巧設階梯任務 促進深度學習

張純佩 范標

摘要：深度學習是一種處于較高思維認知水平的理解性學習，具有強調知識建構，著意遷移應用，注重批判精神等特征。文章以“二氧化碳與堿溶液反應”為例，應用深度學習理念重構初中化學課堂，通過設置“如何使塑料瓶一癟再癟的探究型學習任務，在教師引導與生生互動中提高新舊知識的整合能力，激發學生的高階思維，幫助學生有效學習。

關鍵詞：二氧化碳;深度學習;教學設計;初中化學

文章編號：1008-0546（2021）07-0044-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.012

一、設計背景

深度學習（Deep Learning）起源于1976年，由美國學者Ference Marton和Roger Saljo根據學習者獲取和加工信息的方式提出[1]。國內外的許多學者均對此展開了深入研究，雖然他們對深度學習概念的界定不盡相同，但也達成了一定的共識。深度學習是指在理解的基礎上，通過聯系和應用新舊知識，解決真實問題或復雜學習任務，以促進高階思維能力的發展[2]。深度學習具有注重批判理解、強調內容整合、促進知識建構、著意遷移應用等特征[3]，對應于布魯姆認知學習目標的后四個層次——“應用、分析、評價、創造”[4]。

與深度學習相對應的是，以單純的知識獲取與記憶為主要特征的淺層學習。區別于此，深度學習需要建立新舊知識之間的聯系，將所學知識遷移應用到實踐中，強調理解記憶，掌握復雜概念、深層知識等非結構化知識[5]。然而兩者雖相對應，但并不完全對立。淺層學習是深度學習的前提，正確的學習是一個由淺入深的過程[6]。學習者只有牢記通過淺層學習得到局部知識，才能在深度學習時進行整合與應用，搭建知識框架。

目前，已有許多學者和一線教師對深度學習應用于化學教學展開研究，主要可分為兩方面。一是結合相應案例，在理論層面研究深度學習實施時的要求、方法和關注點[7-8]。二是根據相關理論，闡述和探討深度學習在教學中實施時的具體案例[9-11]。這些案例，從年級上看，大多選自于高中階段。從課型上看，大多為復習課或選修型實驗課。而在初中階段的新授課中，促進深度學習的具體案例較為少見。

筆者認為，可能的原因一方面是在初中新授課中，為深度學習留有的余地有限。初中是學生學習化學的啟蒙階段，學習伊始，由于學生對化學一無所知，需要從淺層學習開始，以習得分離的基礎知識。隨著學習的深入，各部分內容才能夠逐漸相關聯。另一方面，中考化學考查的難度不大，知識點多且瑣碎，許多教師在教學時傾向于記憶性知識訓練，忽視了對知識的整合與學生思維能力的培養。而啟蒙不僅意味著要打下堅實的知識基礎，更要掌握學習化學的基本方法。但正是由于知識點的零散，教師更應該在日常教學中促進深度學習，加強新舊知識的聯系與應用，關注高階思維的發展，為以后深入學習化學打下堅實的能力基礎。

依據初中生的心理特點，讓學生在內部動機驅使下自發地深度學習有一定的難度。因此，筆者認為為了實現深度學習，初中教師需要設計具有思維空間的階梯式學習任務，激發學生利用多向思維解決問題的能力，在探究過程中建構知識、學會遷移。

二、教學設計與實施

1.教學內容分析

“二氧化碳與堿溶液反應”主要涉及到二氧化碳分別與水、氫氧化鈣溶液、氫氧化鈉溶液三者的反應，是二氧化碳的性質中較為重要的一個組成部分。這一性質不僅是二氧化碳的檢驗與除雜中重要的基礎知識，而且經常滲透到酸堿鹽的鑒別之中。由于這一性質有一定的遞進與對比關系，也是探究型對比實驗中經常考查的對象。

然而滬教版初中化學教材中，這一性質分布得較為零散。早在學習第一章時，學生已經掌握了用澄清石灰水檢驗二氧化碳;到了第三章學習水的性質時也學習了二氧化碳可溶于水且與水反應的性質。而二氧化碳系統性的學習在第四章“二氧化碳一氧化碳”中，但此時并沒有與氫氧化鈉的反應內容，直到第五章“堿的性質研究”時才被提及。這便導致了二氧化碳與水、氫氧化鈣溶液、氫氧化鈉溶液反應的遞進關系被教材內容的編排順序打亂、隱藏了起來。若教師在教學中并沒有關聯、對比的意識，或者學生的遷移應用能力較為欠缺，很可能導致學生在遇到此類探究型對比實驗常常不知如何下手，使得這類實驗也成為了學生學習的難點與易錯點之一。但正是由于二氧化碳這一性質具有遞進、對比的特點，是初中階段進行深度學習難得的絕佳素材，筆者認為有必要將這一知識點進行整合，通過設計階梯式的學習任務，聯系和應用已知知識，探究和推斷二氧化碳與堿的反應，構建二氧化碳性質的知識網絡，促進高階思維的發展，以實現深度學習。

2.教學目標

（1）應用“控制變量法”思想，設計、評價與完善使“塑料瓶一癟再癟”的系列實驗方案，掌握基本實驗操作，培養實驗設計能力與觀察能力，形成敢于質疑的創新精神，體會知識形成與科學探究的基本過程。

（2）通過觀察宏觀現象，推斷微觀反應，能夠結合二氧化碳與氫氧化鈣的反應，推斷二氧化碳與氫氧化鈉反應的產物、書寫相應化學方程式。并在教師的引導下，結合相關實驗現象，得出氫氧化鈣與氫氧化鈉兩種堿溶液的不同用途。

3.教學流程

本節課的線索是“使塑料瓶變癟-更癟-再癟”的階梯式學習任務（見圖1）。通過一而再地加大塑料瓶變癟的程度，不斷提高任務難度，激發學生的多向思維，結合已學知識分析使塑料瓶變癟的不同方案，培養學生的實驗設計與應用能力，拓寬思維的廣度。通過不斷深入分析塑料瓶變癟的根本原因及相關影響因素，培養學生的實驗探究與評價能力，幫助學生逐步掌握依據“控制變量法”設計探究實驗方案的方法，提升思維的深度。在解決階梯式任務的過程中，回顧和應用了CO2與水、Ca（OH）2的反應，又將CO2與NaOH的反應與Ca（OH）2以分析、應用、探究的方式相聯系。不僅實現了在高階思維水平理解性學習了“CO2與NaOH反應”的新知識，也促進了“CO2與堿溶液”的知識遷移與建構。

4.教學實錄

（1）任務1：“如何使裝滿CO2的塑料瓶變癟？”

[教師設問]每一組桌面上都有幾個裝有CO2的塑料瓶。請大家思考，根據我們已學的二氧化碳的性質，如何使一瓶裝滿CO2的塑料瓶變癟？

[學生回答]可以降溫、向塑料瓶中倒一些水或澄清石灰水。

[教師追問]為什么可以用這些方法？

[學生回答]塑料瓶變癟的直接原因是瓶內壓強小于瓶外。氣體熱脹冷縮，CO2可溶于水，且能與水、Ca（OH）2反應，都可使瓶內壓強減小。

[教師追問]從操作和原料選擇的簡便性角度分析，你會選擇哪種方案？

[學生回答]加水。

[教師講解]請大家分組動手實驗，分別往塑料瓶中加入一些水，并充分振蕩。

[教師設問]我們來對比一下，這兩組同學的塑料瓶。變癟的程度一樣嗎？為什么？

[學生回答]不一樣，兩組同學加的水量不一樣。加的水越多，塑料瓶變癟程度越大。

設計意圖：設置探究實驗任務，在教師的引導和追問下，幫助學生回憶并應用已學知識：二氧化碳可溶于水，能與水、Ca（OH）2反應等等。通過不同小組實驗現象的對比，引出塑料瓶變癟程度的影響因素之一：水的用量，從而引出進一步的任務：“如何使得裝滿CO2的塑料瓶更癟？”

（2）任務2：“如何使裝滿CO2的塑料瓶更癟？”

[教師設問]還有什么方法可以使塑料瓶更癟呢？請小組討論，并填寫在學案上。

[學生回答]方案1：加更多的水。方案2：加水后再降溫。方案3：加澄清石灰水。

[教師追問]為什么加水后再降溫可以使得塑料瓶更癟？

[學生回答]一方面是氣體熱脹冷縮，另一方面氣體的溶解度隨溫度的升高而減小。降溫可以使二氧化碳更多地溶于水，使瓶內壓強進一步減小。

[教師追問]很好，這位同學思考到了氣體溶解度的影響因素。那請大家思考一下方案3的可行性。澄清石灰水一定比水使塑料瓶更癟嗎？

[學生回答]不一定，還跟液體用量有關系。水越多塑料瓶越癟。

[教師追問]除了控制用量，也就是液體體積以外，如果我們想用石灰水使得塑料瓶變癟的程度最大化，還要考慮什么因素？什么樣的石灰水能使塑料瓶變更癟？

[學生回答]跟Ca（OH）2的濃度有關……用飽和的石灰水。

[教師追問]看來，液體的體積和種類都會影響實驗結果。有多個因素影響的時候，要根據什么方法來進行實驗？

[學生回答]控制變量法。

[教師講解]為了比較水和飽和石灰水使塑料瓶變癟的程度，請大家以小組為單位進行實驗：分別向2個塑料瓶中加入50mL的水和澄清石灰水，充分振蕩后對比觀察。

設計意圖：通過提高任務難度，激發學生的多向思維，思考使“塑料瓶更癟”的多種可行性方案，回憶并應用CO2溶解性的影響因素與CO2與Ca（OH）2的反應。在教師的追問下，幫助學生分析影響塑料瓶變癟的多種因素，引導學生逐步形成控制變量的探究意識，從而優化實驗方案，培養實驗的設計、分析與評價能力。

（3）任務3：“如何使裝滿CO2的塑料瓶再癟一些？”

[教師設問]當把水替換成等體積的飽和石灰水后，塑料瓶更癟了。還有沒有其他方法，能使塑料瓶再癟一些？這對所加入的液體有什么要求呢？我們來看PPT上這三種溶液，見表1。請大家分析一下，哪種液體能使得塑料瓶變癟？

[學生回答]NaOH溶液，因為它是堿性的。

[教師追問]為什么堿性溶液能使塑料瓶更癟？

[學生回答]因為二氧化碳溶于水生成碳酸，是酸性的，可以和堿性物質反應，這樣的話“水”里就能吸收更多的二氧化碳了。

[教師追問]那NaOH溶液就一定能比飽和石灰水使塑料瓶更癟嗎？

[學生回答]不一定，跟NaOH溶液的濃度有關。

[教師講解]非常好。等體積的液體能吸收的二氧化碳越多，塑料瓶越癟。在液體體積相同時，我們可以近似認為水的體積是相同的。那么也就是要對比NaOH和Ca（OH）2在水中消耗CO2的量了。

[教師設問]在等體積水，或者說等質量水時，NaOH和Ca（OH）2哪一種能消耗CO2更多？這需要比較兩種物質的什么？

[學生回答]兩者在水中的溶解度。

[教師講解]在20℃時，Ca（OH）2的溶解度是0.0165g/100g水，而NaOH是109g/100g水。從數據上看，很明顯NaOH溶解度比Ca（OH）2要大得多。

[教師設問]如果想要使得塑料瓶變癟程度最大化，可以選擇什么濃度的？

[學生回答]飽和NaOH溶液。

[教師講解]理論上來說，飽和NaOH溶液肯定是效果最好的。但因為NaOH有一定的腐蝕性，出于安全性角度的考慮，我們今天就用20%的NaOH溶液來進行實驗。

設計意圖：再次提升任務難度，通過3種酸堿性不同的溶液的選擇以及氫氧化鈉溶液與飽和石灰水的對比，引導學生思考相關溶液使塑料瓶變癟的根本原因，得出可行溶液的兩個相關因素：一是堿性溶液;二是溶質有較大的溶解度，培養學生的邏輯推理與分析能力。

（4）鞏固訓練，總結提升

[課堂練習]實驗：驗證二氧化碳的性質（改編自2019學年楊浦二模）

如圖2所示，用3個250mL的燒瓶收集滿CO2進行實驗，同時迅速將注射器內液體全部注人各自燒瓶中，關閉活塞;一段時間后，同時振蕩三個燒瓶。得到如圖3所示的燒瓶內壓強與時間的關系曲線圖。

①曲線1中導致cd段氣壓快速變小的操作是___________。

②曲線2和3中發生反應的化學方程式分別為_______、_____。

③比較曲線2與曲線3的差異，說明原因_____

④根據圖3所示，可以得出的結論是_____（填編號）。

A.1體積水中溶解CO2的量約為1體積

B.CO2能與水發生反應

C.CO2能與NaOH溶液發生反應

D.檢驗CO2用飽和澄清石灰水較合適

E.吸收CO2用氫氧化鈉溶液的效果最好

[練習解析]①振蕩;②CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O、CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O;③40%的NaOH溶液比飽和石灰水濃度大，等體積時能吸收更多的CO2，使得并內壓強減小得更多;（4）ACE。

設計意圖：該練習與本節課三次的學生實驗有著極大的相似性，例如裝滿CO2的瓶子以及等體積的水、石灰水與NaOH溶液等等。較大的不同之處在于將體現瓶內壓強變化的表征從直觀地用“塑料瓶變癟程度”數字化為略為抽象的“氣壓傳感器”。因此該練習在考查學生基礎知識掌握情況的同時，也檢測了讀圖能力與知識的遷移應用能力。此外在教師的引導下，在題②方程式的書寫時，可以使學生通過對比Ca（OH）2與CO2，書寫NaOH與CO2的反應方程式，加強新舊知識的聯系，培養類比推理能力;在題④D、E選項判斷時，可以聯系兩種堿溶液與CO2反應時的現象與吸收能力的不同，得出兩者不同的用途。

三、教學反思

1.創設任務情境，促進知識建構

本節課的知識點并不難，在課前學生也已經掌握了部分知識點，只不過這些知識較為零散。為了實現深度學習，根據教學內容“遞進式特點”，筆者設計了以“塑料瓶一癟再癟“的階梯式任務為依托，搭建學習的腳手架，使學生在應用、遷移、探究中完成對“二氧化碳與堿溶液反應”的知識整合與建構。通過設置趣味性的任務，可以調動學習的積極性，幫助學生回憶、應用舊知識。再通過進一步提高任務難度，通過分析、類比舊知識，使學生在最近發展區中認同、內化新知識，提高新舊知識的整合能力，更新原有的認知框架，形成更為完備的知識體系。

2.及時評價反饋，促進互動反思

雖然本節課“塑料瓶一癟再癟”的任務設計能夠有效激發學生的學習興趣，但同時也是學生學習的難點。不僅要求學生能夠聯系、掌握新舊知識，同時也要求學生充分理解、應用控制變量法。但在實際教學中，筆者發現這對于還處于化學啟蒙階段的初三學生學習的遷移和應用能力較高，并且不同學生之間的差異也較大的。為了突破難點，在課堂實踐中需要教師通過及時、有效的多次追問，例如：“澄清石灰水一定比水使塑料瓶更癟嗎？”“為什么堿性溶液能使塑料瓶更癟？”等等，引導學生充分思考、開展討論，共同評價、改進、完善實驗方案，加深學生對二氧化碳與堿溶液反應的認識。同時，及時有效的追問引導，能夠給予學生積極正面的反饋，激勵學生在交流互動中學會評價和反思。在師生和生生互動中整合集體智慧，激發學生的多向思維，促進知識與方法的整合。

3.關注學生實驗，加強操作能力

本節課設置在九年級第一學期期末階段，此時學生已經學習了近三個月的化學知識。但由于在前期啟蒙階段的學習中，學生甚少有機會以小組為單位獨立設計、評價和實施實驗方案，因此在實際教學中，教師除了要引導學生關注“控制變量法”在化學實驗中的應用，更要在實際操作中提醒學生實驗操作的規范性與安全性，例如如何正確使用膠頭滴管;如何使視線與凹液面最低處相平;應將塑料瓶正放后再打開瓶蓋以防二氧化碳逸散等等。另外在實際教學中還發現值得思考的小細節：在課前準備時，筆者為每個小組準備了125mL的滴瓶來裝液體試劑，而在學生實驗時發現由于需取用兩次50mL的飽和石灰水，第二次取用時由于液體量已經大大減少，個別小組用滴瓶配套的膠頭滴管已經無法吸取液體，一時不知道該如何繼續實驗。在筆者的提醒之下，才使用了放置一旁的普通膠頭滴管完成了實驗，可見學生在實驗操作能力的欠缺。尤其是在現階段上海中考改革的背景下，化學實驗操作考試已經納人了化學中考中，一線教師在教學中除了該思考如何讓學生有效學習基礎知識，更應該加強對學生實驗操作能力的關注。畢竟化學始終是一門以實驗為基礎的科學，筆者期盼著每一個孩子都能在啟蒙階段真正領略化學的魅力。

參考文獻

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