初探“情境—知識—表達—評價—素養”五線教學流程
——以“氯堿工業”實驗教學片斷為例

周學興

(湖南省常德市第一中學)

一、教材分析

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)指出“發展‘科學探究與創新意識’是從實踐層面激勵學生勇于創新”,因此在化學教學中迫切需要“素養課堂”。而實驗教學中需要重點關注學生的問題意識、證據意識、探究與創新意識。

“氯堿工業”屬于普通高中教科書(人教2019年版)化學選擇性必修1《化學反應原理》(下面簡稱“教材”)第四章第二節電解池的內容,是第一個電解應用實例,且提到了離子交換膜。該內容旨在引導學生能夠應用電解原理分析具體實例。創設真實工業生產情境,是素養課堂的基本特點,也是學生深入學習的一種途徑。

化學課堂要注重學生在各個環節中素養能力的發展,筆者以氯堿工業為主題內容,采用五線教學流程進行科學探究教學。

二、五線教學流程

本堂課屬于新授課,授課對象是高二物理方向實驗班的學生。該部分學生已經掌握了原電池、電解池的工作原理等必備知識,但學生的科學探究能力并不高,可利用五線教學流程進行教學。“情境—知識—表達—評價—素養”五線教學流程,主要是通過在情境中自然生成必備知識,并由學生歸納表達出來,通過自評、互評、作業等方式評價學生的表現,在真實情境、深層知識、有效表達、科學評價中發展學生的核心素養。

本教學片斷以再次建構電解池工作原理,發展學生能夠設計存在隔膜的電解池的能力為教學目標。教學重點為利用電解池原理設計電解池,難點為離子交換膜在電解池中的作用。

為實現教學目標,設計了如下五線教學流程。見圖1。

圖1 氯堿工業的五線教學流程

三、課堂實錄

環節一 創設實驗情境——電解無隔膜的氯化鈉溶液

【創設實驗情境引入】學生實驗:電解氯化鈉溶液(無隔膜)。見圖2。記錄實驗現象,并書寫電極反應式和總反應的離子方程式。

圖2 電解氯化鈉溶液(無隔膜)

設計意圖:進一步鞏固電解原理。通過學生實驗感受真實情境。激發學生思考無隔膜電解氯化鈉溶液能否得到較多的NaOH和Cl2。

【學生表達】

宏觀現象:陽極附近最初氣泡較多,后逐漸變少;陰極產生氣泡。

電極反應式:

表達意圖:提高學生記錄實驗現象的能力,為實驗探究能力奠定基礎,凸顯了學生在課堂中的主體地位。

【學生評價】OH-與Cl2因接觸可發生反應,上述總反應式不能完全表征實驗的微觀變化。Cl2與向陽極遷移過來的OH-接觸反應。

評價意圖:通過生生互評方式,激發學生主動思考,有助于必備知識的掌握,通過實驗觀察,讓學生通過實驗證據思考微觀變化,發展學生的問題意識、證據意識。從心理學視角來看學生的相互評價,有利于形成良好的競爭機制,使得學生間相互促進,彌補短板。

環節二 電解有隔膜的氯化鈉溶液(一)

【學生活動】各學習小組選擇陽離子交換膜或陰離子交換膜,展開如圖3所示實驗。記錄實驗現象,并分析離子交換膜兩側溶液中的微粒變化。

圖3 電解含離子交換膜的氯化鈉溶液

設計意圖:創設有隔膜的電解方案,通過學生實驗,在實驗情境中發現方案的不足。激發學生的思考,發展科學思維。

【學生表達】選擇的是陰離子交換膜。

宏觀現象:陽極附近最初氣泡較多,后逐漸變少;陰極產生氣泡。電解過程中左側Cl-轉化為Cl2,右側產生H2和OH-,OH-和Cl-通過陰離子交換膜進入左側溶液。

【學生表達】選擇的是陽離子交換膜。

宏觀現象:陽極附近氣泡較多;陰極產生氣泡。電解過程中左側Cl-轉化為Cl2,右側溶液產生H2和OH-,Na+通過陽離子交換膜進入右側溶液。

表達意圖:升華電解原理的知識,促使學生通過微觀變化的思考發現實驗方案的不足,發展學生的實驗探究能力。通過不同實驗方案的對比,引導學生發現實驗方案的不足。

環節三 電解有隔膜的氯化鈉溶液(二)——設計實驗方案

【問題情境】上述裝置用陰離子或陽離子交換膜,能否得到較為純凈的NaOH溶液。

設計意圖:讓學生感知隨著不同實驗目的,實驗方案要隨之進行修正。

【學生表達】陰極區得到含有NaCl、NaOH的溶液。

【提出問題】如何解決存在NaCl雜質的問題。

【學生表達】加入AgNO3溶液。

設計意圖:激發學生得出除去雜質的最直觀的結論,鞏固舊知。在新情境中,審視自己對知識的掌握情況。

【教師評價】采取AgNO3溶液固然可除去NaCl溶液,但AgNO3亦與NaOH反應且引入NaNO3新的雜質,明顯不易分離,無法實現目標。

評價意圖:引導學生從理論遷移實際,能夠運用化學知識解決實際問題。發展學生的社會責任意識。

【學生活動】結合上述討論,設計制得較為純凈的NaOH溶液和Cl2的合理實驗方案,繪制出工作原理示意圖,并分析微觀變化過程。

設計意圖:通過兩次既定實驗方案的實踐與師生討論,引導學生能夠通過所學知識進行實驗方案的設計,發展學生的科學探究與創新意識,凸顯了素養的自然發展。

【學生方案展示】如圖4。

圖4 電解含離子交換膜的氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液

【教師活動】上述過程即為氯堿工業的工作原理。其中稀的NaCl溶液有何用呢?

設計意圖:引導學生思考真實的工業生產過程以及原料、產品如何綜合利用。讓學生參與進來,發展科學態度與社會責任的學科核心素養。

【作業評價1】居家可使用84消毒液消毒,可利用電解制備少量NaClO溶液,以NaCl溶液為原料,設計電解池。

設計意圖:巧設真實問題情境,激發學生能夠學以致用。

【提出問題】離子交換膜在上述實驗中起到了哪些作用呢?

【學生建模】

設計意圖:通過實驗方案升華學生的認知,發展學生模型認知的學科素養。

【作業評價2】請根據教材第105頁資料卡片——電有機合成,繪制其可能的工作原理示意圖。見圖5。

圖5

【學生作品展示】

【作業評價3】以Na2SO4廢水為原料,電解制得NaOH溶液和H2SO4溶液,設計電解池并繪制出工作原理示意圖。見圖6。

圖6

【學生作品展示】

【教師】大家的表現非常驚艷,具有做化學工程師的潛質。電解應用極為廣泛,基于電化學原理設計電解池,是工業生產的重要環節。實際上工業生產還需要設計工藝設備與反應條件。

四、教學反思

(一)自然生成素養

高中化學教學中,課堂中常穿插實驗探究環節,針對這些環節,進行精巧的教學片斷設計是素養課堂的內在要求。本堂課設計的亮點主要是基于學生的認知水平不斷設計問題引導學生深入學習,學生不斷運用知識改進模型。凸顯了學生的主體地位,學生的問題意識、證據意識、構建模型的能力得到極大的提升。通過給出兩種實驗方案展開實驗,讓學生體驗實驗,并能夠在實驗中生成知識,發現問題,從而最終能夠設計實驗方案,通過實驗方案的實施,到不斷修正,發展了學生的科學探究與創新意識的學科核心素養。此外,在一定程度上提供了化學實驗教學的一種思路。

(二)提升作業質量

教學過程中充分利用教材素材巧設課堂作業,給予學生學以致用的機會。教育部考試中心指出高考化學試題命題的整體思路要求“教學要注重作業題、練習題減量提質,減少機械刷題,促使教學把教材內容講全講透,提升課堂效果,吸引學生從校外培訓回歸校內課堂,是切實服務‘雙減落地’的重要手段”。

(三)科學實踐模式

五線教學流程,適用于高中化學實驗教學與概念教學。其中符合“教—學—評”一體化的科學探究式實驗教學片斷的一般設計思路見圖7。

圖7 科學探究式實驗教學片斷的一般設計思路

五線教學流程中,環環相扣,環環重要,素養在情境中生成,學生表達中錘煉了知識的掌握,評價的多元化是素養發展的保障。本課例采用了自評、互評、師評、作業評價等方式。