基于化學學科核心素養的“活動元”教學設計
——以“金屬礦物的開發利用”為例

■薛盼，李思盛，劉延美

核心素養是學生在相應學段的學習過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力[1]。它需要在各種形式的學習活動過程中逐漸形成。本文以“金屬礦物的開發利用”為例，開展基于發展化學學科核心素養的“活動元”教學設計。

一、“活動元”教學的概述

（一）“活動元”的內涵

“活動元”是指在教學中為完成某一學習任務中的一個或幾個子任務而進行的相對獨立的學習活動[2]。它是以學生為中心，以學習任務為背景來進行的。將符合新課程理念的學生活動抽取出來，將其作為課堂教學的一個元素或一個環節來使用，每個活動元必須有明確的學習任務，學生在此任務驅動下進行學習活動[3]。“活動元”教學與傳統講授式教學不同，它強調學生是課堂的主體，強調課堂教學過程應該由學生通過自主實驗、自主思考、自主探究等自主行為而獲得直接經驗，并發展學生的動手能力和學科核心素養。“活動元”教學的主體是學生，核心是活動，目標是讓學生通過活動親歷學習過程，達成學習目標。

（二）“活動元”教學設計模型

以學生活動為中心的“活動元”教學設計模型是指教師在明確把握課標的前提下，根據教材特點、教學資源情況、學生實際情況等因素，將課程標準細化成一個個學習任務，并將每個學習任務設計成一個個符合新課程理念的獨立的活動單元，也就是“活動元”，然后將這些“活動元”有機地整合成教學設計，運用于課堂教學。一般一堂課設計約三個“活動元”。“活動元”教學設計模型如圖1所示。

圖1 “活動元”教學設計模型

（三）“活動元”教學設計策略

1.突出學生是活動的主體，優先設計學生的“學”

先設計學案再設計教案，有利于細化和結構化內容體系，落實學生活動，強調學生的主體地位，課堂教學的準備、組織、實施和評價等均以學生為主體。“活動元”教學設計的目標設計一般都是以“學生活動+內容（或能力）標準”的模式來完成的。教師的教學準備和教學行為與此對應，并通過學生活動投射。學案優先“強迫”教師必須站在學生的角度設計教學過程，有效控制了“講”，使課堂教學行為更規范清晰，為學生在課堂上開展有效活動和提升學科核心素養爭取更多時間。

2.及時反饋和評價，重視活動落實與目標達成

斯金納認為，要達到一個難度較大的行為目的，需要采用連續接近法，即分很小的步子強化，每次強化的難度逐漸加大，從而由易到難逐步達到目的。課例評價設計上應采用這一規則，即小步子反饋、連貫性評價。教學中不僅每個學生活動之后要緊跟練習、小結梳理和交流評價，每個“活動元”設置顯性化的評價，改變了原有單一的“紙筆測評”，在最后單設一個評價“活動元”，對學生當堂學習情況進行測評，檢查活動效果，從傳統的“單線教學”變革為“雙線教學”[4]。

二、“活動元”教學設計案例分析

（一）教學內容分析

本節課是依據普通高中新課程標準實驗教科書人教版化學必修2 第四章第一節“開發利用金屬礦物和海水資源”中的“第1 課時金屬礦物的開發利用”開發的一節基于“活動元”教學設計的實驗新授課，以金屬的冶煉為目的，主要圍繞著金屬的冶煉方法進行。金屬元素在周期表中的分布非常廣泛，在自然界的存在主要是化合態，而金屬單質以及合金在工農業和日常的生活中的用途很廣。本課通過“回顧冶史”較生動形象地引導學生總結提煉不同金屬冶煉的方法，理解金屬冶煉的實質及冶煉方法不同的原因。本節課的學習也是學生提升和運用元素觀解決實際問題的體現。本課旨在構建“金屬礦物的開發利用”的理論模型，養成從化學角度思考實際問題、用化學原理解決實際問題的習慣，以期落實相關化學學科核心素養。

（二）教學目標、評價目標及重難點確定

1.教學目標及評價目標

“金屬礦物的開發利用”教學目標及評價目標見表1。

表1 “金屬礦物的開發利用”教學目標及評價目標

2.教學重、難點

（1）教學重點：理解金屬冶煉的實質和鋁熱反應。

（2）教學難點：理解不同金屬冶煉方法的選擇和鋁熱反應。

（三）教學流程設計

教學流程及相應的化學學科核心素養如圖2所示。

圖2 “金屬礦物的開發利用”教學流程及相應的化學學科核心素養

（四）教學過程分析

1.情境導入：視頻播放設疑激趣

設計意圖：情境導入，以天上掉黃金視頻引入。同時通過分析新聞報道中的事實，與新課建立聯系。

2.活動元一：重溫冶史——理解金屬冶煉的實質及冶煉方法不同的原因

【教師】這就是天上掉的東西，硫鐵礦！ 在自然界中金屬礦物少數以游離態存在，大部分以化合態存在。

請大家閱讀教材，總結金屬冶煉的原理和實質。

【教師】請讓我們穿越歷史，一起回顧金屬冶煉史。（見圖3）

圖3 金屬冶煉史

【教學情境1】銅器時代。中國古代首創的膽水冶銅。西漢古籍《淮南萬畢術》上就有“曾青得鐵，則化為銅”的記載。《宋史——食貨記》記載：“以生鐵鍛成薄片，排置膽水槽中，浸漬數日，鐵片為膽水所薄，上生赤煤，取刮鐵煤入爐，三煉成銅。大率用鐵二斤四兩，得銅一斤。饒州興利場、信州鉛山場各有歲額，所謂膽銅也。”

【教學情境2】鐵器時代。方以智《物理小識》說：“煤則各處產之，奧者燒焙而閉之成石，再鑿而入爐曰礁，可五日不絕滅，煎礦煮石，殊為省力。”李詡《戒庵老人漫筆》也說道：“煉焦炭，備冶鑄之用”。

【教學情境3】汞的冶煉。中國古時有“成仙”的說法，所以煉丹術最先在中國誕生。“丹”原來指丹砂（即硫化汞HgS）。葛洪《抱樸子》曾記載：“丹砂燒之成水銀。”

司馬遷在其《史記·秦始皇本紀》中也曾說：“葬始皇哪山。始皇初即位，穿治郵山……以水銀為百川江河大海，機相灌輸，上具天文，下具地理。”我國有汞的記載已達3000 多年，戰國初期（公元前5世紀）發明了金（銀）汞齊鎏金（銀）的技術，可見當時已能制作汞齊。

【教學情境4】近現代冶煉。鋁的冶煉史，它曾經是金屬中的貴族，在19世紀以前，鋁價格比黃金還要貴。在拿破侖舉辦的宴會上，只有王室成員才能用鋁勺和鋁叉用餐。1889年，人們為了表彰門捷列夫的偉大貢獻，他被贈予了一件貴重獎品──用鋁制作的天平。1886年，“鋁”開始飛入尋常百姓家，這是冶煉鋁歷史上的又一里程碑。這一年，22 歲的美國大學生霍爾和法國大學生埃羅各自獨立地研究出電解制鋁法。在實驗中，霍爾發現向氧化鋁中加入冰晶石，可以將氧化鋁的熔化溫度從2050℃降低到950℃。他發明的基本思路是電解氧化鋁和冰晶石，1886年2月23日制得了第一個鋁樣本。

【教師】請寫出上述教學情境過程中金屬冶煉的化學方程式。

【問題1】為什么青銅器時代早于鐵器時代呢？

【問題2】金屬有哪些冶煉方法？

【問題3】從金屬冶煉實質角度具體討論金屬活動性和冶煉方法之間的關系？

【學生】金屬越活潑，越難冶煉。金屬冶煉方法：電解法、還原法、熱分解法、物理提取法。冶煉方法的選擇原則:簡單、實用、節能、環保。

設計意圖：從元素價態變化的角度認識金屬冶煉的實質，初步建立物質性質與冶煉方法之間的聯系。以金屬冶煉史為線索，認識不同活動性金屬的冶煉方法。從具體金屬冶煉方法中歸納類比金屬通性的冶煉規律。以具體金屬冶煉史問題情境為線索，使學生對中國和世界各國冶煉歷史有深入的理解。

3.活動元二：實驗探究——理解“鋁熱反應”的實質及應用

【教師】我們重點探究熱還原法中的經典反應——鋁熱反應。教師引導學生參與實驗演示，請兩名實驗小助理近距離觀察演示。

【教師】請一名實驗助理用磁鐵先檢驗鋁熱劑中是否含有單質鐵，接下來按照教材實驗演示，請兩名實驗助理戴上墨鏡觀察實驗現象并進行匯報。

【學生】反應之前鋁熱劑中不含鐵單質。鎂條劇烈燃燒，發出耀眼的白光，氧化鐵粉末和鋁劇烈反應，放出大量的熱，紙漏斗的下部被燒穿，有黑色熔融物落入沙中。

【實驗驗證】教師出示問題、提出疑惑，派學生代表進行驗證。請這名實驗助理用磁鐵再次在鋁熱反應后的產物中檢驗是否有單質鐵產生。

【學生】反應之后產生了小塊鐵單質。

【教師】鋁熱反應在生產生活中最重要的應用就是焊接鋼軌，請大家參閱教材的演示實驗，是否看到了焊接鋼軌的應用？ 想不想親自目睹？

【學生】異口同聲回答想，同時流露出期待的眼神。

【實驗演示】教師模擬鋁熱反應焊接鋼軌改進實驗。具體實驗內容如下：

⑴儀器：鐵架臺（帶鐵圈）、圓形大濾紙兩張、長藥匙三把、沙盤、蒸發皿、酒精燈、砂紙、吸鐵石兩根、自制加工過的板磚、鐵絲（若干）、多功能化學反應櫥、錄像機。

⑵藥品：三氧化二鐵粉末、鋁粉、氯酸鉀粉末、鎂帶、沙土、火柴等。

⑶改進方案：①采用板磚作為反應容器。材料易得且來源于生活，保溫性能好，能讓圓孔內紅熱的鐵水保持較長時間，便于學生觀察，而且可以重復多次使用。②采用仿真的微型模擬鐵軌進行焊接，生動形象。

設計意圖：學生參與教材實驗演示，通過反應前后磁鐵的使用檢測單質鐵的生成，培養學生的實驗探究與觀察能力。同時為了避免實驗強光對眼睛的傷害，注重實驗安全，特意準備了墨鏡。焊接鋼軌實物展示有利于激發學生的探究熱情。先演示“鋁熱反應焊接鋼軌模擬改進實驗”，后通過觀察視頻焊接鋼軌在實際生產生活中的應用，有利于提升學生從理論到實踐的認識水平，培養學生思維的縝密性。

4.活動元三：學以致用——了解金屬的回收利用與資源的保護

【教師】你們知道嗎？我們每年向自然界索取數以億噸的金屬資源，資源會越來越少，直至有一天枯竭。怎樣才能使金屬資源可持續發展？ 如何合理開發利用金屬資源？

【學生】防止金屬腐蝕，回收和利用廢舊金屬，開發海底礦物資源，尋找金屬的代用品，合理開采礦物，物盡其用……

【教師】回收鋁和鐵，可以大幅減少耗能以及二氧化碳的排放。

【教師】在海底發現的大量多金屬結核礦是人類重要的金屬資源，思考目前開發這些海底金屬資源可能遇到的主要問題是什么。

【教師】中國每年4月22日都要舉辦“世界地球日”活動。環境保護，中國一直在行動！

【交流研討】回收金屬的意義：（1）節約礦物資源；（2）節約能源；（3）減少環境污染。

設計意圖：通過學習金屬冶煉的實質和方法選擇，結合實際生活，引導學生思考如何合理開發利用金屬資源。學生將化學與生活聯系，培養學生對學科價值的認識水平。明確中國是一個負責任的大國，增強民族榮譽自豪感。

三、教學反思

本課教學以“活動元”的形式，通過設計課前前置性任務學習，課堂設計三個具有邏輯關系、難度逐層遞進的“活動元”任務驅動學生自主學習，發揮學生的積極能動性。通過重溫金屬冶煉史，了解、掌握金屬冶煉的不同方法及原因，制作教具進行“鋁熱反應焊接鋼軌改進實驗”，將課堂的理論學習與生活實際結合起來，采用仿真的微型模擬鐵軌進行焊接，生動形象。最后學以致用了解金屬的回收利用與資源保護的重要意義。

通過分組實驗、討論交流、實驗探究、匯報交流、改進模擬實驗、參與實驗演示等多樣化的素材情境，以及重溫冶史，使學生理解金屬冶煉的實質及冶煉方法不同的原因。組織科學探究活動，使學生理解“鋁熱反應”的實質及應用。通過學以致用，了解金屬的回收利用與資源的保護，樹立資源保護意識及合理開發意識，發展了學生的“變化觀念與平衡思想”“實驗探究與創新意識”“科學精神與社會責任”等學科核心素養。

多樣的學生活動設計，最終目的是突破科學探究中的學習重點和難點。教師通過演示“鋁熱反應焊接鋼軌創新改進實驗”，輕松突破了鋁熱反應應用的難點。同時學生參與實驗演示更加激發了實驗探究興趣，培養了學生的社會責任感和參與意識，激發其探究欲望，在愉快的實驗氛圍中輕松突破學習中的重難點內容。同時多樣化的情境及探究活動為發展學生學科核心素養提供了載體。

總之，學科核心素養不是直接由教師教出來的，而是在問題情境中借助問題解決的實踐培育起來的[5]。實施“教、學、評”一體化，有效開展化學日常學習評價，應樹立“素養為本”的化學學習評價觀，緊緊圍繞化學學科核心素養的發展水平和化學學業質量標準來確定化學學習評價目標，注重過程性評價和結果性評價的有機結合，靈活運用活動表現、紙筆測驗和學習檔案評價等多樣化的評價方式，倡導學生自評、同伴互評與教師評價相結合，充分發揮評價促進學生化學學科核心素養全面發展的功能。