指向核心素養的5E教學模式在高中化學教學中的應用

李曉婷 黃艷妮 莫秀慶 張梅毓 曹婷雯

【摘要】本文闡述5E教學模式的內涵，從核心素養培養的視角提出以情景引入（Engage）切換至遷移（Extend）應用、以探究（Explore）發現實現科學解釋（Explain）、以評價（Evaluate）反思測評素養發展情況的5E教學策略，以教學“鐵及其化合物”為例，闡述該教學模式在高中化學教學中的應用途徑，旨在發展學生核心素養，促進深度學習。

【關鍵詞】核心素養 5E教學 化學教學 鐵及其化合物

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）29-0076-05

核心素養勾勒了未來人才形象，“深度學習”為人才培養提供了路徑。然而，學科核心素養的潛在性、內隱性、復雜性、綜合性導致其既不能通過機械訓練獲得，又難以進行直接觀測。5E教學模式為核心素養的培育提供了一種新視野和路徑。阿特金-卡普拉斯（Atkin-Karplus）由學習環拓展而來的5E教學模式是由引入（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、遷移（Extend）和評價（Evaluate）等5E環節構成的。指向核心素養的5E教學模式以核心素養培養為目的，通過5E環節以點連線、以線結面形成學習支架，并基于學習支架開展以情景引入（Engage）切換至遷移（Extend）應用、以探究（Explore）發現實現科學解釋（Explain）、以評價（Evaluate）反思測評素養發展情況等一系列教學活動。這種5E教學模式為學生的深度學習和核心素養培養提供了路徑。

一、指向核心素養的5E教學策略

在具體教學中運用5E教學模式時，主要通過兩種方式進行教學設計。一是在5E教學模式每個環節都選取合適的認知工具，如在引入環節運用英雄主義聯想和故事等認知工具、在探究環節運用現實局限與極限經驗等認知工具。二是將5E教學模式的五個環節看成一個整體，將引入（Engage）環節作為認知工具，引導學生基于情景資料創設問題情境，運用歸納與概括、模型與建模等方法進行合作探究，解決認知沖突，建構科學概念。然而，在核心素養視野下，5E教學模式如何培養核心素養以及診斷核心素養的培養情況卻尚未明確。因此，本文以核心素養為視角，以評價（Evaluate）為手段，通過在教學中診斷和在診斷中教學，促進核心素養培養，就此提出以下5E教學策略。

（一）以情景引入（Engage）切換至遷移（Extend）應用

以情景引入（Engage）切換至遷移（Extend）應用是學習遷移的過程。化學知識看似零散，但借助學習遷移可引導學生重構知識結構，把握知識的邏輯規律。如在引入（Engage）環節以興趣為觸發點，利用“用鐵鍋炒菜能不能補鐵”“補鐵劑的鐵是什么價態的”等問題創設問題情境，引發認知沖突，促使學生思考，自然過渡至下一環節，為接下來探究（Explore）與解釋（Explain）環節提出“是Fe3+還是Fe2+起到補血作用”問題做好鋪墊，從而自然過渡至遷移（Extend）環節；經回顧實驗情景思考“制備FeSO4溶液時為何要加入過量的鐵粉”，創設“FeCl3可用于制作印刷電路板”情景，遷移（Extend）應用所學的Fe2+、Fe3+互相轉換來誘發遷移動機與解決問題，培養遷移習慣，消除定式思維，從淺層學習過渡至深度學習。

（二）以探究（Explore）發現實現科學解釋（Explain）

以探究（Explore）發現實現科學解釋（Explain）是自然科學研究的路徑。在探究（Explore）環節中引導學生發現問題或在師生互動中提取突發問題，學生通過探究和討論參與知識建構過程，科學解釋（Explain）科學本質。如實驗探究后，引導學生思考為何有“灰綠色—紅褐色沉淀”現象變化，順利過渡至科學解釋（Explain）Fe（OH）2的制備方法；從師生互動探討“極少量的Fe3+檢驗不出來”“KSCN溶液不能用于檢驗Fe2+”等問題，順利過渡至科學解釋（Explain）“Fe3+檢驗方法”和“用KSCN溶液檢驗Fe2+”等內容，有助于學生理解記憶知識并形成遷移思維，由表及里地剖析科學本質。

（三）以評價（Evaluate）反思測評素養落地

核心素養的發展存在主觀性強、數據類型單一等測評困難。評價（Evaluate）反思是測評素養落地的一種途徑。以表現性評價為手段，在引入（Engage）情景中，以檔案袋、學歷案、學習日志等方式獲取探究（Explore）、解釋（Explain）Fe3+與Fe2+的檢驗方法與相互轉化途徑，并將其遷移（Extend）運用于解決生活問題的學習過程表現，評價學生在科學探究、小組討論、小組評價等活動中表現出的知識掌握、合作互動、問題解決等能力，并基于核心素養發展水平量化評價素養落地情況，促使素養內隱特質外顯，促進深度學習。

二、5E教學案例——“鐵及其化合物”

“鐵及其化合物”為人教版高中化學必修第一冊第三章第一節的內容，主要學習鐵及其化合物的性質。因鐵元素化合物種類繁多，本節知識點相對雜亂零散，這是學生學習和記憶本節知識的難點。為幫助學生突破學習難點，本課例基于Fe、Fe2+、Fe3+的“鐵三角”模型，采用5E教學模式，以生活中鐵元素的情景引入（Engage）切換至“從體驗到知識內化”的遷移（Extend）應用，以《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提及的多樣化實驗探究（Explore）實現從感性到理性的科學解釋（Explain），以多維度切入和多方式評價（Evaluate）反思測評學科核心素養發展情況，轉變學生學習方式，為后續學習做鋪墊。

（一）素養目標

1.從宏觀現象辨識實驗表征，從微觀動畫探秘Fe2+與Fe3+，培育“宏觀辨識與微觀探析”素養。

2.以討論互動評價活動，探秘化合價變化規律，探秘Fe、Fe2+、Fe3+相互轉化的途徑，培育語言表達能力，強化“變化觀念與平衡思想”素養。

3.以Fe2+與Fe3+系列實驗，培養實驗操作、收集處理信息、科學辨偽等能力，培育“科學探究與創新意識”素養。

4.經實驗探究Fe2+與Fe3+相轉換的歷程，構建“鐵三角”模型，培育“證據推理與模型認知”素養。

5.以“用鐵鍋炒菜能不能補鐵”情境，培養質疑和問題解決能力，感知學科價值，培育“科學態度與社會責任”素養。

（二）教學思路

基于5E教學模式，依次由引入（Engage）創設問題情境并培養質疑能力；由探究（Explore）與解釋（Explain）開展合作探究與問題解釋，引發認知沖突，發展證據意識與問題解決能力，培養核心素養；由遷移（Extend）所學的Fe2+、Fe3+相互轉換來誘發遷移動機，培養遷移習慣，消除定式思維，從淺層學習過渡至深度學習；由評價（Evaluate）學生在科學探究、討論評價等活動中表現出的知識掌握、合作互動、問題解決等能力，深度測評素養發展情況。

（三）教學過程

課前評價：批閱和評價學歷案。

1.環節一：引入（Engage）

情境創設：鐵元素是身體里不可或缺的微量元素，缺鐵會導致缺鐵性貧血。你聽說過“用鐵鍋炒菜能補鐵”嗎？這是真的嗎？

播放新聞：鐵鍋中的鐵元素是Fe3+，含量較少。

設疑：Fe3+能否補鐵？藥店中的補鐵劑也有補鐵作用，請通過實驗探究對人體起作用的是不是Fe3+。

【設計意圖】創設“用鐵鍋炒菜能不能補鐵”的問題情境，使學生產生認知沖突并提出質疑，為開展“探究補鐵劑中起到補鐵作用的是什么”實驗探究、培養質疑能力鋪墊。

2.環節二：第一次探究（Explore）—解釋（Explain）

補充資料：補鐵劑中除鐵元素外，還有其他金屬元素，其密封性良好沒有過期。

提出問題：對人體起補鐵作用的是不是Fe3+？

做出假設：假設補鐵劑中含有Fe3+。

制訂計劃：1.用蒸餾水溶解稀釋補鐵劑顆粒；2.取1—2 mL溶液于試管并加入NaOH溶液。若溶液中生成紅褐色沉淀，則補鐵劑中存在Fe3+；若溶液中先生成白色絮狀，白色絮狀物再變灰綠色，久置后變成紅褐色沉淀，則補鐵劑中存在Fe2+。

課中評價：師生評價實驗的可行性。

學生活動：利用FeCl3溶液、新制FeSO4溶液、補鐵劑、NaOH溶液等實驗藥品，展開小組討論并開展探究實驗，按實驗操作、現象、結論的順序進行表述。

課中評價：教師巡堂檢查學生的實驗情況，實驗結束后評價實驗情況，點評并糾正錯誤實驗操作。

匯報：實驗結束后，匯報觀察到的實驗現象和所得結論（如表1所示）。

提問：思考實驗中灰綠色絮狀物變為紅褐色沉淀現象說明了什么？

思考與交流：Fe（OH）2容易被氧化，那么在制備時應該用什么方法避免其被氧化呢？

解釋：避免Fe（OH）2在制取時被氧化的措施有三個。一是用煮沸法除去蒸餾水中的O2再配制FeSO4溶液；二是有機層覆蓋法即用植物油、苯或煤油進行液封；三是用N2等不活潑氣體將裝置內空氣排盡后，再將FeSO4與NaOH溶液混合。

課中評價：教師利用“班級優化大師”軟件為發言小組加分。

學生活動：根據補鐵劑和NaOH反應現象與新制FeSO4和NaOH反應現象相同，思考并證明補鐵劑中含有Fe2+。

學生活動：提出疑惑。補鐵劑中含有Fe2+較多所以被檢驗出來了，但可能也含有少量Fe3+未被檢驗出來。

【設計意圖】小組探究并結合實驗現象進行分析解釋；主動發現問題，認識到當假設與事實不一致時要進一步修改實驗方案并探究，發展證據意識、問題解決能力，培養宏觀辨識與微觀探析素養，思維能力獲得提升。

3.環節三：第二次探究（Explore）—解釋（Explain）

教學過渡：有同學說有可能Fe3+和Fe2+都能補鐵，補鐵劑中有可能含有極少量的Fe3+未被檢驗出來。那么是不是真的有極少量的Fe3+呢？如何才能檢驗出來呢？

補充資料：KSCN溶液能把溶液中極少量的Fe3+檢驗出來，KSCN溶液只能與Fe3+反應使溶液變紅。

課中評價：教師評價實驗的可行性。

學生活動：實驗探究。取FeCl3溶液、新制FeSO4溶液、補鐵劑溶液各1—2 mL，分別滴加2—3滴KSCN溶液，觀察現象。

課中評價：教師巡堂檢查實驗情況，實驗結束后評價實驗情況，點評并糾正錯誤實驗操作。

匯報：實驗結束后，匯報實驗現象和所得結論（如下頁表2所示）。

表達與交流：根據實驗現象討論交流得出結論。

課中評價：教師利用“班級優化大師”軟件為發言小組加分。

學生活動：驗證補鐵劑中是否含有Fe3+。往1—2 mL稀釋補鐵劑溶液中滴加2—3滴KSCN溶液，溶液無明顯變化，思考并得出補鐵劑中不含Fe3+的結論。

提問：有同學認為，往1—2 mL新制FeSO4溶液中滴加2—3滴KSCN溶液，溶液無明顯變化，說明KSCN溶液只能用于檢驗Fe3+，不能用于檢驗Fe2+。這是真的嗎？

學生活動：學生思考并回答。

追問：加入氧化劑和KSCN溶液的先后順序對檢驗溶液中是否含Fe2+有影響嗎？

學生活動：思考并回答。學生認為滴加順序有影響，應該先加KSCN溶液檢驗原溶液中是否存在Fe3+，再加氧化劑。

解釋：要檢驗無色溶液中的少量Fe2+，先加KSCN溶液，排除Fe3+的干擾。如果先加氧化劑再加KSCN溶液，就不能判斷是Fe2+被氧化成的Fe3+與KSCN溶液反應使溶液變紅，還是原溶液中的Fe3+與KSCN溶液反應使溶液變紅。

學生活動：收集、分析數據，得出結論。補鐵的是Fe2+，鐵鍋炒菜不能補鐵。

講解：鐵補劑通常與維生素C一起服用，以促進身體對Fe2+的吸收。生活中常見的豬肉、羊肉、魚、蝦、貝類等食物中含有豐富的鐵，而水果和蔬菜中則含有較多的維生素。在日常生活中需要均衡飲食，保證微量元素的攝入。

【設計意圖】引導學生發現問題并提出質疑，對“如何用KSCN溶液檢驗Fe2+”問題進行探討發言，加深理解。通過實驗一步步收集信息，證實“用鐵鍋炒菜不能補鐵”，發展合作探究意識，提升收集信息能力與解決問題能力，培養科學探究與創新意識素養。

4.環節四：遷移（Extend）

思考與交流：為何在新制FeSO4溶液時要加入過量的鐵粉？

學生活動：小組討論并回答。加入過量鐵粉能把Fe3+還原成Fe2+，防止Fe2+被氧化成Fe3+（2Fe3++Fe=3Fe2+）。

情景應用：FeCl3可用于蝕刻五金，如鐘表、電子元件、標牌銘牌等；FeCl3溶液可用于制作印刷電路板。這其中就涉及Fe3+與Fe2+的轉化。請寫出該離子方程式。提示：印刷電路板里含有銅。

學生活動：書寫方程式。Cu+2Fe3+=2Fe2++Cu2+。

提問：還原劑、氧化劑具體有哪些？

學生活動：學生思考后作答。

課件展示：還原劑——Fe、Cu、S2-、SO32-、I-、維生素C等；氧化劑——Cl2、O2、HNO3、H2O2、KMnO4等。

【設計意圖】通過回顧實驗、在情境中運用知識和提問總結，體會化學知識的用處和學習化學的意義。檢驗學生對本節課所學知識的掌握情況，進而完善Fe3+與Fe2+相互轉化的認識模型，培養證據推理與模型認知素養。

環節五：評價（Evaluate）

評價總結：本課通過實驗證偽、問題解決，學會了Fe3+與Fe2+的檢驗和相互轉化方法，請概括本節內容并談談感受。

學生活動：分享收獲與體會。

課中評價：教師評價學生發言和課堂表現情況。

課后評價：對實驗報告、練習冊、測試進行質量評價。

【設計意圖】給予學生發表看法和收獲的機會，直觀呈現其對知識的掌握程度以及疑難點，評價測評教學目標和素養達成目標的掌握情況，促進深度學習。

三、5E教學模式的實施效果與反思

實踐一段時間后，筆者以興業高級中學2021級四個班的學生為對象研究5E教學模式對化學教學的影響，共發放200份調查問卷，回收有效調查問卷198份，有效問卷回收率99.00%。

在“引入（Engage）—遷移（Extend）”調查模塊中，有91.41%的學生認為實驗引入或STSE（科學、技術、社會、環境）素材引入可以激發興趣并提高問題意識，分別有53.03%、46.46%的學生認為應結合知識解釋生活現象，在新環境和新情境中去實踐、驗證、應用。這說明5E教學模式既基于生活生產中熟悉的情境導入新課，又依托授課內容在情境中解決實際問題，培養了學生的質疑能力與科研探究能力。

在“探究（Explore）—解釋（Explain）—評價（Evaluate）”調查模塊中，88.89%的學生有親身體驗探究歷程的經驗；有91.41%的學生完善實驗結果并對實驗現象及結論做解釋，僅有5.05%的學生對實驗設計可行性和有效性進行解釋；在可多選的評價方式調查中，有69.70%的學生愿意通過傳統提問反饋的方式獲得評價，有53.03%的學生愿意通過筆試測試的方式獲得評價，有40.91%的學生愿意從小組中獲得評價，有21.72%的學生愿意通過自我評價的方式獲得評價。以上數據說明，5E教學模式在探究（Explore）、解釋（Explain）環節獲得了大部分學生的認可，然而大部分學生重點關注結論解釋，僅有少部分學生能以質疑眼光審視實驗設計的可行性和有效性，可見評價（Evaluate）方式需要多樣化，這說明科學探究的優化深度不夠、實驗創新不足。因此，教師可以在科學探究中側重關注探究（Explore）、解釋（Explain）、評價（Evaluate）等環節的連續性，實施診斷教學，不斷優化探究過程，使學生形成良好的科學探究習慣，由淺層學習邁向深度學習。

5E教學模式每個環節都是相輔相成、環環相扣的。整體而言，有97.98%的學生認為5E教學模式能有效提升科學探究能力，特別能使探究思路更清晰、探究更高效（如圖2所示）。同時，大部分學生認為自己的化學學科核心素養獲得一定程度發展，認為“證據推理與模型認知”和“科學探究與創新意識”素養獲得發展的學生高達96.97%（如圖3所示），可見5E教學模式能有效促進學生核心素養的培育。因此，教師可舉一反三，嘗試在類似科學探究課例中推廣運用該教學模式。

綜上所述，將5E教學模式運用于教學實際能促進學生核心素養發展，切實達成深度學習。在指向深度學習的5E教學模式中，一要增強5E環節的整體連貫性，重點關注探究（Explore）、解釋（Explain）、評價（Evaluate）等活動的有效銜接，使探究行之有效，方能使學生核心素養獲得發展；二要增設問題串，在“引入（Engage）—遷移（Extend）”中以問題串為媒介，由淺入深地剖析問題，挖掘內容深度，開拓科學思維，增強創新意識；三要優化評價（Evaluate）方式，以課堂觀察、課堂問答、筆紙測試等多種方式引導學生自我評價，使學生能以質疑眼光審視實驗設計的可行性和有效性，增強問題解決意識，促進深度學習。

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注：本文系大學生創新訓練項目“核心素養導向下中學化學跨學科單元作業設計”（202210609061）、大學生創新訓練項目“旨向深度學習的任務驅動式化學學歷案設計與實施”（202310609145）、廣西教育科學規劃專項課題“旨向深度學習的初中化學系列作業的優化設計與創新評價”（2022ZJY1165）的研究成果。

作者簡介：李曉婷（1998— ），廣西興業人，本科，研究方向為化學教育；莫秀慶（1993— ），通信作者，廣西柳州人，碩士，講師，研究方向為化學課程與教學論；黃艷妮（2000— ），廣西田東人，本科，研究方向為化學教育；張梅毓（2002— ），山東諸城人，本科，研究方向為化學教育；曹婷雯（2001— ），廣西桂平人，本科，研究方向為化學教學法。

（責編 林 劍）