UbD理論下的科學說理實驗教學設計

葉淑嬌 金隆

摘 要 基于UbD理論，采用逆向教學設計，通過創設問題情境，確定預期教學目標，制定評估依據，設計了“走‘進生石灰干燥劑”的科學說理實驗教學。實踐表明，這種以學習預期結果為出發點的逆向教學設計，是實現教、學與評一致性的有效路徑之一。

關鍵詞 初中化學 UbD理論 逆向教學設計 科學說理

“追求理解的教學設計”（Understanding by Design簡稱“UbD”）是由美國學者威金斯和麥克泰格倡導的一種新型教學設計模式，核心是“意義學習，理解為先”，強調為理解而教學，促進學生持久而深入地理解知識，是一種“以終為始”的教學模式。該模式以明確的預期目標為起點，以促進學生有意義的學習為宗旨，強調評價設計先于教學活動的開展[1]。這種逆向教學設計與科學說理的結合使用，能促進知識的理解、遷移與應用，從而提高學生的科學說理能力。科學說理，是指運用科學事實、概念和原理，通過科學的邏輯推理，使用準確的科學語言來解釋某一科學問題或科學現象的過程[2]。以下，筆者以“走‘進生石灰干燥劑”一課為例，展示依據UbD理論而設計的教學的三個階段：制訂預期教學目標、選擇合適的評估證據、設計教學過程。

一、制訂預期教學目標，有的放矢

教師要在了解學情、依據課程標準、研讀教材后制定預期教學目標。為了幫助學生了解需要遷移的知識，教師還要根據預期教學目標確定基本問題，并圍繞這些基本問題確定學生需要理解的內容[3]3。本課例以變質的生石灰干燥劑作為教學情境，以鑒別物質、定性定量鑒定其成分等問題作為任務驅動，并對學生掌握“物質的轉化、物質的檢驗、含量的測定”等核心知識的程度進行檢測和評價。筆者從教學目標、基本問題、學生需要理解的內容三個方面出發，設計了預期教學目標，詳見表1。

三、設計教學過程

教師在設計教學過程時，應認真思考：選取哪些資源和活動來引導學生學習？這些資源和活動如何呈現？設計的活動要充分考慮情境素材的生活化、問題設置的科學性和合理性、學生的參與性和目標達成的有效性。因此，需要通過把問題任務化并融入表達、書寫、合作、實驗、觀察、討論、展示等具體活動的方式來設計教學過程，以驅動學生學習。據此，筆者設計了本節課例的教學流程圖，如圖1所示。

以教學流程圖為主線，具體的教學過程設計如下（以下“科學說理”簡稱“說理”）：

（一）創設情境，導入新課

展示食品——波力海苔，打開包裝袋，取出干燥劑。查看干燥劑名稱：生石灰干燥劑。

（二）復習回顧，喚起前知

【設計意圖】巧用情境，以生石灰干燥劑為載體，激發學生的說理興趣。通過復習回顧，先設置三個較為簡單的說理目標，再根據說理目標來設置問題或問題鏈，引導學生在CaO、Ca（OH）2和CaCO3三種鈣元素化合物之間建立聯系，認識物質間相互轉化的規律，加強學生對知識的系統建構。通過演示實驗，歸納物質檢驗方法。從學生的說理、方程式書寫中尋找證據，判斷學生對知識的掌握情況。

說理目標一：生石灰為什么能做干燥劑？

設置問題1：生石灰干燥劑的主要成分是什么？

查看干燥劑包裝袋說明：不可浸水、不可玩耍等。

設置問題2：為什么不可浸水？

設置問題3：很多新聞報道，小孩把干燥劑放入有水的礦泉水瓶中玩耍，發生了爆炸，造成人體嚴重損傷。為什么會爆炸？

學生思考，表達觀點：生石灰的主要成分是CaO，CaO能與水反應，所以能做干燥劑;反應放出大量的熱，所以不可浸水，否則會發生爆炸。

說理目標二：如何檢驗干燥劑是否有效？

設置問題：這包生石灰干燥劑有效嗎？如何檢驗？

目的：檢驗干燥劑中是否還含有氧化鈣。

原理：檢驗物質要依據物質的性質，包括物理性質和化學性質。氧化鈣的性質之一：遇水反應且放熱。

學生表述實驗步驟并說理：取少量樣品于試管中，加入少量水，觸摸試管外壁，若溫度升高，說明還含有氧化鈣，干燥劑應該有效。

教師演示實驗，師生一起歸納物質檢驗的一般方法：取樣品、加試劑、看現象、得結論。

說理目標三：暴露于空氣中久置的干燥劑含有哪些成分？請作出解釋。

設置問題：新制得的干燥劑成分是生石灰，久置后還有效嗎？若失效，會變成哪些物質？

學生書寫化學方程式并說理：CaO+H2O[? ? ? ?]Ca（OH）2，CO2+Ca（OH）2[? ? ? ?]CaCO3↓+H2O。會失效。暴露于空氣中久置的氧化鈣會與空氣中的水反應，生成氫氧化鈣。氫氧化鈣又會與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣。所以久置的干燥劑中可能有CaO、Ca（OH）2、CaCO3。

（三）定性鑒定，低階應用

任務一：檢驗久置干燥劑的成分。

【設計意圖】讓學生選擇合適的試劑對久置干燥劑中的三種成分[CaO、Ca（OH）2、CaCO3]進行檢驗，目的是通過學生選擇的試劑來診斷學生對物質性質的掌握情況。通過說理，規范科學用語，增強邏輯思維能力，掌握物質檢驗的方法。利用分組隨堂實驗，讓學生體驗實驗研究的基本過程，提高實驗能力，形成把科學知識應用于生活實際的意識。

情境升級：老師這里有一包暴露于空氣中久置的生石灰干燥劑，這包干燥劑中是否含有CaO、Ca（OH）2和CaCO3三種物質？請結合他們的物理性質和化學性質，思考如何檢驗。

說理目標四：如何檢驗久置的生石灰干燥劑的成分？

分組實驗，學生表達，教師提示并進行操作指導。

1.檢驗CaO：取部分樣品于試管中，加入少量水。

提示：久置后的干燥劑中氧化鈣含量可能會比較少，為了使現象明顯可以多放點樣品。

操作指導：在溫度計上讀出室溫（即干燥劑初始溫度），用滴管將少量水滴加到樣品中，再用溫度計測出此時干燥劑的溫度并進行前后對比，若溫度升高，則說明有CaO存在。

2.檢驗Ca（OH）2：取部分樣品于試管中，加入適量硫酸銨并混合加熱。

提示：在沒有氧化鈣的情況下，可以依據堿溶液的化學性質，如加指示劑或加酸、加CuCl2、加Na2CO3等檢驗Ca（OH）2;在有CaO干擾的情況下，則無法使用上述試劑檢驗Ca（OH）2。Ca（OH）2等堿性物質能跟銨態氮肥反應釋放出有臭雞蛋氣味的氨氣，可以采用將樣品與銨鹽混合加熱的檢驗方法來檢驗。為避免銨鹽自身分解產生干擾，應選擇分解溫度較高的硫酸銨（分解溫度為280 ℃）。

操作指導：取樣品加硫酸銨后，稍稍振蕩混合，銨鹽一般會受熱分解。如果現象不夠明顯，則放在熱水中稍稍加熱。

3.檢驗CaCO3：取部分樣品于試管中，加入足量稀鹽酸。

操作指導：加稀鹽酸時注意觀察試管中的現象，邊加邊觀察有無氣泡產生。

（四）定量測定，高階創造

任務二：構建測定各成分含量的實驗裝置模型。

【設計意圖】采用問題鏈驅動，利用裝置卡片，逐步引導學生構建裝置模型。通過小組合作、展示與交流，教會學生根據不同的實驗目的和原理，構建測定CaCO3含量的裝置模型;通過比較分析和討論說理，明確方案的優缺點，改進設計，提高測量的精確度。

問題升級：通過上述實驗，我們確定了這包久置生石灰干燥劑的成分，你能據此判斷這包干燥劑大概放置了多長時間嗎？

提示：干燥劑中CaCO3含量越高，說明它被放置的時間越長。因此，可以通過測定干燥劑中各成分的含量來推斷干燥劑放置的時間。

說理目標五：請設計測定久置生石灰干燥劑成分含量的實驗方案，并說說各方案的優缺點。

測定思路：稱取樣品，加入相關試劑后，會生成相應的氣體或沉淀;測量氣體或沉淀的量，利用化學方程式計算出反應物的量。

1.測定CaCO3含量的實驗裝置設計

方案（1）：稱重法[稱量法（1）]

稱量收集裝置反應前后的質量，增加的量即為二氧化碳的質量。構建實驗裝置的步驟如下：

①需要一個發生裝置和收集裝置（用濃NaOH溶液吸收），如圖2所示;

②生成的二氧化碳中攜帶了水，需要在收集裝置前加一個干燥裝置（用濃H2SO4溶液吸收）;

③為避免裝置內部殘留二氧化碳而影響測量的精確度，需要由外向內通入空氣;

④通入的空氣也含有二氧化碳，需要在發生裝置前加一個盛有濃NaOH溶液的裝置以除去空氣中的二氧化碳;

⑤為防止空氣中的二氧化碳和水倒吸入收集裝置，還需要在收集裝置的末端連接一個充滿無水硫酸銅的裝置。

最后構建出的實驗裝置模型如圖3所示。

方案（2）：稱輕法[稱量法（2）]

實驗裝置和步驟同方案（1）。稱量發生裝置反應前后的質量，差值即為二氧化碳的質量。

方案（3）：排液法

利用反應產生的二氧化碳排出集氣瓶中的液體，用量筒盛接并讀出排出液體的體積，即為反應產生的二氧化碳的體積，再換算成二氧化碳的質量。裝置模型如圖4所示。

提示：二氧化碳易溶于水，或在集氣瓶的液面上方鋪放油層，或采用排“飽和”的碳酸氫鈉溶液的方法。

學生說理，比較三種方案的優缺點：方案（1）和方案（2）的裝置連接較復雜，操作麻煩，測質量需考慮多方面誤差。方案（3）裝置簡便，無需考慮裝置內部的氣體殘留，不足的是需由二氧化碳的密度和體積算出質量，而二氧化碳的密度受環境的溫度、氣壓等影響較大，并非定值。

2.測定Ca（OH）2含量的實驗裝置設計

任務：小組合作，選擇合適的裝置（見圖5），連接裝置（提示：裝置圖可重復使用，藥品自選）。

學生展示，教師點評，構建裝置模型，見圖6、圖7。

方案（1）：稱重法

裝置見圖6。

利用Ca（OH）2與（NH4）2SO4反應產生氨氣，用濃硫酸裝置C吸收氨氣。由于濃硫酸具有吸水性，需在吸收裝置C前加堿石灰裝置D來干燥氨氣。為避免氨氣在裝置內的殘留，需向裝置內通入空氣。為防止裝置倒吸空氣中的水蒸氣，需在濃硫酸裝置C后加干燥裝置D。稱量吸收裝置C反應前后的質量并計算出差值，即為氨氣質量。

方案（2）：稱輕法

裝置同圖6。稱量發生裝置C反應前后的質量，差值即為氨氣的質量。

方案（3）：排液法

裝置如圖7。利用反應產生的氨氣排出集氣瓶E中的液體，用量筒盛接并讀出排出液體的體積，即為反應產生的氨氣體積，再換算成氨氣的質量。氨氣易溶于水，應在集氣瓶的液面上方鋪放油層。

（五）問題迭代，課外拓展

教師小結：根據這兩個方案我們就可以測算干燥劑變質后各成分的含量，進而推測它的放置時間。當然，這只是我們推斷的依據之一，它的變質速度還跟環境的濕度、溫度等有關。

問題迭代：怎樣才能使生石灰干燥劑得以循環使用？

（六）多元評價，總結提升

學生根據GRASPS評估框架進行自評。教師總結：本節課我們通過定性實驗和定量實驗，對暴露于空氣中久置生石灰干燥劑的成分進行了探究。物質的檢驗和測定都是依據物質的性質來設計和進行實驗的。通過這兩個實驗的體驗，我們可以總結出實驗的基本過程：明確目的、選定原理、設計步驟、觀察現象、分析評價。本節課的板書設計如圖8所示。

總之，說理是考查學生科學素養的重要手段。它既能檢測、完善科學認知，培養比較、分析評價和邏輯等科學思維能力，又能增強語言表達能力。當下，說理教學的現狀不容樂觀，教師很少自己設計說理并將其運用于課堂教學，往往只針對題目進行枯燥的分析，學生說理興趣不強，說理能力難以得到有效培養。基于UbD理論的逆向教學設計，先以清晰的目標為導向，再進行說理教學設計，使學生的科學認知與生活相聯系，從而培養其說理能力。UbD理論強調評價與反饋，因此，教師應考慮設計多種評價方式，給學生充分表達的機會，從中捕捉評價證據，這也與說理教學常見的SOLO分類評價方法一致。

[參 考 文 獻]

[1]李婉瑩.“逆向備課”的UBD教學設計框架[J].上海教育，2018（14）：32-34.

[2]張翔，胡逢堯，金隆.基于PISA測試的科學說理能力培養[J].中小學教材教學，2020（3）：32-34.

[3]威金斯，麥克泰格.追求理解的教學設計（第二版）[M].閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學出版社，2017.

（責任編輯：趙曉梅）