基于PBL模式的高中化學實驗教學設計與實踐

摘要：針對新課程背景下高中化學實驗的新特點開展的基于PBL學習模式的實驗教學設計與實踐，在教學策略上圍繞單元教學大概念升級教學目標，預設問題情境開展實驗探究，巧用數字化技術破解認知難點等學生在實驗情境下遷移知識解決真實問題，在深度學習活動中發展學科核心素養，實現“證據推理與模型認識”“科學探究與創新意識”素養的提升。

關鍵詞：PBL模式" 高中化學實驗" 大概念" 教學設計與實踐

化學實驗是化學教學的重要組成部分，不僅具有教育教學功能，而且具有發展學生化學學科核心素養的功能。從認識層面、實踐層面和價值追求層面來看，化學實驗在發展學生科學本質觀、科學實踐觀和科學價值觀方面均發揮著不可替代的作用。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）強調：“應該倡導真實的問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種形式的活動，激發學生對學習化學實驗的興趣，促進學習方式的轉變，培養實踐探究能力和創新精神。”在化學教學中基于PBL模式開展實驗教學，有利于提升“科學探究與創新意識”的學科核心素養，達成實踐型人才培養的目的。

一、PBL教學模式概述

PBL（ProblemBasedLearning）是一種基于問題式學習的研究性教學模式，旨在解決“先學后用”、理論與實踐脫節的問題，強調以學生為中心，讓學生置身于真實的情境，以小組合作的方式提出問題并積極尋找解決問題的方法，在此過程中學習相應的理論知識。PBL模式以激發學生學習的主觀能動性與培養學生的創新意識為要旨，促進了學生利用團隊資源進行互助學習。PBL模式在高中化學實驗教學中使用（圖1），以滿足學生的自我實現需要為方向，基礎薄弱的學生借助PBL模式進行預習、小組互助，能力強的學生借助PBL模式探究創新、表達自我，有效解決了“教師教、學生學”的灌輸式教學以及“先教后學”的被動式低效學習弊端。

二、教材內容、教學目標及學情分析

“配制一定物質的量濃度溶液”是新課標必修課程中學生必須學會的化學實驗操作技能之一。該內容是中學化學教學中有著重要意義的定量實驗。通過“物質的量”單元教學前序活動，學生已經知道了物質的量濃度源于科學發展的需要，廣泛應用于實際的生產生活中。“濃度”貫穿于初、高中三個階段的化學教材，主要涉及溶液的配制和含量的測定兩個方面，分別是初中化學“配制一定質量分數的氯化鈉溶液”，高中化學必修第一冊第二章物質的量濃度的含義、應用和配制，選擇性必修一《化學反應原理》第三章中和滴定。三處內容相互關聯，螺旋上升，其中“配制一定物質的量濃度溶液”起到承上啟下的作用，教學目標是讓學生深刻體會到物質的量及其相關物理量在化學計量中的應用，實現思維方式由定性向精準定量的初步轉變；了解化學學科對人類社會發展的推動作用，體會“發展中的化學計量”這一學科大概念；了解科學探究的基本過程，從問題出發確定研究目的，逐步分析生成性問題，改變盲目動手實驗的低階現狀。學生在合作探究中總結建模，了解模型在生產、生活中的應用，培養高階思維。

“配制一定物質的量濃度溶液”是單元教學規劃的第三主題內容（圖2），學生面對實驗步驟多、儀器新、定量要求高、容易產生誤差等具體問題時，分析、采集、整合數據，創新設計容量瓶，理解其特點及使用方法，認識科學研究和生產實際的需求必然促使化學計量和計量儀器沿著更加精準、操作更加便捷的方向推進。

進行“發展中的化學計量——物質的量”單元教學第一、二主題的學習之后，學生已經構建起以物質的量為支柱的學習框架，繪制出單元思維導圖（圖3），初步對學習內容形成系統認知，并根據已有知識經驗，提出在生產、生活中存在濃度與質量、體積的轉換關系，即質量分數、體積分數，知道需要建立一個與物質的量相關聯的濃度物理量，學生的深度思維悄然發展。單元教學第三主題的學習中，如何從現實生活中濃度問題著眼，類比質量分數、體積分數的形式自主構建物質的量濃度，成為本課時學生達成高通路遷移的關鍵難題。

受到初、高中化學實驗教學現狀所限，學生缺乏實驗中的合作意識和探究創新意識。例如：為什么容量瓶的形狀是細頸梨形？溶解液可以直接轉入容量瓶嗎？配制100 mL 0.20 mol/L的NaCl溶液時如何確保溶液體積的準確？學生對此需要從被動記憶轉為親身體驗探究，培養“科學探究與創新意識”素養。

四、設計流程

依據PBL教學模式，教師在本節課中設計了“三環節、五驅動”的任務情境，引導實驗教學活動深入開展。教學中包含的核心知識及對應的核心素養如圖4，促進深度學習落地生根。

五、PBL模式下的課堂教學過程

（一）環節一：真實問題引導，認識物質的量濃度

[問題1]生活中常用質量分數表示水果含糖量，用體積分數表示消毒酒精液的乙醇含量，兩者都表示溶液濃度，是否可以互換方式表示濃度？

學生觀點：表示方式的選擇取決于使用時是否表達精準，是否操作便捷。初中時固態物質溶質形成的溶液一般用質量分數表示，液態物質溶質形成的溶液一般用體積分數表示。

[問題2]探究體檢中血液化驗適合的濃度表示方法。

學生觀點1：通常取一定體積的血液化驗，需要以體積為單位進行研究，國際制單位升（L），選用體積分數。

學生觀點2：血液中的成分多樣且微觀難以計數，無法使用體積分數或質量分數，應當創設一定體積下用物質的量表示微觀粒子濃度的新物理量。

[追問3]類比質量分數、體積分數的公式，自主構建新濃度物理量。

學生觀點：單位體積內包含溶質的物質的量。

設計意圖：PBL教學策略尤為強調從問題入手激發學生創新意識。學生遷移升華舊知，明確濃度表示方式的選擇取決于實際應用中是否精準、便捷，同時主動發現新知，創設新物理量——物質的量濃度，理解“發展中的化學計量”這一學科大概念，實現從具體問題挖掘抽象原理到使用抽象原理解決具體問題的高通路遷移。

（二）環節二：聚焦問題研討，分析準確配制溶液的要素

[問題1]如何準確配制100 mL 0.20 mol/L NaCl溶液？

學生觀點：需要準確稱質量和準確量體積。托盤天平無法準確稱取1.17 g NaCl固體，應當改用精確度更高的電子天平。

[追問2]準確配制溶液需要加入100 mL水還是加水到100 mL？

學生觀點：固體和液體混合后存在溶液體積變化，應當加水到100 mL。

[再問3]選擇什么量器準確加水至100 mL？

學生觀點：燒杯容量大，但杯口大，接近100 mL刻度線時發現定容判斷困難，多加幾滴水觀察不出刻度的明顯變化；量筒定容觀察更清晰，但溶液體積不宜過大，否則管徑粗大不利于定容，管長過大不方便使用。

學生活動：積極設計新量器，將燒杯容量大和量筒精度高的優點有效融合，互評設計的儀器優缺點。

器使用弊端教師活動：聚焦學生的設計圖，展示定制的量器，演示使用量器，引導學生發現該設計存在的弊端（圖5），強化容量瓶的外形特征。

設計意圖：聚焦實驗中遇到的真實問題開展探討，學生分析得出準確配制溶液的兩大要素。實驗活動亮點在于面對一系列生成性問題時，學生通過使用和分析已有量器，結合生活經驗，采用定量思維創新設計新量器，討論設計的量器可能存在的弊端，引出“容量瓶”。PBL模式下學生積極參與學習的過程，真正成為過程中的體驗者和創新者，在傾聽、研討、鼓勵的氛圍下通過高通路遷移實現深度學習。

（三）環節三：由問題推動試錯體驗，使用容量瓶進行首次實驗配制

教師：觀察容量瓶，思考如何使用容量瓶準確配制溶液，寫出實驗步驟。

學生活動：觀察討論，總結容量瓶使用注意事項，完成第一次配制實驗。

教師：匯報第一次實驗具體操作步驟，通過自評互評補充實驗注意事項，討論實驗具體步驟以及可能出現誤差的原因。

設計意圖：PBL模式使學生成為教學主體，強調問題的解決，注重讓學生在解決問題的過程中構建知識并提升能力。學生在觀察容量瓶外形后，類比初中配制一定質量分數的NaCl溶液完成第一次實驗，由試錯引發問題并深入探討，羅列諸多實驗注意事項。學生在互評交流中理解知識，更加充分地認識到容量瓶瓶身三標識的含義及誤差，尤其是溶解液需要冷卻才能轉移的原因，以及燒杯、玻璃棒的洗滌液必須轉移至容量瓶的意義。

（四）環節四：建構配制溶液模板，理論指導下再次進行實驗

教師：修正和完善準確配制一定物質的量濃度溶液的實驗步驟，構建實驗模板。

學生活動：討論梳理準確配液的基本步驟（計算→稱量→溶解→冷卻→轉移→洗滌→定容→搖勻→轉移裝瓶），再次配制NaCl溶液。

教師：準確配制一定物質的量濃度硫酸溶液的過程儀器、步驟與配制NaCl溶液是否完全相同？

學生活動：討論計算與稱量步驟存在的不同之處。

設計意圖：構建實驗模板可以極大程度培養學生分析問題、解決問題的能力。從固體溶質配液模板構建推廣至液體溶質配制，學生思維的深度和廣度獲得提升。學生推導得出c（濃）V（濃）=c（稀）V（稀）這一溶質物質的量守恒關系，認識到用量筒量取濃溶液不夠精準，初識滴定管和移液管，進一步促進了“科學探究與創新意識”素養的發展。

（五）環節五：巧用數字技術，啟動問題的深度探究

[問題1]配制的溶液濃度是否準確，如何檢測？

學生活動：根據100 mL 0.20 mol/L NaCl溶液中氯離子的定量檢測，加入足量硝酸銀，稱取AgCl質量。

教師：真實科學研究中常采用標定的方法來確定溶液濃度，有關“標定”操作我們將在選擇性必修一課程中繼續學習。下面我們采用測定電導率的方式來間接檢測（圖6）。

學生活動：反思實驗中可能存在的誤差，總結實驗成功的經驗，體會物質的量濃度的實踐價值。

設計意圖：在探究溶液濃度是否配制準確的活動中，創新性地引入了手持技術，宏微結合幫助學生理解溶液濃度與導電能力的定性關系。在大單元教學的最后一課時，學生通過總結反思感悟科技的進步、生產生活的需求推動著計量方式的不斷發展，相關儀器、技術不斷更新。

六、教學反思

在基于PBL模式的教學設計中，教師一方面根據“物質的量”單元教學大概念設置課時主題，設立探知生活中物質的量濃度應用價值的問題情境，引導學生把復雜的真實問題分解成若干細小的學科內問題，在化學實驗實操中尋找解決問題的方案，進而培養學生發現問題、分析問題、解決問題并構建思維模板的能力，發展其“科學探究和創新意識”核心素養；另一方面更加關注學生的學習過程，包括課前預習過程，課中設計過程、討論過程、實驗探究過程、合作過程，課后復習鞏固過程等，不再用結論是否正確作為唯一評價標準，而是提供展現探究思維的機會，觀察學生是如何開展活動的、活動中遇到了哪些問題，幫助學生突破障礙解決問題，尊重個體差異的同時及時給予鼓勵性評價，激發學生的學習興趣和動力。

參考文獻：

[1]孫佳林，鄭長龍.發展學生化學學科核心素養離不開化學實驗[J].化學教育，2019，40（5）：59-63.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017：4-5.

責任編輯：黃大燦