基于學科核心素養的初中化學科學探究

夏建華+楊靜

摘要：以“探究鋁和稀鹽酸、稀硫酸反應”為例，運用翻轉課堂的教學模式，開展了基于學科核心素養的科學探究。將科學探究的部分環節置于課前輔之于微課完成，課堂上主要進行猜想的分析、方案的論證、進行實驗、解釋與結論，并用POE教學策略進行拓展延伸，最后以中考真題進行鞏固提高訓練，提升了科學探究的品質，促進了學生化學學科核心素養的提升。

關鍵詞：化學學科核心素養；科學探究；翻轉課堂；案例研究

文章編號：1005–6629（2017）5–0046–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學學科核心素養是學生發展核心素養的重要組成部分，反映了社會主義核心價值觀下化學學科育人的基本要求，全面展現了學生通過化學課程學習形成的關鍵能力和必備品格。化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”5個維度。這些核心素養既適合高中化學，又涵蓋初中化學。

初中化學教學中如何落實“素養為本”的課程理念，是當前化學教學研究的重要課題。本文以“探究鋁和稀鹽酸、稀硫酸反應”為例，運用翻轉課堂的教學模式，創設真實的問題情境，引導學生開展以化學實驗為主的科學探究活動，探索基于學科核心素養的科學探究基本模式。

1 教學基本思路

本節課的教學對象是已學過金屬和酸的化學性質等相關知識的初三學生，學生在學習金屬的化學性質時已經知道在金屬活動性順序中位于氫前面的金屬能置換出稀鹽酸和稀硫酸中的氫，生成氫氣，但是鋁和稀鹽酸以及稀硫酸反應時的現象卻不同，本課題設計的教學意圖是讓學生通過科學探究來解決這一認知沖突，教學目標有以下三點：一是深化前面學習時建構的“酸的概念”和酸的化學性質知識；二是學會從物質的組成和結構角度解釋宏觀現象，培養宏觀辨識與微觀探析的學科素養；三是讓學生體驗科學探究的過程、學習科學探究中發現問題、提出猜想、運用控制變量思想設計實驗的基本方法，落實義務教育化學課程標準中對科學探究既是學習方式，又是化學課程的目標和重要內容的期待。教學思路如下：

1.1 課前——觀看微課發現問題、提出猜想、設計實驗方案

學生在課前觀看教師制作的微課（見表1），觀察到鋁和稀鹽酸、稀硫酸反應現象明顯不同，學生根據教師在微課中的友情提示，獨立地提出猜想，并設計實驗方案進行驗證。

1.2 課堂——科學探究（續課前）、拓展延伸、鞏固提高

1.2.1 科學探究

學生分組對各自提出的鋁和稀鹽酸、稀硫酸反應現象不同的猜想進行討論，找出合理猜想。

學生對合理猜想的方案設計進行論證，優化方案。

學生按照優化后方案進行實驗，得出結論。

1.2.2 拓展延伸

運用POE教學策略，讓學生預測、觀察和解釋：密閉容器內鋁和稀鹽酸反應過程中氣壓會如何改變？

1.2.3 鞏固提高

運用中考真題強化學習效果，布置作業（翻轉課堂平臺展示）。

本節翻轉課堂的科學探究過程中各要素及其行為主體結構如圖1。

2 主要教學過程

2.1 課前觀看微課，提出猜想，設計實驗方案

學生課前在翻轉課堂平臺上自主觀看微課，發現鋁和稀鹽酸、稀硫酸反應現象明顯不同，提出猜想并自主設計實驗方案。

2.2 課堂完成探究，得出結論

2.2.1 展示猜想，找出合理猜想

學生分組對這六種猜想的合理性進行討論，然后各組推薦一名代表匯報交流。通過討論，學生發現微課中的實驗是在室溫下做的，取了大小相同（表面積相同）的鋁片，所以猜想④、⑤不合理；學生查閱溶解性表發現硫酸鋁可溶于水，所以猜想⑥不合理；剩下的①②③即為較為合理的猜想。

2.2.2 對猜想①、②設計的實驗方案進行論證

針對猜想①、②，教師展示了多個學生的方案，通過翻轉課堂云平臺下發到學生的平板電腦上，學生分組對各種實驗方案進行評價和完善，然后各組推薦一名代表匯報交流，最后在教師的引導下對各種方案進行科學合理的評價，并優選出可行的方案。

驗證猜想①：學生設計的幾個具有代表性的實驗方案如下：

在交流和互動的過程中，教師有針對性地引導學生對有關方案進行分析和評價。

教師：在設計對比實驗時，常常采用控制變量的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題。每一次只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對反應的影響。請同學們根據控制變量的方法對上述方案進行評價。

學生在討論中對這三種實驗方案進行了分析與比較。

學生A：方案二和方案一相比，控制變量的方法運用得較好，如控制了鋁的表面積、反應的溫度等。相比這下，方案一不夠嚴謹。

學生B：方案三的特點是設計了兩種酸的濃度在三種不同情況下（相等、大于和小于）的方案，雖然步驟較繁，但是更為嚴謹（學生設計此方案是受到了濃硫酸特殊性的影響，排除了特殊濃度的酸的特性的影響）。

學生C：在方案三的基礎上我又提出方案四：控制其他條件都相同的條件下，將兩種相同濃度的酸配制成從小到大不同的濃度，和鋁反應觀察實驗現象。

學生在對現有方案進行科學評價的基礎上，提出了新的方案。教師小結時指出：同學們能從不同角度設計出多種方案來驗證猜想，并能指出各種方案的優點和不足，這正是我們學習化學需要的創新能力和科學精神。上述方案二、三、四都是合理的，提議由各小組自行選擇一個方案進行實驗。

驗證猜想②：學生設計的實驗方案如下。

在教師的引導下，學生很快對上述方案進行了質疑和評價。

學生D：方案一有兩個變量，沒有排除鈉離子能否加快鋁和酸的反應。

學生E：方案二是在此基礎上增加一個加入硫酸鈉對比實驗，排除了鈉離子的影響。

學生還圍繞方案三進行了熱烈的討論。有的認為變量控制得較好，方案可行；有的認為右邊加進去的鹽酸是已知能和鋁反應的物質，說服力不夠。

經過討論，學生選擇用方案二來進行實驗驗證。

2.2.3 進行實驗，觀察現象，得出結論

學生分組分別完成猜想①、②的相關實驗，然后分享各組觀察到的實驗現象，并得出結論，如表2、3所示。

2.3 拓展延伸

在實驗的過程中，學生發現鋁和稀鹽酸反應時的現象比較特殊，一開始并不明顯，后來慢慢變快，最后又停止，反應的同時放出熱量。為了順應學生的學習需求，教師提出了一個思考題：密閉容器中一定量的鋁和稀鹽酸反應，容器內氣壓隨時間會如何改變？這里教師采用POE（即預測、觀察、解釋）教學策略引導學生進行科學探究。

預測：先請學生大膽預測密閉容器中一定量的鋁片和稀鹽酸反應過程中的氣壓變化，在平板電腦上畫出圖像，上傳至翻轉課堂云平臺。然后教師借助于平臺快速瀏覽學生所畫圖像，并選取典型圖像進行對比展示，啟迪學生說出預測的理由。學生在已有知識基礎上進行了大膽的預測，現例舉兩例如下。

觀察：進行實驗，用氣體壓力傳感器測出此反應的氣壓變化，學生觀察曲線變化的圖像（見圖5）。

解釋：學生解釋曲線變化的原因。學生討論后得出如下觀點：AB段變化不明顯是因為鋁的表面有一層致密的氧化鋁薄膜；BC段包含著以下反應過程：①氧化鋁薄膜消失，鋁和鹽酸反應生成了氫氣，導致容器內氣壓變大；②鋁和稀鹽酸反應放熱，使容器內氣壓明顯增加；③隨著反應的進行，鹽酸濃度變小，鋁片的表面積也在不斷減小，反應會變慢，最終反應停止，氣壓不再增大。CD段下降是因為反應停止，容器內溫度高于環境溫度，從而逐漸下降，導致氣壓減小。

那么溫度的變化是不是如學生所預測的一樣呢？教師又展示了課前用氣體壓力傳感器和溫度傳感器同時測出的曲線（見圖6）。學生發現溫度曲線與自己預測的完全一致。

2.4 鞏固提高

最后進入鞏固提高環節。本節課的探究題材來源于2008年安徽省化學中考題15題，教師將該題通過云平臺發送到學生的平板電腦上，讓學生進行鞏固練習。然后將2015年安徽省中考題15題發送給學生，與學生一起進行簡單的分析，并且留給學生作為課后作業來完成，使得學生的探究結果能夠得以運用，提升了學生學以致用的能力。

3 反思

3.1 通過高品質的科學探究提升學生的學科核心素養

創設真實問題情境，讓學生開展以化學實驗為主的多種探究活動，是落實“素養為本”的主要方法。從以上課例可看出，一個高品質的科學探究的教學設計應該具有以下特點：

（1）科學探究從真實的問題源起，以解決問題為結局。一個高品質的科學探究過程一定是源于一個學習、研究或生活中的真實問題，通過探究最終解決了問題，提升了認識。在本節課上，教師在微課上呈現了鋁和稀鹽酸、稀硫酸反應的實驗，這種與學生已有認知相沖突的實驗現象，激發了學生的探究意識，教師就此提出問題讓學生進行猜想并設計實驗，最終解決了問題，拓展了視野，提升了學生對鹽酸中氯離子特殊性質的認識。

（2）科學探究過程是學生學科核心素養提升的過程，在探究過程中需要關注以下三個層面的問題：一是在探究過程中要盡可能涉及到重要的化學觀念、主干知識、化學模型，促進學生對化學基礎知識的理解和化學觀念的提升。如本節課中設計實驗需要用到酸的概念模型——電離出的陽離子都是氫離子，酸的化學性質——與金屬及金屬氧化物反應；解釋與結論時要運用元素觀、微粒觀，要用宏微結合的化學思維來分析問題等。二是在探究過程中要盡可能讓學生經歷科學探究的主要過程——提出問題、猜想與假設、設計實驗、進行實驗、觀察現象、結論與解釋等，讓學生學習、體驗科學探究。如在本節課中除了提出問題的主體是教師外，其他探究要素都是以學生為主體完成的。另外，POE教學策略也是一種科學探究模式，如本節課中的拓展延伸環節，先讓學生對鋁和稀鹽酸反應過程中壓力變化進行預測，然后教師演示數字化實驗讓學生觀察壓力變化曲線，再讓學生解釋三段曲線的變化。三是在探究過程中要啟迪學生進行深度思考，提升學生的思維品質。如本節課中學生提出的六個猜想主要是借助于已有知識和微課中給出的提示通過邏輯推理得到的；設計實驗時需要用到比較的方法、控制變量的思想，對思維的深刻性、系統性和獨創性是一個實踐和提升的過程，如驗證假設①時設計的實驗方案二需要考慮到各種因素（酸的濃度、體積，鋁的質量、顆粒大小等）的影響，控制好自變量、平衡好無關變量，有效地訓練了學生的思維嚴謹性；設計實驗方案三時還考慮到兩種酸比較時，可能出現的三種不同情況，對思維的系統性要求較高；驗證假設②時的實驗方案二既考慮到氯離子的影響，又考慮到鈉離子的可能影響，培養了學生的辯證思維；對實驗方案一和方案三存在的不足的評價，培養了學生的批判性思維。

3.2 翻轉課堂為科學探究搭建了高效平臺

筆者在“基于翻轉課堂的科學探究典型案例研究——以探究鈉燃燒實驗中黑色產物的成因為例”[2]一文中曾論述了基于翻轉課堂的科學探究基本模式。本案例也是對此模式的一個拓展研究。正是因為有了翻轉課堂，使得科學探究的部分過程前移（如發現問題、提出猜想、設計實驗等），學生有了適切的知識準備（微課提供）、充足的時間在課前實施科學探究的核心環節——提出猜想、設計實驗，為實現深度思考提供了可能，也為課堂上高質量的小組合作、師生互動夯實了基礎。如在本節課中，學生課前通過觀看微課，根據微課提供的相關知識，圍繞教師提出的問題提出了6種猜想并設計實驗進行驗證，在課堂小組討論的基礎上師生對6種猜想進行了論證，排除了猜想④、⑤和⑥，引導學生圍繞猜想①、②設計的實驗方案進行討論，討論過程中的觀點交鋒、思維碰撞提升了學生的思維品質和學科素養。由于課前學生進行了深入的思考，才會使得課堂的討論有高度、有深度、有針對性。

本節課翻轉課堂的課堂教學階段，除了完成了一個規范的科學探究過程外，還包括延伸拓展和鞏固提高兩個階段。拓展延伸實際上是本節課的第二個科學探究環節，學生在通過實驗獲得結論是Cl-的存在促進了鋁和酸反應以后，又在實驗過程中發現了新的問題，鋁和稀鹽酸一開始反應不明顯，然后逐漸變快，又變慢最后停止。為了順應學生的學習需求，于是教師提出了一個拓展問題，密閉容器中一定量的鋁和足量的稀鹽酸反應，容器內氣壓隨時間會如何改變？學生運用化學和物理知識共同解決了問題，促進了學科之間的交叉和融合，這樣的探究深度也得益于翻轉課堂的教學模式。最后一個鞏固提高的環節中，學生將所學的科學探究方法和相關知識運用到中考題中，通過練習及時檢驗、鞏固學習效果。

3.3 數字化實驗讓科學探究絢麗多彩

化學是一門以實驗為基礎的科學。數字化實驗以實驗手段數字化、測量呈現實時化和現象規律可視化的特點豐富了科學探究的模式研究，促進了科學探究的發展。如在本節課的拓展延伸環節，數字化實驗實時得到的壓力和溫度變化曲線，支撐了POE教學策略的成功實施。教師引導學生對曲線上三個線段的解釋，有效地提升了學生的思維品質。如AB線段較平，學生需要在對酸的化學性質理解的基礎上進行思維變通，從酸與氧化膜反應的角度進行解釋；BC線段快速上升，學生分析的三個影響因素中，兩個使反應變快一個使反應變慢，對學生的辯證思維是一個挑戰。尤其是從反應放熱角度推導出壓強增大，對學生的發散性思維（從化學變化到物理變化）要求較高；CD線段逐漸下降，學生從實驗過程中的溫度變化趨勢進行分析，這時教師又呈現了課前測出的反應時溫度和壓力的變化曲線，學生在數字化實驗的助力下，發現自己的分析與實驗結果完全一致，進一步激發了學生學習化學的興趣。

參考文獻：

[1]魏建方.對鋁和稀酸的反應的探究教學[J].化學教學，2016，（1）：26～27.

[2]夏建華，宮鵬飛.基于翻轉課堂的科學探究典型案例研究[J].化學教學，2015，（2）：36～39.