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摘要：学科知识只有转变为自觉主动的认识角度和认识思路才能转化为学科能力和学科素养。实验探究是化学学科最基本的认识活动之一，只有在探究过程中掌握分析和解决问题的角度、思路和方法，才能实现能力进阶。文章以“钠”为例，通过实验设计外显问题解决过程中的思维和推理机制，发展学生的核心素养之实验探究与创新意识。
关键词：钠;实验探究;模型认知;素养
文章编号：1008-0546（2019）02-0068-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
学科素养是学生面对陌生不确定的问题情境所表现出的关键能力和必备品格，只有当知识转变为自觉主动的认识角度和认识思路时才能转化为学科能力和学科素养。[1]化学是一门以实验为基础的学科，实验探究是化学学科最基本的认识活动，需要独特的分析和解决问题的角度、思路和方法。对于高中一年级的学生来说，在最初的实验探究过程中，形成比较特定的学科认识思路和推理模式是学好化学的关键。但探究活动往往具有发散性，而以往的教学重结论而轻过程，重知识而轻方法，脱离社会和生活实际，导致学生掌握知识呈现碎片化、认识角度零散，认识能力得不到有效发展。实验探究在无机物主题中占有举足轻重的地位，在教学中以实验引导学生发现问题，通过实验探究外显问题解决过程中的思维方法，培养学生的认识能力，成为发展学生素养的重要环节。王磊教授在东城区教研培训中以“无机物主题为例”解读“促进学生学科能力核心素养发展的教学”。其研究发现学生在无机物主题的各认识角度的表现并不均衡：运用具体知识解决问题的能力较好，而基于类别通性研究物质性质的能力相对较低，基于氧化还原反应和周期律研究物质性质的能力进一步下降，而在主动基于多角度研究物质性质的题目中，学生得分率最低（如图1所示）。上述现象引发笔者思考，面对无机物主题的教学，有必要以实验为依托针对不同认识角度，让学生经历外显地形成特定认识的学习。
一、“钠”知识分析
“钠”是化学必修1（人教版）第三章《金属及其化合物》的第一节，是学习元素化合物知识的起始章节。安排在物质的分类、离子反应和氧化还原反应之后，不仅可以巩固从“物质类别”角度认识物质性质的观点，亦可凸显离子反应和氧化还原反应等核心概念的指导作用。本节中，学生初次接触高中化学实验，对钠这一典型物质的实验探究可以实现基于元素认识物质性质的核心观念和关键能力的培养，帮助学生构建认知角度和思维模型，进而掌握学习元素化合物知识的一般方法。
钠的化学性质通过其与氧气在不同条件下的反应、与水及与硫酸铜溶液的反应三方面体现。其中，钠与水反应的本质一直是教学上争论的热点[2]，王永森[3]在《探究钠与酸反应时是与水反应还是与H’反应》中认为钠是与水电离出的H 反应，与传统教学观点一致。直到2016年，Mason等在《Nature》的子刊上发表科研论文，运用科技手段揭示钠与水反应的本质，发现钠在水溶液体系中会率先与水分子发生反应，而非H ，颠覆了人们以往的认识。因钠位于金属活动性顺序表的前端，极易失去电子，而水溶液体系中溶质被大量水分子包围。因此不难理解，当金属钠进入水溶液体系后会首先接触水分子，由于水分子也具备接受电子的能力，即可与金属钠发生反应。
二、学生学习的基础与困难
学生学习的基础：知识层面，学生在初中已经学习了金属活动性顺序表，知道氢前金属可以与酸反应放出氢气;高中阶段刚刚学习了物质的分类、離子反应、氧化还原反应等知识，具备基于上述概念分析解释问题的理论基础。能力层面，现阶段学生具有一定的逻辑思维能力，能够基于事实性知识进行分析推理;具有简单设计实验的能力。
学生学习的困难：氧化还原性、得失电子难易程度以及金属活动性等概念尚不能熟练应用;缺乏对核心知识的认识方法、认识角度和推理路径，对陌生物质的性质预测无从下手;缺乏控制变量思想，不能有效进行简单的实验设计;很难基于多种角度分析解释问题。
三、以“素养为本”的探究性实验教学活动设计
1.教学与评价目标
（1）教学目标
①通过探究钠的主要化学性质，初步形成基于物质类别、元素价态和溶液中的微粒对物质的性质进行预测和检验的认识模型。
②通过探究金属钠与水反应本质的实验设计，发展学生控制变量的思维意识，并建立基于实验事实探寻反应微观本质的认识思路。
③通过揭示钠与水反应的微观实质，使学生体会“量变-质变”规律，认识到科学观点是不断发展变化的，培养学生崇尚真理、严谨求实的科学精神。
（2）评价目标
①通过课前对金属钠性质的预测活动，诊断学生认识物质性质的已有水平（基于经验水平、基于物质类别水平）。
②通过对金属钠与水反应实验设计方案的交流与点评，发展学生实验探究物质性质的水平（基于经验水平、基于概念原理水平、系统设计水平）。
③通过对钠与水反应本质的揭示及探究钠与硫酸铜溶液的反应，诊断并发展学生应用认识模型解决问题能力及其对化学价值的认识水平（学科价值视角）。
2.教学与评价思路
本节课由物质类别作为逻辑主线，分别探究钠与氧气、酸和盐溶液这三类物质的反应。实施过程中，根据学生兴趣让学生自主选择探究顺序。（1）首先，探究了“呼声最高”的钠与酸的反应。教师以“钠与酸反应同样能放出氢气，一定能说明是钠把氢离子还原了吗？”为问题主线，精心设计了3个学习任务，分别从微粒的观点、化合价的角度引导学生关注到了体系中的溶剂分子——水;将目标锁定在氢离子（H ）和水分子（H2O）两者之间后，教师再引导学生运用“控制变量”思想简单设计实验，探究钠与酸反应的实质。学生通过动手实验完成钠与纯水的反应，得出钠的相关性质。任务难度的进阶，体现了学生能力的进阶。在随后的对比实验中，教师创新地引入学术界的最新发现，帮助学生理解钠与酸反应的微观实质。将钠能与水分子反应的原因落脚在其强烈的失电子能力上，即强还原性，这与钠在金属活动性顺序表中的位置及自然界中不存在游离态的钠等事实相符，与课前引入相互呼应。（2）类比钠与酸的反应，让学生自主探究钠与硫酸铜溶液的反应。学生通过学习任务3独立运用所学知识和观点分析解释问题，做近变式的类比迁移。（3）最后，教师对教材中钠与氧气反应的实验进行了大胆创新，让学生直观感受“物质的变化是有条件的”，完整总结出钠的物理性质及化学性质。在总结提升环节，让学生结合实验探究过程自行总结出认识物质性质的三大角度，为今后预测陌生物质构建思维框架。 3.教学流程
（1）提出猜想
【学习任务1】课前，回顾金属的通性，预测金属钠的性质。
【评价任务1】诊断学生认识物质性质的已有水平（基于经验水平、基于物质类别水平）。
（2）实验验证
【学习任务2】讨论、设计和实施实验方案，探究钠与酸的反应。
【评价任务2】发展学生实验探究物质性质的水平（基于经验水平、基于概念原理水平、系统设计水平）。
（3）提炼概括
【学习任务3】借助钠与硫酸铜溶液的反应概括、反思和提炼认识思路。
【评价任务3】发展学生应用认识模型解决问题能力及其对化学价值的认识水平（学科价值视角）。
四、教学效果分析与教学反思
1.教学效果评价分析
（1）思路方法外显、促进自主迁移
本案例包括教师主导的“钠与酸反应”的完整实验探究，并在此基础上设计了学生自主的“钠与盐溶液反应”的探究。每个学习任务涉及2-3个学生活动，其中每个活动的设计均指向学生的能力进阶。【学习任务2】设计了2个学生活动，其中活动1，学生基于对离子反应的认识能够找出盐酸溶液中大量存在的微粒;注重借助氧化还原观点构建认识物质转化关系一般思路的显性化，使学生从基于经验事实预测物质性质的水平发展到基于元素价态预测物质性质的水平。活动2，突出“实验探究”，使学生从基于实验经验设计方案的水平发展到依据控制变量思想设计方案的水平。学生在完成任务、经历活动的过程中概括物质性质、理清认识物质及其变化的规律的视角和路径、学会运用实验设计中的控制变量思想、体会“量变一质变”规律，进而实现化学学科核心素养的发展。
（2）体现“立德树人”教学理念
培养学生严谨求实的科学态度，立学术规范之德。在传统的教学观念中，钠与水的反应本质是与水电离出的氢离子反应，然而某些实验事实却与这一观点大相径庭，2016年国际顶级学术期刊《Nature-Chemistry》刊载了一篇文章，运用高科技手段揭示了钠与水反应的微观实质，颠覆了传统认知。本节课基于最新的科研成果，通过实验探究，让学生了解科学观点是不断发展变化的，培养学生尊重科研事实、敢于批判的精神。
授人以鱼不如授人以渔，教知识同时重方法，树有思维意识之人。在高一阶段有三大认识物质性质的角度：物质类别、氧化还原、离子反应。本节课的教学不断渗透这三种观点，并在总结阶段将方法提升为思维模型。最后通过课后作业体现模型的实用性，学以致用。
（3）以学生为本、重视学生的实际获得
本节课的教学通过让学生自主选择学习顺序激发其参与热情;通过对教材实验的创新设计，使学生直观地感受“不同条件下钠与氧气的反应”;让学生类比钠与酸的反应对钠与硫酸铜溶液的反应进行自主探究，充分尊重了学生的主体性;学生在交流后获得结论，对所学知识与方法印象深刻。
2.教学反思
知识层面，学生通过“观察实验一记录现象一分组讨论一得出结论一呈现结论”等过程，掌握金属钠的性质，并在微观层面理解钠与水反应的本质。教师在板书的设计上将“结论”位置留给学生，所有重要结论与方程式均由学生自行得出。过程与结果的双向落实使学生对获得的知识印象深刻。
方法层面，在教学过程中渗透认识物质性质的三大角度，在探究钠与硫酸铜溶液的反应中让学生体会掌握认识思路的优势;在作业的设计中“趁热打铁”，将刚刚学到的“视角与思路”应用到对金属钾性质的预测上，通过作业将思维方法进行巩固落实，真正做到学以致用。
能力层面，在本节课的课前准备中要求学生根据金属的通性对钠的性质进行预测，学生有独立思考的过程;在探究钠与酸反应的过程中需要进行小组讨论，学生有机会与同伴进行分享与交流;在组织汇报的过程中需要小组派出代表，同时培养学生的总结归纳能力和语言表达能力;在学生实验部分需要团队协作完成，培养了学生的合作意识。
本节设计以实验教学为主，充分运用了实验探究式的教学方法。教师精心设计和录制演示实验，对钠与氧气反应的实验做了改进。在探究钠与酸反应过程中教育教学理念新颖，首次将国际上对钠与酸反应实质的最新认识在课堂上传递给学生，培养了学生崇尚真理，严谨求实的科学精神。在推进教学进程时以“学生诉求为序”、以“物质类别为纲”，借助多媒体超链接即时调整教学顺序，学生在课堂上拥有了主动权，其积极性被充分地调动起来，充分体现了以人为本的教学理念。
新课程标准为我们构建了一个广阔的教学空间，在元素化合物知識的教学中，应发挥实验探究的主体功能，基于物质分类、离子反应、氧化还原反应等核心概念理解和分析实验事实;借助探究过程引导学生形成基于元素认识物质性质的角度、思维和方法，发展学生的实验探究与创新意识。
参考文献
[1]王磊.学科能力构成及其表现研究——基于学习理解、应用实践与迁移创新导向的多维整合模型[J].教育研究，2016（9）：83-92
[2]王永森.探究钠与酸反应时是与水反应还是与H 反应[J].教学仪器与实验，2005，21：12
[3]吴文中.钠与酸溶液反应的差异性分析[J].中学化学，2016（1-2）：5-8
[4]Philip E.Mason.Coulomb explosion during the earlystages of the reaction of alkali metals with water[J].Nature-Chemistry，2016（7）：250-254
关键词：钠;实验探究;模型认知;素养
文章编号：1008-0546（2019）02-0068-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
学科素养是学生面对陌生不确定的问题情境所表现出的关键能力和必备品格，只有当知识转变为自觉主动的认识角度和认识思路时才能转化为学科能力和学科素养。[1]化学是一门以实验为基础的学科，实验探究是化学学科最基本的认识活动，需要独特的分析和解决问题的角度、思路和方法。对于高中一年级的学生来说，在最初的实验探究过程中，形成比较特定的学科认识思路和推理模式是学好化学的关键。但探究活动往往具有发散性，而以往的教学重结论而轻过程，重知识而轻方法，脱离社会和生活实际，导致学生掌握知识呈现碎片化、认识角度零散，认识能力得不到有效发展。实验探究在无机物主题中占有举足轻重的地位，在教学中以实验引导学生发现问题，通过实验探究外显问题解决过程中的思维方法，培养学生的认识能力，成为发展学生素养的重要环节。王磊教授在东城区教研培训中以“无机物主题为例”解读“促进学生学科能力核心素养发展的教学”。其研究发现学生在无机物主题的各认识角度的表现并不均衡：运用具体知识解决问题的能力较好，而基于类别通性研究物质性质的能力相对较低，基于氧化还原反应和周期律研究物质性质的能力进一步下降，而在主动基于多角度研究物质性质的题目中，学生得分率最低（如图1所示）。上述现象引发笔者思考，面对无机物主题的教学，有必要以实验为依托针对不同认识角度，让学生经历外显地形成特定认识的学习。
一、“钠”知识分析
“钠”是化学必修1（人教版）第三章《金属及其化合物》的第一节，是学习元素化合物知识的起始章节。安排在物质的分类、离子反应和氧化还原反应之后，不仅可以巩固从“物质类别”角度认识物质性质的观点，亦可凸显离子反应和氧化还原反应等核心概念的指导作用。本节中，学生初次接触高中化学实验，对钠这一典型物质的实验探究可以实现基于元素认识物质性质的核心观念和关键能力的培养，帮助学生构建认知角度和思维模型，进而掌握学习元素化合物知识的一般方法。
钠的化学性质通过其与氧气在不同条件下的反应、与水及与硫酸铜溶液的反应三方面体现。其中，钠与水反应的本质一直是教学上争论的热点[2]，王永森[3]在《探究钠与酸反应时是与水反应还是与H’反应》中认为钠是与水电离出的H 反应，与传统教学观点一致。直到2016年，Mason等在《Nature》的子刊上发表科研论文，运用科技手段揭示钠与水反应的本质，发现钠在水溶液体系中会率先与水分子发生反应，而非H ，颠覆了人们以往的认识。因钠位于金属活动性顺序表的前端，极易失去电子，而水溶液体系中溶质被大量水分子包围。因此不难理解，当金属钠进入水溶液体系后会首先接触水分子，由于水分子也具备接受电子的能力，即可与金属钠发生反应。
二、学生学习的基础与困难
学生学习的基础：知识层面，学生在初中已经学习了金属活动性顺序表，知道氢前金属可以与酸反应放出氢气;高中阶段刚刚学习了物质的分类、離子反应、氧化还原反应等知识，具备基于上述概念分析解释问题的理论基础。能力层面，现阶段学生具有一定的逻辑思维能力，能够基于事实性知识进行分析推理;具有简单设计实验的能力。
学生学习的困难：氧化还原性、得失电子难易程度以及金属活动性等概念尚不能熟练应用;缺乏对核心知识的认识方法、认识角度和推理路径，对陌生物质的性质预测无从下手;缺乏控制变量思想，不能有效进行简单的实验设计;很难基于多种角度分析解释问题。
三、以“素养为本”的探究性实验教学活动设计
1.教学与评价目标
（1）教学目标
①通过探究钠的主要化学性质，初步形成基于物质类别、元素价态和溶液中的微粒对物质的性质进行预测和检验的认识模型。
②通过探究金属钠与水反应本质的实验设计，发展学生控制变量的思维意识，并建立基于实验事实探寻反应微观本质的认识思路。
③通过揭示钠与水反应的微观实质，使学生体会“量变-质变”规律，认识到科学观点是不断发展变化的，培养学生崇尚真理、严谨求实的科学精神。
（2）评价目标
①通过课前对金属钠性质的预测活动，诊断学生认识物质性质的已有水平（基于经验水平、基于物质类别水平）。
②通过对金属钠与水反应实验设计方案的交流与点评，发展学生实验探究物质性质的水平（基于经验水平、基于概念原理水平、系统设计水平）。
③通过对钠与水反应本质的揭示及探究钠与硫酸铜溶液的反应，诊断并发展学生应用认识模型解决问题能力及其对化学价值的认识水平（学科价值视角）。
2.教学与评价思路
本节课由物质类别作为逻辑主线，分别探究钠与氧气、酸和盐溶液这三类物质的反应。实施过程中，根据学生兴趣让学生自主选择探究顺序。（1）首先，探究了“呼声最高”的钠与酸的反应。教师以“钠与酸反应同样能放出氢气，一定能说明是钠把氢离子还原了吗？”为问题主线，精心设计了3个学习任务，分别从微粒的观点、化合价的角度引导学生关注到了体系中的溶剂分子——水;将目标锁定在氢离子（H ）和水分子（H2O）两者之间后，教师再引导学生运用“控制变量”思想简单设计实验，探究钠与酸反应的实质。学生通过动手实验完成钠与纯水的反应，得出钠的相关性质。任务难度的进阶，体现了学生能力的进阶。在随后的对比实验中，教师创新地引入学术界的最新发现，帮助学生理解钠与酸反应的微观实质。将钠能与水分子反应的原因落脚在其强烈的失电子能力上，即强还原性，这与钠在金属活动性顺序表中的位置及自然界中不存在游离态的钠等事实相符，与课前引入相互呼应。（2）类比钠与酸的反应，让学生自主探究钠与硫酸铜溶液的反应。学生通过学习任务3独立运用所学知识和观点分析解释问题，做近变式的类比迁移。（3）最后，教师对教材中钠与氧气反应的实验进行了大胆创新，让学生直观感受“物质的变化是有条件的”，完整总结出钠的物理性质及化学性质。在总结提升环节，让学生结合实验探究过程自行总结出认识物质性质的三大角度，为今后预测陌生物质构建思维框架。 3.教学流程
（1）提出猜想
【学习任务1】课前，回顾金属的通性，预测金属钠的性质。
【评价任务1】诊断学生认识物质性质的已有水平（基于经验水平、基于物质类别水平）。
（2）实验验证
【学习任务2】讨论、设计和实施实验方案，探究钠与酸的反应。
【评价任务2】发展学生实验探究物质性质的水平（基于经验水平、基于概念原理水平、系统设计水平）。
（3）提炼概括
【学习任务3】借助钠与硫酸铜溶液的反应概括、反思和提炼认识思路。
【评价任务3】发展学生应用认识模型解决问题能力及其对化学价值的认识水平（学科价值视角）。
四、教学效果分析与教学反思
1.教学效果评价分析
（1）思路方法外显、促进自主迁移
本案例包括教师主导的“钠与酸反应”的完整实验探究，并在此基础上设计了学生自主的“钠与盐溶液反应”的探究。每个学习任务涉及2-3个学生活动，其中每个活动的设计均指向学生的能力进阶。【学习任务2】设计了2个学生活动，其中活动1，学生基于对离子反应的认识能够找出盐酸溶液中大量存在的微粒;注重借助氧化还原观点构建认识物质转化关系一般思路的显性化，使学生从基于经验事实预测物质性质的水平发展到基于元素价态预测物质性质的水平。活动2，突出“实验探究”，使学生从基于实验经验设计方案的水平发展到依据控制变量思想设计方案的水平。学生在完成任务、经历活动的过程中概括物质性质、理清认识物质及其变化的规律的视角和路径、学会运用实验设计中的控制变量思想、体会“量变一质变”规律，进而实现化学学科核心素养的发展。
（2）体现“立德树人”教学理念
培养学生严谨求实的科学态度，立学术规范之德。在传统的教学观念中，钠与水的反应本质是与水电离出的氢离子反应，然而某些实验事实却与这一观点大相径庭，2016年国际顶级学术期刊《Nature-Chemistry》刊载了一篇文章，运用高科技手段揭示了钠与水反应的微观实质，颠覆了传统认知。本节课基于最新的科研成果，通过实验探究，让学生了解科学观点是不断发展变化的，培养学生尊重科研事实、敢于批判的精神。
授人以鱼不如授人以渔，教知识同时重方法，树有思维意识之人。在高一阶段有三大认识物质性质的角度：物质类别、氧化还原、离子反应。本节课的教学不断渗透这三种观点，并在总结阶段将方法提升为思维模型。最后通过课后作业体现模型的实用性，学以致用。
（3）以学生为本、重视学生的实际获得
本节课的教学通过让学生自主选择学习顺序激发其参与热情;通过对教材实验的创新设计，使学生直观地感受“不同条件下钠与氧气的反应”;让学生类比钠与酸的反应对钠与硫酸铜溶液的反应进行自主探究，充分尊重了学生的主体性;学生在交流后获得结论，对所学知识与方法印象深刻。
2.教学反思
知识层面，学生通过“观察实验一记录现象一分组讨论一得出结论一呈现结论”等过程，掌握金属钠的性质，并在微观层面理解钠与水反应的本质。教师在板书的设计上将“结论”位置留给学生，所有重要结论与方程式均由学生自行得出。过程与结果的双向落实使学生对获得的知识印象深刻。
方法层面，在教学过程中渗透认识物质性质的三大角度，在探究钠与硫酸铜溶液的反应中让学生体会掌握认识思路的优势;在作业的设计中“趁热打铁”，将刚刚学到的“视角与思路”应用到对金属钾性质的预测上，通过作业将思维方法进行巩固落实，真正做到学以致用。
能力层面，在本节课的课前准备中要求学生根据金属的通性对钠的性质进行预测，学生有独立思考的过程;在探究钠与酸反应的过程中需要进行小组讨论，学生有机会与同伴进行分享与交流;在组织汇报的过程中需要小组派出代表，同时培养学生的总结归纳能力和语言表达能力;在学生实验部分需要团队协作完成，培养了学生的合作意识。
本节设计以实验教学为主，充分运用了实验探究式的教学方法。教师精心设计和录制演示实验，对钠与氧气反应的实验做了改进。在探究钠与酸反应过程中教育教学理念新颖，首次将国际上对钠与酸反应实质的最新认识在课堂上传递给学生，培养了学生崇尚真理，严谨求实的科学精神。在推进教学进程时以“学生诉求为序”、以“物质类别为纲”，借助多媒体超链接即时调整教学顺序，学生在课堂上拥有了主动权，其积极性被充分地调动起来，充分体现了以人为本的教学理念。
新课程标准为我们构建了一个广阔的教学空间，在元素化合物知識的教学中，应发挥实验探究的主体功能，基于物质分类、离子反应、氧化还原反应等核心概念理解和分析实验事实;借助探究过程引导学生形成基于元素认识物质性质的角度、思维和方法，发展学生的实验探究与创新意识。
参考文献
[1]王磊.学科能力构成及其表现研究——基于学习理解、应用实践与迁移创新导向的多维整合模型[J].教育研究，2016（9）：83-92
[2]王永森.探究钠与酸反应时是与水反应还是与H 反应[J].教学仪器与实验，2005，21：12
[3]吴文中.钠与酸溶液反应的差异性分析[J].中学化学，2016（1-2）：5-8
[4]Philip E.Mason.Coulomb explosion during the earlystages of the reaction of alkali metals with water[J].Nature-Chemistry，2016（7）：250-254