基于深度學習的金屬學習單元設計

彭了 于秋紅 鄭弢 吳征輝 周逸清 馮岸超

摘要：以“金屬學習單元”的設計和實施為案例，從學習目標的確定，核心表現型任務群的設立，單元實施情況和評價與反思幾個方面論述了“深度學習”的要求和效果，為教師進行基于“深度學習”的學習單元的設計提供參考。

關鍵詞：深度學習，基于標準的學習，基于理解的教學設計

文章編號：1008-0546（2020）05-0064-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.017

在教育領域，“深度學習”的概念在1976年被瑞典教育學家費倫斯.馬頓和羅杰.薩爾喬提出，是指學習者加工信息水平相對更加深入的學習方式。近年來，為了進一步落實“核心素養”，北京師范大學化學學院“深度學習”項目組的胡久華老師提出，當前的深度學習具體是指“在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程。”在上述思想的指導下，我們對“金屬及其化合物”學習單元進行了設計開發。在這一過程中，“基于標準的學習”和“追求理解的教學設計（understanding by design，UbD）”的思路也對我們有所啟發。

一、學習單元設計基礎

根據2017年版《普通高中化學課程標準》（簡稱新課標），金屬及其化合物的單元學習屬于必修課程“主題2常見無機物及其應用”的內容范疇。因此，我們所設計的金屬及其化合物的學習單元以“2.4金屬及其化合物”作為核心內容，同時滲透了“2.1元素與物質”，“2.6物質性質及物質轉化的價值”等相關內容。

該金屬及其化合物的學習單元面向學校直升化學Ⅱ和直升化學Ⅲ的同學開展。在此之前，學生已經通過“氧化還原反應”和“離子反應”的學習，系統地掌握了復分解反應和氧化還原反應的原理基礎;結合之前學習的元素周期表、元素周期律和物質結構基礎，他們能夠從元素在周期表中的位置、物質類別和物質結構，推測和解釋元素及其化合物的基本性質，初步理解了“結構決定性質”的基本思想;最后，他們也分別學習了金屬的代表元素鈉和非金屬代表元素氯及其化合物的性質和相互轉化，初步了解了元素化合物的學習方法。

二、基于深度學習的單元設計思路

在金屬及其化合物的傳統學習中，將鎂、鋁、鐵、銅四種金屬元素分開學習，分別學習每一種金屬在元素周期表中的位置，金屬及其化合物的物理化學性質這些碎片化的知識點。為了促進學生的深度學習，在單元設計之中，我們從解決真實生活或者工業生產中存在的實際問題的角度切入，通過核心表現型任務的設計，讓學生直接面對要解決的問題，以終為始，真正啟動學生的自我學習系統。學生在解決問題的過程中，能夠主動完成對金屬及其化合物的學習、理解和遷移運用。此外，在學習過程中，注重對不同金屬的類比和對比學習，有助于學生形成結構化的知識體系。

進行單元設計的第一步，就是確定學習目標。根據UbD的設計標準，我們從學習遷移、持久理解和核心問題三個維度確定學習目標，在學習單元設計過程中，通過核心問題的設計引導學生持久的思考和學習。因此，結合新課標，我們將“如何分離提取、分析鑒定、妥善保存和合理使用金屬材料？”確立為學習的核心問題，該問題包括4個維度的學習內容（如表1所示）。

圍繞該核心問題，我們進而確立學習遷移和持久理解的目標如表1所示。基于學生已有知識基礎，在持久理解的范圍內，我們再次強調“元素周期表”和“物質結構”作為化學學習基本工具的重要性，即引導學生建立和強化“位置一結構一性質”的模型認知。

最后，在鈉及其化合物的舊知基礎上，通過鎂、鋁、鐵、銅四種常見金屬元素及其化合物的學習，學生能夠掌握金屬元素及其化合物學習的一般方法，初步形成自己的思維模式，為元素化合物的繼續深入學習奠定基礎。

（一）單元學習目標（表1）

（二）核心任務（群）

在確立單元的核心任務之前，我們通過調查問卷進行了學情分析，在“你最愿意參與的課堂活動”之中，71%和65%的同學分別選擇了探究性實驗和驗證性實驗。學生對于實驗的熱情使得我們決定將綜合性的探究實驗作為單元的核心任務，以提高學生的學習興趣。另一方面，深度學習要求，對單元學習主題，也就是核心表現型任務，需要滿足以下條件：（1）任務來源于日常生產生活問題;（2）能夠激發學生的興趣;（3）具有一定的可操作性;（4）承載化學學科的核心知識和核心素養。基于深度學習的要求和學情分析，我們在充分討論的基礎之上，將解決實際問題——“礦石中金屬元素的檢驗”作為該單元學習的主題。具體地，給學生提供一種未知礦石，該礦石中含有若干種金屬元素，要通過化學實驗的方法將其分離并鑒定。學生拿到礦石，通過觀察這種礦石的顏色和狀態，產生的第一個問題就是“這種礦石中含有哪些金屬元素？”自然而然產生的下一個問題就是，“如何檢驗這些金屬元素是否存在？”這就進一步涉及到，如何把礦石中的金屬轉化為溶液中的離子？在轉化過程中有哪些注意事項？在上述思維過程中，涉及到金屬在自然界的存在狀態，金屬礦物的冶煉（濕法冶煉），常見金屬離子的分離（轉化）和檢驗方法等，這都是金屬及其化合物單元的核心內容。

根據王磊教授的《基于學生核心素養的化學學科能力的研究》，要完成上述核心任務，需要學生具有“復雜關聯”和“系統探究”的能力，這對于學生提出了較高的要求。為了成功地完成這一具有一定挑戰性的核心任務，我們在核心任務之前設計了一定的預熱任務，作為腳手架為學生提供任務完成需要的基礎知識和能力，包括“尋找生活中的金屬材料”和“金屬資源的開發利用”。從尋找生活中的金屬材料開始，在熟悉的生活場景中，利用生活中熟悉易得的原料，開啟學生對于金屬單元學習的思維系統，在比較不同金屬單質的物理化學性質時，引導學生進一步應用之前已經初步形成的“位置-結構-性質-功能”思維模型;在這個任務的基礎之上，學生自然會產生的問題就是，這些金屬資源是從哪里得到的？我們如何能夠從自然界中提取金屬資源？從而引出第二個任務，金屬資源的開發利用，在該任務的進行過程之中，落實基礎知識，通過對于工業流程的熟悉和對于化學方程式的書寫，建構學生自己的思維體系。

（1）尋找生活中的金屬材料

新課標關于金屬及其化合物的學習中，要求“結合真實情境中的應用，了解金屬及其化合物的主要類型，了解這些物質在生產，生活中的應用”，“能說明金屬及其化合物對社會發展的價值，對環境的影響”。因此，我們設計的第一個任務即為“尋找生活中的金屬材料”（表2）。

金屬材料，尤其是合金材料在日常生活和國民經濟中占據重要地位，與學生的生活有緊密的聯系。在學習過程中從生活中的金屬材料人手，體現了化學與工業生產和生活實際的聯系。金屬單質的性質是金屬元素性質的一種體現，也是金屬化合物性質的基礎，從金屬單質的性質開始學習，符合學生的認知規律。不僅要尋找和發現金屬材料，了解它們的組成和用途，還要求用已有的化學認知模型對其進行解釋，強化了“結構決定性質，性質衍生功能”的基本思想。

（2）金屬資源的開發利用

在發現和尋找到生活中廣泛存在的金屬材料的過程中，學生對于金屬材料學習的興趣得到促進，自主開始思考，這些金屬材料從何而來？如何從自然界中提取？從而開啟下一個任務“金屬資源的開發利用”。

落實化學方程式是元素化合物學習的基礎，也是在學習過程中學生相對較為薄弱，需要多次練習的部分。過去的化學方程式的練習往往較為枯燥，不能夠吸引學生主動學習的興趣。考慮到金屬化合物單元涉及到較多的工業流程，我們向學生提供了鎂、鋁、鐵、銅四種金屬冶煉工業流程的描述性文字，同時創設情境，假設學生是某金屬冶煉工廠的化學工程師，需要向工廠的新員工展示這些金屬冶煉的工業流程圖，盡可能地找尋在整個工業流程中涉及到的化學變化過程，并寫出它們的化學方程式并進行展示。

該任務需要學生在閱讀資料的基礎上完成，培養了學生在科普閱讀中接收、吸收、分析、整合信息的能力，這些都是新高考所強調的。在閱讀的過程中尋找化學反應和繪制工業流程，有學生的主動參與和創作，增加了任務的趣味性，同時創設了一定的情景，從而能夠引導學生的自主探究，啟動學生的自我系統，并且在此過程之中實現基礎知識的學習。例如，對于鎂和鐵的金屬資源的獲取，我們分別提供了《海水中鎂的提取》（部分內容如資料卡片所示）和《鐵礦石的冶煉（高爐煉鐵）》的文字資料，還穿插了一些問題引發學生的思考。同時，我們也鼓勵學生查詢自己感興趣的金屬的冶煉工業流程，并繪制對應的流程圖。

（3）礦石中金屬元素的檢驗

在“金屬資源的開發利用”任務中，學生對金屬冶煉的常見原料“礦石”有了基本的認識并且產生了一定的興趣，但對于不同金屬元素的學習仍然是相對獨立的。然而，在自然界中很多礦物中的金屬元素常常是伴生的，這就涉及到混合物中金屬元素的分離和檢驗問題。因此，我們將“礦石中金屬元素的檢驗”作為本單元學習的核心任務，讓學生在主動解決該復雜真實問題的過程中獲取知識和能力。

和常見的驗證性實驗相比，“礦石中金屬元素的檢驗”是一個結果未知的探究性實驗，能夠充分引起學生學習和探究的興趣，從而能夠改變以往驗證性實驗中，學生操作積極性不高的狀況。從方案的設計，到需要使用的藥品，在實驗安全允許的情況下盡可能地滿足學生，為學生的探究提供堅實的保障。鼓勵學生對于同一種離子，通過多種不同方法進行鑒別，也鼓勵對于多種不同的實驗方案進行評價和篩選，培養學生分析總結評價實驗方案的能力。

因為礦石中多種金屬元素的伴生，使該任務的實質是多種混合離子的檢驗，而不是單一離子的檢驗。需要學生在檢驗一種離子的時候能夠考慮其他離子可能存在的干擾，有的時候還需要進行分離，以及考慮實驗失敗的可能性。這一過程能夠有效地在真實的情景中培養學生“排除干擾”和“分離提純”的化學觀念，也促進了同學們對于“取樣”這一操作的重要性的理解。

從化學學科核心素養的培養角度，這三個任務幾乎涵蓋了學科要求的五大核心素養，即宏觀辨識與微觀探析、變化觀念和平衡思想、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，重點對宏微結合，模型認知和科學探究三大核心素養進行了培養和提高。從任務的設計上看，三個任務對于基礎知識和能力的要求逐步上升，從金屬單質的性質到金屬化合物的性質，再到混合物中金屬的轉化和相關離子的檢驗。從馬扎諾目標分類學的角度，第一和第二個任務主要涉及知識提取和理解分析，第三個任務主要涉及知識的綜合運用，體現了知識能力的逐級提高。任務的設計環環相扣，每一個任務的結束并不意味著學生學習的結束，而是下一個任務的開始。

（三）工具和量規

整個單元學習的過程中，我們為學生提供了多種資源和相應的量規作為學生學習的腳手架。學習資源主要包括校本教材（高中化學Ⅱ《無機化學基礎讀本（下冊）》），參考工具書和實驗視頻（如硫酸銅與氨水的反應，氫氧化鐵的制備和性質等），以促進學生通過自學自研掌握基礎知識。量規包括“實驗方案設計量規”和“實驗量規”，前者更強調實驗方案設計的安全性、可行性、簡約性和有效性，而后者更強調規范的實驗操作，仔細的實驗記錄和對實驗現象的分析。

三、單元實施情況

（一）尋找生活中的金屬材料

在“尋找生活中的金屬材料”子任務中，優秀的學生作業尋找到了成分比較明確的鋁箔和菜刀。前者通過金屬鋁較高的熔點（相對于鈉和鎂而言）解釋了其為什么在能夠在烤制食物過程中有所應用，也通過其較小的密度和較好的延展性解釋了其為什么能夠廣泛作為食品包裝使用。而在菜刀的例子中，同學通過不同金屬的性質解釋了它們作為添加成分對于菜刀性質的作用。

（二）金屬資源的開發利用

“金屬資源的開發利用”子任務中的優秀學生作業分別完成了鋁土礦冶煉金屬鋁和火法煉銅的工業流程圖的繪制，和其中化學反應方程式的書寫。在要求的基礎之外，學生還饒有興趣地繪制了實際的工業流程的裝置圖，體現了學習興趣的提高和自我學習系統的啟動。

（三）礦石中金屬元素的檢驗

“礦石中金屬元素的檢驗”由三個部分組成，即（1）在自學自研的基礎之上，觀察礦物，分小組討論實驗方案，在方案討論過程中教師適當參與，給予一定的指導;（2）在確定實驗方案的基礎上，每個小組拿到個性化的實驗藥品，小組合作完成檢驗實驗和實驗報告;（3）對實驗過程中發生的現象進行分析，對不同小組的不同檢驗方案比較，評價和總結。具體不同離子的實驗檢驗情況如表3所示。

（1）鐵元素的檢驗：在實驗中，大部分學生通過最常見的加入SCN-生成血紅色的Fc（SCN）₃配合物來檢驗。在后續檢驗Cu²⁺的過程中，他們又發現堿如NaOH或者氨水也能夠與Fe³⁺生成紅褐色沉淀，將這一原理也用于鐵元素的檢驗之中，從而在實驗的過程中學習掌握了一種元素的多種檢驗方法。

（2）銅元素的檢驗：在銅元素的檢驗中的主要困難是，混合物中可能存在的Fe³⁺也會生成沉淀，從而對Cu²⁺的檢驗產生干擾。因此，不能夠過多加入強堿如NaOH生成沉淀的方法來檢驗Cu²⁺。同學們通過實驗和思考另辟蹊徑，通過生成有特殊顏色的配位化合物（加入過量氨水生成[Cu（NH3）]²⁺，此時Fe³⁺和Fe²⁺已沉淀，不干擾配離子顏色的觀察），置換反應（生成有特征顏色的金屬單質），以及焰色反應等來實現檢驗。

（3）鋁元素的檢驗：與Cu²⁺類似，在鋁元素的檢驗中，如果直接生成Al（OH）^{3+*沉淀，那么Fe3+和Cu2+的存在都會對實驗產生干擾，因此需將Cu2+和Fe3+分離。此時，大部分同學采用了加入過量氫氧化鈉的方法，在生成氫氧化物沉淀之后取上層清液，然后通人過量CO₂觀察是否生成氫氧化鋁的絮狀沉淀來檢驗溶液中是否存在Al2+。有一組同學嘗試了加入鋅通過置換反應除去鐵和銅的方法。這種方法雖然能夠除去雜質，但是會引入Zn2+對Al3+的檢驗產生影響，從而得到錯誤的實驗結果。在實驗結束之后通過小組討論，同學們共同意識到了這種方法的問題，從而培養了學生對于“除雜不引雜”的思想的深入理解。}

為了改變以往的實驗過程中學生的實驗記錄習慣較差，如不能夠真實細致地記錄實驗現象，不能夠將化學方程式與實驗現象的解釋結合在一起等情況，我們將本次實驗設計成為了實驗考試，對每一個實驗記錄和解釋進行精確賦分，對每一種離子通過多種方法進行檢驗的小組給予加分，引導學生培養在實驗中仔細觀察和忠實記錄實驗現象，在完成實驗之后認真反思總結的習慣。

在實驗結束之后，針對大家不同的實驗方案，以及實驗過程中遇到的各種問題和相應的解決方案，同學們以小組為單位進行了分享和討論，對不同的實驗方案進行了比較和評價，通過這一過程，將本單元學習的金屬及其化合物的結構、性質和功能整理成為了結構化的知識。

在三個任務結束之后，我們對不同班級的同學分別進行了訪談，了解他們在通過基于深度學習的單元學習之后的感受和體會，總結如表4所示。從同學們的感想體會可以看出，此次以綜合性探究實驗為核心的任務群的學習，對于學生五大化學學科的核心素養的發展都起到了一定的促進作用。絕大多數同學能夠從更加真實、更加動態的角度認識化學反應，化學反應不是書本上的一個個方程式，化學反應有一定的速率，因此需要一定的時間才能夠完成;化學反應能否發生以及發生的速率也會受到外界環境的影響，因此我們需要控制反應條件來讓化學反應按照希望的方向進行。本單元的學習也為后續開展化學反應原理的學習埋下了伏筆，比如在礦石提取液中加入Z。以置換Cu和Fe的時候，隨著Zn先和溶液中的H⁺發生反應，溶液pH的升高會導致Fe（OH）₃紅褐色沉淀的生成;再比如加入氨水的多少會明顯影響生成的[Cu（NH₃）₄]²⁺的顏色深淺，這其中涉及到的水解和平衡的知識都是以后學習反應原理時的重難點，因此提高了實驗作為素材的利用效率。此外，此次設計也在真實情境中促進了學生的思考以形成結構化的知識體系，比如對比不同離子的性質尋找不同情況下的最優檢驗方案，比如理解配位化合物的生成對于物質鑒定和分離的重要意義等。

四、評價與反思

總之，在金屬學習單元的設計和實施中，核心任務群的內容承載了學科的思想方法和學科的核心素養，學習的活動和任務具有一定的挑戰性，促進了學生的高度參與和深度思維;設計的任務具有層次，體現了知識能力從信息提取、理解到分析、應用的提高;學習的結果表明，學生能夠自主應用學科思想解決問題，也能夠自主說出在學科核心素養方面的具體收獲，在一定程度上滿足了深度學習的要求。但是，通過實施過程中的總結反思以及與學生的訪談，我們也發現了一些問題。對于這些問題，我們提出了以下改進措施，以在后續的實施過程中取得更好的效果。

（一）發現生活中的金屬材料

在該任務中，學生很容易就能夠發現生活中的金屬材料，也能夠體會金屬材料在生活中的廣泛應用，但是缺少適當的工具，無法對于金屬材料的元素成分進行準確的判斷，從而對任務的完成帶來了一定的困難。在實際任務的進行過程中，能夠確定明確成分的金屬材料較少，比如鋁箔和鐵刀等，而大部分金屬材料無法準確指出其成分。在解釋金屬材料的性質時，大部分學生能夠聯想到的出發點比較少，或者解釋不夠深入，比如學生在任務中只解釋了金屬鋁能夠作為鋁箔用于烤制食物是鋁的熔點高（相對于鈉和鎂），但是并不能進一步聯想到通過金屬晶體中金屬鍵的強度來解釋鋁的熔點為什么相對較高。

因此，在方案的后續改進中，我們可以提供更多的范例和工具，幫助學生搭建腳手架，以對生活中的金屬材料進行指認。另外，也需要向學生提供更多將物質的結構和性質結合在一起的角度，引導學生從元素周期表和元素周期律、物質結構（金屬晶體、金屬鍵）、金屬氧化物的性質等角度人手進行分析，更好地培養學生形成“結構決定性質，性質衍生功能”的基本思想。

（二）金屬資源的開發利用

該任務使用的文字材料在后續使用過程中可以進行更多的精雕細琢，以實現更準確的描述和提供更加多元的學習機會。一方面，要對文字描述進行核對，盡量避免不規范或者語意模糊的描述。另一方面，將化學方程式的不同難度標注出來，以滿足不同學習程度學生學習的需求。針對學生在書寫方程式過程中暴露的問題進行總結，如缺少反應條件，不注意反應環境等，在作業講評的時候重點強調，引導學生養成全面思考的能力，樹立良好的書寫方程式的習慣。

（三）礦石中金屬元素的檢驗

在小組設計實驗方案的討論課中，因為不同組的學習節奏不一樣而造成了課堂資源的浪費。同樣的任務對某些組可能時間綽綽有余，而對某些組來講難度太大而無從下手，導致了時間的浪費。為了解決這一問題，在后續的改進中，可以將整個實驗方案的設計分解成若干個更容易完成的小任務，比如如何轉化為離子，如何對Fe³⁺進行檢驗，如何對Cu²⁺進行檢驗等，對于每個任務的方案設計討論設置時間節點，在到達時間節點之后進行適當的總結，如果某些組在某個任務上卡住，可以利用課下的時間進行補充;而對于已經得到一定結果的小組，可以鼓勵他們嘗試思考多種方法，通過個性化的討論學習以提高班級的總體學習效率。

總之，深度學習是一種基于理解的教學，在學習的過程中，學習者以解決實際問題為目標，積極主動地、批判性地學習新知，將其融入原有的知識結構之中并且能夠實現知識的遷移應用。實現學生的深度學習，促進學生的學科核心素養發展是我們進行單元設計的終極目標。