基于深度學習的元素化合物教學實踐
——以滬科版“次氯酸和次氯酸鹽”為例

黃炎維

（上海市第二中學 上海 200031）

一、問題提出

深度學習是指學習者以高階思維的發展和實際問題的解決為目標，以整合的知識為內容，積極主動地、批判性地學習新的知識和思想，并將它們融入原有的認知結構中，且能將已有的知識遷移到新的情境中的一種學習。［1］促進深度學習的一般教學策略為“確立高階思維發展的教學目標，引導學生深度理解；整合意義連接的學習內容，引導學生批判建構；創設促進深度學習的真實情境，引導學生積極體驗；選擇持續關注的評價方式，引導學生深度反思”。［2］

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對“常見無機物及其應用”的學業要求中指出：能從物質類別、元素價態的角度，依據復分解反應和氧化還原反應原理，預測物質的化學性質和變化，設計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關實驗現象。這為教師開展深度學習的教學提供了依據。

《普通高中教科書化學必修第一冊（上科版）》第二章第一節“海水中的氯”學習內容，是高中階段學生第一次成模塊地學習非金屬元素及其化合物的性質，由于學生還未學習“氧化還原反應和離子反應”相關內容，因此“引導學生從組成、結構、性質和制備等方面審視具體物質的性質”的常規教學思路，學生很難做到主動建構，遷移應用，批判性學習。倡導基于深度學習的教學設計，教師要勇于進行課堂轉型的探索，發揮教學的創造性。［3］筆者以“海水中的氯”第二課時“次氯酸和次氯酸鹽”為實踐對象，以“科學使用含氯消毒劑”為主題，嘗試基于深度學習理念進行教學設計，提升學生的化學核心素養。

二、基于深度學習的“科學使用含氯消毒劑”教學思路分析

1.課標與教材分析

課程標準中對非金屬元素的內容要求為：結合真實情境中的應用和實例或通過實驗探究，了解氯及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響。［4］“次氯酸和次氯酸鹽”為典型的含氯化合物。學生能從物質類別角度，依據物質的通性推測化合物的性質，而“次氯酸和次氯酸鹽”的相關性質也可為氧化還原及離子反應等基本理論知識的學習積累學習素材。

2.教學內容分析

在認識“次氯酸和次氯酸鹽”性質中能體驗含氯消毒劑的科學使用。以解決實際問題為目標，學生結合已有知識經驗，如“酸、堿、鹽”性質及復分解反應原理等，通過性質推測、實驗探究、實驗反思等學習活動，將次氯酸鹽和次氯酸的新知識納入原有知識體系。同時形成“認識、研究物質性質的基本程序”的認知模型，為后續其他元素化合物的學習奠定了方法層面的基礎，培養了核心素養，發展了高階思維。

3.“教、學、評”一體化的教學目標

課程標準中指出：化學日常學習評價是化學教學不可或缺的有機組成部分，［4］日常教學的評價方式除了紙筆練習，作業等方式之外，化學課堂上的學生活動、課堂任務、提問交流等途徑，可促進學生有效開展深度學習，也是教師在教學中不斷評估教學目標是否達成的有效途徑，因此設計教學目標如下表1：

表1 “科學使用含氯消毒劑”課時目標設計

4.教學流程

基于以上的認識，本節課的教學內容分為兩大環節：環節一，嘗試通過以漂粉精作為研究對象，以“如何科學使用含氯消毒劑”為真實情境，從學生已有的“物質分類”視角認識次氯酸鹽的性質，通過次氯酸鹽與酸反應原理的探究，引發學生的認知沖突，借助對比、反思、討論、評價等方式在活動中提升學生創新與批判思維。環節二，以深入認識漂粉精的消毒原理為主題，借助化學史話，著手對漂粉精具有消毒漂白作用背后真正的物質“次氯酸”開展研究，通過次氯酸分解的實驗的現象觀察，數字化實驗等手段，宏微結合地深入感受化學變化過程。在對次氯酸鈣和次氯酸性質的研究中實現“研究物質性質的基本程序”認知模型的進階，發展學生的高階思維。具體教學流程如圖1所示。

圖1 “科學使用含氯消毒劑”教學流程

三、基于深度學習的“科學使用含氯消毒劑”教學實踐

1.以真實情境為載體，借助已有知識經驗解決實際問題

【情境引入】含氯消毒劑在新冠肺炎疫情期間的廣泛使用，展示某品牌漂粉精片劑及使用說明書。

【教師】閱讀漂粉精的使用說明，通過討論嘗試歸納漂粉精性質、用途、使用注意事項。

【學生】有效成分為Ca（ClO）2；白色固體、具有腐蝕和漂白性；可用于殺菌、消毒；使用時學注意貯存于干燥、陰涼處，防雨、防曬，倒入水中，靜置半小時后使用。

【教師】從物質分類角度分析漂粉精有效成分次氯酸鈣有的化學性質。請仔細閱讀說明書，次氯酸鈣的消毒原理和次氯酸鈣的什么性質有關？

【學生】Ca（ClO）2屬于鹽，可以與酸反應，說明書中指出使用漂粉精需“加少量水調成糊狀，然后倒入水中攪動幾下，靜置半小時后使用”，這是由于空氣中存在CO2，其溶于水生成的碳酸可以與Ca（ClO）2反應CaCO3和HClO。

設計意圖：本環節通過漂粉精說明書的反復閱讀，將次氯酸鹽的消毒作用和次氯酸鹽與酸的反應相聯系，在“尋證”的過程中歸納總結次氯酸鈣的性質；在真實情境中，引導學生積極體驗化學物質用途與性質之間緊密的聯系，同時將物質分類及同一類別物質通性的學習經驗應用于該情境下，順利將次氯酸鈣的性質納入知識體系，并將含氯消毒劑的研究重點轉移至HClO。

2.在探究實驗中，全面認識次氯酸鹽性質與用途，建構研究物質性質的基本程序

【教師】漂粉精之所以有消毒作用是因為Ca（ClO）2與酸反應生成了HClO，我們怎么能夠通過實驗判斷HClO生成呢？

【學生】從新制氯水的性質可知，HClO具有漂白性。可以嘗試通過觀察次氯酸鈣與酸反應的產物是否具有漂白作用來判斷次氯酸的生成。

【教師】實驗是我們研究物質性質的重要手段。與空氣中CO2反應時間太長，請同學們用酸性較強的鹽酸來進行如下實驗。

【學生實驗】錐形瓶中分別盛有一定量研磨好的次氯酸鈣固體，用針筒向錐形瓶中注射一定濃度的鹽酸2～3 mL。觀察實驗現象。（探究實驗：不同小組使用不同濃度的鹽酸開展實驗，濃度分別為0.1 mol·L-1、2 mol·L-1），實驗裝置及現象如表2所示。

表2 不同濃度鹽酸與次氯酸鈣反應實驗現象

【教師】引導學生仔細觀察現象，對比小組之間反應現象的異同，歸納實驗背后隱藏的信息，如：鹽酸可加速漂粉精漂白速度，鹽酸濃度變化會導致反應產物變化，日常生活中次氯酸鹽不能與潔廁靈（含較濃的鹽酸混用）等。

設計意圖：學生提出可通過漂白性證明次氯酸鈣與酸反應有次氯酸生成的實驗設想，提升了宏微辨析，科學探究等素養。鹽酸與次氯酸鈣反應的探究實驗，其教學價值為：從認知角度出發，鹽酸與漂粉精反應的現象不同，會引發學生的認知沖突，使學生意識到，鹽與酸反應生成的產物受到反應物濃度的影響、酸的強弱等等因素的影響，促進學生“變化的觀念”由靜態變為動態；從科學態度與社會責任視角看，產生氯氣的異常現象能很好地培養學生實事求是的科學態度，也可得到次氯酸鹽不能與潔廁靈混用的結論，從反應原理回歸日常用途，認識化學產品給生活帶來的雙重影響；最后，通過實驗探究及結論歸納，學生完整地經歷了研究物質性質的科學過程，為下一環節次氯酸性質的教學做了良好的鋪墊。

3.在研究次氯酸性質的新情境中，應用研究物質性質的基本程序

【教師】展示含氯消毒劑使用的化學史話，從保存和使用角度出發，使用氯水和漂粉精進行消毒的優缺點分別是什么？

【學生】學生歸納如表3

表3 漂粉精和氯水使用優缺點比較

【教師】引導學生抓住關鍵詞“變質”，結合化學史話中關于“漂粉精穩定性強”的描述，提問氯水不穩定性是由什么物質造成的。

【學生】經過氯水中成分的篩選，推測次氯酸可能具有不穩定性。

【教師】展示氯水中次氯酸見光分解的實驗及其現象（實驗裝置及現象如圖2所示），推測反應產物。

圖2 氯水光照的實驗裝置及現象

【學生】推測次氯酸分解的產物中氣體可能為O2，根據元素守恒可能還有HCl生成。

【教師】展示數字化實驗測定次氯酸分解過程中pH及Cl-濃度的變化，分析圖像，驗證你的推測是否正確？溶液pH及Cl-濃度的變化如圖3。

圖3 氯水光照分解數字化實驗

【學生】歸納圖像變化趨勢，驗證推測。

【教師】總結歸納次氯酸的性質及次氯酸分解與消毒漂白的原理。

【學生】歸納研究物質性質的基本程序。

設計意圖：本環節的學習任務就是研究次氯酸的性質與殺菌消毒之間的關系，學生在體驗研究物質性質的基本程序后，本環節重點在應用該程序完成對次氯酸性質的研究。教學過程與研究物質性質的基本程序，如圖4所示。

圖4 教學過程與“研究物質性質基本程序”

學生通過“化學史話”搜集信息，在評價氯水作為消毒劑的優缺點中，推測氯水不穩定可能是其中次氯酸易分解所導致，通過氯水分解產生氣體的宏觀現象及元素守恒，推測次氯酸分解的產物，通過數字化實驗測得的pH和氯離子濃度變化曲線驗證次氯酸分解的產物，學生能從物質變化的宏觀現象和微觀視角上收集證據，得出合理結論。在整節課的反思中，通過自身學習經歷歸納出研究物質性質的基本程序，形成了植根于實踐的認知模型。

四、教學實踐反思

1.選取合適情境，使學習有據可循

深度學習的教學要求以一定的學習情境展開學習活動，因此，情境除了激發學生的學習興趣之外，應該還有一些其他功能，本教學案例中某品牌漂粉精說明書除了讓學生感到學習的內容貼近生活之外，還起到了思考“支架”的作用，通過閱讀，提取信息可幫助學生認識次氯酸鈣的性質，教師也可運用說明書中的資料開展評價性提問，如：說明書中說到漂粉精會腐蝕金屬，可能的原因是什么？以診斷學生對于次氯酸鈣與次氯酸之間轉化的認識。閱讀“含氯消毒劑”使用發展史的學生活動中，學生可將提取的信息作為知識支架用來評價氯水和次氯酸鹽作為消毒劑的優缺點，從而推測次氯酸的不穩定性。綜上所述，深度學習中的情境要為學生進行證據推理提供學習線索和思考依據。

2.重視認知發展，開展有效的課堂評價

“教，學，評”一體化教學要求評價方式的多樣性，除了傳統的紙筆測試的方法外，課堂中實時提問互動也是教師進行有效評價及開展后續教學的依據，本教學案例中以9個問題（見圖1）為線索推進教學，在環節一的教學中，以“你認為…”“嘗試推測、評價…”等提問方式使問題更具有開放性，激活學生思維，調動學生運用已有知識解決新情境中的問題，診斷學生能否基于物質分類認知物質性質，開展深度學習的教學。在環節二的教學中，教師的提問設計為“要研究次氯酸的性質，我們首先應該做什么？接下來我們要怎么做…”，以診斷學生是否能應用認知模型去解決新問題，同時潤物細無聲地引導學生鞏固、應用認識模型。因此，深度學習的課堂評價需以學生形成化學思維方式為導向。

3.培養高階思維，注意學生認知水平的進階

深度學習旨在培養學生的高階思維，本教學案例以“科學使用含氯消毒劑”作為情景，以次氯酸和次氯酸鹽性質學習為主要線索，旨在發展學生研究物質性質的基本程序的認知模型。在教學中，該認知模型的建構分為兩段：第一段以日常生活中常見漂粉精中的次氯酸鈣為研究對象，在教師問題引導、探究實驗的幫助下，使學生經歷“觀察性狀、搜集資料→推測性質→實驗驗證→得出結論”的探究過程。在抽絲剝繭般地發現次氯酸才是次氯酸鹽具有殺菌消毒作用的物質后，以相同的方式將上述的研究程序應用于次氯酸性質的研究，為后續學習其他化學物質做好方法論的準備。因此，在深度學習的教學中，高階思維的形成、認知模型的結構必需層次清晰，這樣方可實現學生認知的螺旋式上升。