核心素養發展視角下的“單元設計”

褚幼萍

摘要：在核心素養發展為本的背景下，以“化學生電記”單元為例，從單元確定、內容安排、學習活動等方面闡述如何開展“單元設計”教學，努力建構主題式、結構式、體驗式的課堂教學，以關注知識與素養的融合為重點，凸顯學科本質與思想方法的滲透，促成“知識中心”到“素養中心”的轉變。

關鍵詞：核心素養;單元設計;化學生電

文章編號：1008-0546（2018）12-0050-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.017

一、核心素養的發展提倡“單元設計”教學

基于核心素養發展為本的教學是當前基礎教育階段的變革趨勢和必然要求。每一個學科的核心素養對人的發展有其獨特的作用，也應該承擔起它在每個階段促進學生成長的必要責任。高中化學核心素養包括了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、實驗探究與創新意識、科學精神與社會責任五個維度，它集中體現了化學學科的思想、觀念、情感、態度等價值元素，具有廣泛的遷移作用與持久的解釋效應，是學生適應終身發展和社會發展需要的化學關鍵能力和化學學科品格。

然而，素養不是說教和灌輸就能速成的，它需要在長期的學習活動與開放的實踐體驗中不斷內化而成，這就需要更多主題式、結構式、體驗式的學習活動來完成。傳統的“單課時”教學模式在這方面便會暴露出它的局限性。當我們在指責一些課堂教學過于偏重知識與技能的單一目標，而忽視了過程與方法、情感態度與價值觀目標的時候，是否想過后者是需要在系統長期的課程中才能達成的。因此，“核心素養”一經提出，常規的教學模式就面臨著嚴峻的挑戰，“單元設計”的教學模式也就成為新的變式方向。單元設計打破了單課時的束縛 [1]，能將零散的知識組合成一個個結構化的版塊，能在這些版塊的鋪陳中，把學科觀念、學科思維、學科能力逐步展現與提煉出來，最終匯總成學科核心素養，實現了從“知識中心”向“素養中心”的轉變。

單元設計教學要求教師整體把握教材，高屋建瓴地俯瞰學科知識體系，然后勾勒出一個個大主題，再相應地規劃課時與知識內容，并有序地開展學習活動，使教學變得更具系統性和關聯性。教學單元可以由教師根據自己的理解設定，然后在明確的主題下，選擇、調整和補充教材內容，組編成單元版塊。以蘇教版專題2第三單元的教學為例，我們可以將“化學能與電能的轉化”、“化學電源”整合為一個單元結構，主題設定為“化學生電記”，按照“怎樣用化學生電”、“化學為什么能生電”、“化學生電的初步應用”、“化學生電器的發展”這條線索展開。它遵循了歷史發展順序，便于將現象發現、深入研究、觀點提煉、原理應用等事件背后蘊含的素養一并顯現出來，讓學生感受到學科知識形成的過程中，學科素養所賦予的功能價值。

二、“單元設計”教學的內容組建

怎樣以核心素養為本進行單元設計呢？本文分成三個步驟完成：首先提煉出與本單元最密切相關的核心素養要素。新課標 [2]指明：知道化學反應可以實現化學能與其他能量形式的轉化，以原電池為例，認識化學能可以轉化為電能;并有素材建議：電池的歷史沿革與發展，如伏打電池的發現、干電池的改進、燃料電池的應用。本單元教材內容承載著豐富的學科核心素養的內涵，下表1羅列出其中一部分。如果再結合教材模塊順序，我們發現此處可以側重培養學生“證據推理與模型認知”和“科學探究與創新精神”兩大素養，這也比較契合我們的單元主題。

其次，我們需要對核心素養賦予本單元的思想意義進行解構。“原電池”理論從偶然現象中被發現到推廣應用，之后有各種科學假說的提出，經由一步步實驗方案的驗證，獲得了相應的結論，再進一步建構理論模型并發展完善，憑借的正是科學家強大的“證據推理”能力與“模型認知”思維。在教學中我們需要通過讓學生自主建構新知感受這一素養的內涵。當然，“證據推理與模型認知”的前提是“科學探究與創新精神”。可以說，沒有科學探究與創新精神就不可能提出任何假說，不可能設計方案獲得任何事實證據，并使之發展成嚴密的科學理論，也不可能由最初的“伏打電堆”經由長時間的優化改進，演變成如今功能各異的化學電源。學生需要在動手體驗與動腦思考中領悟到創新精神與科學品質的可貴。這樣，課堂就需要設計開放性、探究性、自主性的學習活動，以保障這兩大核心素養的體驗式學習。

借鑒學科核心素養培養的課堂教學效標——核心知識、關鍵能力和核心品質 [3]，我們確定了本單元的課時安排與評價效標，如下表2：

第三步，以核心素養為統領，串聯整合知識要點。“化學生電記”至少涉及了以下四個維度的知識內容，它們與兩大素養的關系如圖1。當學完原電池后，提醒學生進行“回望”：“原電池”原來是一種檢驗氧化還原反應本質的實驗手段，也是實現它社會價值（產生電能）的一種方式，這就將兩個維度關聯在一起了。這應在前兩個課時中側重安排。在教學中還可以多方位挖掘科學史，并以多樣化的素材形式呈現，充分釋放其教育價值，其中“化學生電器”的改進史料和實物模型，平行推進了后兩個維度，也表明了化學的價值追求與科學立場。這是后兩個課時的主要內容。

三、“單元設計”教學的學習活動

單元目標需要在每一課時有效的學習活動中得到落實。以本單元前兩課時為例，下面介紹主要的學習活動，如表3。

1.課前預學

課前學習材料安排了三部分內容：用本校“科普園”中學生喜愛的“導電材料測試儀”（圖2）作為情境，驅動學生復習電學，總結形成電流的條件;以“鋅與稀硫酸反應”為例，寫出氧化還原反應的概念組，并嘗試從微觀層面來解釋反應現象、能量變化，鋅片變化、濃度變化;觀察普通干電池的實物結構或圖片，搜索資料，查詢相關信息（圖3）。

2.科學探究

（1）提出問題

展示各種電池及其工作時的圖片，引發學生思考：電池是怎樣被制作出來？人類是什么時候，又是怎樣知道這種生電方式的？

（2）實驗探究

史料1：在人類對電的初步認識和對靜電的早期研究的歷史背景下，伽伐尼發現了“青蛙觸電”現象。

實驗1：“還原”伽伐尼實驗

“鐵叉和銅叉分別用鐵片和銅片代替，玻璃片用表面皿代替，青蛙內的體液用氯化鈉溶液代替，蛙腿改用更靈敏的檢流計。請模擬伽伐尼的實驗，看看有什么發生？”

生物體外“生電”的實驗證偽了伽伐尼的結論。但是電流是怎樣形成的？結合課前預學，讓學生從電流的形成條件去分析其中原因（必要提示：不同的金屬由于活潑性不同，當浸入到同一種溶液中，表層堆積的電子數量會不同）。這種學習路徑一方面有助于快速把原電池知識納入到電學的系統中，認識到構成原電池的根本要素：不同的金屬形成了電勢差;電極、導線和電解液等構成了閉合回路。這可以減少一些不必要的是非辨析題。另一方面，這一體系作為初識原電池的對象，可以培養學生挖掘實驗中隱性因素與隱性變化的思維習慣，克服只依據顯性信息判斷正負極或者產物的淺顯認識。

對于本單元來說，學生需要知道的是原電池的“概念模型”，但是教師還需要具備其數學模型，因為一旦有了數學模型，便深諳“原電池有多種影響因素在制約著電勢差、電流、放電效率”的道理。而這些信息也是學生在動手操作時一定會遇到的，教師便可有的放矢地引導，使課堂更具有科學性。這當然不是讓學生去學習數學模型，但卻能培養學生在整體把握事物時能兼顧細節的思維方式。

史料2：伏特經過一系列的研究后，成功制備出人類史上的第一個電堆，開拓出動電學領域。他認為電流的產生是由于兩種不同金屬的接觸引起的。

實驗2：“重溫”伏特的研究路徑

素材提供：Mg、Zn、Fe、Cu四種金屬片;HCl、NaOH、NaCl三種溶液;表面皿、U型管、燒杯三種容器及其他用品。

上述實驗2是需要較多時間來保障的，也只有足夠時間的摸索，學生才能深入體驗多種組裝方式，并從電流形成條件去分析每一次組裝結果。當他們發現不同的組裝方式效果有所不同，就是在真切地“觸摸”電流、電壓、電阻等。而所選的不同容器、不同組裝方式還會造成電池的不同外觀與性能，繪制的裝置圖也會有所區別，這些問題的討論觸及了學科知識的本質，為提煉概念模型作好準備，也預埋了后面課時的化學電源演變史。

在反復的實驗操作中，學生會發現“生電”時常伴有一些化學反應，這便是當初波蘭科學家特則注意到的現象，也是不同于伏特的觀點，即“化學說”的產生（史料3），這樣就有了實驗3的驗證活動。當然，一個實例不能論證一種學說，課堂上也無法窮盡，教師可再選取一典例作為證據，讓學生再次肯定自己的想法，“氫氧燃料電池”便是“反應生電”的極好例證。

史料3：“接觸說”與“化學說”的爭論。

實驗3：“化學說”的驗證

石墨電棒2支;FeCl3溶液和KI溶液;組裝如圖4。

（3）證據推理

選擇了“化學說”以后，就需要返回到前面實驗中去尋求更多的證據，并最終確定實驗結論。這個過程主要是找出“生電”中發生的“氧化還原反應”。以伽伐尼實驗為例，從檢流計的偏轉方向可以判定，鐵是失電子端，那么，電子流到銅以后交給了誰？得了電子的物質是誰？應該出現什么現象？此時，可以提示學生：除了觀察顯性現象，還應該關注隱性的條件;除了即時可觀現象，還要考慮延后積累效應。這樣，就會有細心的學生想到：氧氣的存在，這正好符合鐵氧化的知識。在學生頓悟時讓他們閱讀“鋼鐵腐蝕”材料，并演示鐵片上滴加酚酞的結果，真實地“看”到氧氣參與的過程和結果。同理，伏特研究的每個體系，也都可以一一找出發生的反應：分別屬于金屬與酸反應或與氧氣反應。這些分析最終讓學生形成觀點：“反應”與“生電”的因果關系。

安排一個課時讓學生驗證這三種學說，反復觸摸“化學生電”法是必要的，因為核心素養本身就是指向過程而非結果的。正如劉前樹教授所說：“化學核心素養應該體現雙重基礎性：不僅應該為不繼續學習化學的學生做好社會生活的準備，也應該為繼續學習化學的學生打下基礎 [4]。”

（4）建構模型

如果說第1課時的焦點是探尋具體的事實信息，那么，第2課時的視角就轉換到了建構模型。

選擇“酸性介質，銅鋅電極”為例，在問題分析中進行思維加工，讓學生形成自己的心智模型：

建構模型的認知策略：

1.如何判斷和解釋正負極名稱？兩極材料的作用分別有哪些？

2.寫出兩極得失電子的微粒及前后變化過程（也稱為電極反應式），標出反應類型，分析其對應的實驗現象。

3.畫出電子、離子的移動方向，分析它們的推動力分別是什么？從電極結構、反應速率、溶液濃度等方面分析這種移動產生的結果？討論這種結果對電勢、電流、電阻產生的可能影響。

4.相同材料，不同小組的組裝方式，氣體產生速率不同的原因可能是什么？一段時間后氣體產生速率變化的原因又可能是什么？

5.與普通反應相比，化學生電法的總反應有變化嗎？這說明了什么？再比較兩種情況下離子、電子運動有什么不同？能量利用方式有什么不同？

6.從能量轉化的類型和效率上分析氫氣出現在銅片和鋅片兩處的不同意義。

7.請從“氧化還原反應”、“能量轉化”的角度，用自己的語言給原電池下個定義，并繪制原電池模型圖。

學生嘗試給原電池作出新的定義：一種能將“氧化還原反應”加工使之產生電流的裝置或者一種通過改變“氧化還原反應”的發生場實現化學能向電能轉化的“倉庫”。根據這樣的定義，學生分別繪制了原電池的模型圖，圖5為其中一例。這是學生經過理解消化后的產物，是一種內在思維的外化形式，也許很粗糙，但是很珍貴。

（5）修正模型

再次按照上述的“認知策略”，解釋三個實驗事實，讓學生各自評價與修正自己的心智模型。

事實1：“青蛙觸電”現象

事實2：FeCl3和KI在石墨電極上“生電”（圖4）

事實3：氫氧燃料電池

獨立完成這個學習活動后，教師需要組織學生相互評價與展示匯報，適時追問與點評，使學生的思考不斷地深入，最終讓每個人的心智模型趨向科學的概念模型。

（6）應用模型

①辨析戴維的兩句話：“兩種金屬和一種液體的伏特裝置可用一種金屬和兩種液體的裝置來代替”;“在兩種金屬中，同氧親和勢較大的一個形成液體中的正極”。

②鋁燃燒能放出大量的熱，設計方案將鋁氧化釋放出的化學能轉化成電能。（科技在線：利用海水作電解質可制備出“海洋電池”。）

③指出圖6中兩池的能量轉化形式;圈出圖中“電壓”、“外電路”部分;與銅鋅原電池相比，它們的電壓、電阻、電流是怎樣形成的？指出甲池中兩電極和電解液的作用，標出電子與離子的移動方向。

④你認為原電池可以驗證氧化還原反應和電學原理的哪些規律？

⑤請構思（或編制）原電池的學習軟件，并搜索網絡，進行比較。

⑥以小組為單位，任意選擇，在實驗室里完成水果原電池和蔬菜原電池。

⑦伏打電堆有什么缺點？科學家們又會去琢磨哪些變量？“化學生電記”后來又發生了哪些事兒？（請閱讀提供的化學史料。）

這個階段既是應用模型的能力訓練，也是學科知識的內化整理，最后還引出了后面兩個課時的內容，使整個單元的內容設計更具有整體性與邏輯性。在后續“化學生電的初步應用”和“化學生電器的演變”兩個課時中，將會介紹如何更好地利用“化學生電”法使電池家族壯大，同時推動各種理論的問世或發展的史實，從中體會技術的力量、設計的美感、成本的權衡、環境的制約、人類的智慧等等，感受到化學知識在與技術、信息、人文等的結合中創造出更大的社會價值和人類創新能力與科學精神的魅力。圖7，8是筆者在教學之后收到的學生制作的軟件作品。筆者相信以發展學生核心素養為主旋律的新課改會對學生的能力和品格有著更深層次的影響意義。

當然，本文的“化學生電記”無論是在單元主題、單元目標、內容素材，還是學習活動等方面還有許多值得探討與改進的地方。單元設計教學是迎合新課程改革的一種教學變式，其目的就在于轉變課堂教學的培養目標。筆者只是以此為例，呈現部分課時的教學片斷，為的是嘗試突破常規課堂教學的格局，在尋求學科核心素養能以一種更合理的方式得到落實的道路上貢獻自己的綿薄之力。

參考文獻

[1]? 朱鵬飛.學科核心素養的研究進展及其對中學化學教學的啟示[J].化學教學，2017（1）：8-15

[2]? 教育部基礎教育課程教材專家工作委員會，普通高中課程標準修訂組.普通高中化學課程標準（征求意見稿）[M].北京：人民教育出版社，2016：15-16

[3]? 劉凱，張賢金，吳新建.化學核心素養培養的課堂效度評析[J].化學教育，2017，38（5）：19

[4]? 劉前樹.試論化學核心素養的結構[J].化學教育，2016（21）：4-8