思維課堂的設計、實踐與生成

李發順 葉躍娟

摘要： 學科核心素養包括價值觀念、關鍵能力與必備品格?；瘜W學習的關鍵是學生思維的形成、進階與結構化。課堂設計、實踐及生成是學生思維能力形成的重要途徑。描述并分析了“化學反應與熱能”的一節示范課，突出思維進階的設計、實踐與生成。

關鍵詞： 思維課堂； 思維進階； 化學反應與熱能

文章編號： 10056629（2022）10006004

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

伴隨著教學改革進入深水區，單純以接受知識與學會技能為目標的雙基教學已經很難滿足現代學生發展的需要。教師在組織開展學科教學活動時，幫助學生在學習過程中獲得必備知識和關鍵能力的同時，應基于提升學生學科核心素養的目標，培養和發展學生學科思維的邏輯性、完整性和嚴密性，在此基礎上培養和發展學生的社會責任意識和正確的價值觀念。思維是智慧的核心，是影響人的發展的重要能力；化學思維是關于物質組成、結構、性質、變化和相互聯系的思維，是認知化學、掌握化學和發展化學的智慧，是探究活動的靈魂［1］；思維課堂是指學生在任務和問題驅動下進行預測、推理、實證的課堂實踐活動，并通過（與宏觀世界、伙伴世界、自我世界）對話，發展“具象到抽象、歸納到演繹、模仿到創新、孤立到系統”認識化學現象與化學變化的思維能力。

R老師示范了“化學反應與熱能”的思維課堂教學活動，從教什么、怎樣教、怎樣測及怎樣學等角度分析課堂生成的思維活動與思維進階。據此得出，化學學科教學的著力點應以“思維發展”為抓手進而實現核心素養教育。

1 設計中的思維活動與進階

教學實踐活動的前提是設計，包括對文本內容的理解、學習目標的確定、學習任務的設定（含學習活動中的思維發展）、評價活動的匹配、育人理念的融合。帶著這樣的思考，我們嘗試與讀者分享R老師在教學設計中的思維活動及其進階與結構化。

人教版教科書［2］第二冊（必修）第6章第一節“化學反應與熱能”包括2個演示實驗（用溫度計測量“鎂和鹽酸”反應溫度變化、“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體”混合攪拌后促使水結成冰，以此說明化學反應有吸熱和放熱現象），認識典型的放熱和吸熱反應，以“H2（g）+Cl2（g）2HCl（g）”反應過程中斷鍵吸熱和成鍵放熱（微觀認識）為例認識化學反應中能量變化的原因，以圖表數據展示我國的能源消費構成和人均能源需求。

學習內容中思維活動與進階是怎樣設計的？

R老師的教學設計一共設定了三個任務：認識能量與能源、認識化學反應中的能量變化、化學反應中能量變化的原因及表示方法。下面以布魯姆（bloom）認知思維分類學方法［3］分析任務活動設計中的思維活動與思維進階（見表1）。

2 實踐中的思維活動與進階

任務設計的思維活動，需要通過教學實踐得到體現與落實。有沒有達到預期？學生思維活動怎樣描述？思維活動與進階是怎樣實踐與體現的？帶著這些問題走進R老師的課堂教學，觀察、記錄、描述、分析和整理學生的思維活動。

2.1 實驗從定性到定量，思維從具象到抽象

教科書實驗［61］測定“鎂與鹽酸反應”前后溶液溫度，推理出反應過程放出熱量。教學活動中除了觀察反應前后溫度的變化，還讓學生觸摸試管外壁（安全前提下）感受反應過程的熱量變化，并讓學生預測和描述實驗現象（固體、溶液、溫度），定量測定熱量變化與定性感受放熱反應相結合，增強了對放熱反應的認識。從講解實驗現象到用化學用語規范表達化學反應，分析整個過程中學生思維的變化，師生對話活動情況如下。

師：鎂和鹽酸反應很常見，我們先在試管中加入稀鹽酸，再加入打磨光亮的鎂條。（加入鎂條前）請同學們預測可能的現象？

生：鎂條逐漸溶解，有氣泡產生。

師：氣體產生是否快速？為什么會很劇烈？

生：因為鎂是活潑金屬。

師：還可能有什么現象發生？

生：……放出熱量。

師：如何知道反應時放出了熱量？

（讓前排學生小心觸摸試管壁，感受溫度的變化）

R老師用溫度計測量反應過程中溶液溫度的變化：向鹽酸溶液中加入鎂條，溫度計度數從13℃→30℃→40℃→50℃，此后溫度不再上升。根據這一現象，R老師解釋反應放熱，溫度不再上升說明反應已經結束。

學生的思維過程有預測（來自于已有的經驗），實驗實證并描述實驗現象（定性和定量結合），再到對反應快慢（程度）基于證據（氣泡）來說明，更進一步關注了熱量變化。整個過程學生思維水平有明顯的提高。

師：上述過程中能量形式如何轉化？

生：化學能轉化為熱能。

師：化學反應中化學能是否全部轉化為熱能？

生：可能有光能，如氫氣在氯氣中燃燒會發出蒼白色的光。

生：可能還有聲能，如鈉在水中四處游動，發出“咝、咝”的聲音。

學生通過這個過程體驗到化學反應中化學能的轉化方式不僅僅只有熱能，既拓展了對化學反應中能量變化的認知，也為后續學習埋下伏筆。

師：上述反應中反應物是鎂和鹽酸，生成物是氯化鎂和氫氣。大家判斷一下，反應物和生成物誰的能量高？為什么？

生：反應物能量更高，反應過程中有熱量跑出來，所以生成物能量降低了。

此處結合學生剛剛獲得的體驗馬上提出反應物和生成物的能量（內能）高低問題，既是學生學習過程中水到渠成的結論，又很好地突破了學生在能量圖學習過程中的一大難點。

師：請同學們在坐標圖上畫出反應物（鎂和鹽酸）、生成物（氯化鎂和氫氣）能量的相對位置圖。

教師出示“能量反應過程”圖示，體現反應物和生成物能量相對高低及差值ΔE，并提問ΔE是什么？ΔE的符號應該是“+”還是“-”？從而認識能量減少與熱量的關系（并區別了能量與熱量）；解釋對于反應物來說，能量減少了（損失了），所以用“-”來表示這個過程的能量變化。教師和學生之間基于圖示中反應物和生成物位置交換，通過對話認識了吸熱反應中ΔE數值的符號應該為“+”。這個過程中學生思維水平的發展從圖示到符號，從正向到逆向，從文字到專業用語，一氣呵成。

2.2 認識從具體到歸類，方法從歸納到演繹

對于吸熱反應和放熱反應經歷了具體反應→典型反應→一類反應，歸屬為反應物和生成物能量相對高低的認識。下面來討論R老師是怎樣引導學生發展認識水平、促進思維活動進階的。

師：那么對于吸熱反應，能量圖要如何修改？說說我們學過的反應中哪些是吸熱反應。

生：硝酸銨溶于水；碳酸受熱分解。

師：硝酸銨溶于水主要是一個物理過程，不是化學反應；碳酸受熱分解確實是吸熱反應。大家分析一下，哪一類化學反應通常是吸熱反應？證據是什么？

生：分解反應，大多數分解反應需要加熱才能進行。

師：如果移去酒精燈，就不會繼續分解了，這是吸熱反應的一個外顯的判斷方法。當然，并不是說需要加熱就一定是吸熱反應，如木材的燃燒，也需要引燃，但引燃后拿走火柴還是可以繼續燃燒下去的，也就是反應產生的能量足夠使反應繼續進行下去，所以木材的燃燒是放熱反應。那么，有沒有化合反應屬于吸熱反應的例子？

生：……木炭和二氧化碳的反應好像是吸熱反應。

教師高度肯定學生能夠說出木炭和二氧化碳的反應為吸熱反應。

師生共同梳理常見的放熱反應和吸熱反應。

上述學習過程從具體的吸熱反應出發，發散思維，通過類比、關聯、遷移、分類來認識吸熱反應，并運用此方法和特征對某另一個未知反應作初步判斷，再根據吸熱反應與放熱反應的能量相對大小與反應特征，演繹、推理、分類、整理典型的放熱反應。

3 生成性的思維活動與進階

預設與生成是教學設計與實踐活動的重要環節，教學設計中的思維活動與進階在教學實踐中不一定能夠如期實現，而教學實踐中的演繹和變化又常常會有意外的發生和精彩的生成。筆者在認真研究R老師的課堂中，發現學生思維活動敏捷，思維的層次、進階和深度足以令人興奮。下面以怎樣設計實驗來證明“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合”反應是放熱還是吸熱為例進行分析。

師：剛才大家觀察了“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合使水結冰”的實驗，又動手“在塑料袋中混合兩種晶體并揉搓”體驗到冰涼的感覺，知道了上述兩種晶體混合反應是吸熱反應。請同學們設計一個簡單的儀器或裝置證明某反應是吸熱反應還是放熱反應，請將裝置圖畫在草稿紙上。

學生開始自主獨立進行設計與簡單的描繪。教師適時引導“怎樣的現象能證明是吸熱或者放熱”，從生活和原有經驗中尋找。教師糾正個別學生將草圖畫在教科書上的做法，指導學生如何在教科書上做筆記。

展示兩位學生的成果，見圖1A和圖1B，并請學生來評價。

第一位學生認為，可根據圖1A中氣球的變化（脹大放熱、縮小吸熱）來分析和判斷化學反應過程中能量的變化；第二位學生回答，如果是放熱反應，圖1B燒杯水中會有氣泡，如果是吸熱反應，圖1B燒杯中的水會倒吸入導管中，據此可判斷反應過程中的能量變化。

師：請大家來評價上述兩個裝置的合理性。

生：如果反應中沒有氣體的參加或生成，這兩個裝置是可以的。但對于氫氧化鋇和氯化銨兩種晶體的反應，這兩個裝置都不合理，因為這個反應除了是吸熱反應，還會產生氨氣，所以第一個裝置中根據氣球的變化難以判斷。

師：為什么難以判斷？

生：因為吸熱反應會使氣球變小，而產生氨氣又會使氣球脹大。

師：很好！這位同學分析了這個反應中作用效果相反的兩個因素?，F實中這樣的情形是很多的。遇到這樣的情況我們就要作科學的分析，看看哪個因素起主導作用，才能得出正確的結論（思維的辯證性）。

生：第二個裝置產生的氨氣會溶于水，所以不光看不到氣泡，還可能會倒吸。

師：確實如此。氨氣極易溶于水，所以確實會產生倒吸現象（批判性思維）。那么你有沒有更好的方案？

畫出圖1A裝置的學生舉手提出了用小試管套大試管的改進方法。教師肯定其創意并讓該同學到黑板上畫出她的設計，見圖1C。這位同學解釋：將反應試劑裝在小試管中，如果是吸熱反應，氣球會縮小，如果是放熱反應，氣球會脹大，而氨氣的產生對氣球不產生任何影響。全班學生自發響起熱烈的掌聲（創造性思維）。

師：非常好！這就是設計，這就是創新。為了實現實驗目標，我們需要進行科學的設計，同時要考慮分析各種可能影響結果的具體情況。要證明一個反應是放熱還是吸熱，主要方法是依據封閉體系內壓強的變化，比如（教師展示裝置圖1D），我們可以利用這個裝置導管中紅色水柱的移動方向分析封閉體系內壓強的變化來判斷化學反應過程的吸熱或放熱。當然這個裝置對于氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體的反應來說同樣要作圖1C那樣的改進。

學生在設計（繪制）“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合”實驗吸熱或放熱反應的判斷中，從一開始僅僅考慮氣球大小變化或氣泡逸出，到在設計與評價環節發現忽視了NH3的生成，后面又再設計排除氣體因素的改進裝置，最后教師展示出預設的裝置（也要補充改進）。整個教學流程的推進好似行云流水，學生在這樣一個過程中充分享受了學習的快樂和思維的進階?；瘜W實驗的設計及操作不僅訓練學生的動手能力和觀察能力，更能全面培養學生的問題分析能力、證據推理能力和邏輯思維能力。本環節中，學生通過自己混合塑料袋實驗獲得了較好的感受與體驗，到了設計與評價活動環節，學生的思維水平從簡單應用發展到了一定的批判質疑和創新水平，尤其是圖1C的套管實驗設計與說理過程生動且自然，既發生在預設之外，又似乎在情理之中。

4 啟示

4.1 任務設計中的思維進階

思維課堂實現的前提是設計，“化學反應與熱能”的教學設計中三個大任務（認識能量與能源、認識化學反應中的能量變化、化學反應中能量變化的原因及表示方法）之間有著天然的、十分緊密的邏輯關系。首先，R老師從（以前）僅研究物質轉化到研究伴隨的能量轉化，站在化學研究對象“物質”和“能量”兩個領域，打開學生的眼界和思維空間，區分能量與能源，引導學生辨析，并學會辯證看待兩者之間的關系；其次，通過實驗與實驗設計，引導學生在定性描述實驗現象推理結論的基礎上，學習定量表達實驗數據推理實驗結論，從實驗實施活動到實驗設計活動，提升學生分析、評價、批判、創造的思維水平；再次，通過將教科書文本中能量變化圖示、能量變化數據在給定的坐標系中定量表示，從能量相對大小到定量差值變化理解化學反應中的能量變化，并在圖示中揭示“化學反應中能量變化”的微觀本質（斷鍵吸熱與成鍵放熱的相對大?。蛔詈蟮恼n堂重回任務并介紹青年科學家劉翀和中科院院士李燦在利用太陽能領域的研究成果，為人類發展、為實現碳中和做出的貢獻，體現了化學學科的社會價值。

4.2 生成性活動中的模仿與創新

思維課堂設計與實踐過程中，往往會出現預料之外的活動和想法，這正是思維課堂的精彩之處，如上述學生設計與分析套管裝置（圖1C）檢驗化學反應的吸熱和放熱，氣球裝置（圖1A）和水封裝置（圖1B）也一樣能檢驗化學反應的吸熱或放熱，但他們都受到了反應物、生成物的狀態、性質的影響，因而遇到問題不斷地進行改進與優化設計，這就是生成性的活動。生成性活動中學生的思維進階表現得尤為明顯，如評價“氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合加熱”中氣球裝置的不合理性的辯證性思維活動、水封裝置不合理性的批判性思維活動、套管裝置合理性的創新與創造的高層次思維活動，學生思維的敏捷性、層次性、邏輯性和完整性都得到了充分的發展。在這樣一種生動的教學活動過程中，教師智慧的預設和過程中的“導”和“引”顯然是至關重要的。

參考文獻：

［1］吳俊明. 關注化學思維 研究化學思維［J］. 化學教學，2020， （3）： 1～9.

［2］王晶， 畢華林主編. 普通高中教科書·化學·必修 第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 32～35.

［3］L·W·安德森等著. 皮連生主譯. 學習、教學和評估的分類學［M］. 上海： 華東師范大學出版社， 2008： 41～55.