基于問題情境實現(xiàn)從知識到能力到素養(yǎng)發(fā)展的教學思考*
——以“物質(zhì)分類及轉(zhuǎn)化”的大單元設計為例

鐘國華

（廣東廣雅中學 廣東 廣州 510160）

一、教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析

1.教學主題內(nèi)容的功能、價值分析

人教版（2019年版）必修第一冊第一章第一節(jié)“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”包括根據(jù)物質(zhì)的組成和性質(zhì)分類、分散系及其分類、酸堿鹽的性質(zhì)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)化等。其中，分散系及其分類側(cè)重膠體相關(guān)性質(zhì)介紹，內(nèi)容相對獨立。因此，本課“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”的研究對象是除膠體以外其他知識的整合，安排兩課時進行教學。

“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”的教學功能不是具體的事實性知識，而是發(fā)展能根據(jù)物質(zhì)的組成和性質(zhì)對物質(zhì)進行分類、基于元素認識物質(zhì)類別等認識角度，進而深化結(jié)合物質(zhì)類別通性預測陌生物質(zhì)性質(zhì)的認識思路，最終實現(xiàn)在陌生情境根據(jù)已知推測未知的認識路徑自主化。

物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化對后續(xù)元素化合物的學習有重要的指導作用。例如，學生能否根據(jù)類別轉(zhuǎn)化提出從石灰石制備出牙膏中的摩擦劑碳酸鈣的多種方案并評價方案的優(yōu)劣；能否根據(jù)碳酸鈉和碳酸氫鈉在組成上的差異提出合適的鑒別方案；能否根據(jù)SO2具有酸性氧化物的類別通性選擇實驗室或?qū)嶋H生產(chǎn)中合適的尾氣處理方法；能否根據(jù)復分解反應規(guī)律提出實驗室制備氨氣的原理等。這些都是學生在實際生產(chǎn)、生活應用、實驗研究中基于物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化進一步發(fā)展認知。此時，物質(zhì)分類這個“知識”就成為“工具”——幫助學生預測陌生物質(zhì)性質(zhì)的工具，這樣物質(zhì)分類及轉(zhuǎn)化的教學就變得工具化、功能化。

2.教學現(xiàn)狀及學生學習障礙分析

以“物質(zhì)分類”“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”為檢索詞，發(fā)現(xiàn)《化學教與學》期刊近十年收錄文章20篇，主要有三個研究方向。

一是以“物質(zhì)分類”為素材討論問題，如黃威［1］分析存在將“物質(zhì)分類”作為知識要求而非學科觀念的不良傾向，在教學實踐中提出基于“物質(zhì)分類”教學形成“分類觀”的實踐路徑；張俊仙［2］基于建構(gòu)主義理論，結(jié)合化學概念的教學特點，以“物質(zhì)的分類”為例，提出化學概念教學的方法：創(chuàng)設情境，構(gòu)建概念——關(guān)聯(lián)鑒別，深化概念——深入本質(zhì)，突破概念；徐新萍［3］基于物質(zhì)分類研究導致學生學習困難的主要原因，提出解決學生對物質(zhì)分類學習困難的主要策略有注重物質(zhì)分類教學的階段性，強化物質(zhì)分類體系關(guān)系的認識，準確理解物質(zhì)分類體系中的標準與依據(jù)，從而逐步學會從經(jīng)驗化的感性判斷走向理性判斷；翁志勇［4］以垃圾回收再利用為教學情境，開展圍繞“物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化”的項目式教學的高中化學階梯式深度學習研究，運用所學知識解釋和解決與STSE有關(guān)的問題；司徒華［5］以物質(zhì)分類為例研究基于以素養(yǎng)為導向的課堂引導性問題培育學生宏微觀念、模型認知和科學探究等化學學科核心素養(yǎng)的問題。

二是基于物質(zhì)分類思想進行后續(xù)專題教學，如魏樟慶［6］以“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”為例，建立“物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化的、物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化是有一定規(guī)律的”基本認識，從元素的視角看物質(zhì)的分類與轉(zhuǎn)化，構(gòu)建物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化和元素價態(tài)轉(zhuǎn)化的二維概念圖；曾開家［7］以“觀銅之美”“說銅之態(tài)”“煉銅之法”“用銅之性”為教學主線，創(chuàng)設真實情境，設置系列問題，實現(xiàn)人教版新教材第一單元核心概念（物質(zhì)分類和氧化還原）的內(nèi)容結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)復習；李雪［8］在初中化學教學中以分類觀、變化觀等化學核心觀念為指導，以建構(gòu)物質(zhì)的反應和轉(zhuǎn)化思維導圖為載體，建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的三角模型、類別轉(zhuǎn)化等認知模型，再應用模型解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化和推斷的常見問題。

三是物質(zhì)分類的本體教學問題，如黃宏［9］以硫酸型酸雨形成過程中涉及的兩種物質(zhì)——SO2和H2SO3作為主要研究對象，通過對它們化學性質(zhì)的推測，讓學生建立從個別到一般、一般到個別以及類比和遷移的化學思想，并能夠讓學生認識物質(zhì)的分類對研究物質(zhì)化學性質(zhì)的重要作用。

綜上可知，新課標修訂后“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”的本體教學設計鮮少發(fā)現(xiàn)。

關(guān)于物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化的教學，結(jié)合聽課評課發(fā)現(xiàn)目前存在以下主要問題：

（1）照本宣科羅列知識，蜻蜓點水介紹不同的分類方法（單一分類、交叉分類、樹狀分類等）和分類標準（物質(zhì)組成和性質(zhì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等），只關(guān)注分類的事實性知識，缺少從物質(zhì)轉(zhuǎn)化的角度看物質(zhì)分類。

（2）一步到位呈現(xiàn)概念，直接給出物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，缺乏“演繹”和“同化”。教學設計只關(guān)注知識與技能的教學，缺少學科能力活動，從死記硬背的視角記住動態(tài)變化，深度不夠，無法遷移。［10］

受以前概念教學存在的照本宣科、死記硬背等教學行為影響，學生習慣靜止地記憶概念，記住概念的定義、內(nèi)涵，但是關(guān)于概念的外延、應用、遷移卻是表現(xiàn)糟糕。因此，長期的被動記憶學法使學生在“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”的學習中產(chǎn)生顯著障礙，表現(xiàn)為無法主動透過現(xiàn)象（物質(zhì)組成）看本質(zhì)（類別通性）。以SO2為例，不同層次的學生在頭腦中反映出不一樣的東西，思維的膚淺與深邃一目了然（見圖1），而且對于前三層學生即使在教學過程中反復嘗試調(diào)動，也無法促使學生自覺主動使用類別概念，“分類”只是停留在知識層面，無法成為生成知識的工具。

圖1 SO2在不同層次學生頭腦中的反映

二、教學創(chuàng)新點

知識為本的思想大大壓縮概念形成過程的教學，往往導致在引入概念時沒有讓學生獲得足夠的感性認識，致使部分學生只能死記硬背，進而通過做題套用、強化概念。鑒于此，本課“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”設計的創(chuàng)新點主要有3點：

（1）實現(xiàn)單元設計統(tǒng)領(lǐng)教學。將“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”界定為兩課時的教學單元，連續(xù)性和系統(tǒng)性更強。單元教學，強調(diào)從單元整體出發(fā)設計教學，把“物質(zhì)分類”放到“化學物質(zhì)及其變化”視角中，這樣教學環(huán)節(jié)就不會出現(xiàn)“為分類而分類”的無效活動。再者兩課時的連續(xù)設計更能由淺入深、環(huán)環(huán)相扣、前后呼應，在已有知識經(jīng)驗的基礎上形成“物質(zhì)分類”的化學視角，在物質(zhì)分類的實踐中領(lǐng)悟“分類法”的實質(zhì)，在新舊知識的聯(lián)系中拓展“物質(zhì)分類”的應用，在宏觀辨識與微觀探析中發(fā)展認識“物質(zhì)反應”的多種角度，實現(xiàn)基于分類認識和研究物質(zhì)的進階理解：引入基于類別轉(zhuǎn)化的認識角度→建立基于元素組成預測性質(zhì)的認識思路→形成陌生情境下的自主化認知方式→基于實驗異常提出更高級的認識角度，不斷深化和發(fā)展認識。

（2）基于情境實現(xiàn)意義生成。意義生成是一個自主的生成過程，是深度學習的重要表征。［11］“意義生成”強調(diào)意義應從學生內(nèi)部有序生長出來，而不是外部嫁接進去。因此，本課創(chuàng)設六個問題驅(qū)動情境（見圖2）來呈現(xiàn)知識脈絡，讓學生通過參與從熟悉原型到簡單變式到復雜陌生的情境去發(fā)現(xiàn)學科知識與體驗科學方法，讓老師成為知識和方法的“助產(chǎn)婆”。

（3）基于學科能力活動實現(xiàn)從知識到能力到素養(yǎng)發(fā)展。學科知識能否形成學科能力和學科素養(yǎng)關(guān)鍵取決于知識能否轉(zhuǎn)化為自覺使用的認識角度、認識思路和相應的認知方式。本課設計若干個需要學習和理解（圖2中的辨識記憶和說明論證）、應用和實踐（圖2 中的推論預測和簡單設計）、遷移和創(chuàng)新（圖2 中的復雜推理和創(chuàng)新思維）的學科能力活動，使物質(zhì)分類及轉(zhuǎn)化的知識經(jīng)過從陳述性知識到程序性知識再上升至觀念化乃至自主化的認識方式，最終轉(zhuǎn)化成學科核心素養(yǎng)。

圖2 “物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”6個問題情境

總的來說，在學科大概念的指引下，物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化實現(xiàn)大單元教學設計，其間創(chuàng)設眾多有意義的問題情境，設置系列學科能力活動，實現(xiàn)從知識到能力到素養(yǎng)發(fā)展。為此，特提出基于問題情境實現(xiàn)從知識到能力到素養(yǎng)發(fā)展的一般教學流程，包含六步：任務驅(qū)動→總結(jié)經(jīng)驗→形成程序→建立模型→遷移應用→深化認知，見圖3。

圖3 基于問題情境實現(xiàn)從知識到能力到素養(yǎng)發(fā)展的一般教學流程

三、學情分析

1.學情分析

“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”是初三學生進入高中的第一課，學生腦中只有以典型物質(zhì)（如鹽酸、氫氧化鈉、金屬鎂等）為代表的零散的元素化合物知識，物質(zhì)分類及轉(zhuǎn)化意識不強，更談不上從元素組成、物質(zhì)類別的視角看待化學反應。因此，要把“理解物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化的本質(zhì)和意義，形成基于物質(zhì)組成、物質(zhì)類別的角度分析和解決相關(guān)問題的思路方法”作為教學的重要目標之一。這是實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化和功能化，促進知識向能力和素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的重要途徑。［7］

2.教學與評價目標

（1）教學目標

①通過設計以Ca 和C 為原料合成CaCO3的方案并比較，初步建立“單質(zhì)—氧化物—酸/堿—鹽”的物質(zhì)轉(zhuǎn)化模型。

②通過對酸性氧化物概念的辨識和對SeO2、H2S等陌生物質(zhì)性質(zhì)的預測，建立從類別（組成）分析物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的認識角度，培育證據(jù)推理的學科素養(yǎng)。

③通過設計Na和Si為原料合成H2SiO3的方案，促進基于類別轉(zhuǎn)化認識路徑的自主化，提升學生在新情境中利用模型進行認知的能力。

④通過對Fe（OH）3和HI反應的預測和推斷，促進利用相似組成類別（HI 是酸）分析物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的模型進行分析，建立從同主族類比（Cl 和I 同主族）分析物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的認識角度，并通過實驗異常現(xiàn)象引出氧化還原反應的分析角度。

⑤通過改編課后練習，感受化學物質(zhì)及其變化的價值，理解影響化學實際生產(chǎn)的因素。

（2）評價目標

①通過對合成CaCO3方案的交流和點評，診斷并發(fā)展學生方案設計和類別轉(zhuǎn)化的水平。

②通過對陌生物質(zhì)性質(zhì)的預測，發(fā)展學生認識物質(zhì)的水平。

③通過對合成H2SiO3方案的交流和點評，診斷并發(fā)展學生發(fā)現(xiàn)證據(jù)和使用模型的水平。

④通過對Fe（OH）3和HI反應的預測，診斷并發(fā)展學生對物質(zhì)類別及轉(zhuǎn)化的認識進階（組成相似、同族類比），發(fā)展學生從氧化還原視角看待物質(zhì)反應的認知水平。

⑤通過改編課后練習“利用Fe、CuO、H2SO4為原料提出兩種方法制Cu并評價方案優(yōu)劣”，診斷并發(fā)展學生解決實際問題的能力水平及其對化學價值的認識水平。

四、教學流程結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合基于問題情境實現(xiàn)從知識到能力到素養(yǎng)發(fā)展的一般教學流程，“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”的教學流程如圖4所示。

圖4 “物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”的教學流程

五、教學過程

1.環(huán)節(jié)一：任務驅(qū)動

【課前思考】結(jié)合已有知識，設計以Ca和C為原料制備CaCO3的方案，請寫出每個方案中每一步的化學方程式。

【展示】依次呈現(xiàn)圖5 中4 組不同的制備方案（a～d）。

圖5 學生方案匯總

【教師】從物質(zhì)類別的角度看，方案a 中涉及怎樣的反應？

【學生甲】鈣和氧氣生成氧化鈣，碳和氧氣生成二氧化碳，氧化鈣和二氧化碳生成碳酸鈣。

【教師】這個回答只是看到反應的表象，并沒有通過物質(zhì)類別看到反應的本質(zhì)規(guī)律。

【學生乙】這里涉及三類反應：金屬和氧氣生成金屬氧化物，非金屬和氧氣生成非金屬氧化物，金屬氧化物和非金屬氧化物生成鹽。

【教師】方案b中新出現(xiàn)的類別反應有哪些？

【學生丙】金屬氧化物和水生成堿，非金屬氧化物和堿生成鹽和水。

【教師】方案c中新出現(xiàn)的類別反應有哪些？是否都合適？理由是什么？

【學生丁】非金屬氧化物和水生成酸，金屬氧化物和酸生成鹽和水。但是其中利用碳酸作為反應物不合適，因為反應物不穩(wěn)定，容易分解。

【教師】不管是實驗室還是實際生產(chǎn)，所選反應物要穩(wěn)定性好，不然邊反應邊大量分解，原料利用率大大降低。方案d中新出現(xiàn)的類別反應有哪些？是否都合適？

【學生戊】酸堿中和生成鹽和水。還是利用不穩(wěn)定的碳酸作為反應物的問題。

【教師】根據(jù)幾位同學的方案，可以建立起物質(zhì)轉(zhuǎn)化的常見模型，見圖6。

圖6 物質(zhì)轉(zhuǎn)化的常見模型

設計意圖：通過合成活動將初三的零碎知識轉(zhuǎn)化成“單質(zhì)—氧化物—酸/堿—鹽”的轉(zhuǎn)化模型，并介紹方案選擇的依據(jù)。

2.環(huán)節(jié)二：總結(jié)經(jīng)驗

【教師】結(jié)合初三知識，舉例說明是否所有的金屬氧化物都能轉(zhuǎn)化成相應的堿。

【學生甲】不一定，關(guān)鍵要該金屬氧化物可溶于水。例如：MgO就不能和水生成Mg（OH）2。

【教師】沒錯。反應要遵循一定規(guī)律，是否所有非金屬氧化物均能和堿反應生成鹽和水呢？

【學生乙】不一定。例如：CO就不能和NaOH溶液反應。

【教師】正確。所以如果僅僅根據(jù)元素組成對氧化物進行分類，CO 和CO2都屬于非金屬氧化物，但是并沒有相似的性質(zhì)，這樣的分類對認識物質(zhì)性質(zhì)意義不大。因此，根據(jù)性質(zhì)對氧化物進行劃分成酸性氧化物和堿性氧化物。閱讀課本，找出概念的定義。

【學生丙】和堿反應生成鹽和水的氧化物叫酸性氧化物；和酸反應生成鹽和水的氧化物叫堿性氧化物。

【教師】除了定義以外，還可以如何快速判斷氧化物是否是酸性氧化物？

【學生丁】從經(jīng)驗看，大多數(shù)非金屬氧化物屬于酸性氧化物，大多數(shù)金屬氧化物屬于堿性氧化物。

設計意圖：通過對“酸性氧化物”概念的深化與判斷，凸顯從元素組成判斷類別的重要性。

3.環(huán)節(jié)三：養(yǎng)成觀念

【教師】請預測SO2能否與鹽酸或NaOH 溶液反應？能反應的寫出化學方程式并說出依據(jù)；不能反應的說明原因。

【學生甲】初三我們學習過SO2和NaOH 溶液反應：SO2+2NaOHNa2SO3+H2O。

【學生乙】從元素組成看，SO2是非金屬氧化物，估計是酸性氧化物，能發(fā)生反應：SO2+ 2NaOHNa2SO3+H2O。

【教師】顯然，從元素組成的角度分析更有說服力。請繼續(xù)預測SeO2和NaOH能否反應？

【學生丙】從元素組成看，SeO2是非金屬氧化物，估計是酸性氧化物，能發(fā)生反應：SeO2+ 2NaOHNa2SeO3+H2O。

設計意圖：通過對SO2和SeO2的性質(zhì)預測，建立從元素分析物質(zhì)性質(zhì)的認知角度。

4.環(huán)節(jié)四：建立模型

【教師】請列出H2S能發(fā)生哪些反應？并說明推斷理由。

【學生甲】從組成看，H2S很可能是酸，所以能夠發(fā)生酸的一系列反應，如和金屬反應、和堿反應、和堿性氧化物反應等。

【學生乙】從組成看，H2S還是二元酸，所以能夠發(fā)生類似硫酸的表現(xiàn)：

設計意圖：通過對陌生物質(zhì)H2S 能發(fā)生哪些反應的預測，建立從物質(zhì)分類分析物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的認知角度，培育證據(jù)推理的學科素養(yǎng)。

5.環(huán)節(jié)五：遷移應用

【教師】以Na和Si為原料制備H2SiO3（已知沙粒的主要成分是SiO2，水和空氣等基本原料任用），寫出每一步化學方程式并說明依據(jù)。

【展示】依次呈現(xiàn)圖7 中3 組不同的制備方案（a～c）。

圖7 學生合成方案匯總

【教師】對比三個方案，差異在哪？哪些地方不太合理？

【學生甲】a 方案忽略題目信息“沙粒的主要成分是SiO2”，其實就是暗示SiO2不能溶于水。

【學生乙】b方案中的鹽酸并不是題目給定的原料。

【學生丙】c方案中的碳酸不穩(wěn)定，不宜用作原料。

【教師】一般來說，生產(chǎn)或?qū)嶒炛幸褂锰妓幔梢杂肅O2代替。結(jié)合已有知識，該合成最簡單可以通過四步完成，請再思考完善方案。

設計意圖：通過完成合成H2SiO3的任務，促進基于類別轉(zhuǎn)化認識路徑的自主化，提升在新情境中利用已有模型解決問題的能力。

6.環(huán)節(jié)六：深化認知

【教師】預測往Fe（OH）3懸濁液中加入HI溶液，是否會發(fā)生反應？若能發(fā)生反應，請寫出相應的化學方程式并說明理由；若不能發(fā)生反應，請說明原因。

【學生甲】HI 有H 元素，估計是酸，能發(fā)生酸堿中和反應：

【教師】除了從H元素的角度判斷外，還可以從哪些角度看出HI是酸？

【學生乙】HI組成像HCl，所以類似鹽酸有酸性。

【教師】I 元素和Cl 元素是同一主族，結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，性質(zhì)必然相似。因此預測HI 類似鹽酸體現(xiàn)酸性是合理的。可見目前判斷“同類”的角度不僅有組成還有同族，見圖8。

圖8 “同類”的判斷方法

【教師】下面通過實驗進行驗證：往Fe（OH）3懸濁液中加入HI溶液，再滴加幾滴淀粉溶液，觀察整個過程的變化。

【學生】觀察實驗現(xiàn)象：加入HI溶液后，懸濁液變成深黃色澄清液，滴加淀粉溶液后變藍。

【教師】結(jié)合已有知識判斷，滴加淀粉溶液后變藍說明什么問題？

【學生丙】過程中有I2生成。

圖9 物質(zhì)轉(zhuǎn)化的兩個維度

設計意圖：通過對Fe（OH）3和HI 反應的預測，除了實現(xiàn)自主利用已有的從相似組成類別分析物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的認識角度外，還進一步拓展提出可以從同主族類比分析和預測，并通過實驗異常現(xiàn)象引出氧化還原反應的分析角度，這是基于三元整合策略［12］進行概念建構(gòu)的有效方法。

六、教學反思

1.本課以“物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)”這一學科大概念為統(tǒng)領(lǐng)，創(chuàng)設六個問題情境，充分體現(xiàn)“以知識為載體、以能力為主線、以素養(yǎng)為目標”的設計思想，從而使知識鞏固與方法訓練以及能力提升成為統(tǒng)一的過程。六個問題情境，涉及“腦手口并用”，既要用腦分析預測，又要用手符號表征，還要用口說出依據(jù)，避免陷入“為了概念而講概念”的誤區(qū)。通過大單元兩課時的學習任務活動，把初三已有的零散知識系統(tǒng)化，并引領(lǐng)學生去發(fā)現(xiàn)和理解事實、概念、方法等知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及由此構(gòu)成有整體聯(lián)系的、凸顯化學學科特質(zhì)的知識結(jié)構(gòu)，并形成對這些關(guān)系的解釋，深化對知識的理解與運用。在課堂中明顯發(fā)現(xiàn)，學生對物質(zhì)性質(zhì)（從SO2→SeO2→H2S→H2SiO3）的預測行為越發(fā)主動，思路越發(fā)清晰。

2.作為對概念教學增長點的定位，建立“物質(zhì)分類”的概念并不是本節(jié)課的核心目標，學生要能透過物質(zhì)組成識別性質(zhì)才是核心目標，學生要能在陌生情境中結(jié)合類別性質(zhì)分析反應才是核心目標。可喜的是，在元素化合物“鈉及其化合物”教學中涉及的眾多與“物質(zhì)分類及轉(zhuǎn)化”相關(guān)的問題中，學生表現(xiàn)良好。例如：金屬鈉和水反應后按照Na元素升價為何產(chǎn)物不是Na2O而是NaOH，學生能夠提出Na2O是堿性氧化物能和水反應生成NaOH；NaHCO3受熱分解為何產(chǎn)物不是Na2O而是Na2CO3，學生能夠提出Na2O是堿性氧化物能和酸性氧化物CO2反應生成Na2CO3。這些都是“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”大單元教學后，實現(xiàn)從基礎知識→活動經(jīng)驗→核心觀念→認識方式→學科素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。