指向核心素养的5E教学模式在高中化学教学中的应用

李晓婷 黄艳妮 莫秀庆 张梅毓 曹婷雯

【摘要】本文阐述5E教学模式的内涵，从核心素养培养的视角提出以情景引入（Engage）切换至迁移（Extend）应用、以探究（Explore）发现实现科学解释（Explain）、以评价（Evaluate）反思测评素养发展情况的5E教学策略，以教学“铁及其化合物”为例，阐述该教学模式在高中化学教学中的应用途径，旨在发展学生核心素养，促进深度学习。

【关键词】核心素养 5E教学 化学教学 铁及其化合物

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）29-0076-05

核心素养勾勒了未来人才形象，“深度学习”为人才培养提供了路径。然而，学科核心素养的潜在性、内隐性、复杂性、综合性导致其既不能通过机械训练获得，又难以进行直接观测。5E教学模式为核心素养的培育提供了一种新视野和路径。阿特金-卡普拉斯（Atkin-Karplus）由学习环拓展而来的5E教学模式是由引入（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、迁移（Extend）和评价（Evaluate）等5E环节构成的。指向核心素养的5E教学模式以核心素养培养为目的，通过5E环节以点连线、以线结面形成学习支架，并基于学习支架开展以情景引入（Engage）切换至迁移（Extend）应用、以探究（Explore）发现实现科学解释（Explain）、以评价（Evaluate）反思测评素养发展情况等一系列教学活动。这种5E教学模式为学生的深度学习和核心素养培养提供了路径。

一、指向核心素养的5E教学策略

在具体教学中运用5E教学模式时，主要通过两种方式进行教学设计。一是在5E教学模式每个环节都选取合适的认知工具，如在引入环节运用英雄主义联想和故事等认知工具、在探究环节运用现实局限与极限经验等认知工具。二是将5E教学模式的五个环节看成一个整体，将引入（Engage）环节作为认知工具，引导学生基于情景资料创设问题情境，运用归纳与概括、模型与建模等方法进行合作探究，解决认知冲突，建构科学概念。然而，在核心素养视野下，5E教学模式如何培养核心素养以及诊断核心素养的培养情况却尚未明确。因此，本文以核心素养为视角，以评价（Evaluate）为手段，通过在教学中诊断和在诊断中教学，促进核心素养培养，就此提出以下5E教学策略。

（一）以情景引入（Engage）切换至迁移（Extend）应用

以情景引入（Engage）切换至迁移（Extend）应用是学习迁移的过程。化学知识看似零散，但借助学习迁移可引导学生重构知识结构，把握知识的逻辑规律。如在引入（Engage）环节以兴趣为触发点，利用“用铁锅炒菜能不能补铁”“补铁剂的铁是什么价态的”等问题创设问题情境，引發认知冲突，促使学生思考，自然过渡至下一环节，为接下来探究（Explore）与解释（Explain）环节提出“是Fe3+还是Fe2+起到补血作用”问题做好铺垫，从而自然过渡至迁移（Extend）环节；经回顾实验情景思考“制备FeSO4溶液时为何要加入过量的铁粉”，创设“FeCl3可用于制作印刷电路板”情景，迁移（Extend）应用所学的Fe2+、Fe3+互相转换来诱发迁移动机与解决问题，培养迁移习惯，消除定式思维，从浅层学习过渡至深度学习。

（二）以探究（Explore）发现实现科学解释（Explain）

以探究（Explore）发现实现科学解释（Explain）是自然科学研究的路径。在探究（Explore）环节中引导学生发现问题或在师生互动中提取突发问题，学生通过探究和讨论参与知识建构过程，科学解释（Explain）科学本质。如实验探究后，引导学生思考为何有“灰绿色—红褐色沉淀”现象变化，顺利过渡至科学解释（Explain）Fe（OH）2的制备方法；从师生互动探讨“极少量的Fe3+检验不出来”“KSCN溶液不能用于检验Fe2+”等问题，顺利过渡至科学解释（Explain）“Fe3+检验方法”和“用KSCN溶液检验Fe2+”等内容，有助于学生理解记忆知识并形成迁移思维，由表及里地剖析科学本质。

（三）以评价（Evaluate）反思测评素养落地

核心素养的发展存在主观性强、数据类型单一等测评困难。评价（Evaluate）反思是测评素养落地的一种途径。以表现性评价为手段，在引入（Engage）情景中，以档案袋、学历案、学习日志等方式获取探究（Explore）、解释（Explain）Fe3+与Fe2+的检验方法与相互转化途径，并将其迁移（Extend）运用于解决生活问题的学习过程表现，评价学生在科学探究、小组讨论、小组评价等活动中表现出的知识掌握、合作互动、问题解决等能力，并基于核心素养发展水平量化评价素养落地情况，促使素养内隐特质外显，促进深度学习。

二、5E教学案例——“铁及其化合物”

“铁及其化合物”为人教版高中化学必修第一册第三章第一节的内容，主要学习铁及其化合物的性质。因铁元素化合物种类繁多，本节知识点相对杂乱零散，这是学生学习和记忆本节知识的难点。为帮助学生突破学习难点，本课例基于Fe、Fe2+、Fe3+的“铁三角”模型，采用5E教学模式，以生活中铁元素的情景引入（Engage）切换至“从体验到知识内化”的迁移（Extend）应用，以《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中提及的多样化实验探究（Explore）实现从感性到理性的科学解释（Explain），以多维度切入和多方式评价（Evaluate）反思测评学科核心素养发展情况，转变学生学习方式，为后续学习做铺垫。

（一）素养目标

1.从宏观现象辨识实验表征，从微观动画探秘Fe2+与Fe3+，培育“宏观辨识与微观探析”素养。

2.以讨论互动评价活动，探秘化合价变化规律，探秘Fe、Fe2+、Fe3+相互转化的途径，培育语言表达能力，强化“变化观念与平衡思想”素养。

3.以Fe2+与Fe3+系列实验，培养实验操作、收集处理信息、科学辨伪等能力，培育“科学探究与创新意识”素养。

4.经实验探究Fe2+与Fe3+相转换的历程，构建“铁三角”模型，培育“证据推理与模型认知”素养。

5.以“用铁锅炒菜能不能补铁”情境，培养质疑和问题解决能力，感知学科价值，培育“科学态度与社会责任”素养。

（二）教学思路

基于5E教学模式，依次由引入（Engage）创设问题情境并培养质疑能力；由探究（Explore）与解释（Explain）开展合作探究与问题解释，引发认知冲突，发展证据意识与问题解决能力，培养核心素养；由迁移（Extend）所学的Fe2+、Fe3+相互转换来诱发迁移动机，培养迁移习惯，消除定式思维，从浅层学习过渡至深度学习；由评价（Evaluate）学生在科学探究、讨论评价等活动中表现出的知识掌握、合作互动、问题解决等能力，深度测评素养发展情况。

（三）教学过程

课前评价：批阅和评价学历案。

1.环节一：引入（Engage）

情境创设：铁元素是身体里不可或缺的微量元素，缺铁会导致缺铁性贫血。你听说过“用铁锅炒菜能补铁”吗？这是真的吗？

播放新闻：铁锅中的铁元素是Fe3+，含量较少。

设疑：Fe3+能否补铁？药店中的补铁剂也有补铁作用，请通过实验探究对人体起作用的是不是Fe3+。

【设计意图】创设“用铁锅炒菜能不能补铁”的问题情境，使学生产生认知冲突并提出质疑，为开展“探究补铁剂中起到补铁作用的是什么”实验探究、培养质疑能力铺垫。

2.环节二：第一次探究（Explore）—解释（Explain）

补充资料：补铁剂中除铁元素外，还有其他金属元素，其密封性良好没有过期。

提出问题：对人体起补铁作用的是不是Fe3+？

做出假设：假设补铁剂中含有Fe3+。

制订计划：1.用蒸馏水溶解稀释补铁剂颗粒；2.取1—2 mL溶液于试管并加入NaOH溶液。若溶液中生成红褐色沉淀，则补铁剂中存在Fe3+；若溶液中先生成白色絮状，白色絮状物再变灰绿色，久置后变成红褐色沉淀，则补铁剂中存在Fe2+。

课中评价：师生评价实验的可行性。

学生活动：利用FeCl3溶液、新制FeSO4溶液、补铁剂、NaOH溶液等实验药品，展开小组讨论并开展探究实验，按实验操作、现象、结论的顺序进行表述。

课中评价：教师巡堂检查学生的实验情况，实验结束后评价实验情况，点评并纠正错误实验操作。

汇报：实验结束后，汇报观察到的实验现象和所得結论（如表1所示）。

提问：思考实验中灰绿色絮状物变为红褐色沉淀现象说明了什么？

思考与交流：Fe（OH）2容易被氧化，那么在制备时应该用什么方法避免其被氧化呢？

解释：避免Fe（OH）2在制取时被氧化的措施有三个。一是用煮沸法除去蒸馏水中的O2再配制FeSO4溶液；二是有机层覆盖法即用植物油、苯或煤油进行液封；三是用N2等不活泼气体将装置内空气排尽后，再将FeSO4与NaOH溶液混合。

课中评价：教师利用“班级优化大师”软件为发言小组加分。

学生活动：根据补铁剂和NaOH反应现象与新制FeSO4和NaOH反应现象相同，思考并证明补铁剂中含有Fe2+。

学生活动：提出疑惑。补铁剂中含有Fe2+较多所以被检验出来了，但可能也含有少量Fe3+未被检验出来。

【设计意图】小组探究并结合实验现象进行分析解释；主动发现问题，认识到当假设与事实不一致时要进一步修改实验方案并探究，发展证据意识、问题解决能力，培养宏观辨识与微观探析素养，思维能力获得提升。

3.环节三：第二次探究（Explore）—解释（Explain）

教学过渡：有同学说有可能Fe3+和Fe2+都能补铁，补铁剂中有可能含有极少量的Fe3+未被检验出来。那么是不是真的有极少量的Fe3+呢？如何才能检验出来呢？

补充资料：KSCN溶液能把溶液中极少量的Fe3+检验出来，KSCN溶液只能与Fe3+反应使溶液变红。

课中评价：教师评价实验的可行性。

学生活动：实验探究。取FeCl3溶液、新制FeSO4溶液、补铁剂溶液各1—2 mL，分别滴加2—3滴KSCN溶液，观察现象。

课中评价：教师巡堂检查实验情况，实验结束后评价实验情况，点评并纠正错误实验操作。

汇报：实验结束后，汇报实验现象和所得结论（如下页表2所示）。

表达与交流：根据实验现象讨论交流得出结论。

课中评价：教师利用“班级优化大师”软件为发言小组加分。

学生活动：验证补铁剂中是否含有Fe3+。往1—2 mL稀释补铁剂溶液中滴加2—3滴KSCN溶液，溶液无明显变化，思考并得出补铁剂中不含Fe3+的结论。

提问：有同学认为，往1—2 mL新制FeSO4溶液中滴加2—3滴KSCN溶液，溶液无明显变化，说明KSCN溶液只能用于检验Fe3+，不能用于检验Fe2+。这是真的吗？

学生活动：学生思考并回答。

追问：加入氧化剂和KSCN溶液的先后顺序对检验溶液中是否含Fe2+有影响吗？

学生活动：思考并回答。学生认为滴加顺序有影响，应该先加KSCN溶液检验原溶液中是否存在Fe3+，再加氧化剂。

解释：要检验无色溶液中的少量Fe2+，先加KSCN溶液，排除Fe3+的干扰。如果先加氧化剂再加KSCN溶液，就不能判断是Fe2+被氧化成的Fe3+与KSCN溶液反应使溶液变红，还是原溶液中的Fe3+与KSCN溶液反应使溶液变红。

学生活动：收集、分析数据，得出结论。补铁的是Fe2+，铁锅炒菜不能补铁。

讲解：铁补剂通常与维生素C一起服用，以促进身体对Fe2+的吸收。生活中常见的猪肉、羊肉、鱼、虾、贝类等食物中含有丰富的铁，而水果和蔬菜中则含有较多的维生素。在日常生活中需要均衡饮食，保证微量元素的摄入。

【设计意图】引导学生发现问题并提出质疑，对“如何用KSCN溶液检验Fe2+”问题进行探讨发言，加深理解。通过实验一步步收集信息，证实“用铁锅炒菜不能补铁”，发展合作探究意识，提升收集信息能力与解决问题能力，培养科学探究与创新意识素养。

4.环节四：迁移（Extend）

思考与交流：为何在新制FeSO4溶液时要加入过量的铁粉？

學生活动：小组讨论并回答。加入过量铁粉能把Fe3+还原成Fe2+，防止Fe2+被氧化成Fe3+（2Fe3++Fe=3Fe2+）。

情景应用：FeCl3可用于蚀刻五金，如钟表、电子元件、标牌铭牌等；FeCl3溶液可用于制作印刷电路板。这其中就涉及Fe3+与Fe2+的转化。请写出该离子方程式。提示：印刷电路板里含有铜。

学生活动：书写方程式。Cu+2Fe3+=2Fe2++Cu2+。

提问：还原剂、氧化剂具体有哪些？

学生活动：学生思考后作答。

课件展示：还原剂——Fe、Cu、S2-、SO32-、I-、维生素C等；氧化剂——Cl2、O2、HNO3、H2O2、KMnO4等。

【设计意图】通过回顾实验、在情境中运用知识和提问总结，体会化学知识的用处和学习化学的意义。检验学生对本节课所学知识的掌握情况，进而完善Fe3+与Fe2+相互转化的认识模型，培养证据推理与模型认知素养。

环节五：评价（Evaluate）

评价总结：本课通过实验证伪、问题解决，学会了Fe3+与Fe2+的检验和相互转化方法，请概括本节内容并谈谈感受。

学生活动：分享收获与体会。

课中评价：教师评价学生发言和课堂表现情况。

课后评价：对实验报告、练习册、测试进行质量评价。

【设计意图】给予学生发表看法和收获的机会，直观呈现其对知识的掌握程度以及疑难点，评价测评教学目标和素养达成目标的掌握情况，促进深度学习。

三、5E教学模式的实施效果与反思

实践一段时间后，笔者以兴业高级中学2021级四个班的学生为对象研究5E教学模式对化学教学的影响，共发放200份调查问卷，回收有效调查问卷198份，有效问卷回收率99.00%。

在“引入（Engage）—迁移（Extend）”调查模块中，有91.41%的学生认为实验引入或STSE（科学、技术、社会、环境）素材引入可以激发兴趣并提高问题意识，分别有53.03%、46.46%的学生认为应结合知识解释生活现象，在新环境和新情境中去实践、验证、应用。这说明5E教学模式既基于生活生产中熟悉的情境导入新课，又依托授课内容在情境中解决实际问题，培养了学生的质疑能力与科研探究能力。

在“探究（Explore）—解释（Explain）—评价（Evaluate）”调查模块中，88.89%的学生有亲身体验探究历程的经验；有91.41%的学生完善实验结果并对实验现象及结论做解释，仅有5.05%的学生对实验设计可行性和有效性进行解释；在可多选的评价方式调查中，有69.70%的学生愿意通过传统提问反馈的方式获得评价，有53.03%的学生愿意通过笔试测试的方式获得评价，有40.91%的学生愿意从小组中获得评价，有21.72%的学生愿意通过自我评价的方式获得评价。以上数据说明，5E教学模式在探究（Explore）、解释（Explain）环节获得了大部分学生的认可，然而大部分学生重点关注结论解释，仅有少部分学生能以质疑眼光审视实验设计的可行性和有效性，可见评价（Evaluate）方式需要多样化，这说明科学探究的优化深度不够、实验创新不足。因此，教师可以在科学探究中侧重关注探究（Explore）、解释（Explain）、评价（Evaluate）等环节的连续性，实施诊断教学，不断优化探究过程，使学生形成良好的科学探究习惯，由浅层学习迈向深度学习。

5E教学模式每个环节都是相辅相成、环环相扣的。整体而言，有97.98%的学生认为5E教学模式能有效提升科学探究能力，特别能使探究思路更清晰、探究更高效（如图2所示）。同时，大部分学生认为自己的化学学科核心素养获得一定程度发展，认为“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新意识”素养获得发展的学生高达96.97%（如图3所示），可见5E教学模式能有效促进学生核心素养的培育。因此，教师可举一反三，尝试在类似科学探究课例中推广运用该教学模式。

综上所述，将5E教学模式运用于教学实际能促进学生核心素养发展，切实达成深度学习。在指向深度学习的5E教学模式中，一要增强5E环节的整体连贯性，重点关注探究（Explore）、解释（Explain）、评价（Evaluate）等活动的有效衔接，使探究行之有效，方能使学生核心素养获得发展；二要增设问题串，在“引入（Engage）—迁移（Extend）”中以问题串为媒介，由浅入深地剖析问题，挖掘内容深度，开拓科学思维，增强创新意识；三要优化评价（Evaluate）方式，以课堂观察、课堂问答、笔纸测试等多种方式引导学生自我评价，使学生能以质疑眼光审视实验设计的可行性和有效性，增强问题解决意识，促进深度学习。

参考文献

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［2］杨玉琴，王彦青.化学学科核心素养的发展机制及教学逻辑［J］.化学教学，2021（6）.

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注：本文系大学生创新训练项目“核心素养导向下中学化学跨学科单元作业设计”（202210609061）、大学生创新训练项目“旨向深度学习的任务驱动式化学学历案设计与实施”（202310609145）、广西教育科学规划专项课题“旨向深度学习的初中化学系列作业的优化设计与创新评价”（2022ZJY1165）的研究成果。

作者简介：李晓婷（1998— ），广西兴业人，本科，研究方向为化学教育；莫秀庆（1993— ），通信作者，广西柳州人，硕士，讲师，研究方向为化学课程与教学论；黄艳妮（2000— ），广西田东人，本科，研究方向为化学教育；张梅毓（2002— ），山东诸城人，本科，研究方向为化学教育；曹婷雯（2001— ），广西桂平人，本科，研究方向为化学教学法。

（责编 林 剑）