基于四重表征的初三化学用语深度学习.pdf

2023 年第 8 期教育与装备研究课程教法基于四重表征的初三化学用语深度学习韩建丰高凌蕊摘要:深度学习的发生是课堂有效性高的表现,是学科核心素养落地的重要路径。“化学用语”是初三化学学习关键节点,能否理解其内涵并正确应用化学用语解决实际问题是义务教育化学课程标准(2022 年版)的素养指标。“四重表征”法是“化学用语”教学的有力抓手,基于“宏观微观符号曲线”递进关联的化学用语教学能促使深度学习发生,从而促进学生落实基础知识和能力、提升化学思维、建构化学观念、认知化学学科本质。关键词:深度学习;化学用语;四重表征;初三化学;思维进阶中图分类号:G434文献标识码:A韩建丰,北京市广渠门中学,一级教师;高凌蕊,首都师范大学第二附属中学,一级教师。本文为中国化学会化学教育委员会“十三五”规划 2020 年一般课题“化学学科素养导向的学生单元深度学习研究”(课题批准号:HJ20200033)、北京市教育科学规划办“十三五”规划 2017 年度课题“基于学生核心素养培养的学府型学校建设的实践研究”(课题批准号:BDEB17056)、北京市教育学会“十四五”教育科研 2022 年度课题“基于“双减”的化学大单元教学双优研究”(课题批准号:DC2022-029)、北京市海淀区教育科学“十四五”规划群体课题“课前和课后学习评价设计与应用案例研究”(课题批准号:HDQT202207-50)项目研究成果。义务教育化学课程标准(2022 年版)(以下简称“新课标”)核心为“素养立意”,学生的化学学科核心素养发展和落地的表现为:化学思维进阶、必备知识和关键能力的综合运用、探究和解决实际问题能力等指标的发展。深度学习是发展高阶思维并形成解决问题能力的有效教学行为。在初三阶段“化学用语”是学生化学学科核心素养发展的关键内容,结合“化学用语”深度学习的教学进行探讨有较强实际意义。四重表征教学过程中需要因生制宜、因材设计,选用适宜的驱动任务培养学生深度思考、证据推理、科学探究的能力1。一、问题的提出在义务教育阶段,“化学用语”是用来表示物质的组成(化学式)、结构(微粒模型)和变化规律(化学方程式)的符号表达,既是学习者学习和应用化学知识进行表达的化学学科特征又是教师进行化学教学的关键工具。初三化学学习的关键节点(难点)一般在“化学用语”的认知和规范书写上出现,学好用好“化学用语”是学习化学课程及解决化学问题的必备知识和关键能力。在教学及考试中发现学生对“化学用语”的理解及应用情况极易出现问题,如果不能及时解决会造成中考成绩不佳以及影响到高中化学课程的学习。学生在应用“化学用语”时常出现错误的原因有:“化学用语”是对物质组成、结构及其变化进行表达的抽象符号,对于初三学生认知水平有一定挑战性;学生对“化学用语”的应用不熟练、不规范。部分学生对“化学用语”的认识和理解不到位,缺少及时17课程教法教育与装备研究2023 年第 8 期地纠正、巩固与应用。结合新课标对“素养立意”下教学、评价与考查的指向,应在“初三化学用语”教学中充分挖掘其学科价值进行深度学习,为学生的化学学习打牢基础。而“四重表征”是对“化学用语”的诠释和发展,是对化学反应认知的多重视角与理解。基于学生认知特点和新课标素养导向,引领学生进行“宏观微观符号曲线”的递进式深度学习,可发展学生化学学科核心素养,能帮助学生充分认识、理解、应用“化学用语”,从而提升化学思维及解决实际问题的能力。二、基于四重表征的教学(一)促进深度学习的发生“四重表征”模式是让学生从宏观、微观、符号和曲线四个维度来认识和理解物质及其变化本质的重要教学方法,是在课堂中培养学生化学学科核心素养的有效途径2。初中阶段化学教育过程要求学生能够描述化学反应的宏观变化、初步理解微观粒子的运动与相互作用、正确书写匹配的化学方程式、读懂并用好化学变化中的“曲线图”。这是科学探究素养的基本要求,也是新时代教育改革发展的趋势。“化学用语”教学应充分重视在宏观、微观、符号、曲线的四重层次上促使学生深度学习。以四重表征为重要工具对“化学用语”进行学习,可帮助学生自主建构结构化知识体系,理解物质组成与结构、物质的性质及转化所蕴含的化学观念,形成化学高阶思维。在初三阶段的“化学用语”深度学习中应以物质为中心,以“四重表征”思维认识物质在原子、分子层面的微观结构及相互作用,理解物质变化在宏观现象上的内在本质,正确使用化学符号表达化学反应,理解并解释化学变化与外界因素互相影响的曲线,从而发展学生的动作思维、形象思维、逻辑思维、经验思维、理论思维等化学思维3。结合化学学科核心素养将学生表征能力发展水平细化,可得出学生思维进阶路径和深度学习的结合点,见表 1。表 1四重表征教学促进学生深度学习发生的具体路径四重表征学生表征能力发展水平深度学习发生思维进阶方向宏观水平 1:知道参加反应的物质和物质性质水平 2:猜想可能的实验现象水平 3:表述和书写实验过程和实验现象水平 4:解释宏观现象根据反应物性质预测实验现象,进行实验探究后解释现象原因。科学探究思维提升微观水平 1:通过化学式知道微粒种类和类别水平 2:理解微粒符号的含义水平 3:初步通过微粒运动和变化解释实验现象水平 4:形成宏观和微观结合的化学视角根据反应物的组成和构成,判断微粒种类和微粒间的相互作用,利用微粒作用迁移至同类化学反应。建立分类观念;锻炼迁移思想符号水平 1:了解化学符号和含义水平 2:正确书写和应用化学符号水平 3:应用化学符号表征化学反应水平 4:初步应用化学符号表达长思维链化学问题应用化学符号解释实际问题,解决真实任务。发展必备知识和关键能力;提升化学学习能力曲线水平 1:定性认识曲线变化和化学反应的关系水平 2:定量分析化学变化特点水平 3:解释曲线变化原因水平 4:根据曲线变化数据定性和定量结合解释实际问题pH、压强、温 度、质量 等 随化学变化而变化的真实问题分析定性和定量综合分析、读图用图能力;获取和加工信息能力;具备多角度认识化学反应的视角(二)优化化学用语的教学初三化学学习过程中所涉及的化学用语内容应通过“四重表征”进行构建,形成系统化化学观念。教师应对课堂进行基于“四重表征”的情境创设,在落实“化学用语”内容的同时提升学生化学思维,带动学生进一步扩大认知物质及其变化的角度、方法的同时,帮助学生获得良好的应用“化学用语”解决实际问题的思维习惯。(1)元素符号教学(宏微结合辩证统一)在化学课程初始阶段的元素符号教学中,272023 年第 8 期教育与装备研究课程教法教师可在课堂现场生成教学素材,以学生自带的牛奶、矿泉水的包装袋中挖掘资源。引导学生查看标签了解这些产品所包含的元素种类,结合适当的医学知识引出钙元素、钠元素、钾元素等对生命健康的重要作用。例如钙元素可以促进骨骼、牙齿的生长,防止青少年佝偻病及老年人骨质疏松;钠、钾元素对心脏跳动及供血量的调节作用。在引起学生重视和学习兴趣中继而进行深入探索,可创设情境:“地球生命都是碳基生命,所有生物其主要构成元素中都有碳元素。碳水化合物(即糖类)和蛋白质等是生命运转的营养物质,它们都是碳的化合物。在我们人体内的细胞、遗传物质 DNA 链上,也都有碳元素的存在。生活常见的塑料、衣服、药品、新材料碳纤维等也能找到碳元素的身影。”设置问题:请在元素周期表中找到“碳元素”观察并书写其“符号表达”;拓展问题:在初中阶段将元素以“符号”的形式表达,这是初中化学学习的重要工具,还有哪些需要掌握的元素符号?请同学们以生活中常听到的元素进行圈画和书写,最后再由教师强调常见元素的符号表达及书写规范。教学过程从生活中的牛奶、矿泉水中含有的元素突出学习元素符号的重要价值(宏观),以生命元素“碳元素”的故事引发学生兴趣(宏观),用学生自主通过周期表寻找常见物质中的元素(微观),并进行整理、书写(符号),促进学生深度学习。(2)化学方程式教学(应用符号深度学习)化学方程式的学习是初三化学关键知识及能力,在深度学习过程中应促成学生在核心知识层面的落实和在化学思维层面的进阶。初中生在化学方程式的学习中问题表现为:不能从微观和符号水平上理解化学反应,不能在不同表征之间进行灵活转换。客观原因是微观世界的抽象性、教材编制的局限性、化学符号的复杂性4。教师的教学问题表现为:化学方程式教学目标定位不明确、教学内容选择随意或陈旧、学生学习策略指导不够5。为解决以上问题,教师应积极探索、发现、应用生产生活的实际素材,创设有一定探究性的情境引领,推动学生在解决问题中深入思辨。如创设情境为“我国空间站氧气制取”,以电解水的化学变化为串联引领学生进行深入研究。设置问题:如何表示水通电分解过程中发生的化学反应?学生根据化学变化的宏观表征(文字表达式)回答:水通电 氢气+氧气;教师展示化学变化的微观示意图,见图 1。设置问题:请用化学式符号替代微观示意图。学生根据化学式符号表达书写,见图 1。图 1微观示意图及学生书写教师展示“化学方程式”符号表达。学生依据化学方程式归纳:中间是等号,表示遵守质量守恒定律(化学反应前后,原子的种类、数目、质量都不变);化学式前的数字叫化学计量数;“或”表示反应物中无气体或固体的情况下,生成了气体或沉淀。设置问题:根据化学方程式特点寻找定量关系。学生根据相对分子质量从定量角度分析回答:(218):(22):(132)。设置问题:请学生从“宏观-微观-符号”三重表征视角下对化学方程式进行解读。学生依据宏观和微观、定量分析视角回答:水在通电的条件下生成氢气和氧气(宏观视角);每 2 个水分子在通电条件下生成 2 个氢气分子和 1 个氧气分子(微观视角);每 36 份质量的水在通电条件下生成 4 份质量的氢气和32 份质量的氧气(定量视角)。(3)实 验 探 究 教 学(“宏 微 符 曲”整 合建构)曲线表征是通过传感器技术而呈现的,手持技术是新兴的一种教学手段,研究表明其在化学教学中运用对学生理解抽象知识具有很大37课程教法教育与装备研究2023 年第 8 期帮助6。基于促进学生对“化学用语”的认知进阶需求,融入手持技术可帮助学生在深度学习过程中完成“四重表征”的统一,实现知识、认知、思维方面的高质量发展。如创 设 情 境“如 何 证 明 水 和 二 氧 化 碳反应”。学生实验:将二氧化碳分别通入氢氧化钠溶液、澄清石灰水溶液。设置问题:哪支试管中发生了化学反应,判断依据是?如何证明二氧化碳与氢氧化钠溶液发生了化学反应?学生思考并回答:石灰水变浑浊,说明有新物质生成,证明发生了化学反应。氢氧化钠溶液无明显现象,需要证明氢氧化钠或二氧化碳的不存在,或证明碳酸钠的存在才能说明反应发生。运用信息技术,使用虚拟实验室设计实验,见图 2。图 2学生使用虚拟实验室设计的实验组织学生讨论:解读以上两组“证明二氧化碳和氢氧化钠溶液发生反应”实验设计依据,进行证据推理。讨论后汇报装置 1 的优点:考虑装置密封性良好情况下,因二氧化碳与氢氧化钠溶液反应,气体减少导致装置内压强小于外界大气压,锥形瓶内气球变大。不足:已知二氧化碳能够和水反应并溶于水,也会导致二氧化碳气体减少。讨论并汇报装置 2 的优点:设置了对比实验,能够排除装置 1 中水的干扰,从对比实验角度证明二氧化碳和氢氧化钠溶液接触时消耗更多,从而证明氢氧化钠可和二氧化碳反应。不足:反应时间可能不足,因常温下溶解度 V(二氧化碳):V(水)=1 1,足够长时间情况下两支试管都会充满溶液。形成结论:装置 2 更能说明问题。学生实验:手持传感器技术可以直观的呈现反应结果使实验“可视化”,组织学生完成二氧化碳传感器测定装有等量二氧化碳的装置中,加入等体积水和氢氧化钠溶液,得到以“采样时间-相对压强”为横纵坐标的二维图像,见图 3。设置问题:结合曲线证明氢氧化钠和二图 3学生实验所得手持传感器图像结果氧化碳能够发生化学反应。学生回答:可见初始阶段加入同等体积的水和氢氧化钠溶液后,氢氧化钠装置中的压强低于水装置,说明氢氧化钠和二氧化碳反应且反应速率较大,二氧化碳在短时间内减少得多。后一阶段曲线基本不变表示反应停止,氢氧化钠装置中压强减小更多,在控制变量条件下能够证明氢氧化钠与二氧化碳反应。其化学用语-化学方程式:2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O,将“曲线”和化学方程式相互结合情境下,学习者对曲线的深入理解基础上整合了新(二氧化碳和氢氧化钠的化学反应的曲线)旧(碱类物质通性)知识,将宏观现象、微观472023 年第 8 期教育与装备研究课程教法变化和化学符号与曲线特征进行联系,进行了深入的加工与反思,是主动建构新的知识体系学习体验,促进学习过程中发展学生的严谨、批判、科学的化学思维,形成化学学科深度学习的思维方法。四重表征间互相解释和印证,开拓了学生对化学反应的认知层次与角度。借此方法能够帮助学生运用四重表征解决实际问题,发展学生化学学科核心素养。三、基于四重表征的复习(一)基于四重表征发展学生“宏观辨识与微观探析”素养化学核心素养的教学实践应着力于开阔学生认知角度,应从宏观、微观、符号和曲线四个角度促进学生进行深入探析。基于“宏观辨识与微观探析”素养的“化学用语”教学与复习,教师可通过整合教材(人教版)素材及真实情境提出问题,呈现“物质和物质转化”的宏观表现;从微观的角度寻找“化学用语”的本质,完成知识、概念、实验等多角度的知识构建,帮助学生从“具体知识”学习进阶到“宏观微观符号本质”深度学习。“宏观辨识与微观探析”的发展可依托探究实验、STSE 等素材作为任务驱动,结合实际问题先以宏观视角认识化学变化的外在表现,再以微观视角理解、解释化学变化的微观过程,通过“见微知著”理解“化学用语”内在本质。复习中着重建构结合物质性质预测实验现象、书写化学方程式、描述微观粒子变化和解释曲线变化的系统思维,如碳中和:生产生活中二氧化碳产生路径的梳理及自然界或人工吸收二氧化碳的过程,将实验、书写、解释、论证融合,形成系统且有深度的“碳中和”认知。(二)基于四重表征发展学生化学思想与科学探究精神初中化学是化学学习的奠基课程,教师应注重学生化学思想和核心观念的形成。学生在初三化学复习课程中关注以下八项思想观念的进阶发展:微粒观:物质由不同微粒构成,认识物质应宏微互通、见微知著,充分理解宏观性质、现象与微观的组成结构、相互作用和运动变化联系紧密。元素观:物质是一定种类元素组成。构性观:结构决定性质,如通过研究功能性物质的结构预测其性质。转化观:物质在一定条件下能通过化学反应转化为其他物质;化学变化存在规律,在初中阶段能从物质类别的角度预测、分析物质的性质。分类观:化学物质和化学变化具有多样性,但物质性质和物质转化可根据某种共性或个性(标准)分类学习、归纳和预测,促进理解物质及其变化的本质。守恒观:从本质定量研究物质化学变化过程,化学反应必遵守质量守恒、原子守恒、电荷守恒和能量守恒。绿色观:应推崇“绿色化学”思想认识合理应用资源和能源、减少废物排放(提高原子经济利用率)、达成“零排放”“碳中和”。以上化学思想观念的形成是持续发展的过程,在初中化学中不应机械记忆。教师应积极创设有“科学研究”情境氛围的深度学习环境。实验是化学课程的核心内容,也是实施深度学习的最佳载体7,在实验中落实“科学探究”的必备知识和关键能力,可辅助学生建构核心知识体系。实验室实验和化工生产实验助力学生发展化学思维和科学探究意识,在“化学用语”深度复习中,应用“化学用语”解决实际问题可以作为化学课堂教学设计的主要内容。复习中关注应用四重表征思维方法研究真实问题,如科普阅读、生产实际分析、实验原理分析、实验探究等重难点专题中,将宏观表征转化为微观认识,使符号表征和曲线表征内化于思维、外显于书写。(三)化学用语融于重点专题复习复习课注重有效性,应在课堂教学中突出学生主体地位,教师可基于真实问题设置驱动问题,推动学生自主学习、小组讨论、汇报总结,让所有学生乐于参与复习过程。通过合理的教学设计向课堂求效率,使学习成果和成就可见化,让化学学科核心素养落地。“化学用语”作为重要内容,应融于专题复习课程。(1)基于深度学习的“生产实际分析”的复习新课标充分体现 了目标、问题 和创新导57课程教法教育与装备研究2023 年第 8 期向8,分析新课标学业水平指标及中考试题指向发现,复习中应提升学生使用化学用语解决真实问题的能力,而化工生产关系社会民生,以其为复习载体可切实提高复习效率。如“芯片问题”可设置情境如下:我国研究高纯 CO 做半导体芯片的刻蚀剂。可用甲酸(HCOOH)制取高纯 CO,流程见图 4。图 4甲酸制取一氧化碳化工流程示意图根据学生应有发展水平和“化学用语”要点,基于学生四重表征能力发展设置驱动问题,促进学生深度学习发生(括号内为四重表征考查点):问题:HCOOH 中“C 元素”和“O 元素”的质量比(微观探析与定量分析);问题:反应塔中甲酸分解的微观示意图,见图 5。请于方框中补全(微粒探析);问题:反应塔中发生副反应产生 CO2。洗涤器中加入 NaOH 溶液的目的是中和未反应的 HCOOH 蒸气并除去 CO2,请写出相应的化学方程式(迁移类比与化学符号)。图 5甲酸分解微观示意图学生依据驱动问题,结合生产实际和化学用语的认知与建构进行作答:(正确认识化学式并进行定量计算)甲酸中碳元素和氧元素的质量比为 12:(162),即 3 8。(正确认识化学变化的宏观表现和微观实质,正确书写化学方程式)因化学反应前后原子的种类和数目不变,可得出另一产物的微观示意图为。(化学方程式的认知、中和反应实质的理解以及分类思想进阶)二氧化碳和氢氧化钠溶液反应是教材重点内容,直接作答反应的化学方程式:CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O。甲酸是酸类物质,类比盐酸等可知遇碱发生中和反应。中和反应实质是氢离子和氢氧根离子结合生成水分子,另一产物为盐类,故可写出化学方程式:HCOOH+NaOH=HCOONa+H2O。在初三化学复习重点“生产实际分析”类问题的复习中,将化学用语设置为促进学生深度学习发生的实际问题驱动,有利于学生进一步理解和应用四重表征的方法。(2)应用四重表征设计“实验探究”的复习教师应优化并改编“实验探究题”的素材,以“做实验”代替“写实验”,促进化学观念和化学用语表达在“做中学”中构建;结合实验探究实践强化“宏观微观符号曲线”四重表征间联动层级推进,促进学生养成科学探究方法及策略,发展学生科学探究的能力与意识。如过氧化氢分解实验是初中化学重点和中考考查点,可开发为基于四重表征的“化学用语”实验探究复习,能够促使学生应用“四重表征”思想完善科学探究的能力,形成化学思维高阶发展。驱动任务:比较不同催化剂对过氧化氢分解的催化效果。提供资料有:MnO2和 FeCl3均为加快过氧化氢分解速率的催化剂;当容器内氧气浓度最大时说明过氧化氢已分解完全。实验装置图,见图 6。图 6实验探究装置图设置问题:比较催化剂种类对过氧化氢分解速率的影响。学生实验:在锥形瓶中放入等质量等表面积两种催化剂,将注射器中的过氧化氢溶液(等浓度等体积)推入瓶中,记录实验数据并得到结论。学生所得实验数据见图 7。672023 年第 8 期教育与装备研究课程教法图 7实验结果学生结论:依据实验的数据可得出 MnO2催化过氧化氢分解的效果大于 FeCl3,证据是实验中氧气浓度传感器的数据对比,可知产生同等浓度的氧气时,二氧化锰作催化剂所需时间比氯化铁短,或双氧水分解完成用二氧化锰作催化剂时所需时间比氯化铁短,或单位时间内二氧化锰作催化剂时产生氧气量更大。以上“实验探究”的化学用语复习设计与实施可锻炼学生在真实的探究过程中提升控制变量法、曲线分析、化学用语表达等关键能力。让学生在复习实践中切实感受“四重表征”对化学研究的重要性,可视化地分析自身存在的问题并及时作出调整,从而提升复习效果。四、结语初三阶段是初中教育知识联系与转化的关键时 期,这 一 阶 段 的 课 堂 教 学 效 率 至 关 重要9。教师应及时调整和改进教学方式,更新教学观念创新教学模式,采用深度学习的方式有效地将促进学生主动学习新知识,同时重视复习课程的设计,注重学生学习实践的感受和过程,做到“知行合一”的解决真实问题。因“化学用语”相关内容对于学生化学学习和化学学科本质认知的关键作用,应在教学与复习阶段深化教学变革,以“四重表征”为抓手、以真实问题为情境、以核心素养为导向、以思维进阶为目标合理设计新授课和复习课的教学过程,突出学生主体在观念、思维、知识体系、能力体系等综合化学学科认知建构过程中学习的有效性和落实程度,借此实践新课标的素养为本教学要求并提升学生化学成绩。参考文献:1 王祥海.基于核心素养下化学概念教学的有效策略J.教育与装备研究,2022,38(12):23-26.2 李健荣.基于“四重表征”模式培养学生学科素养 以“探究盐酸与碳酸钠、碳酸氢钠反应”的教学为例J.化学教与学,2023,594(6):11-15,67.3 陆军.化学思维及其能力培养J.中小学教师培训,2018,383(6):61-65.4 张丙香,毕华林.中学生化学反应三重表征的困难及原因分析 J.教育科 学研 究,2013,219(6):67-71.5 许玉明,张贤金.指向高阶思维的化学教学的特征、实践策略与建议J.教育与装备研究,2022,38(7):38-42.6 李晓冬,胡鹏程,李艺伟等.基于学习进阶理论应用手持技术在高中化学教学中的应用研究J.内江科技,2023,44(2):44-46.7 黄金凤.基于深度学习下的初中化学实验教学探究J.中学课程辅导,2023(12):93-95.8 高凌蕊,韩建丰.基于化学新课标的跨学科项目教学探索 以“设 计 和 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