运用核心概念提升内容整合的教学设计

很多调研结果显示:学生在初三年级刚开始接触化学时学习兴趣甚浓,但随后却呈下降趋势;到高中阶段后,部分学生甚至兴趣全无,惧怕化学.究其原因,学生普遍反映化学学科知识点多,相互之间缺乏有机关联,记忆和理解它们都存在困难.如何改变这种严峻的现状,扭转不理想的教学局面,是摆在每一位化学教育工作者面前的极具挑战性的课题.近年来,国内外一些教育专家提出了应用“核心概念”(也称“大概念”)的教学方式,并在一些科学学科进行尝试,取得了初步的成功经验.因此,把核心概念应用到化学教学中可能是突破前述问题的一种有效办法.

一、核心概念在化学教学中的价值及应用方法

在化学学科,核心概念通常指居于化学学科中心,具有超越课堂的持久价值和迁移价值的关键性概念、原理或方法.信息加工理论认为,被有机地组织成块的信息更容易记忆,因此通过核心概念组织起来的知识更易被学生记忆和掌握,而且这些知识因核心概念而凸显学习的意义与价值.不难看出,核心概念是从很多事实性知识逐级提炼出来的“魂”.把握了核心概念,学生会领悟到知识之间的关联性、系统性,达到“以少胜多”“举一反三”的效果,既可减轻学生的学习压力和负担,又能提升他们分析问题、解决问题的能力[1][2].

运用核心概念组织教学,通常包含建构核心概念和应用核心概念两个过程.

建构的程序一般为:科学事实→(提炼、概括)→概念→(提炼、概括)→核心概念[→(提炼、概括)→更上位的核心概念或观念].例如,“铁与氧气反应时失电子”“铜与氯气反应时失电子”等是科学事实,“金属在反应中容易失电子”是概念,“金属最外层电子一般少于4个,反应时常显示还原性”是核心概念,“物质的化学性质与其原子最外层电子数有关”是更上位的核心概念.

应用的程序一般为:核心概念→(理解、解释、预测)→新科学事实.

二、以核心概念为统领的“金属电化学腐蚀与防腐”教学设计

笔者在多年的教学中发现,电化学及金属电化学腐蚀等学习内容对学生来说具有一定的挑战性.许多学生由于学得机械僵化,对“氧化还原反应—电化学—金属的电化学腐蚀”这些内容的认识处于割裂状态,缺乏系统整合,难以领悟到电化学及金属电化学腐蚀的本质原理都是氧化还原反应.

本教学内容安排在复习教学阶段,教学中侧重于利用核心概念指导应用,引导学生学会自主归纳和进行深层次思考,达到追根溯源、融会贯通的目的,使相关知识更加系统化.

教学设计的概念框架体系如图1所示.框架中以氧化还原反应与电化学的联系为上位核心概念,再向下具体到原电池和电解池装置的应用,作为核心概念,用以指导金属电化学腐蚀和防腐的应用.

具体教学流程如图2所示.

主要的教学过程如下.

环节一:复习强化核心概念

(师)引导学生概括:氧化还原反应的本质.不同反应物在氧化还原反应中体现出的性质(氧化性/还原性).

(生)思考,回答:氧化还原反应是一类重要的化学反应,反应中发生电子转移,反应物表现出氧化性或还原性.

(师)让学生思考:(1)原电池、电解池与氧化还原反应的联系.(2)原电池、电解池反应中能量转换情况.

(生)回答:(1)原电池、电解池涉及的反应都是氧化还原反应.(2)原电池将化学能转化为电能,电解池将电能转化为化学能.

(师)启发、引导学生将以上内容概括成一句话:利用一定装置,氧化还原反应可实现化学能与电能的相互转换(上位核心概念).

引导学生思考:从氧化还原反应能否自发进行及反应效率的角度,分析原电池、电解池的区别.

(生)回答:利用原电池装置,有利于能自发进行的氧化还原反应的发生.利用电解池装置,可促使不能自发进行的氧化还原反应的发生(核心概念).

本环节设计意图:从学生既有认知出发,通过一些有深度的问题,引导学生进行理性分析,抽象概括,提炼出核心概念,为后面的应用奠定基础.

环节二:应用核心概念——金属性质

(师)通过以下问题引导学生从氧化还原角度分析金属化学性质:(1)元素及单质的基本分类有哪些,金属与非金属本质区别;(2)金属化学性质(反应种类)及共同特点;(3)从氧化还原角度分析金属化学性质及金属腐蚀的本质.

(生)思考,回答:单质分为金属和非金属.金属最外层电子数较少,在反应中一般失电子,被氧化.金属腐蚀的本质是失电子被氧化.

本环节设计意图:仍从学生熟悉的旧知识入手,深入浅出.通过“对话式”“启发式”引导学生思维,提升其认识高度,并把相关知识“打通”,建立有机联系.

环节三:应用核心概念——金属腐蚀

(师)问:金属腐蚀时谁得电子?金属电化学腐蚀类型?电极反应的异同?

(生)思考,回答:氧化性物质得电子:O2、H+、Cl2、Fe3+、外电源(迫使其他物质失电子).

通常(自然界中)包括吸氧腐蚀、析氢腐蚀.相同点:原电池负极的金属失电子被氧化.不同点:正极O2或H+得电子.

(师)以铁为例,让学生对比书写其发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应方程式.

(生)书写,比较.

(师)金属电化学腐蚀有何应用?

(生)回答:构成电解池,进行粗铜提纯等.

本环节设计意图:不简单重复旧知识,而是从氧化还原反应、氧化性、还原性的角度来认识金属腐蚀的不同方式,并把握其共性和本质.

环节四:应用核心概念——金属防腐

(师)让学生思考金属电化学防腐办法的本质.

(生)思考,回答:使其得电子,或避免失电子.概括为:

(师)请归纳具体的办法. (生)使其做原电池正极(牺牲阳极),或做电解池阴极(阴极电),或避免形成原电池(隔水、O2等).

本环节设计意图:通过有深度的问题,引导学生把握防腐的本质是阻止金属失电子,从而更深刻地理解几种具体的电化学防腐措施.

环节五:应用核心概念——巩固拓展

(师)请学生进一步思考:(1)电解时为何阳极一般不用金属电极?(2)阴极电保护法如果不慎接反电极,会有何结果?(3)K、Na、Al等金属常用什么冶炼方法,有何启发?

(生)思考,回答:(1)金属阳极在导电同时,通常易被电能“驱使”而放电,失电子被氧化.(2)加速金属腐蚀.(3)用电解方法,利用电能迫使不易失电子的物质失电子.电可谓是最强的还原剂(同时也是最强的氧化剂).

(师)让学生结合所学,完成稍有难度的习题.

本环节设计意图:通过稍有难度、挑战性的问题巩固学生所掌握的核心概念.


三、反思与讨论

1.核心概念在本教学中的优势作用

理想的教学过程应是不断促进学生认知发展,由表及面、从肤浅到深刻的过程,这恰恰符合核心概念的教学理念——从事实性知识到概念,再从概念到核心概念,进而利用核心概念统摄应用.当核心概念真正建立起来后,学生的认识和思维将超越具体的事实性知识,对这些知识的认识更加“通透”,有“一览众山小”之感,而且学生记忆的压力可能骤然减轻,起到减负增效的作用.

在本内容中所建构的核心概念,除了应用在理解和解决电化学腐蚀和防腐的问题,还有多方面的应用,比如“利用电解池装置,可促使不能自发进行的氧化还原反应的发生”,学生会联想到K、Ca、Na、Al等活泼金属难于用其他还原剂制取,但可利用电解的方法得到.进而想到,“电”是最强的“还原剂”、最强的“氧化剂”,电化学有广泛的应用价值.

除此之外,合理运用核心概念进行教学,往往能提升学生学习的专注度、思维的深广度,使课堂的气氛和效果更好.

2.应用核心概念教学的原则建议

任何教学方式和方法要产生实效,都需要注意其应用条件和环境,把握好应用的原则.

(1)合理选定核心概念

核心概念与上、下位核心概念间的层级关系是相对而言的,不能简单地绝对化.具体选择哪一层作为核心概念,取决于具体学习阶段、教学内容和教学目标.选择的原则应是具有针对性很强的指导应用,与新科学事实有很强的对应关系.核心概念定得过高或过低、过大或过小都不适宜.过高、过大易显得空泛且远离科学事实,作用不易体现;过低、过小则统摄性不强,应用价值有限.除了作用的大小,还要考虑它们能否有助于理解科学活动的本质和科学活动的发现.教师在教学之前应对全部教学内容有整体认识,认真梳理,系统整合,提炼出包含核心概念在内的概念系统.

(2)关注核心概念的同时不能忽视科学事实的学习

在教学中要避免走另一个极端,那就是关注核心概念却忽视科学事实的积累.一方面,缺乏一定数量的科学事实作基础,核心概念难以扎实稳固地建构起来.另一方面,缺少科学事实支撑的核心概念在学生意识中会显得抽象而空泛,难以有效地用来指导应用.总之,如果走入这样的误区,效果往往可能还不及常规教学方式.

(3)合理选择应用时机

核心概念的建构和应用需要寻找合适的时机,除了需要学生有一定的事实性知识积淀,还需要学生的理解能力、归纳能力发展到一定程度.通常,在新课阶段适合进行核心概念的建构,复习阶段适合进行核心概念的应用.在本教学进行之前,学生的事实性知识已经比较丰富,也积累了一些概念,亟待教师引导学生建构核心概念,“盘活存量”.因此教学条件已然成熟,可谓水到渠成.

致谢:感谢北京教育学院周玉芝老师在本文撰写过程中给予指导和帮助.

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