化學核心素養為本的PCK教學設計研究
——以“乙醇”教學為例

王 蕾，柯 芳，楊水金

(湖北師范大學 化學化工學院，湖北 黃石 435002)

《普通高中化學課程標準(2017年)》提出要重視開展以素養為本的教學，具有化學學科特征的核心素養是高中生提升個人綜合素質，促進個人發展的重要部分之一。近年來化學學者以及專家們從關注明晰化學學科核心素養概念和如何構建化學學科核心素養這一體系，逐漸開始思考如何將理論與實踐結合。舒爾曼教授于1986年提出PCK(學科教學知識)后，PCK的研究逐漸增多，但較少與具體的教學實踐結合，可見PCK的教學實踐研究有較大的發展空間與意義[1～5]。傳統的教學設計過分強調課程內容本身而忽略了與實際生活的聯系，忽略了以學生為中心，過于強調以老師為主體以及接受學習，難以將核心素養體現在課堂教學之中?；瘜W學科核心素養、教師的PCK與化學課程教學緊密相關，本文試圖將教師的PCK與化學教學設計結合，以“乙醇”為學科主題，通過“知識線、素養線、策略線、評價線、興趣線”五線合一的PCK教學設計框架，創設化學教學設計，通過教學活動，培養學生化學學科核心素養。

1 PCK視角下的教學設計

1.1 PCK教學設計指導思想

《普通高中化學課教程標準(2017版)》中凝練了學科核心素養，選取體現時代性和基礎性的化學內容，立足于學生開展以素養為本的教學，進行實際問題的創設，倡導以教學評為一體的教學評價模式，以促進每位學生的化學學科核心素養發展，發揮育人的功能[6～8]。因此，筆者基于PCK理論以五條PCK主線(知識線、素養線、策略線、興趣線和評價線)所形成的框架模型(如圖1)，創設體現化學學科核心素養的教學設計。教師應根據不同的學科主題，明確知識線；構思教學設計中應該如何培養并發展學生的素養，構成素養線；化學與我們的實際生活息息相關，教師應通過創造不同的生活情景來激發學生興趣，形成興趣線；采用不同的教學策略融入教學設計中，形成策略線；評價應和教與學有機融合在一起，貫穿在教學活動始終，構成完整的評價線。五條PCK主線緊緊圍繞學科主題，相互關聯，引導學生在不同的情景中學習化學知識，提高學生的綜合素質。

圖1 “5+1”的 PCK教學設計框架

1.2 PCK視角下的教學內容分析

根據《高中化學課程標準(2017年版)》，化學必修課程分為五個主題。設置不同主題，以促進學生的化學學科核心素養的各方面進一步發展。如果教師采用單一的教學策略和方法，學生將對化學學科的學習失去興趣。因此，應采取多種教學策略，改變當前過于注重課本知識的現狀，注重學生的學習興趣和經驗?！兑掖肌返谝徽n時選自高中化學人教版必修二第七章第三節，其中包括乙醇、乙醇與鈉反應和乙醇的氧化反應三部分內容。乙醇是課本中在介紹有機物甲烷、乙烯和有機高分子材料的基礎上引入的。對于乙醇的學習，不僅僅為學生學習其他官能團打好基礎，而且對后部分課程中的醇、醛、酸類等有機物的學習奠定基石，也為學習選修5中的知識難點奠定夯實的根基，對于有機物的學習形成一定的學習模式，有利于學生的思維系統化。

1.3 PCK視角下的學習情況分析

《乙醇》這一課內容位于高一有機化合物學習中，在高中階段，學生會更多了解乙醇的化學性質，了解它的結構和官能團，從微觀的角度來解釋化學反應的本質。通過有機物的學習，學生具備基本模型構建的能力以及探究和類比推理能力，能夠通過相同的官能團類比其他未學過的物質相關性質，具有基本的實驗操作能力。但是對于結構與性質之間的聯系還未充分認識，從官能團斷鍵的角度解釋化學反應的本質這一能力明顯不足。

1.4 PCK視角下的教學重難點分析

教學重點：

1)乙醇的結構；

2)乙醇的化學性質。

教學難點：

乙醇的結構與性質之間的關系。

1.5 PCK視角下的教學設計思路

筆者以《乙醇》作為學科主題，結合教學內容和化學學科核心素養，基于PCK五大主線的教學設計框架如圖2所示。

圖2 《乙醇》教學設計框架

1.5.1 《乙醇》的知識線 根據乙醇的教學內容，基于PCK理論下知識線的教學設計框架如圖3所示。

圖3 《乙醇》知識線框架

1.5.2 《乙醇》的素養線 選擇化學學科核心素養中的“證據推理與模型認知”為主線，在學生已有認知上，對乙醇的分子結構提出假設，并通過構建分子模型，進行推理論證，進一步進行探究性實驗確定乙醇分子模型，了解探究性實驗教學的一般操作過程。最后通過驗證性實驗驗證乙醇的相關化學性質，培養學生的科學探究素養，結合實際生活培養學生的科學態度和社會責任感。圖4為該素養主線下的教學流程[9]。

圖4 “證據推理與模型認知”素養下的教學流程

1.5.3 《乙醇》的興趣線 通過課前小魔術，分子模型構建、實驗探究活動等構成興趣線。

1.5.4 《乙醇》的策略線 本節課主要選擇了問題驅動策略、類比策略、合作學習策略、科學探究策略進行教學。

1.5.5 《乙醇》的評價線 通過已學過有機物類比推測乙醇相關性質，逐漸深入對有機物分類的了解，評價學生證據推理能力。評價內容包括分子模型的構建能力、證據推理能力和科學探究能力，通過教師提問，學生交流討論自評的形式構成評價線。

2 PCK視角下的教學過程探究

2.1 物理模型、結構模型的構建

2.1.1 新課導入，激趣引思

1)創設情境

①通過“燒不壞的紙巾”魔術,將學生帶入乙醇的教學情境中。

②通過多媒體向學生展示三則新聞；第一則是新型冠狀病毒怕75%的乙醇；二是由于酒精消毒所導致的火災；第三則是酒駕后出車禍的新聞，后兩則新聞旨在培養學生安全意識。

③向學生展示試劑瓶中乙醇溶液，讓學生輕扇聞味道，進行乙醇溶解性實驗， 用酒精擦拭皮膚。

2)提出假設，推理論證

通過觀察乙醇溶液，結合三則新聞思考下列幾個問題。

① 乙醇有哪些物理性質？

[學生回答]通過觀察乙醇溶液可知乙醇為無色、有特殊香味的液體，極易溶于水，易揮發，是可燃物。

②通過現代分析儀器測出了乙醇分子式是 C2H6O，乙醇的分子式與乙烷分子分子式只差一個O原子，寫出乙烷的分子式，注意乙烷分子中的H原子是等效的，寫出后思考乙醇中的O原子應該放置在哪個位置？

③各小組分別組裝其球棍模型，推斷乙醇可能的結構，嘗試判斷哪一種結構是正確的？對比乙醇與乙烷的分子式，判斷乙醇是否屬于烴類物質。

[學生實驗]乙醇分子模型的構建。

3)分析建模

[學生假設]乙醇的結構如圖5所示：

圖5 乙醇可能的兩種結構

[學生討論、回答]乙醇不屬于烴類物質，烴類物質只含有碳氫兩種元素。C2H6O的可能的結構有兩種。

[設計意圖]通過“燒不壞的紙巾”小魔術，引出這一課的教學知識，調動學生學習的積極性，吸引學生興趣。由新聞導入，引導學生增強安全意識以及社會責任感，將學生的好奇心引導到獲取真知的探究上來。采用問題驅動策略，啟發學生思考，進行推理和論證，引導學生基于已有知識對分子模型進行建構，引導學生從宏觀和微觀相結合的視角分析乙醇的球棍模型，同時對學生的分子模型構建水平進行診斷，促進學生的模型構建能力。

2.1.2 探究實驗，驗證結構

1)創設問題情境

①這兩種球棍模型各有什么特點？乙醇應該是哪種結構？是CH3CH2OH還是CH3OCH3？能否通過實驗來驗證我們的模型？

②大家還記得鈉的保存方法嗎？在《鈉》一課的學習中，講到了鈉與水發生反應，這兩種不同的結構的乙醇都能與鈉反應嗎？還是都不能與鈉反應？

2)提出假設，推理論證

①[學生交流討論]鈉保存在煤油中，烷烴是煤油的主要成分，烷烴只含有C-C鍵和C-H鍵，鈉破壞不了煤油中的C-H鍵。而鈉與水發生反應，鈉應該破壞水中的O-H，若乙醇的結構為圖片第一種則不能與鈉發生反應，若乙醇的結構為圖片第二種則能與鈉發生反應，第二種結構具有O-H，與水具有相似的結構，同理應與水具有相似的性質。

②教師進一步引導，歸納總結為表1.

表1 三種物質的結構式

教師引導的同時向學生提出質疑，第一種結構是否有可能在反應的過程中，和氧原子連接的甲基發生了變化，改變了性質，能與鈉進行反應？能否通過定量分析乙醇與足量的鈉反應產生的氣體量來判斷？學生嘗試計算。

[學生思考與計算]

[師生小結]在定量條件下，進行探究性實驗，測定氫氣的含量，探究乙醇的結構。

3)設計探究實驗

①記錄乙醇的用量，通過針筒的變化，來確定乙醇的消耗量和氫氣生成量的物質的量之比；

② 對比鈉與水的反應現象；

③ 收集氣體并檢驗純度；

4)選擇合適的裝置，學生進行實驗，分析實驗現象，得出結論。

5)解決問題

乙醇分子的球棍模型為第二種。乙醇分子的結構式為：

6)深入講解知識點

①通過對實驗現象的觀察完成表2表格;

表2 實驗現象

②教師設問

在完成表格后，乙醇與鈉的反應，與鈉與水的反應有哪些相同點，又有哪些不同點呢？

[學生回答]他們都能與鈉反應，鈉與乙醇反應沒有水活潑，乙醇的密度比水小。

[教師總結]反應相似，但二者反應的劇烈程度是不同的，乙醇與鈉反應更平緩，所以乙醇中與O相連的H不如水中的H活潑。乙醇和水均含有O-H，我們將這種基團叫做羥基。羥基決定了醇類物質的共同特征。對于乙醇分子而言，它與乙烷分子結構類似，乙烷分子中任意一個氫原子被羥基取代后就是乙醇。

③引申拓展鈉與乙醇反應后生成乙醇鈉(CH3CH2ONa)，它在醫藥方面上也有一定的用途，是制備一些西藥的原料。乙醇還可以和鎂、鉀、鈣等活潑金屬反應。請同學們嘗試寫出乙醇與鈣化學反應方程式。

Ca+2CH3CH2OH→(CH3CH2O)2Ca+H2↑

[設計意圖]通過兩種分子模型的構建，建構結構模型，引導學生加以定性定量分析，培養學生證據推理的能力，診斷并提高學生在這一階段的模型推理能力以及對上一課知識的靈活運用程度；運用實驗探究，證據推理等教學策略，引導學生對實驗現象進行分析，提升學生的溝通、合作與探究能力；運用類比策略，對比乙醇和水與鈉的反應，證據逐步推進，培養學生的類比學習能力，引導學生從微觀的角度分析，有助于學生對性質反映結構的理解；引申拓展歸納總結反應類型，能夠活學活用，事半功倍。

2.2 化學模型的構建

2.2.1 聯系生活，建構化學素養

1)創設情境

①通過多媒體對酒精引發的火災的新聞展示，我們知道乙醇是具有可燃性的，那同學們知道乙醇燃燒的方程式如何書寫嗎？那請同學們在紙上寫出答案。

[教師引導〗在我們的生活中，也利用到這個性質，創造出了燃料乙醇汽油，它由90%的普通汽油與10%的燃料乙醇混合而成，它的使用不僅可節省能源，而且可以減少有毒氣體的排放，還可再生，到目前為止不僅汽車，連飛機都喝上了乙醇。

②通過多媒體對酒駕的新聞展示，請同學們結合課前查閱的酒駕資料，嘗試回答如何檢驗酒駕？學生交流，老師總結檢驗酒駕的原理。

2)小組進行驗證性實驗

3)問題深化再探

①提出問題：在飲酒后，酒精在人體內又會發生什么樣的變化？

[學生思考總結]酒精在人體內發生由乙醇先變成乙醛，再進一步變成乙酸，最后反應生成二氧化碳，排出體外，放出熱量。

②問題驅動引導

乙醇在人體內的進行的第一步催化氧化過程是怎樣發生的？又如何書寫方程式？

③提出猜想假設，證據推理

第一步催化氧化是將乙醇變成乙醛；

[教師引導]在銅或銀作催化劑時, 乙醇能發生氧化反應生成乙醛。

④進行探究實驗,觀察實驗現象

⑤實驗小結與升華

[教師引導]此時通過實驗不難看出銅參與了反應，但未發生改變，這是一種什么物質？

[學生回答]銅做催化劑。

[教師提問]通過對乙醇分子模型的構建，嘗試分析由乙醇反應生成乙醛，是哪幾個化學鍵發生了斷裂？

[學生討論]分析模型，嘗試斷鍵，思考斷與哪個碳相連的H。

[動畫模擬]模擬乙醇催化氧化中化學鍵斷裂的過程(見圖6)。

圖6 乙醇化學鍵的斷裂

學生嘗試分步書寫化學反應方程式，再合并書寫。

[教師升華]乙醇在銅做催化劑下能夠生成乙醛，其實銀也可以做此反應的催化劑。這個反應在實際生活中也應用廣泛，大家可以在課后查閱資料深入了解，所以我們不僅僅要學會做實驗，更要與我們實際生活相結合，才能使化學在生活中大放光彩。

[設計意圖]通過創設問題情境，引導學生分析酒駕原理，展開實驗探究活動，讓學生分組驗證實驗，鞏固實驗操作技能，提升學生對化學科學實驗的興趣和培養學生的求實精神。通過乙醇的催化氧化實驗探索，診斷并提高學生的科學探究水平。在學生進行實驗后，引導學生進行討論交流，完成總反應方程式的書寫，鍛煉學生方程式的書寫能力，診斷不同學生的掌握水平。在動畫模擬斷鍵過程后，引導學生對乙醇分子式斷鍵部位進行分析，宏微觀相結合，化解知識難點，加深學生的理解水平。

2.2.2 總結課程，升華素養

[投影展示]有關酒的古詩詞、傳統火鍋中的固體酒精燃料、以乙醇為燃料的飛機、酒駕檢測等圖片。

[教師總結]通過這一課我們深入學習了乙醇，酒作為一種特別的飲料，中國的酒文化有著悠久的歷史；作為新型的燃料，乙醇汽油節約了石油資源；作為75%的酒精，在醫學上大放光彩；但飲酒需適量，過度則傷身，司機一杯酒，親人兩行淚，過量飲酒后死亡，飲酒后出車禍的新聞常常發生，噴灑酒精后不注意防火而造成的火災也比比皆是，那么大家思考乙醇在生活中利大于弊，還是弊大于利？

[學生思考]是人類的使用不當才導致了不良事件的發生，乙醇在我們生活中有著極大的用處。

[教師提問]這節課我們探究了乙醇的分子結構，學習了乙醇的性質及其用途，現在請同學們關上課本，我來口頭提問來檢測你們對知識點的掌握情況。

作業布置：a)結合乙醇的物理性質，思考紙巾為什么燒不壞？

b)畫思維導圖，總結乙醇的性質和在實際生活中的用途。

[設計意圖]通過總結乙醇在生活中的應用，形成乙醇的應用模型，學生能分析和探討其化學過程，了解化學對人類文明的貢獻，升華化學學科核心素養。通過討論乙醇在生活中的利弊，診斷和提高學生對化學價值的理解能力。將知識教學與思想教育緊密相連，體會化學在生活中的價值，提高作為公民的社會責任感。

3 教學啟示

為了鍛煉學生的思維能力，使學生的思維呈現一定邏輯性，對于化學這一科目的教學，可以從證據推理和模型認知視角下進行。基于證據，一步步引導學生探究問題、深入思考、最后得出結論，在教學的過程中教師更要靈活機動，注重理智的指引，對于不同主題的教學形成一定的模型，最后引導學生把化學學科知識的學習運用在生活中。教師根據自身已有的PCK進行教學設計，并結合化學學科核心素養，判斷學生能達到的水平，診斷并提高學生的不同發展水平，達到育人的目的。