指向深度学习的化学实验项目式教学研究

刘佳奇 林绳轩

杭州师范大学附属未来科技城学校(311121)

化学是一门以实验为基础的自然学科,在中学化学教育中,实验是不可或缺的。《普通高中化学课程标准》倡导“素养为本”的教学,创设真实问题情境,开展以化学实验为主的多种探究活动,通过实验探究培养学生的学科核心素养。但实际教学中,学生自主实验少,教师演示实验多,演示实验对于学生来说是被动接受,是浅层学习,在拓展学生知识和学科思维方面作用不足。为提高化学实验的有效性,本文尝试以项目式教学理念开发实验教学并促进实验深度学习。

1 深度学习

1.1 深度学习的内涵

深度学习是一种基于理解的学习,是对原有知识进行再认识、再构建,并批判性地吸收新知识、新思想,从而将众多的思想联系、迁移,最终做出正确的决策与解决问题的学习[1],是触及知识内核和心灵深处的问题解决式学习[2]。深度学习有助于学习者积极地批判性理解,达成知识网络化,理解知识的现实意义,实现有意义学习。

1.2 深度学习的达成路径

胡久华教授认为挑战性主题、学习目标、学习活动、持续性评价是开展深度学习的4个要素,实现深度学习需要让学生亲历问题解决过程,充分体验实践,充分预设和生成,深度互动,教师指导与讲解到位[3]。

达到化学深度学习需要教师关注学生原有认知结构,研读课程标准,精选研究主题,突出实验探究,进行持续性评价。通过真实情境激发学生的学习兴趣,借助项目式教学、问题解决教学、实验探究教学、议题式教学等方式来实现化学深度学习。

2 指向深度学习的实验项目式教学

项目式教学是以项目驱动问题为出发点,在真实情境中以学生为探究和执行的主体,运用各种工具及资源解决实际问题,产生可以交流的成果或产品。实验项目式教学需突出实验的引领作用,由学生小组合作进行有挑战性的实验探究,获得具有价值的成果或者产品,从而激发学生对未知领导的探索欲、落实学生核心素养、提升学生关键能力和必备品格。

3 项目式实验教学内容要求与教学流程

3.1 课标内容要求

“钠及其化合物”这节课的知识承载培养学生通过实验探究来研究物质性质的一般方法,相关教学能够促进学生对物质分类、氧化还原反应的理解,为学生继续学习其他元素及其化合物、构建物质结构和元素周期律等理论知识奠定基础和提供理论模式。

3.2 项目教学目标

(1) 能够根据结构分析预测实验现象,并会设计实验探究,理解钠的相关反应,会书写相关化学方程式。形成宏观辨识、微观探析、证据推理、科学精神等学科核心素养。

(2) 通过学习钠的相关应用,感受化学魅力,发展社会参与意识。

3.3 教学流程

本项目以钠的性质为知识背景,选择“曾青得钠可否化为铜”这一统领性项目展开探究,将主项目分为6个子项目,环环相扣,逐级进阶。具体流程见表1。

表1 钠与水反应的试验记录

表1 “曾青得钠”教学流程

4 教学实录

4.1 “曾青得铁”

课堂导入:我国早在距今2000余年前的西汉时期,《淮南万毕术》中就有“曾青得铁则化为铜”的记述,此乃现代湿法冶金术之先驱。从现代化学观点理解,“曾青”的主要成分是硫酸铜,今天就让我们继续来研究这个反应,请同学们将其复现。

PPT呈现湿法炼铜的图片。

学生实验1:铁钉与硫酸铜溶液反应

教师:请描述实验现象,思考该反应为什么能够发生?

教师:请用化学方程式赋予最恰当的解释。该反应的类型是什么?

学生:铁钉表面出现了一层古铜色物质,活泼金属可以置换出不活泼的金属。

教师追问:既然活泼金属可以置换出不活泼的金属,“曾青得钠”可否化为铜?请展开思考并进行预测。

学生预测1:①钠可以置换出曾青溶液中的铜单质;②钠不可以置换出曾青溶液中的铜单质。

设计意图:使用古籍引出主项目,具有真实性、趣味性、挑战性,激发学生学习兴趣,并引导学生展开合理预测,推进项目的进行。置换反应是学生初中已经掌握的,在学生已有基础上展开教学,降低入门难度,有助于形成知识结构化。

4.2 观察钠

教师:我们对钠能否置换出曾青溶液中的铜单质具有不同的看法。那么我们先来研究钠,请观察钠单质,归纳其物理性质。

学生实验2:观察钠,切割钠

学生:钠沉在煤油底部,钠与煤油不反应,钠具有金属光泽,钠非常柔软,可以被切割。

设计意图:由宏观视角认识钠的物理性质,符合认识元素的一般思路。

4.3 “氧气得钠”

教师:请注意看刚切开的钠表面的金属光泽很快消失并变暗。请思考为什么?

学生:钠非常活泼,与空气中氧气很快发生了反应。

教师:结合钠单质的结构,请解释。

学生:钠的核外电子排布为2、8、1,最外层的那个电子非常想离开,所以钠具有很强的还原性,非常活泼,可以与氧化剂迅速反应。

方程式:4Na+O2= 2Na2O

教师:如果钠在空气中燃烧会生成什么?

学生实验3:钠与氧气的反应

学生总结实验现象:钠受热后先融化,然后与氧气剧烈反应,发出黄色火焰,最后生成淡黄色固体。

设计意图:初步认识钠的化学性质,观察实验现象,解释反应发生的本质原因,由宏观到微观,符合认知发展的顺序。

4.4 “曾青得钠”

教师:观察完钠后,我们回到主任务,请同学们再次预测实验现象并带着思考进行实验。

学生实验4:钠与硫酸铜溶液反应

实验现象:钠在硫酸铜溶液表面迅速反应,有火星,钠四处乱窜,最终生成蓝色絮状沉淀。

教师:钠不能置换出硫酸铜溶液中的铜,那么蓝色絮状沉淀是什么呢?

学生预测2:蓝色絮状沉淀可能是氢氧化铜。

教师:氢氧根如何检验,为何产生?

学生:使用酚酞检验溶液碱性,可能是钠与水反应产生的。

设计意图:在了解钠非常活泼这一事实性知识后,基于已有认知进行合理预测并进行实验,发展学生的证据推理和科学探究等核心素养,流畅引出下一子项目。

4.5 “水得钠”

学生实验5:钠与水反应

教师:请归纳实验现象,完成表1。

教师:请完成钠与水的化学方程式。

学生预测3:对于气体产物有疑问,到底是氢气还是氧气。

教师:面对产物不全的氧化还原方程式,我们该如何确定产物?

学生:实验出真知。

教师:实验是一个好方法,但是我们也可以根据得失电子守恒来判断,如果产物是氧气,那么参与反应的钠元素化合价升高,水中氧元素化合价升高,不符合氧化还原规律。掌握基本规律有助于我们更深刻地认识化学反应。

化学方程式:2Na+2H2O=2NaOH+H2

教师:思考钠与水反应的实质。

学生:相当于钠置换出了水中的氢元素。

教师:那么请预测钠与稀或者浓盐酸反应是否更剧烈?

学生预测4:稀盐酸和浓盐酸中有更多的氢离子,应该会反应更剧烈。

学生实验6:钠与稀或者浓盐酸反应。

学生:稀盐酸与我们的预测一致,但是钠与浓盐酸反应平稳,速率比在水中还要慢。

学生解释:由微观分析,浓盐酸中电离出的氢离子更少,所以反应更慢,反应实质为2Na+2H+=2Na++H2。

设计意图:充分运用POE(预测—观察—解释)教学策略,发挥学生的主体地位,在做中学。强化宏观—微观—符号间的联系,突出化学反应的本质,促进学生的深度学习。

4.6 再探“曾青得钠”

教师:我们通过实验探究确定钠不能与硫酸铜溶液反应置换出铜单质,那么有没有别的途径由钠制铜?

学生:钠首先和水会反应,或许我们可以创造无水体系进行实验。

教师实验7:钠与熔融硫酸铜反应。

实验结论:钠置换出了黄色物质,经过稀盐酸浸泡,得到固体,确定是铜单质。

学生:钠可以置换出熔融状态下的不活泼金属单质。

实际应用:金属钛被称之为“21世纪的金属”,外观与钢相似、质量却比钢还要轻45%,储量是铜镍铅锌总量的16倍,号称“全球最硬的金属”,可应用于军事、医学等领域。但钛单质在高温状态下变得异常活泼,在提炼的过程中会与空气中的多种物质发生反应。

教师:请同学们根据今天所学,思考如何制备钛单质。

设计意图:在学生进行系列化的项目式试验后,确定“曾青得钠”也可以置换出铜,体会科学求真的乐趣。了解钠在金属冶炼中的应用,在项目式实验中实现深度学习。

5 教学反思

本课例以“曾青得钠”为实验项目展开一系列的探究,由学生主动将具有挑战性的总项目分为6个子项目,将钠与氧气、水、盐酸、硫酸铜溶液等一系列实验串联起来,层层递进,最终解决实际问题。在思考与项目化实验中,达成实验的深度学习,实现学科核心素养落地。关于达成深度学习的项目式实验教学有如下思考。

5.1 关注学情与课标

教师需纵向分析学生的“过去—现在—未来”。关注过去:了解学生已经学习的知识内容和认知结构,确定课堂深度学习的“起点”。掌握现在:在学生的生活经验与学习内容之间搭建桥梁,更好地帮助学生实现对知识的理解、分析、应用和迁移。把握将来:引导学生建立“将有”与“已有”知识、经验和能力之间的内在关联。“横向”分析学习内容的“课标要求—教材内容—评价目标”,教师将学情与学习内容进行匹配,确保深度学习的内容契合自己学生层次,顺利开展深度教学。

5.2 寻找统领性的实验项目主题

实验项目主题是展开项目式教学的核心所在,是驱动学生学习的关键。教师需要参考教材和课程标准中的实验要求,结合实际实验条件开发具有统领性、趣味性、真实性、挑战性、发散性的系列化项目式实验。本文以“曾青得钠”为实验项目展开一系列的探究,将钠与氧气、水等一系列实验串联起来,在项目式主题统领下学生自然而然地过渡到下一个子实验。在碳酸氢钠和碳酸钠的实验教学中,设置“超市中的苏打产品鉴别”这一统领性实验项目,引导学生探究它们的鉴别方法,展开系列化的实验探究。

5.3 注重学习进阶

项目式实验教学中,项目难度需要有梯度,有进阶。学生小组将有挑战性的总项目进行分解得到多个子项目,子项目间需要环环相扣,明线包含知识的深入,暗线包含学科方法、思想的进阶。教师在进行教学设计时即进行充分预设,课堂上进行一定的引导,关注学生的课堂表现,促进学生知识和思维的进阶。

5.4 强化POE教学策略

POE教学策略包含预测(Predict)、观察(Observe)和解释(Explain),在学生进行实验项目式学习中,学生能根据物质的结构和性质预测可能发生的实验现象,并小组进行实验设计进行验证,最后得出自己的解释。预测—观测—解释三个环节顺序可以有所变化,在这种教学模式下,可促进学生的证据推理、实验探究和科学精神等核心素养。