PCK視域下“素養為本”的教學設計研究

汪彩綾　游潤紅　曾美　蔡琴　候林麗

摘要：本文以“金屬鈉”的教學為例，構建了PCK理論教學設計模型。教學案例中創設了融合“知識、素養、策略、評價、興趣”五條線索為一體的“素養為本”課程設計體系和方法。利用“知識線”深度挖掘教學內容，“素養線”發展核心素養，“策略線”和“興趣線”突破難點、激發興趣，“評價線”診斷目標達成情況，讓化學課堂更有效地指向學生個體成長，實現全方位培養學生化學學科核心素養的目的。

關鍵詞：PCK；教學設計；化學學科核心素養；鈉

文章編號：1008-0546（2023）08-0035-08?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.08.008

一、問題的引出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》進一步強化教師的育人主體地位，要求教師積極開展“以素養為本”的課堂教學實踐，主動探索構建“以素養為本”高效課堂教學模式與策略，以落實和培養學生的化學學科核心素養，這對新時期教師專業成長提出了更高要求。[1]美國舒爾曼最早在1986年提出，將教育學知識與特定學科內容相結合成學科教學知識，即 PCK （Pedagogical Content Knowledge）。 PCK 是對教學內容重新表征與組織，可以滿足不同學習者的興趣與需求。[2-3] PCK 與教師專業發展密切相關，正面指引教師的教學行為和教學觀念的發展，有效促進教師實踐智慧的形成和學科觀念的提升，為促進教師快速成長提供了有效實施途徑。將PCK理論融入教學設計，打破傳統教學過分強調課程內容本身而忽略學生主體，促進學生主動思考、積極探究，創造更多思維訓練的機會，使教學更有效地指向學生個體發展，有利于培養學生化學學科核心素養，為實施“素養為本”課堂教學奠定有效基礎。目前，不少研究者將PCK理論與具體實踐主題相結合，如鄧峰以“氧化還原反應”為例，對新手-熟手高中化學教師PCK個案比較研究，據此對當前化學教師教育及其研究提出相關建議；[4]唐勁軍同樣以“氧化還原反應”教學為例，運用 PCK 理論探索發展學生核心素養的教學設計，以促進化學教師專業成長；[5]楊水金以“乙醇”為學科主題，創設PCK教學設計框架，以評價診斷學生的不同發展水平，最終達到育人目的。[6]文獻調研顯示，將 PCK理論運用于課堂，開展教學實踐，對推進新課程改革，提升教師專業素養和學生核心素養有著極大幫助。[7-9]本文嘗試以“金屬鈉”為學科主題，通過創設融合“知識、素養、策略、評價、興趣”五條線索為一體的PCK教學視角，搭建支架式教學方式，充分挖掘課程內容的內涵和外延，在問題的提出與解決過程中突破知識瓶頸，促進學生“宏、微、符”三重表征模型認知的建立與發展，構建教學設計的一般流程與方法，將核心素養體現在課堂教學之中，以期為“素養為本”高效課堂教學實施提供可操作的設計思路模型及有益借鑒和參考。

二、基于 PCK視角的教學設計

1. PCK視角教學指導思想

教師將學科知識與教育學知識深度有機融合，激發學生學習動力，推動學生深層次學習，是PCK 的核心。本文結合建構主義理論“學生為主體”的思想，在“五線合一”的PCK教學視角下，運用啟發講授、概括歸納等教法，合作探究、預測分析等學法，開展教學活動，建立“結構決定性質，性質決定用途”學科認知，夯實“位-構-性”思維模型。

教學總體設計思路為：以促進學生發展為立足點，首先明確“金屬鈉”學科主題知識線，包括有機整合課程知識和學生知識，使課程內容結構化、條理清晰、層次分明，在此基礎上，進一步緊扣教學目標；其次，創設“沈陽工廠不合理庫存金屬鈉遇雨爆燃”的真實問題情境，組織分組實驗探究等方式來激發學習興趣，促進學生參與，激勵學生進步，這樣構成興趣線；接著，通過探究鈉與水的反應產物，促進對知識的認識、理解、運用，提升觀察、分析、解決問題的能力，構思發展素養線；課堂教學中聯合運用問題驅動策略、科學探究策略等多種策略，以此形成策略線；最后，評價和教與學貫穿始終、深度融合，實現“教、學、評”一體化。圍繞“金屬鈉”學科主題，五條線索相互影響與聯結，形成動態的PCK教學模式，最終提高課堂效率，促進學生積極主動學習，提升其核心素養（圖1）。

2. PCK視角教材分析

“金屬鈉”這一節課選用的教材為人民教育出版社2019版化學必修第一冊，所選章節為教材第二章第一節“鈉及其化合物”。“鈉”是學生第一次系統接觸以典型核心元素為代表的無機元素化合物知識的學習。既為前面所學的物質分類、氧化還原反應補充豐富的感性認識材料，又為后續學習其他元素（氯、鐵、硫、氮）化合物知識、元素周期律和選修模塊化學反應與能量等理論知識作鋪墊，使學生了解、認識化學與科學、技術、社會的密切聯系，并逐步掌握研究物質性質的一般原理和方法。

3. PCK視角學情分析

學生在初中已初步了解一些常見金屬的物理、化學知識，知道金屬能與酸或鹽溶液反應的規律，這為學習鈉的相關性質奠定了基礎。第一章所學的氧化還原反應，為預測分析金屬鈉的性質提供了思路與視角，支持學生從氧化還原角度認識反應產物。在前期的學習中，學生雖然具備物質分類、氧化還原反應等理論基礎，初步掌握開展探究實驗的一般流程與方法，但是對知識價值的深層次挖掘和主動建構的能力還有所欠缺；他們習慣基于自身的經驗來思考探索問題本質，對通過實驗現象來挖掘物質本質特性的科學思維方式還沒有建構。因此，可通過創設真實情境、設計教學任務、組織學生活動、開展探究實驗等多種途徑，拓寬學生思維視角，系統認識化學反應的本質規律，建立辯證看待問題的方式，增強其對化學學科知識和社會價值的認識。

4. PCK視角教學重難點分析

教學重點：鈉與水的反應，鈉單質的研究理念和方法的建構。

教學難點：鈉與水反應產物的分析。

5. PCK視角教學設計框架

本文以“金屬鈉”為教學案例，以提升化學學科核心素養為目標，結合教材內容、學情特點，設計如圖2所示的 PCK 教學理論模型。教師在教學設計模型中確定教學目標和教學重難點，依據的是課程知識和學生知識；根據課堂實況，動態優化教學策略鞏固教學效果；利用興趣線激發學生的學習熱情與興趣，使其主動求知、求真；采用評價線確定評價內容和評價手段，最終診斷教學設計的實施與教學目標的契合度。

（1）“金屬鈉”的知識線

將課程知識（含教學目標知識）和學生知識有機融合、內化篩選、轉化，形成主題知識線。將教學知識內容直接外顯于教學過程，完善知識網絡體系，促使認識思路系統化、結構化。“金屬鈉”的知識線如圖3所示。

（2）“金屬鈉”的素養線

本文通過組織學生以小組為單位開展小組討論和探究性實驗，實現全方位培養化學學科核心素養。具體表現為：微觀探析鈉的原子結構，預測、推理、論證鈉的化學性質；對鈉與水、氧氣的反應產物進行研究，解析探究物質性質的模型認知；最后，聯系生產、生活講解鈉的用途，并應用所學知識解決實際問題，培養其正確的價值觀及對社會的責任感。圖4體現了落實核心素養所實施的具體教學路徑。

（3）“金屬鈉”的興趣線

課前引入新聞報道創設真實情境，引發學生思考，預設興趣點；課中預測分析鈉與水反應產物、對比分析鈉與氧氣反應開展實驗探究活動，挖掘興趣點、發散學科思維、提高參與度、培養團結協作精神；課尾講解鈉的保存、制取及用途，在生活實際中融入化學知識，從而讓化學走進社會，拓展興趣點，體會應用新知解決實際問題；整個課堂以學生的興趣為出發點貫穿始終，形成層層遞進、貫穿始終的“興趣線”（圖5）。

（4）“金屬鈉”的策略線

根據學生已有水平和可接受能力，合理選擇和排列教學內容，改變傳統只重視課本知識的傳授，以利于學生易于接受的方式靈活運用不同教學策略，形成注重以學生發展為本的“策略線”。本節課主要選擇了問題驅動策略、類比分析策略、合作學習策略、科學探究策略，教學過程中采用的具體策略如圖6所示。

（5）“金屬鈉”的評價線

注重教學目標與評價方式的整體性融合，以評價方式為工具來確定學生的學習目標、狀態及差距，將評價穿插、嵌入整個教學活動中，不再與“教”和“學”孤立、割裂，并成為“教”和“學”的有效載體，最終實現“教、學、評”一體化。

評價內容包括預測分析、證據推理和科學探究能力、社會責任感，評價手段則采用教師提問、點評、學生交流討論等形式。評價內容與評價手段兩者構成完整的評價線（圖7），通過學生在反應產物的預測分析、實驗方案的設計討論、實驗現象的對比分析、總結歸納物質性質等活動中的表現，了解學生的最近發展區，診斷、評價學生所達到的學科核心素養發展水平，動態優化、調整教學，實現學生核心素養的全面培養與發展。

三、PCK視角下的教學過程探究

本課例通過四個教學環節來構建“結構決定性質、性質決定用途”的學科思維模型（圖8），立足PCK 視角，以問題驅動為導向，以科學探究為主體，促進高階思維的發展，實施“教、學、評”一體化，最終達成學生核心素養發展的目標。

1.環節一：創設真實情境引發認識沖突

【學習任務】閱讀新聞報道，思考金屬鈉遇雨爆燃的原因。

【評價任務】診斷學生從新聞素材中聯系化學知識的能力水平。

【課堂引入】展示沈陽化工廠不合理庫存金屬鈉遇雨爆燃致廠房起火的新聞報道（如圖9所示），引發學生思考起火的原因，創設認識沖突。

【閱讀思考】新聞材料中鈉遇雨爆燃的原因。

設計意圖：從新聞報道中提出問題，激發學習興趣；進而引發認識沖突--“水不是可以滅火嗎？為什么遇雨會爆燃”；引導學生深入思考并探究問題產生的原因，順利過渡到本節課知識點學習。

2.環節二：預測分析產物，實驗探究揭秘

【學習任務】從元素守恒及化合價升降的角度，預測、分析鈉與水反應的產物，并設計驗證反應產物的實驗方案。

【評價任務】對學生的預測、分析、推理、論證及模型認知能力進行診斷評價，發展“結構決定性質”的模型認知能力。

【知識回顧】回顧鈉的電子結構，預測分析鈉的性質。

【思考回答】鈉的核外電子排布為2，8，1的結構，很容易失去它的最外層一個電子，在反應中可作為強還原劑。

設計意圖：初步構建“結構決定性質”的學科觀念，夯實知識基礎。

【提出問題】鈉是否可以和水反應呢？提供預測、分析的兩個維度--元素守恒及化合價升降。

【小組討論】Na 化合價的變化：0→+1，化合價升高；H化合價的變化：+1→0，化合價降低；預測鈉與水的反應方程式為：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑。

設計意圖：提供“宏微結合”的思考角度，培養分析預測能力，認識化學反應的本質規律。

【提出問題】實驗方案如何設計？如何來驗證產物？

【設計實驗】選用的方案：紫色石蕊試液、酚酞試劑、pH試紙、pH計等。

設計意圖：運用預測結果，培養實驗設計及創新能力。

【演示實驗】從前面設計的實驗方案中，挑選酚酞溶液來驗證產物。教師演示鈉與水的反應實驗。引導學生注意觀察鈉與水的反應過程，對實驗現象進行準確描述，并對現象背后的原因進行說明。

【思考討論】由鈉浮在水面上，熔成小球，快速的游動，發出嘶嘶的聲響，溶液變紅等現象，得出鈉的密度比水小、反應放出大量的熱、有氣體產生、反應劇烈、生成了堿性物質等結論。

設計意圖：打破傳統教學思維定勢，首先確定選擇酚酞溶液的目的。培養學生對實驗現象進行準確描述、判斷，對實驗結果進行推理、論證、分析的能力。

【提出問題】依據鈉與水的反應，請揭示之前新聞報道中沈陽工廠雨天發生爆炸的原因。

【思考回答】揭示爆炸的原因：鈉與水發生劇烈反應，產生大量的熱，并伴有可燃性氫氣產生，繼而引發爆炸。

設計意圖：建立現象與原因之間的橋梁，培養學生從現象分析本質的能力；運用新知揭秘鈉遇雨爆燃，培養其解決實際問題的能力。

3.環節三：小組合作探究，總結歸納性質

【學習任務】對不同條件下鈉和氧氣的反應現象及產物進行比較，并對鈉的化學性質和物理性質進行推斷和歸納。

【評價任務】診斷學生觀察、描述實驗現象的水平，揭示現象本質的能力，發展小組協作、對比分析、信息加工的能力。

【啟發講授】鈉除了可以和水反應，還可以發生什么反應呢？引導學生從金屬通性的角度去考慮。

【思考回答】還可以和氧氣反應。

【實驗驗證】教師指導學生對新切開的鈉表面發生的變化進行觀察：單質鈉表面最初的銀白色的金屬光澤，很快就變得暗淡無光，其表面覆蓋了一薄層白色的氧化鈉（Na2O）。

【觀察記錄】鈉很容易被空氣中的氧氣氧化：4Na+ O2=2Na2O

【提出問題】從煤油中取出后，新切開的鈉表面很快就被空氣中的氧氣氧化，可見鈉的化學性質十分活潑。如果在空氣中加熱單質鈉，是不是反應更劇烈呢？引導學生從反應物狀態、火焰顏色以及生成物的顏色等方面觀察實驗現象，并注意實驗操作的規范性（如圖10所示）。

【分組實驗】鈉在坩堝上加熱后迅速熔化，與氧氣發生劇烈反應，并伴有黃色火焰，最終觀察到坩堝底部呈現淡黃色的固體粉末。

設計意圖：增強小組團結協作精神；培養實驗操作、觀察及分析能力和科學探究精神。

【啟發講授】氧化鈉是白色的，顯然這里得到的物質是另一種。這種淡黃色固體是過氧化鈉（Na2O2），常用來消毒、殺菌、漂白，我們在接下來學習過程中將會詳細了解這種物質。對比、區分鈉與氧氣發生的兩個反應的異同點。

【思考討論】反應物相同，但是反應條件不相同，其反應結果就不一樣了。

設計意圖：對比分析，提升辨析能力，學會用辯證的觀點看待問題。

【歸納總結】鈉除了可以與氧氣發生反應，其實還可以與氯氣等其他多種非金屬單質發生反應。播放鈉與氯氣的反應錄像，引導學生多角度觀察實驗現象，包括反應物及生成物的顏色、狀態等。

【觀察記錄】鈉與氯氣的反應：火焰為黃色，有大量的白煙（NaCl）產生，并獨立寫出反應方程式。

【總結提問】總結鈉的化學性質（如圖11所示）。

對實驗現象進行回憶，想一想鈉具有哪些物理性質？

【討論回答】（1）鈉是一種銀白色、具有金屬光澤的固體；（2）由于鈉可以用小刀切割，因此鈉的硬小，質軟；（3）鈉保存在煤油中，浮在水面上，因此密度是介于煤油和水之間；（4）鈉在水中熔成小球，說明鈉的熔點較低。

【補充講解】點評學生的回答，補充完善鈉的其他物理性質。

【傾聽思考】鈉的物理性質。

設計意圖：培養信息獲取及加工能力。

4.環節四：結合實際應用，夯實模型認知

【學習任務】結合本節課所學進行總結提煉，系統認識金屬鈉。

【評價任務】診斷并發展學生對金屬鈉的系統認知能力及學科價值、社會價值的認識水平。

【提出問題】結合剛剛所學，想一想，鈉是以什么方式存在于自然界中？游離態？還是化合態？

【討論回答】鈉的化學性質非常活潑，自然界中應該保存不了單質鈉，只能以化合物的形式存在。

【教師】是的，鈉在自然界中是以食鹽、硝酸鈉、碳酸鈉等化合物的形式存在。單質鈉的還原性很強，在空氣中很容易被氧化，所以要隔絕空氣保存。比如在實驗室中，少量的鈉通常保存在煤油或者石蠟油中，而在工業上，大量的金屬鈉盛裝在鐵桶內，用液體石蠟來封存。

【傾聽記錄】鈉的保存方法。

【教師】金屬鈉又有什么用途呢？比如前面提到沈陽化工廠，為什么要庫存金屬鈉。結合鈉的性質講解鈉的用途（如圖12所示）。

【傾聽記錄】鈉的用途。

【啟發思考】鈉有重要的用途，那怎么制備呢？它這么活潑，制取它會不會很困難呢？其實，早在19世紀初，科學家在實驗室就研制了采用電解熔融氯化鈉來制備金屬鈉。

【傾聽記錄】鈉的制備方法。

設計意圖：采用抽絲剝繭的方式，沿著鈉的保存方法-鈉的用途-鈉的制備這一思路，層層深入、遞進，實現知識的系統化、結構化。進一步夯實“結構決定性質、性質決定用途”的模型認識。學生在學習鈉的相關知識時，體會到化學與我們的生產、生活息息相關，同時也培養其情感態度價值觀。

【回顧總結】從掌握科學探究的一般過程和方法，夯實“位-構-性”模型認知等角度，回顧總結鈉的物理化學性質及用途。結合所學，大家談談這節課的感受，對典型金屬“鈉”有怎樣的認識？

【小組討論】（1）對鈉的物理、化學性質及其保存、制備和用途建立了系統認識。

（2）掌握如何設計實驗方案，建構模型認知能力。

（3）建立了學習認識元素化合物的視角。

（4）體會到“鈉”的學科和社會價值。

設計意圖：診斷和評價學生的發展水平、認識角度、思維層面，為后續知識的學習奠定基礎。

【課后作業】

（1）預測鈉與鹽酸溶液能否發生化學反應？如果發生反應，具體的反應過程是怎樣？試寫出具體的反應方程式。

（2）預測鈉與硫酸銅溶液能否發生化學反應？嘗試設計實驗方案來驗證產物？

四、PCK教學設計啟示

基于“知識、素養、策略、評價、興趣”五條線索為一體的PCK教學設計模式，通過首尾呼應的問題情境與外顯三重表征的學習活動，引導學生形成對金屬鈉的系統認識，建立學習無機元素化合物的基本思路與方法，突顯金屬鈉這一簡單金屬對元素化合物學習的重要認識價值。

本節課利用 PCK“知識線”對教學內容進行深度分析，在掌握學情基礎上，把握學科主題，細化本節課的概念知識點；化學學科核心素養則通過“素養線”來發展；以“策略線”和“興趣線”為樞紐，突破學習障礙點、激發興趣熱情；再使用“評價線”檢驗知識和素養目標的達成情況。“五線合一”的 PCK 教學設計，將教師自身的教學經驗與學科知識和教育理論進行有機、深度融合，成為聯結知識和素養的有效載體，有效促進知識的建構和遷移，形成完善的知識結構體系，實現知識的邏輯化、任務的情境化和能力的素養化，為全面培養學生化學學科核心素養提供有效途徑。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020．

[2] Shulman L S．Those who understand：Knowledge Growthin Teaching [J].Educational Researcher，1986，15：4-14．

[3]楊彩霞.教師學科教學知識：本質、特征與結構[J].教育科學，2006（1）：60-63.

[4]馮鴻藝，鄧峰，歐陽欣儀，黃煒鈺，王鵬程，陳資城.新手-熟手高中化學教師PCK 個案比較研究——以“氧化還原反應”主題為例[J].化學教育（中英文），2021，42（9）：53-58.

[5]唐勁軍，歐夢晗，黃瑩.基于PCK 理論發展學生學科核心素養的教學設計——以“氧化還原反應”為例[J].教育觀察，2019，8（33）：17-20+24.

[6]王蕾，柯芳，楊水金.化學核心素養為本的PCK教學設計研究——以“乙醇”教學為例[J].湖北師范大學學報（自然科學版），2021，41（3）：105-112.

[7]拓夢佼.基于化學學科核心素養PCK視角下的高中化學教學設計與實踐[D].延安：延安大學，2021.

[8]張璨.基于PCK 理論發展學科核心素養的化學概念教學設計研究[D].黃石：湖北師范大學，2019.

[9]金銘.PCK視角下初中化學實驗課堂案例研究[D].武漢：華中師范大學，2021.