基于“三序結合”的化學教學設計

王星喬 周千紅 包朝龍 趙賢祥

摘要： 提出了教學過程中素養發展序、認知發展序、知識發展序“三序結合”的內涵、必要性及基于“三序結合”的教學設計程序，并以“創設實驗情境，引發認知沖突；追尋先人認知，推測微觀排列；基于宏觀證據，探求微觀模型；依據微觀模型，預測宏觀性質”為主線，設計了“不同類型的晶體”一課。

關鍵詞： 素養發展序； 認知發展序； 知識發展序； 核心素養； 教學設計

文章編號： 10056629（2018）2003407中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

發展學生的化學核心素養，開展“素養為本”的課堂教學已成為當前化學教學實踐的新追求。如何將化學核心素養的培養在課堂教學中落地生根，成為深化課改中一線教師面臨的新挑戰。在此背景下，寧波市教育局教研室于2017年5月18～19日舉行了第十屆高中化學特級教師帶徒第五次集中活動，活動的主題為“高中化學課堂教學設計深度交流”，共同探研核心素養背景下課堂教學轉型。化學核心素養的發展是一個自我建構、持續進步的過程，教師應根據化學學科核心素養的內涵及其發展水平，結合學生的已有經驗，對教學內容進行整體規劃和有序設計，使得教學過程合乎素養發展規律和認知發展規律[1]。此外，化學知識是培養學生化學學科核心素養的重要載體，“素養為本”的教學不應僅將知識作為靜態的事實結果，也應關注知識自身的發現和發展歷程，建構起對化學知識、化學認識方式等的結構化認識[2]。綜上所述，教學內容的組織應將素養發展序、認知發展序、知識發展序予以統籌考慮，促進學生從化學學科知識向化學學科核心素養的轉化。

1“三序結合”的內涵與必要性

與熟知的“三序”（知識序、認知序和教學序）有所不同，本文中的“三序”指的是： 素養發展序、認知發展序、知識發展序。素養發展序指的是素養的發展是有階段性的、有水平層次差異的，學生素養的發展是一個自我建構、螺旋式上升的過程；認知發展序是指學生學習知識、技能有一定的認識規律；知識發展序指的是學科知識本身的發現和發展歷程，是從宏觀到微觀、簡單到復雜不斷深入的過程。所謂“三序結合”，就是根據教學目標，把以上三種順序所涉及的種種因素加以考慮，使得教學合乎科學邏輯、認識規律和學生心理發展水平[3]。

教學設計過程中為何要統籌“素養發展序、認知發展序、知識發展序”，主要基于以下幾點考慮： （1）拓寬教學設計思考的廣度。“知識序、認知序和教學序”是從“課程、學生和教師是課堂教學中的三要素”這一視角提煉出來的，但是從教學設計的思考維度上來看，三者并非并列關系，知識序、認知序在很大程度上決定了教學序，教學設計的“三序”從三個維度實質上降到了兩個維度。因此，增加“素養發展序”有利于拓展教學設計思考的廣度，也契合當前基于核心素養的課程改革。（2）明晰素養發展的進階性。2016年9月，普通高中課程標準修訂組發布了《普通高中化學課程標準（征求意見稿）》，將高中化學核心素養劃分為5個維度，每個維度又劃分為4個水平層次。因此，教師在教學設計過程中須考慮到學生素養發展的現有水平及通過本節課學習可達到的水平層次。（3）遵循科學認識一般過程特征。人類對科學的認識一般經歷了由現象到本質、由簡單到復雜、由個別到一般的循序漸進、螺旋上升的過程。在教學設計時考慮知識發展序，就是要有意識“重演”人類的探索過程，開展“遵循知識形成原過程的教學”，不僅有助于突破思維上的障礙，還能更好地理解并掌握所學的知識，從中汲取前人的智能，領悟思想方法，陶冶科學精神，提升學生的科學素養[4]。

2基于“三序結合”的教學設計程序

基于“三序結合”的教學設計程序應把握以下幾個方面：

2.1分析教學起點

這里的起點，既包括教材知識邏輯結構特點，也包括學生核心素養發展水平特點。教師要充分了解學生已有的認知狀況，特別要注意研究原有認知結構中與新知識有密切相關的內容，這是優化教學的起點。

“不同類型的晶體”是蘇教版化學2專題一第三單元內容，該單元的主題是“從微觀結構看物質的多樣性”。在前面的學習中，學生知道物質是由原子、分子、離子構成，微粒之間存在不同作用力，同素異形現象和同分異構現象是造成物質世界多樣性的重要原因。本節課則是從構成物質微粒及微粒間作用力角度幫助學生認識微觀結構與物質多樣性的關系。

從核心素養層面來看，本節課主要涉及“宏觀辨識與微觀探析”這一維度，學生通過先前的學習能根據實驗現象辨識物質及其反應，能從物質的宏觀特征入手對物質及其反應進行分類和表征，初步具有結構決定性質的觀念，處于水平1與水平2之間。本節課則將水平2、水平3的提升作為教學設計著力點。學生可能出現的障礙點主要是水平3： 微粒間作用力與晶體物理性質的關系。

2.2解構素養目標為教學目標

在確定教學目標時，需將對學生總體的素養期望具體化為課時教學目標，并以此來確定教學內容，選擇教學活動方式。美國心理學家馬杰在《準備教學目標》一書中指出陳述得好的目標具有三個成分： （1）說明通過教學后，學生能做什么（或能說什么）；（2）規定學生行為產生的條件；（3）規定符合要求的達成標準[5]。根據核心素養五個維度的內涵與目標，結合浙江省普通高中化學教學指導意見（2014版）[6]，可以如表1對“不同類型的晶體”教學目標的有關要素做進一步分解，以便形成相應的教學目標。

2.3設計“三序”路徑

分析了教學起點、確定了課時教學目標之后，接下來要思考的便是設計“三序”路徑，這是組織與優化教學實施的基礎和前提，也是實現有效教學的關鍵和核心。

設計“素養發展序”路徑指的是劃分素養水平的層級結構，這些層級反映學生不同階段的素養發展水平。素養水平層級結構的劃分應依據《普通高中化學課程標準（征求意見稿）》附錄中的素養水平劃分，將素養水平發展融入每一學習主題中，以學習內容為載體，與學習內容相融合，有利于避免流于形式、缺乏操作性等弊端。本節課主要涉及“宏觀辨識與微觀探析”素養，結合課程標準中有關“宏觀辨識與微觀探析”素養的水平層次劃分以及課時教學目標，確立了本節課的宏微素養序： 水平1： 能從晶體宏觀特征入手對物質進行辨識、分類和表征→水平2： 能從晶體的微觀排列解釋說明晶體的宏觀共性→水平3： 能從原子、分子水平解釋不同類型晶體的宏觀性質特征與差異→水平4： 能依據石墨的微觀結構預測石墨的性質。

設計“認知發展序”路徑指的是構建與學習者水平、認知特點相適應的課堂教學結構，一般包含以下幾個環節： 充分利用原有認知結構，引發認知沖突。本節課利用干冰自然升華、石英晶體放在酒精燈上灼燒對比實驗激起學生的探索欲望→實現認知結構的同化和順應，建立新的認知結構： 從微觀角度對晶體進行分類及解釋宏觀性質→最后運用新的認知結構解決陌生情境問題——依據石墨的微觀結構預測石墨的性質，促進知識遷移應用。

設計“知識發展序”路徑指的是“重演”人類對知識的探索歷程。這需要查閱相關的史學文獻資料，并根據教學的需要進行適當加工。從晶體發展基本史料分析來看，晶體學的發展大概經歷以下幾個階段： 首先注意到天然晶體的規則幾何外形，嘗試從微觀結構的角度進行解釋→進而對晶體的其他性質（熔沸點、硬度等）

展開研究，并嘗試依據這些物理性質對晶體進行分類，

研究晶體的類別特征→隨著儀器的發展，使人類能夠深入到晶體微觀結構，并從微觀角度進行晶體分類及解釋宏觀性質→最后能夠根據晶體學知識預測未知晶體的性質特點，從而開發出人類所需要的晶體材料[7]。

3基于“三序結合”的教學設計

3.1創設實驗情境，引發認知沖突

實驗引入： 干冰自然升華，石英晶體放在酒精燈上灼燒。學生會發現干冰晶體在常溫下直接升華成二氧化碳氣體了，而石英晶體（二氧化硅）長時間灼燒卻巍然不動。

教師設疑： 干冰、石英同屬于固體、晶體，同屬于非金屬氧化物、酸性氧化物，組成也相似，為何兩者的熔沸點差異卻如此大？

設計意圖： 余文森教授認為，基于核心素養的教學一個顯著的特征是問題來源于真實情境、是原生態的。本節課選用學生所熟悉的干冰、石英晶體作為引入，制造認知沖突，激起學生強烈的求知欲，促使學生主動地投入到本節課學習中。

3.2追尋先人認知，推測微觀排列

PPT投影： （1）生活中常見晶體圖片；（2）《韓詩外傳》對雪花的描述：“凡草木花多五出，雪花獨六出”；《新修唐本草》對食鹽的描述：“光明鹽，大者如升，正方光砌”；（3）漢字“晶”字解為“精光也，從三日”。

教師設疑： 為什么晶體具有規則的幾何外形？請猜測一下原因。

PPT投影： 鉆石的超顯微結構視頻（金剛石從宏觀形狀不斷放大至微觀結構）。

教師講解： 在晶體內部，構成晶體的微粒在空間有規則排列，這類似于閱兵式隊伍整體非常整齊主要是由于其中的軍人橫成行、豎成列，排列得非常規則。隨著科學技術的發展，X射線衍射儀使我們人類第一次“看見”了晶體的內部結構。圖4左邊是石英晶體投影圖，微粒排列非常有規則；圖4右邊是石英玻璃，微粒排列雜亂無序。它們的譜圖也是不同的（見圖5）[8]。

PPT投影：

設計意圖： 科學承載著人類對世界的認識和創造，同時又是與社會的發展和人類的認知水平相適應的。從晶體發展基本史料分析來看，人們總是先注意到天然晶體的規則幾何外形，進而嘗試從微觀結構的角度進行解釋。本環節既引用了古人對氯化鈉、雪花晶體的描述，同時又展示了現代科技發展成果——X射線衍射儀，融人文氣息與現代科技氣息于一體。

3.3基于宏觀證據，探求微觀模型

教師設疑： 為什么構成晶體的微粒在空間會有規則的排列，是什么力量驅使的呢？組成和化學性質如此相似的干冰和石英晶體，熔點等物理性質上為何有如此大的差異？這就需要從微觀角度認識構成晶體的微粒及微粒間的作用力。

PPT投影： 請根據下列晶體性質及構成微粒對其進行分類。

學生討論回答： 氯化鈉、氯化鋇、二氧化硅為一類；干冰、白磷歸為一類，因為它們的熔沸點、導電性性質很相似；鈉、鎢歸為一類；金剛石單獨一類。

教師追問： 為什么將二氧化硅與氯化鈉、氯化鋇歸為一類？從熔融態的導電性來看，為何熔融氯化鈉、氯化鋇能導電，而二氧化硅不能導電？

學生回答： 說明氯化鈉、氯化鋇由離子構成而二氧化硅不是。

教師： 通過X射線衍射儀我們人類今天能夠“看見”晶體的內部結構。

模型展示： 氯化鈉。

問題組1： （1）指出模型中的鈉離子、氯離子，晶體中是否存在氯化鈉分子？（2）NaCl這一符號能否認為是氯化鈉分子式？它表示什么含義？（3）每個鈉離子周圍吸引多少個氯離子，每個氯離子周圍吸引多少個鈉離子？

問題組2： （1）氯化鈉晶體能導電嗎，為什么？（2）氯化鈉晶體在什么條件下能夠導電？（3）氯化鈉晶體溶于水、熔化狀態下破壞什么作用力？

問題組3： 哪些類別物質屬于離子晶體？

學生討論回答： ……

教師小結： 像氯化鈉這樣的離子化合物中陰、陽離子按一定方式有規則地排列形成的固體稱為離子晶體。離子晶體的構成微粒是陰陽離子，離子之間通過離子鍵有規則堆積結合形成晶體，所以離子化合物形成的晶體都是離子晶體。一般離子晶體中不存在分子，它的化學式不表示分子式，而是表示了陰陽離子的個數比。這類晶體特點是熔沸點較高、硬度較大、熔化狀態下或溶于水能導電，克服的作用力是離子鍵。

模型展示： 金剛石。

問題組1： （1）金剛石晶體是由什么微粒構成的？（2）微粒間通過什么作用力結合在一起？（3）金剛石晶體熔化時破壞什么作用力？（4）用Si代替C原子形成的是什么晶體？如果Si原子間插入O原子呢？

問題組2： （1）石英晶體是由什么微粒構成的？（2）二氧化硅晶體中存在SiO2分子嗎？化學式SiO2表示什么含義？（3）微粒間通過什么作用力結合在一起？（4）石英晶體熔化時破壞什么作用力？

學生討論回答： ……

教師小結： 像金剛石、二氧化硅這樣相鄰原子間以共價鍵結合而形成的具有空間立體網狀結構的晶體稱為原子晶體。原子晶體的構成微粒是原子，微粒間的作用力是共價鍵。原子晶體中不存在分子，它的化學式不表示分子式，而是表示原子的個數比。這類晶體的特點是熔沸點高、硬度大，熔化狀態下不能導電，克服的作用力是共價鍵。

模型展示： 干冰。

問題組： （1）干冰晶體是由什么微粒構成的？（2）化學式CO2表示什么含義？（3）二氧化碳分子空間構型？二氧化碳分子間通過什么作用力結合在一起？碳氧原子間通過什么作用力結合在一起構成二氧化碳分子？（4）干冰熔化時破壞什么作用力？有沒有破壞碳氧原子間共價鍵？（5）哪些類別物質屬于分子晶體？

學生討論回答： ……

教師小結： 像干冰這樣的分子之間通過分子間作用力結合形成的晶體稱為分子晶體。分子晶體的構成基本微粒是分子，基本微粒間的作用力是分子間作用力。這類晶體特點是熔沸點低、硬度小，熔化狀態下一般不導電，克服的作用力是分子間作用力，溶于水后可能導電。非金屬單質、非金屬的氫化物等無機物以及多數有機化合物形成的晶體，大都屬于分子晶體。

教師設問： 組成和化學性質如此相似的干冰和石英晶體，熔點、硬度等物理性質上為何有如此大的差異？

學生回答： 干冰熔化（升華）克服的是CO2分子間作用力，石英晶體熔化時克服的是硅氧共價鍵，化學鍵的作用力要遠大于分子間作用力。

教師講解： 晶體除了離子晶體、分子晶體、原子晶體三種類型外，還有一類是金屬晶體。金屬晶體有共同的物理特性，如有金屬光澤、能導電和傳熱、具有延展性等，金屬晶體的熔沸點（如鈉、鎢）、硬度差異較大（如鈉、鉻）。

設計意圖： 教材是先定義、介紹各類晶體微觀結構，再利用“觀察與思考”欄目體會四類晶體的性質特點，而本節課教學過程則是先提供各類晶體性質等事實性證據，然后依據這些證據嘗試對晶體進行分類。順序的調整一方面增強了教學的開放性，另一方面也更加貼近人類對事物的認識發展規律，同時也符合學生的認知發展順序。當然，晶體的宏觀物理性質的巨大差異驅使人類探求晶體的微觀結構，X射線衍射儀使人類能夠“看見”晶體的內部結構，最后從微觀角度解釋宏觀性質。教學過程中采用模型展示、問題組驅動、學生自主建構與教師引導相結合的教學方式，使學生從微粒觀角度充分理解： 晶體類型與構成微粒關系、物理性質與微粒間作用力關系、晶體類型與物質類別關系，從而促進“宏觀辨識與微觀探析”、“證據推理與模型認知”素養的提升。

3.4依據微觀模型，預測宏觀性質

PPT投影： 石墨結構模型。

教師設問： 請結合石墨結構模型，預測石墨的硬度大小和熔點高低并解釋其原因。

學生討論回答： 石墨晶體晶體硬度小，就像鉛筆芯很軟，可能與它的層狀結構有關，在前面學過層與層之間靠分子間作用力結合在一起；如果熔化時共價鍵發生斷裂生成碳原子，則與金剛石類似，熔沸點較高。

PPT投影： 晶體學研究熱點領域及相應圖片。

教師總結： 通過今天的學習，同學們已經能夠結合宏觀性質感知微觀結構差異，利用微觀結構去解釋、預測可能的宏觀性質。類似于剛才提到的石墨晶體性質，晶體的領域也是異常豐富多彩，至今已發展成為一門科學——晶體學，當前研究的熱點領域（投影圖片）有生物大分子晶體學、功能分子晶體研究、非線性光學晶體材料、激光晶體材料研究、多晶衍射研究、電子顯微學等，大有可為！

設計意圖： 本環節向學生展示石墨的晶體結構，讓其根據微觀結構預測石墨的宏觀物理性質并能夠評估預測的合理性，認知水平要求較高，目的在于綜合評價并鞏固提升學生的“宏觀辨識與微觀探析”這一核心素養。最后的結語升華了主題，使學生能夠了解晶體學領域的發展，激起他們進一步探索學習的欲望，贊賞化學對社會發展的重大貢獻，提升了“科學精神與社會責任”這一核心素養。

從整體上看，本教學設計思路“從宏觀到微觀再回到宏觀”、“從現象到本質再回歸看現象”，遵循“素養發展序、認知發展序、知識發展序”，學生的思維發展是逐步進階的，猶如經歷了中國禪宗的三個境界： 一是看山是山，看水是水，對晶體的認識是從直觀感性開始的；二是看山不是山，看水不是水，透過現象深入晶體的微觀結構；三是看山還是山，看水還是水，對晶體的認識上升到理性，能夠依據微觀模型推斷宏觀性質。因此，從整個設計流程可以看出人類認識事物所經歷的過程以及所包含的哲學大智慧！

總之，認識素養層級發展、深入學生認知心理和理解化學學科發展是進行化學教學設計的三大基石。化學教師要在充分分析學生前認知基礎上，細化課時教學目標，設計“三序”進階路徑，循“序”漸進構建高效課堂，以期讓學生經歷有意義的學習過程。

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