动问题,使核心内容有了逻辑起点,激发学生探求知识的欲望。

【驱动问题2】钝化的本质是什么呢?

【学生分析】强氧化性

【驱动问题3】浓硝酸具有强氧化性?稀硝酸是不是就和稀硫酸一样一定没有强氧化性呢?请设计实验验证硝酸的强氧化性?

【学生分析】参照浓硫酸有强氧化性能与不活泼金属反应,设计硝酸与铜的反应,硝酸与铜反应没有氢气产生,硝酸中+5价氮降价。

【教师】考虑到低价氮的化合物可能会污染环境,用试管做实验时应该怎么处理呢?

【学生】用蘸有NaOH溶液的棉花堵住管口。

图6 铜与浓硝酸反应

图7 铜与稀硝酸反应(右图为反应约1 min)

【实验探究】铜与稀硝酸反应缓慢,产生无色气体,无色气体遇空气后变成红棕色;铜与浓硝酸反应更剧烈、铜片溶解、生成大量的红棕色气体。

【教师】根据现象写出相关方程式。

【学生分析】依据实验结果说明稀硝酸和浓硝酸都能与铜反应,在反应过程中+5价氮降价,表现氧化性,稀硝酸和浓硝酸都能把单质铜氧化为+2价,在两个反应中硝酸既有酸性也有氧化性。

【设计意图】通过驱动问题2和3的设置,激发学生分析问题,自主探究。学生在兴趣的驱动下,能够利用教材内容,自主去探索、去体验、去发现,主动参与获得知识的过程,在探究学习中,学生经历独立思考,遇到阻碍与疑惑时,用自己的大脑思考问题、设计方案,用自己的双手去感知,培养学生证据推理与模型认知,科学探究与创新意识等学科核心素养。

【驱动问题4】稀硝酸和浓硝酸氧化性哪个更强?

【学生分析】可以比较浓硝酸和稀硝酸的还原产物的化合价,浓HNO3中的氮从+5价降为+4价,而稀HNO3中的氮从+5价降为+2价,从化合价变化可以判断稀硝酸的氧化性比浓硝酸强。

【教师】那么我们比较等物质的量的钠和镁与足量氯气反应,钠和镁哪个失去的电子数多呢?

【学生】镁多些。

【追问】那是否可以说镁的还原性比钠强呢?

【学生】(思索后)好像不能。

【教师】对,在反应中氧化性强弱与得电子多少无直接对应关系,而是由得电子难易决定,稀硝酸比浓硝酸降价更多,也就是在反应中的稀硝酸比浓硝酸得电子数更多,不能作为判断氧化性强弱的依据。在实验中我们能看到铜与浓硝酸反应现象剧烈而铜与稀硝酸反应缓慢,说明浓硝酸得电子能力更强,氧化性更强,事实上,硝酸浓度越大氧化性越强。我们也再次体会到物质的浓度发生改变时性质也会发生改变,这也是哲学中所说的量变引起质变。

【教师】常温下,铁、铝遇浓硝酸会在表面生成致密的氧化膜而发生钝化,所以可以用铁质或铝质容器盛放冷的浓硝酸。

图8 铁与浓硝酸(常温)

图9 铁与稀硝酸(常温)

【教师】请分析铁与稀硝酸的反应情况,写出相关化学方程式。

【教师】我们回过头来看安徽华尔泰有限公司工作人员在用某种型号不锈钢储存硝酸时遇到的问题。

【学生】用不锈钢储存稀硝酸,稀硝酸发绿,浓硝酸不变质都是强氧化性导致的。

【设计意图】驱动问题4是对核心知识深度理解的一个抽象的理论问题,教师与学生围绕此核心问题,进行对话交流探讨。此探究过程在教师的适时引导及与同伴的交流、讨论、合作下,学生们共同思考、解决问题,并且学生将新获得的知识慢慢地同化到旧知识的体系中,与已有的知识进行有效融合。在新知与旧知的不断冲击下,在问题解决的过程中学习,实现知识的建构。

【驱动问题5】硝酸氧化性具体是哪个微粒体现的呢?

【教师】请验证你的预测。

【实验探究】在硝酸钠中加入铜粉,观察到无明显现象。

【教师】请验证你的预测。

【实验探究】在硝酸钠中加入铜粉,再滴入适量硫酸或盐酸。

【设计意图】驱动问题5让学生再次体验“预测,验证,结论,再调整预测,再次验证直到得出科学结论”的探究物质性质的一般方法,该环节不仅让学生从宏观的角度探究硝酸的强氧化性,也从微观角度探析了硝酸氧化性本质,培养学生证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

4.教学反思

在教学实践过程中,我们发现“问题—探究”教学模式不仅可以提高学生学习化学的兴趣,有效提升学生的问题意识,培养学生的探究能力,也有利于学生成绩的提高,同时对教师也提出了更高的要求。教学之后,我们也陷入了深深的反思。

4.1 对“问题”的反思

创设什么样的问题情境或者提出什么样的问题才能激发学生的求知欲望呢?该模式是以“问题”作为先行组织者,以“探究”为核心,以“解决”为落脚点的教学过程。“问题”是学生自主探究的动力,那么问题的来源和种类教师该如何把握呢?是以学生提出问题还是教师提出问题为宜呢?实践中也发现教师提出了问题,但对学生而言却有些突然,他们不明白为什么要提出这样的问题。因此什么时候提出问题、提出什么样的问题、怎么提出问题,对教师而言也是一种挑战和提升。

4.2 对自身的反思

读懂学生、尊重学生,这是我们在实践中最大的反思。站在学生的立场上思考问题,从学的角度理解如何教,是我们教师亟需修炼的内功。问题引不起学生的兴趣,探究激不起学生的欲望,说明教师在备课时脱离了实际。时代在变,学生的成长环境在变,教师唯有俯下身来,与学生平等交流,了解其所需,才能设计出符合学生需要的学习任务。

教师设计具有挑战性的学习任务,引领学生进行深度水平的探究。在师生深度互动中实践、讨论、质疑、反思,达到解决陌生问题、发展学科核心素养的目的。虽然在实践过程中会出现这样或那样的问题,但“问题—探究”教学模式还是促进深度学习的有效策略。本文是在化学新课标的引领下,教师对教学的一次有益尝试和创新,希望对各位同仁有所启发。教无定法,学无止境,对于教师来说,学习一直在路上。