基于創新實驗設計的教學轉型實踐
—— 以 “物質在溶解過程中的變化”為例

◎ 朱 康

國家教育部2014年印發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》中，首次提出“核心素養”概念。緊接著，2016年9月《中國學生發展核心素養》正式發布，標志著落實立德樹人任務的落地生根。《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）也將學科核心素養作為重要的育人目標，明確提出化學學科核心素養包含的具體內容為“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、科學態度與社會責任”[1]等五個方面。筆者認為“宏觀辨識與微觀探析”要求學生從物質結構的視角認識和解決問題，是化學概念原理的重要體現；宏、微觀的背后體現了化學的動態變化，因此“變化觀念與平衡思想”是物質變化的外在表現；基于證據進行分析和推理，運用建模的方法來具體描述和解釋實驗現象，使抽象的理論具體化，因此“證據推理與模型認知”是思維的核心[2]；“科學探究與創新意識”是化學學科核心素養的中心所在，以實驗探究為實踐基礎，在實踐中發現和提出有研究價值的問題，進而上升到理性認知層面；“科學態度與社會責任”是價值追求的核心，也是立德樹人的根本任務，更是學生終身發展的必要條件。日常課堂教學是發展學生學科核心素養的主要陣地。“物質在溶解過程中的變化”節選自滬教版高一化學第一冊第一節的部分內容，是比較好的實驗素材。筆者通過對這節課的設計和實施，有意識地去滲透和發展學生的化學核心素養。

一、教材及學情分析

（一）學情分析

學生在學習本課之前，已經知道硫酸銅的物理性質、化學鍵與化學反應熱效應的關系，常見物質如濃硫酸的稀釋過程為釋放熱量、飽和溶液、溶解與結晶等基礎知識，但是很多知識現階段僅停留在記憶層面，對這些知識背后的原理不甚理解。如何充分利用學生已有的點滴知識，整合已有知識，新知和舊識在認知沖突和碰撞中激發出思維的火花，運用證據推理讓認知提升深度，提煉出解決問題的模型，有利于形象地理解概念原理知識。

（二）教材分析

“物質在溶解過程中的變化”這節課的學習是對初中物質溶解性認識的延伸和發展，既為溶解過程的變化和溶解過程熱效應完善證據材料，又為兩者間相互解釋做證據鏈形成邏輯關系，為學習化學反應的熱效應奠定基礎；通過對溶解和結晶動態平衡的學習，為將來學習其他平衡理論打下堅實的基礎。

本節課知識容量較大，知識點之間關聯性不強，如何突破常規教學中的思維慣性，發揮實驗的最大功能和價值呢？為此經過反復思考，筆者選擇了重構教材中素材，選擇使用硫酸銅作為載體來設計本節課，通過對硫酸銅的挖掘，從水合到擴散的熱效應到溶解、結晶動態溶解平衡，使得學生集中精力解決一個情境下的多個核心問題，避免了多素材精力分散的問題。

二、教學設計與實施

（一）情境主線貫穿課堂

在《課程標準》基本理念部分中提出，以發展化學學科核心素養為主旨和重視開展“素養為本”的教學。以“素養為本”的教學就是在實際教學過程中積極使用真實的情境，開展以化學實驗為主，多種形式的學習活動，重視教學內容知識的結構化設計，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力。本節課使用了學生非常熟悉的硫酸銅作為本節課的研究對象，以銅離子的顏色為問題線索，圍繞顏色變化這一宏觀現象背后的深層次原因，作為激發學生興趣和思維挑戰的種子，從微觀、實驗和邏輯推理等多個化學學科核心素養的方面尋找證據。在解釋生活中常見現象的過程中，不知不覺中重新認識了物質的溶解過程，通過實驗異常現象的推理分析，揭示溶解產生熱效應的原因，溶解的最大限度是一定溫度下的飽和溶液，通過研討，了解溶解和結晶這對動態平衡關系受到環境的影響。

（二）思維碰撞滲透課堂

本節課中教師根據學生的認知水平，創設一些合理的問題，形成一個螺旋上升的問題鏈條，更有利于思維的碰撞。

教學環節一：顏色引發的思考

師：請同學們觀看圖1，我們向無水硫酸銅粉末中滴加幾滴蒸餾水，產生藍色晶體，請問該藍色晶體應該是什么物質？說出你的判斷依據。

圖1

生：該藍色晶體是五水合硫酸銅，其依據是生成晶體的顏色為藍色。

師：從宏觀角度我們觀察到了物質的變化，如果從微觀角度分析，我們知道硫酸銅是由銅離子和硫酸根離子構成的，那構成五水合硫酸銅的微粒是什么呢？

生：銅離子、硫酸根離子、水分子。

師：硫酸銅生成五水合硫酸銅的過程為化學變化，如果僅僅是微粒的簡單疊加，很明顯與宏觀物質的化學變化相沖突。請同學們前后四人為一個小組討論“硫酸銅有銅離子卻不顯示藍色，硫酸銅溶液和五水合硫酸銅卻呈現藍色的原因”。

生：可能是銅離子遇水后生成藍色的新微粒。

師：科學研究表明，銅離子與水分子會發生反應生成如圖2所示結構的藍色微粒四水合銅離子，我們把上述過程稱之為水合。

圖2

【設計意圖】一直以來學生都認為銅離子的顏色是藍色，常用該特征顏色來判斷銅離子的存在，然而無水硫酸銅和五水合硫酸銅都含有銅離子卻有著截然不同的顏色，看似是一個很不起眼的問題，恰恰是引發學生認知沖突，引發深層思考的好契機，通過宏觀認識和微觀辨別的認知不同步，提升學生從不同維度認識物質的能力。

我們一直說教師在課堂中起到主導地位，如何體現主導地位？課堂問題的設計是最重要的體現之一，問題的邏輯性能體現教師對問題思考的深度和廣度。學生通過思考、實驗、研討等手段獲取科學證據自主解決問題的過程則體現了學生的主體地位。

（三）實驗探究架構課堂

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗是化學的靈魂。實驗對發展學生的化學學科核心素養有著無可替代的作用，所以有效的實驗設計，有利于促進學生化學學科核心素養的形成。

教學環節二：建模解決變化問題

師：水合是一種普遍存在的現象，化學反應的過程往往會伴隨有熱效應，那水合過程的熱效應是怎樣的呢？

生1：吸收熱量。

生2：釋放熱量。

生3：不確定。

師：我們向盛有無水硫酸銅粉末的表面皿中滴幾滴水，請感受水合的熱效應。

生：通過觸摸表面皿的底部能明顯感受到水合的過程是放熱的過程。

師：如果向20mL蒸餾水中依次加入五水合硫酸銅和無水硫酸銅，可能會產生怎樣的實驗現象呢？請大家認真觀察、思考。

生4：從圖3可以看出，五水合硫酸銅溶解過程是吸收能量的過程，無水硫酸銅溶解的過程是釋放能量的過程。

生5：溶解的過程中除水合外，還有其他過程，而且該過程是吸收能量的過程。

師：在水分子的作用下，如圖4所示微粒從固體表面向外運動的過程稱之為擴散，該過程為吸收能量的過程，若要判斷某物質溶解過程中的熱效應，可以通過比較擴散和水合能量的相對大小。

【設計意圖】通過實驗發現無水硫酸銅和五水合硫酸銅具有完全不同的熱效應，通過兩組實驗對照分析發現，物質溶于水包含水合和擴散兩個過程，建立判斷溶解熱效應的模型，知識建模構建有利于學生歸納總結能力的提升。

溶解的熱效應在常規課堂中教師可能三言兩語就能說清楚，為什么還要這么大費周折呢？筆者認為通過實驗和邏輯推理的過程，留給學生的不僅僅是學習到的知識，畢竟獲取知識是比較低層次的學習，培養學生的看問題、解決問題的思維習慣才是受益終身的財富。

圖3

教學環節三：理不辯不清

師：播放結晶硫酸銅的制備過程，思考溶質會一直結晶嗎？

生：在一定溫度下，物質溶解達到最大限度時，會形成該溫度下的飽和溶液。

師：我們發現了一個有趣的實驗現象，室溫下，在CuSO4的飽和溶液中，懸掛一塊缺角的CuSO4晶體，一段時間后，晶體的質量不變，形狀和原晶體結構相似，思考可能的原因。

生：因為是飽和溶液，晶體的質量不變；形狀不變的原因可能是硫酸銅晶體有一定的幾何外形，溶液中不斷等速進行著溶解和結晶。

師：像硫酸銅這類物質，能自發形成且具有規則幾何形狀的固體叫晶體。物質的溶解和結晶的過程是同時進行的動態平衡，通過改變條件，可以改變溶解和結晶的快慢，以達到改變溶解平衡方向的目的。

【設計意圖】通過實驗事實做情境，引發學生思考，并積極通過證據推理解決實際問題。溶解結晶實驗給我們的啟示是學會透過現象看本質，通過對溶解過程的了解，對于溶解是有限度的，已經水到渠成，再通過結晶知識的再回顧和有趣實驗現象的思考，初步了解溶解平衡是一種動態平衡，為以后其他平衡的學習打下堅實基礎。

圖4

三、進一步思考

“物質在溶解過程中的變化”的教學案例不多，大多數教師會選擇一帶而過或者割裂成多個獨立知識模塊，通過教學實踐，筆者有以下幾點感受。

（一）真實的問題情境可以有效地促進學生學習方式的轉變

在教學過程中使用真實的情境，在一個情境下保證了知識傳遞的完整性，通過實驗設計促使教師教學的轉型升級，經過遴選硫酸銅作為情境，可以促進學生學習方式的轉變，傳統課堂多以教師的講授為主，學生往往是努力緊跟教師的步伐，這種學習相對比較被動，學習效率大打折扣；然而通過精心創設的真實情境，在熟悉的舊知中產生認知性沖突，往往更能激發學生的探究欲望，學生的學習方式就會在教師的潛移默化的影響下，逐漸形成主動思考、主動解決問題的意識，這就是真實情境帶給教學和學習的變化，勢必也會促進學生綜合素養的提升。

（二）大膽推測，小心論證，有利于提升學生的思維品質

通過知識邏輯結構的分析，梳理出本節課的問題鏈，在問題鏈中設計高思維容量的問題，問題的解決需要基于實際情況，做出合理的假設，對假設做理論推敲和實驗求證。實驗作為重要的證據獲取手段，在問題的解決過程中起到至關重要的作用，實驗可以將推敲的抽象理論或微觀可能直觀化，學生可以快速地理解。理論推敲的過程更能夠培養學生思維習慣的養成，在合作研討的過程中思維得到激烈的碰撞。

（三）基于頂層設計的教學，需要教師勇于自我革命

一節課有若干個重要知識點，這些知識點如何呈現，每個知識點要通過哪些問題來驅動學習，都需要頂層設計。頂層設計是為了梳理清楚知識的內部、外部各部分的邏輯關系。在這種邏輯關系的指導下，教師在組織教學內容時需要高度重視化學知識的結構化。教學思路的轉變需要教師有敢于自我革命的勇氣，需要花大量的時間去思考學情能否承受設計出的問題。由此帶來的是，教師思考問題習慣的轉變，更多地考慮學情會讓課堂教學更接地氣，學生的學習也會因此變得更加輕松。

（四）創新實驗驅動創新意識

實驗是化學研究的重要手段，實驗創新是實驗研究的熱點，然而為了創新而創新，不惜將簡單的實驗復雜化的情況屢有發生。實驗創新的目的到底是為了什么呢？實驗并不是為了作秀，而是用于獲取證據，解決實際問題，通過對實驗現象的分析，引發學生深入思考問題的本質，所以創新實驗是以激發學生創新意識為根本目的，通過新的方法、技術改進實驗，能夠更直觀地刺激感官，引發學生對問題的深層次思考。