基于“四元五環”教學模式的高中化學教學研究

［摘 要］“四元五環”教學模式是以“知識、思維、情感、能力”為課程設計的四個維度，涵蓋“導學、感悟、探究、內化、運用”五個教學環節，順應新課程改革要求的一種科學教學模式。文章主要探討“四元五環”教學模式在高中化學“沉淀溶解平衡”一課中的應用。研究表明，這一教學模式通過激發興趣、加深知識理解和實踐應用，可有效提升學生的化學學科核心素養，在中學化學教學中有著重要價值和實用性。

［關鍵詞］“四元五環”教學模式；沉淀溶解平衡；高中化學；核心素養

［中圖分類號］" " G633.8" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0060-05

21世紀以來，科學技術革新迅猛，人們普遍認識到科技是推動社會發展和國家強盛的關鍵因素。為此，教育部根據黨的十八大精神發布了課程改革文件，將核心素養的培養納入其首要位置，強調了學生的全面發展和關鍵能力的培養[1]。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出以培育學生化學學科核心素養為宗旨。“四元五環”教學模式正是在新課程改革的背景下形成的一種新型教學模式。它體現了建構主義學習理論、創新教育理論、生本教育理論、翻轉課堂理論和學習金字塔理論等豐富的理論知識，強調讓學生自主學習、主動探究、合作交流、實踐應用，更有利于學生全面發展，符合高中新課程改革的最新要求[2]。

一、“四元五環”教學模式概述

“四元五環”教學模式中的“四元”是指課程設計的四個維度，即知識、思維、情感、能力；“五環”是指教學實施的五個環節，包括導學環、感悟環、探究環、內化環和應用環，每個環節的具體步驟如表1所示。

教師在設計教學時，須深入理解學科本質，圍繞“四元”構建教學內容，確保學科知識結構的完整性和層次性，幫助學生理解學科的基本思想方法，培養學科思維，并逐漸形成學科核心素養。在教學實施上，“五環”有助于實現“四元”各要素的融合與協調發展，全面有效地提升學生的核心素養[3]。“四元”與“五環”之間融合協調，相互支持，形成一個循環往復的教學過程（如圖1）。通過這樣的教學模式，學生不僅能夠建構化學核心知識，而且能夠深入感悟化學學科思想，積累基本經驗，并將其應用于實踐，進而形成學科核心素養。

二、“四元五環”教學模式對學生化學學科核心素養培養的作用

化學學科核心素養是指學生在化學學習過程中逐步發展的必要品質和關鍵能力，主要包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任五個方面的內容。下面基于化學學科核心素養的要素屬性以及“四元五環”教學模式的特點，梳理“四元五環”教學模式在培養學生化學學科核心素養方面的促進作用。

（一）宏觀辨識與微觀探析

“四元五環”教學模式通過導學、感悟、探究、內化和應用等環節，形成一個連貫且高效的教學流程。初始階段，通過創設情境激發學生對化學的興趣，引導他們觀察和理解化學現象的宏觀特征。隨后，通過感悟和探究環節引導學生深入探討化學知識，從微觀層面理解物質的組成和性質。在此基礎上，再通過內化環節加強學生對化學概念的理解和應用。最后，通過應用環節鼓勵學生在不同情境中靈活運用知識，將宏觀現象與微觀理論相結合，對化學現象進行更為深入的分析和預測。這種從宏觀現象到微觀機理的探究過程，加深了學生對化學反應本質的理解。

（二）變化觀念與平衡思想

“四元五環”教學模式通過其全面的教學設計，有效地引導學生系統地探索化學反應的本質，理解化學反應的動態性和平衡條件，使學生能夠理解化學反應的動態過程，認識到化學平衡的重要性，并在實驗和實際應用中鞏固這些概念，從而全面提升他們在變化觀念與平衡思想方面的核心素養。

（三）證據推理與模型認知

“四元五環”教學模式通過情境創設和任務導學，引導學生識別和分析化學問題，理解證據的重要性，學習如何基于觀察和實驗結果進行邏輯推理。在合作學習和實驗探索環節中，學生能夠實際操作和驗證化學模型，加深對模型的認知。在互動交流和提煉內化環節中，學生通過討論和反思，強化對證據的理解和對模型的深入認識。在鞏固應用和拓展延伸環節中，學生將所學應用于新情境，實現證據推理與模型認知能力的實際運用和拓展。

（四）科學探究與創新意識

科學探究作為當今科學教育的重要內容，既是獲取科學知識、認識和解釋科學現象、創新科學應用、改造客觀世界的重要途徑，也是化學學科的重要研究方法。化學學科能力的培養離不開科學探究的過程，而借助科學探究，又可以進一步培養學生的科學素養[4]。將“四元五環”教學環節與科學探究聯結起來（如圖2），可以清楚地看出二者在理念和實施方面存在較強的一致性。

在“探究環”中，學生提出假設，設計實驗方案，并親自進行實驗操作，自主尋求答案。在這一過程中，學生不僅學習到如何收集和分析數據，還學習到如何基于證據進行合理的推理。在“內化環”中，學生通過討論和交流，學會如何評估信息，提出新的見解，并在“應用環”中將所學知識和技能應用于新的問題解決和創新實踐中，進而培養創新意識。

（五）科學態度與社會責任

在培養學生的科學態度與社會責任方面，“四元五環”教學模式提供了一個全面的教學框架，加深學生對科學態度和社會責任的認識，同時引導學生討論化學知識如何服務于社會和環境，進而培養學生的社會責任感。通過化學知識與社會實際問題相結合的活動，學生學會了如何負責任地應用科學知識，理解科學知識與社會責任的聯系。

由此可見，“四元五環”教學模式可以全方位地培養學生的化學學科核心素養，使學生在掌握知識的同時，發展必要的科學技能、思維能力、創新精神和社會責任感，同時，可以有效地將化學課程標準所倡導的理念轉化為實際的教學實踐，為學生終身學習和社會實踐奠定堅實基礎。

三、基于“四元五環”教學模式的“沉淀溶解平衡”教學流程

本研究選取“沉淀溶解平衡”主題課程開展“四元五環”教學模式的教學設計和教學實踐研究，創設了5個環環相扣、層層遞進的教學環節，具體教學流程如圖3所示。

四、教學過程

（一）導學環：創設情境，任務導學

【情境導入】展示含銅廢水和銅元素超標的生蠔圖片，介紹含銅廢水的來源，并提問含銅廢水對我們的生活和環境可能會造成哪些影響。

【學生討論】可能污染水體、破壞生態系統、影響人體健康。

【教師提問】如何通過化學方法除去水中的銅離子呢？

【學生回答】將銅離子轉化為沉淀，然后過濾除去。

（二）感悟環：整體感知，質疑生問

【文獻展示】

1.氫氧化鎂沉淀具有較強的吸附作用，可起到沉淀和吸附重金屬離子的雙重作用，所生成的沉淀晶粒粗大且密實，易于沉降和過濾，對重金屬離子的去除率高達99%。

2.氫氧化鎂具有緩沖性，對酸性廢水進行處理后，能夠使水體的pH維持在9～10，可以抑制水體中細菌的生長。

3.氫氧化鎂安全、無毒、無害，我國菱鎂礦的儲量世界居首，因此在我國使用氫氧化鎂和鎂鹽有著潛在的優勢[5]。

【多媒體】展示氫氧化鎂的名片（如圖4）。

【教師提問】氫氧化鎂是難溶物，為什么它能夠使水體的pH維持在9～10呢？

（三）探究環：合作學習，實驗探究

【教師引導】如何通過實驗定性分析氫氧化鎂溶液的pH能夠維持在9～10呢？

【學生實驗1】實驗用品：Mg（OH）2固體、蒸餾水、酚酞、稀硫酸。

【學生匯報】學生以小組為單位匯報實驗步驟、實驗現象以及實驗結論，具體內容如表2所示。

【教師引導】難溶的氫氧化鎂是如何使溶液呈堿性的呢？

【學生回答】可能有部分氫氧化鎂溶解于水中。

【教師追問】向氫氧化鎂中加入幾滴稀硫酸，溶液為什么會先褪色后變紅？

【學生推理】氫氧化鎂濁液中含有大量的氫氧化鎂固體，通過酚酞進行檢驗發現體系中存在OH-，稀硫酸可與OH-反應，使溶液中的OH-濃度降低，從而促使氫氧化鎂沉淀溶解平衡向著溶解的方向移動，使溶液的pH逐漸恢復到9～10之間，因此，溶液先褪色后變紅。

（四）內化環：互動交流，提煉內化

【手持技術實驗1】取盛有100 mL蒸餾水的燒杯，測其pH，再向其中加入1.0 g氫氧化鎂粉末，同時用磁力攪拌器攪拌，觀察溶液pH的變化。實驗裝置及pH變化曲線如圖5所示。

【教師提問】實驗中看到了哪些現象？

【學生回答】向蒸餾水中加入氫氧化鎂粉末后溶液變渾濁了，pH突然增大，然后到10左右保持不變。

【教師引導】為什么pH會突然增大呢？到[100 s]之后pH為什么保持不變了？

【學生回答】pH突然增大說明有部分氫氧化鎂溶于水中電離出OH-。pH上升到10左右保持穩定說明OH-濃度保持不變，即氫氧化鎂溶液達到了飽和狀態，但此時大部分的氫氧化鎂還沒有溶解，說明該過程達到了沉淀溶解平衡。

【手持技術實驗2】向演示實驗1中的燒杯加入幾滴稀硫酸，同時用磁力攪拌器攪拌，觀察溶液pH的變化。pH變化曲線如圖6所示。

【教師提問】實驗中看到了哪些現象？

【學生回答】向燒杯中加入稀硫酸后，pH先下降到接近3的位置，隨后上升到接近10的穩定值。

【教師追問】為什么溶液的pH會先下降后上升至一個穩定值呢？

【學生推理】因為原體系中氫氧化鎂存在沉淀溶解平衡，硫酸電離的H+與氫氧化鎂溶解產生的OH-反應，使體系中的OH-濃度降低；依據勒夏特列原理，當OH-濃度減小時，平衡向生成OH-的方向移動，直至形成新的平衡。

【總結】溶液中存在的這種沉淀和溶解的動態平衡稱為沉淀溶解平衡。用符號表示為：

Mg（OH）?（s）[溶解沉淀]Mg2+（aq）+ 2OH-（aq）

Ksp=c（Mg2+）·c2（OH-）

【教師提問】為什么Mg（OH）2能夠除去廢水中的Cu2+呢？

【學生實驗2】實驗用品：Mg（OH）2固體、含Cu2+的廢水。

【教師引導】根據導入環節的推理，我們可以把水中的Cu2+轉化為沉淀來除去，具體怎么做呢？

【學生操作】向氫氧化鎂懸濁液中滴入幾滴含有Cu2+的溶液。

【實驗現象】攪拌靜置后，觀察到有藍色沉淀生成。

【教師引導】說明有Cu（OH）2生成，那么Mg（OH）2是如何轉化為Cu（OH）2的？

【學生推理】溶液一開始存在如下平衡：[Mg（OH）2（s）]?[Mg2+（aq）+2OH-（aq）]，當加入含有Cu2+的溶液后，Cu2+結合OH?形成Cu（OH）2沉淀，使原來的平衡被破壞，并向溶解方向移動。

【總結】用符號表示上述過程：

[Mg（OH）2（s）+Cu2+（aq）?Mg2+（aq）+Cu（OH）2（s）]

【教師提問】能否借助化學平衡常數K分析該反應是否能夠發生？[已知常溫下，Ksp［Mg（OH）2］=1.9×10-11，Ksp［Cu（OH）2］=2.2×10-20]

【學生活動】計算該反應的平衡常數：[K=c（Mg2+）c（Cu2+）=KspMg（OH）2KspCu（OH）2 ]≈[109?105]，該反應能夠順利進行。

（五）應用環：鞏固應用，拓展延伸

【教師】向含銅離子的廢水中加入氫氧化鎂進行處理后是否符合國家一級標準[c（Cu2+）≤7.8×10-6" mol/L]，試通過計算來說明。

【學生活動】計算：

[c（Cu2+）=KspCu（OH）2c2（OH-）=2.2×10-2010-8=2.2×10-12lt;7.8×10-6]

【教師小結】計算結果說明氫氧化鎂去除廢水中的Cu2+效果非常好。

【拓展應用】嘗試將沉淀溶解平衡的知識應用于實際問題，如水垢的去除。水垢的主要成分為Mg（OH）2和CaCO3，如何根據沉淀溶解平衡知識除去水垢？請同學們設計實驗方案。

五、教學反思

本文基于“四元五環”教學模式精心設計了“沉淀溶解平衡”一課，巧妙地將沉淀溶解平衡理論知識與含銅廢水的處理這一實際案例相結合。這種創新的教學模式不僅提升了課程的實用性和趣味性，而且有效增強了學生對環境問題的認識和責任感。通過一系列定性和定量的實驗活動，顯著提高了學生的參與度和興趣。學生親自進行實驗操作，通過實踐深入理解理論知識，并在分析和推理過程中積極思考和討論[6]。在課程的最后階段，學生探討了如何將所學知識應用于解決實際問題，有效地促進了學生學以致用的能力。

總體而言，“四元五環”教學模式提供了一個結構化的教學框架，可有效引導學生理解基本概念，實現知識的應用和拓展。每個教學環節的具體實施可根據實際情況進一步細化，以確保教學效果。這種模式不僅使學生在化學知識上獲得深入理解，還有助于學生在技能和態度方面得到培養。因此，我們有充分的理由相信，該教學模式的應用有助于學生建立全面的化學知識體系，培養學生的化學學科核心素養。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 核心素養研究課題組.中國學生發展核心素養[J].中國教育學刊，2016（10）：1-3.

[2]" 李秀俊.“四元五環”教學模式在初中數學教學中的應用對策探析[J].考試周刊，2022（16）：78-83.

[3]" 陳華忠.“四元五環”教學的研究與實踐 [J].教書育人，2020（34）：30-32.

[4]" 錢揚義.《義務教育化學課程標準（2022年版）》解讀：科學探究與化學實驗[J].化學教育（中英文），2022（21）：13-20.

[5]" 杜皓明，歐志陽.綠色水處理劑氫氧化鎂應用的研究進展[J].廣東化工，2007（8）：45-47.

[6]" 朱成東.手持技術數字化實驗促進模型建構的化學教學：沉淀溶解平衡[J].化學教育（中英文），2023（19）：41-45.

（責任編輯 羅 艷）