指向化學學科理解，構建品質思維課堂

蔡冰 陳祖云 陳明晚

摘 要：文章以“鋁和鋁合金”教學為例，選擇利樂包作為真實的情境素材，將學科知識融入任務鏈，使學生在任務的層層遞進過程中獲得知識和技能;將實驗嵌入任務鏈，使學生在一個個實驗節點上激發科學探究的興趣;探索指向化學學科理解的課堂，構建具有定量分析與證據推理、科學預測與實驗驗證、微觀探析與科學精神等學科思維和素養的品質思維課堂。

關鍵詞：“鋁和鋁合金”;化學學科理解;品質思維課堂

課題項目：本文系湖南省教育科學研究工作者協會“十四五”規劃2021年度基礎教育一般課題“基于STEAM理念的高中化學校本課程的研究”（XJKX21B265）的階段性研究成果。

作者簡介：蔡冰（1987.7—），男，浙江省義烏市上溪中學，一級教師，本科，研究方向：化學教學、基礎教育;

陳祖云（1966.7—），男，湖南省茶陵縣第一中學，正高級教師，本科，特級教師，研究方向：化學教學、基礎教育;

陳明晚（1976.1—），男，湖南省株洲市南方中學，高級教師，本科，研究方向：化學教學、基礎教育。

一、教學分析

《普通高中化學課程標準（2017年版，2020年修訂）》對“鉛和鋁合金”課的教學要求是：結合生活中的例子認識鋁及其氧化物，了解到通過化學反應可以探究鋁的性質、實現鋁的轉化，認識到鋁及其化合物的轉化在促進社會文明進步、綜合利用自然資源和環境保護中所具有的重要價值。其中，鋁可以和酸、堿反應的特性，氧化鋁的兩性，鋁合金的性能與應用等知識點是本課的教學重難點。在知識儲備方面，學生在初中階段學習了常見金屬的性質與用途，在高中階段學習了氧化還原反應，這為鋁及其氧化物的學習做了鋪墊。在科學探究方面，經過鐵及其化合物、氯及其化合物的性質探究實驗學習，學生已經初步掌握了觀察與歸納、設計與驗證、分析與推理等學科關鍵技能。在學習體驗方面，學生對化學實驗有濃厚的興趣，樂于研究物質轉化的奧秘。但是由于學習氧化還原反應理論的時間尚短，學生還不能熟練地運用該理論從價態角度分析鋁的轉化產物，并且實驗設計能力也迫切需要提升。因此，本課在教學過程中有意識地借助生活中熟悉的利樂包（牛奶包裝）創設問題情境，設計了一系列有梯度的任務鏈，讓學生在實驗中發現問題、設計實驗方案并嘗試解決實際問題。

二、設計思路

我校化學教師在教學實踐中非常重視情境的選擇和創設，注重將學科知識融入任務鏈，使學生在任務的層層遞進過程中獲得知識和技能，從而實現學科核心素養的培養與發展。經過不斷的探索和研究，我們提出：情境是承載學科知識的平臺，任務鏈是內生學科能力的動力，實驗是撬動學科思維的支點。在市教研員和專家們的指導下，我們總結和提煉出指向學科理解的品質思維課堂模式，如圖1所示。

在教學設計上，本課選擇利樂包作為情境素材，設置了利樂包這一牛奶包裝表面為什么需要加塑料薄膜、牛奶盒回收工藝、鋁合金的性能和應用等真實情境，采用一系列有梯度的任務鏈驅動學生去學習和思考。在教學過程中，教師引導學生結合金屬及其氧化物與酸的反應分析利樂包與酸溶液的反應，并啟發學生從氧化還原反應的角度推測鋁與氫氧化鈉溶液反應產生的氣體是氫氣，使學生更加系統地認識鋁及其化合物，進一步完善學習元素及其化合物的基本思路。本課重點關注科學精神的啟發和社會責任的培養，使學生認識到鋁及其轉化在綜合利用自然資源和保護環境過程中所具有的重要價值，體會到科學、技術、社會三者之間的關系。

三、教學過程

新課引入：播放利樂公司在上海世博會期間的宣傳片“椅我為榮”。

教師：利樂公司利用回收的牛奶紙包制作了環保長椅，說明垃圾只是放錯地方的資源，還說明利樂包中含有金屬鋁。除了鋁，利樂包中還有什么材料呢？請同學們撕開牛奶盒子，研究利樂包的組成材料。

學生：利樂包共有三層材料，分別是紙、鋁箔、塑料薄膜。

教師：鋁箔說明鋁具有什么物理性質？

學生：說明該金屬有良好的延展性。

教師：氧化膜能保護內層金屬，防止鋁溶解，那么利樂包中的鋁箔為什么還需要覆蓋一層塑料薄膜呢？與牛奶的化學性質有何關系呢？接下來，我們一起學習鋁和鋁合金，并利用學到的新知識解答剛才的問題。

設計意圖：在品質思維課堂中，情境的選擇和設計至關重要。本課的情境主角是利樂包，筆者將利樂包作為承載鋁和鋁合金學科知識的平臺，有利于激發學生探索鋁及其化合物的興趣。

（一）鋁片和鹽酸的反應

學習任務一：研究牛奶的性質。

投影：常見液體的pH值。

學生：牛奶的pH值小于7，呈弱酸性。增加一層塑料薄膜可以防止鋁被酸溶解，從而避免對人體產生有害影響。

教師：請同學們寫出鋁和鹽酸反應的化學方程式，并改寫為離子方程式。

追問：鋁箔在和牛奶接觸的過程中，只有鋁單質發生化學反應嗎？

投影：人教版化學必修第一冊，第76頁。“鋁是一種活潑金屬，在常溫下就能與空氣中的氧氣反應，表面生成一層致密的氧化膜。”

教師：除了鋁單質，氧化鋁能和酸反應嗎？請同學們結合初中學過的金屬氧化物與酸的反應，試著寫出該反應的化學方程式與離子方程式。

學生：思考，完成兩個方程式的書寫。

設計意圖：從利樂包表面的塑料薄膜和牛奶呈弱酸性出發，本課引導學生回顧初中所學的知識，分別寫出鋁、氧化鋁和酸反應的化學方程式，為下面的實驗設計和實驗驗證做好鋪墊。離子方程式的書寫，使學生能從微觀視角認識鋁、氧化鋁分別和鹽酸中的氫離子反應，促進了學生的化學學科理解。本課引導學生利用所學知識解答“利樂包的內層為什么要再加一層塑料薄膜”，既能培養學生在新情境下解決問題的能力，又能加深學生對金屬及其氧化物與酸反應的理解。

過渡：我們能否通過實驗驗證我們剛才的預測？

學習任務二：實驗探究鋁片和鹽酸的反應。

學生：通過微型實驗裝置，分小組合作完成鋁片和鹽酸反應的實驗，記錄實驗現象，并用燒杯內壁的水珠驗證產生的氣體是氫氣。

設計意圖：本任務使學生初步有序、全面、敏捷地觀察實驗現象，讓學生能使用準確的描述語言進行表達，并嘗試用學過的知識去分析和解釋。完成學習任務二的全程，既是一個微型實驗探究的過程，又是學生嘗試用化學學科思維去理解鋁片和鹽酸反應的過程。

（二）鋁片和堿的反應

學習任務三：實驗驗證利樂包和氫氧化鈉溶液的反應。

過渡：在回收牛奶盒子的過程中，我們除了采用酸溶法將其中的鋁溶解掉，還可以使用堿溶法。

投影：堿溶法工藝流程圖。

學生：寫出氧化鋁和氫氧化鈉溶液的反應方程式。

設計意圖：通過堿溶法回收鋁的工藝流程圖使學生基于實驗事實認識到氧化鋁既能與酸反應，還能與堿反應，并能知道氧化鋁在堿性條件下反應的產物是偏鋁酸鈉。在物質轉化的沖突和思考中，學生通過深層次的思考，在心里生出兩性氧化物概念，初步學會用化學學科思維理解有關元素的化學學科知識。

學生：分小組合作探究實驗，將小塊利樂包放入氫氧化鈉溶液，觀察實驗現象。

教師：為什么剛開始沒有產生氣泡，一段時間后產生大量氣泡？

學生：（小組討論后，回答）剛開始氫氧化鈉溶液溶解氧化鋁薄膜，待溶解后，氫氧化鈉和鋁單質反應。

追問：利樂包中的鋁單質在氫氧化鈉溶液中產生的氣體是什么？如何通過實驗證明？

設計意圖：利樂包和氫氧化鈉溶液反應的小組實驗，既證明了氧化鋁能與堿反應，又能引出新的問題“鋁單質和堿反應生成的氣體是什么”。同時，教學過程中采用追問和評價等教學策略拓展了學生科學探究的思路，進而嘗試使用新的儀器探究鋁和堿的反應，進一步培養了學生的探究能力和科學素養。

學習任務四：用手持數字化檢測儀器觀察未打磨過的鋁片在氫氧化鈉溶液中的反應。

教師：教師演示數字化儀器探測鋁和堿反應的實驗（將小塊未打磨過的鋁片放入氫氧化鈉溶液中），并引導觀察屏幕上的曲線變化。

學生：隨著時間的移動，表示氫氣和溫度的曲線分別先平緩，后快速突變，向上增大。

教師：儀器檢測到溫度曲線剛開始比較平緩，說明了什么？

學生：結合氫氣曲線推斷氫氣沒有明顯產生，說明剛開始是氧化鋁和堿反應，它不是明顯的放熱反應。

追問：那為什么后面溫度上升呢？

學生：表面的氧化鋁溶解后，鋁單質參與了反應，鋁與堿反應是較明顯的放熱反應。

追問：鋁與堿反應產生的氣體是什么？

學生：鋁在氫氧化鈉溶液中反應產生的氣體是氫氣。

設計意圖：曲線的變化使學生認識到鋁能與堿反應，進一步轉變物質轉化觀念，同時鍛煉了學生的發散思維。

（三）鋁合金及其應用

過渡：回收利樂包中的鋁單質除了做環保長椅外，還能做什么？

學習任務五：鋁合金的應用。

投影：日常生活中的鋁合金物品、航空航天、海洋工程。

學生：總結分析鋁和鋁合金的成分、硬鋁的性能以及特種鋁合金的優點。

四、教學反思

（一）情境創設，培養思維品質

在品質思維課堂上，教師不能把學科知識硬生生地塞進學生的大腦，而應當在富有價值且真實的問題情境中完成學科知識的生成與發展，從而使單一的學科核心素養得到培養和發展。課堂知識所涉及的教學素材必須來源于學生的生活實際，否則，課堂教學只會降低學生的學習興趣，降低課堂教學的效率和有效性。

（二）任務鏈學習，構建思維體系

按照建構主義學習理論，任務鏈驅動的教學流程分為“創設情境—呈現任務1—引導探索、協作完成—呈現任務2—引導探索、協作完成—呈現任務3……總結評價”。任務驅動不應只是用于課堂的某個環節，這樣不利于學生在深層次進行學習，更不利于培養學生的學科思維。筆者認為應當基于學科理解進行課堂任務的設計，在課堂里構建完整的任務鏈，驅動學生不斷地進行深層次學習，使學科思維在對真實問題情境對象的層層挖掘中得到激發和培養。

（三）數字化實驗，促進深度學習

筆者在研讀人教版化學必修第一冊的教學用書中發現了這么一段話：“在關于鋁和氧化鋁性質的演示實驗教學時，可利用溫度傳感器和實驗視頻直播的方式……氣泡的速率和體系溫度的變化等宏觀現象的差異，引發對反應本質的深層次思考，實現深度學習。”為此，筆者設計了如圖2所示的實驗裝置。

在完成鋁片和鹽酸、氫氧化鈉溶液的定性實驗后，筆者又引入數字化實驗儀器進行改進，幫助學生定量分析體系溫度的變化和檢測到的氫氣及其變化，使學生更加深入地理解特殊金屬鋁和氫氧化鈉溶液的反應，拓展了新的物質轉化觀念。同時該實驗又能幫助學生從定量分析的角度去理解化學學科知識，培養了科學探究能力。

最后，筆者認為我們的探討和實踐仍存在一些不足之處。限于教育教學理論知識不足和水平有限，我們關于學科理解的研究僅限于教師從教學角度對學科知識的選擇、組織和呈現，即轉化環節。因此，我們需要做的工作還有很多。

[參考文獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社課程教材研究所化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書·教師教學用書化學必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.