学习进阶视阈下的化学实验教学设计与实践

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  摘要: 概述学习进阶理论的内涵,基于学习进阶理论,以“金属的腐蚀与防护”为例,对其进行教学设计。实践发现:进阶式实验教学能有效唤醒学生学习的内驱力,激发学生的创新思维,提高实验教学的成效。
  关键词: 学习进阶  化学实验  模式建立  实践  反思
  引言
  学习进阶理论早就在国际上流行,现正处于应用实践阶段,而我国对学习进阶理论的研究还处于新兴领域研究的探索阶段。实践是检验真理的唯一标准,没有实践的理论只是空谈,学习进阶理论的研究不仅要在理论研究上进行突破和创新,还要充分结合我国教育实情进入应用实践阶段,利用实践来推动学习进阶理论在我国的研究。
  一、理论学习,掌握学习进阶理论的内涵
  2005年,美国国家研究委员会首次提出“学习进阶”的概念:学习进阶理论是指人对新知的学习是一个思维逐渐深入和复杂的过程。换句话说,知识不是独立存在的,而是呈体系结构的,学习是一个不断积累的过程,人们需要由浅及深、由点及面、由近及远地进行循序渐进的学习。
  学习进阶理论主要由五个环节组成:
  (1)进阶目标:建立一个学习目标或者对自己的学习有一个发展预期。
  (2)进阶变量:这也是人们学习或探究过程的核心,以知识的推进为变量,通过学生对这些变量的掌握和理解情况对进度有一个整体的调控。
  (3)成就水平:一个较大的学习目标需要由几个阶段性目标构成,每个相关联目标的完成都代表学生水平的提升,并以此来逐步实现终极目标。
  (4)学习表现:学生对各个阶段目标的实现,不仅可以表现出学生对知识的掌握情况,还可以很客观地表现出学生的学习能力,表现出终极目标的实现情况,这也是学生评价的真实依据。
  (5)评价系统:为了促进学生进阶目标的逐步实现,了解学生对知识的掌握情况,这些指标的掌握都需要评价系统进行测量。
  二、精心研讨,学习进阶视阈下的教学设计
  高中化学实验中,有很多知识与之前学过的知识相关联,要采用“进阶式”的学习方式,追本溯源,在学生原有的基础上进行延伸拓展,从而逐步完善学生的知识体系,实现最终目标。本文以“金属的腐蚀与防护”为例,阐述其在学习进阶视阈下的教学设计。
  1.“金属的电化学腐蚀”概念学习中的进阶发展
  从学习进阶的视阈分析,“金属的电化学腐蚀”要采用進阶式的顺序进行设计,从学生已有的认识出发搭建台阶,以确保学生的学习能够由浅入深、由简入难;要融合课标、考纲、教材和教学实践,对教学有一个整体的把握,以便能够科学划分学习进阶路径和阶段层次水平。
  (1)水平1:九年级化学下册中有“铁钉锈蚀的条件”探究实验,从化学反应的角度初步探究了铁制品的腐蚀条件与防护措施。
  (2)水平2:高中化学必修1学习了氧化还原反应,了解了反应本质及反应中电子之间的转移。
  (3)水平3:高中化学必修2中“原电池”的学习,初步介绍了原电池的形成条件,了解了形成原电池会加快金属的腐蚀速率。
  (4)水平4:高中化学选修2中介绍了析氢腐蚀、吸氧腐蚀;简单介绍了金属的防护。
  (5)水平5:高中化学选修4中详细学习了原电池、电解池的工作原理,从根本上阐述了电化学腐蚀的原理,详细总结了电镀防护、原电池防护和外加电源的保护。
  可见,“金属的腐蚀与防护”是氧化还原反应、电化学理论的综合应用,教材中这块知识的呈现遵循了学生知识建构的心理顺序,采用了由易到难、循序渐进的方式,为“金属的腐蚀与防护”进阶性的学习奠定了基础。
  2.“金属的电化学腐蚀”教学目标的进阶制定
  教学目标的制定要结合教学内容和学生认知,将大目标拆分成几个环环相扣的小目标,建立具体的、切实可行的三维目标。
  (1)知识与技能:结合以前所学的知识,定性了解析氢腐蚀与吸氧腐蚀;通过实验绘制曲线,定量分析析氢腐蚀与吸氧腐蚀;对比学习析氢腐蚀与吸氧腐蚀,掌握其中的异同点,以加深对金属电化学腐蚀的条件、原理的理解。
  (2)过程与方法:通过“进阶性”学习,掌握分析实验的方法,理解定性与定量相结合的化学实验研究方法;采用小组合作的方式,随着实验的推进让学生进阶性地把握对实验问题、实验数据的分析,并能够掌握客观、科学阐述实验结果的方法。
  (3)情感态度与价值观:“进阶性”地让学生明白科学探究的重要性,点燃学生的学习热情,帮助学生维持持久、稳定的学习状态;小组合作中学会合作、交流与探讨,积极参与科学探究,培养主人翁意识,树立责任感。
  3.“金属的电化学腐蚀”教学流程的进阶设计
  结合学习进阶理论,教学思路选择“一明一暗”两条线:明线对知识的推进和计划有个明确的规划,使课堂能够落实得更为具体、实效; 暗线贴近学生发展,根据学生的具体发展采用进阶式的推进方法。
  基于明暗两条线的融合,教学流程大致分为四个环节:
  (1)提出问题,借用实验问题情境激活学生对金属腐蚀问题的思考。
  (2)实验过程,包括实验方案设计、实验操作两部分,学生根据已有的知识设计相关实验方案,并进行汇报展示,从而挑选出合理的实验方案;小组实验,通过小组实验锻炼学生的动手能力、观察能力。
  (3)讨论辨析,对比不同实验中的现象,学会定性分析和定量分析;利用所学知识解决实际问题,得出保护金属的方法与措施。
  (4)合理评价,适当地试题检测,以帮助学生巩固知识和活跃思维。
  在这四个环节中,进阶目标会在第一个环节提出,提出问题的同时让学生明确学习目标,以帮助学生形成思维主线;进阶变量、成就水平和学习表现都会贯穿整个过程,随时随地掌握学生的水平提升情况,以使课堂能够有条不紊、真实有效地推进;评价体系的建立,既要贯穿其中发挥语言力量鼓励学生的持续性、深度性学习,又要在新知结束时利用试题的形式进行检测,了解学生的掌握情况,因为学生的提高就是课堂的成功。   三、灵活生成,学习进阶视阈下的教学实践
  课堂生成具有一定的意外性、随意性,并不完全在预设的范围内。对此,笔者针对这一学习进阶视阈下的课堂设计进行了实践,以期能够在实践中有更多的收获。
  1.温故知新,问题情境,点明主题
  在新知的学习中,教师可以以旧知为起点将其延伸,利用学生对问题的发现来点明主题,明确学习目标和探究任务,以照亮学生前行的道路。
  问题情境:大家还记得我们初中学过的“铁钉腐蚀条件的探究”这一实验吗?谁来回顾一下?
  学生回答:初中运用了五个对比实验来探究铁钉的腐蚀条件,将五个铁钉分别放在五个试管中,每个试管中分别为煮沸的蒸馏水、干燥的空气、潮湿的空气、食盐水和空气、食醋和空气。
  教师可以让这个实验重现,让学生对这一问题进行讨论,学生明白了铁钉腐蚀的条件:水和氧气。同时,学生也发现了新的问题。
  学生问题:为什么铁钉在食盐水和食醋中腐蚀得比较严重?与在潮湿的水中有什么不同吗?
  问题的进阶式出现,引起了学生的共鸣,学生虽然明白了铁钉腐蚀的条件,但鲜明的对比无法用腐蚀条件进行解释,学生的迷惑在心中形成,很大程度上点明了学生的思考方向,为进一步的实验探究提供了学习动机。
  2.实验过程,观察发现,变量推进
  实验是解除疑惑的有效手段。学生对心中的疑惑进行思考、猜想和讨论,进而建立实验方案,尝试对自己的猜想进行验证。在教师的指引下,学生进行了资料查阅,得知了铁粉、碳与食盐水(或食醋)形成了无数个微型的原电池。学生为了对微电池进行实验验证,利用实验将其扩大化。
  实验设计:建立两个相同的实验,如下图所示,将U型管、纯铁片、碳棒、水、灵敏电流表、导线按下图进行连接,观察实验现象,记录数据。
  实验步骤:(1)用自来水做电解质溶液,观察灵敏电流计的示数;(2)在其中一个装置的U型管中滴加饱和食盐水,在碳棒附近滴入酚酞,观察实验现象及电流计示数的变化,记录示数;(3)在另一个装置的U型管中滴加较浓的食醋,观察实验现象及电流计示数的变化,记录示数。
  进阶式的实验操作,提高了学生的动手能力,促进了学生对实验的全面观察。学生看到了电流表的变化,看到了滴入食盐水时碳棒附近溶液变红,看到了食醋中碳棒上气体的生成。一系列的现象让学生产生了收获的喜悦,明白了利用知识进行猜想并利用实验进行验证的科学探究,真正在“做科学”中获取知识,掌握实验技巧,领悟化学思想,用“手巧”提升了“心灵”。
  3.讨论辨析,深刻理解,成就水平
  观察现象是揭示本质的第一步,讨论辨析是探索本质的有效手段,为学生揭开了思维的一角,拥有了抵达成功的彼岸的动力。结合学习进阶理论,学生的讨论一方面显示了学生的水平阶段,另一发面促进了思维碰撞,大脑的剧烈运动进一步促进了学生思维水平的提升。
  本质讨论:通过实验,大家清楚地看到了电流的产生,哪个是正极?哪个是负极?各自发生了什么反应?形成原电池的本质是什么?
  在讨论中,学生结合初中物理所学过的电流,明白了电子从负极向正极移动,得到了铁棒做负极、碳棒做正极的结论;学生利用硫氰化钾溶液、氯水对溶液中的离子进行了检验,证明了Fe2+的生成;进一步结合现象得出了铁钉电化学腐蚀的本质。
  金属腐蚀本质:
  (1)析氢腐蚀 负极:2Fe-4e-=2Fe2+ 正极:2H++2e-=H2↑
  总反应:2Fe+2H+=Fe2++2H2↑
  (2)吸氧腐蚀 负极:2Fe-4e-=2Fe2+  正极:O2+2H2O+4e-=4OH-
  总反应:2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
  Fe(OH)2进一步被O2氧化生成Fe(OH)3,Fe(OH)3脱去一部分水生成Fe2O3·nH2O,它就是铁锈的主要成分。
  进阶式地讨论,循序渐进地推进,使学生的思维水平得到了螺旋式的上升,学生逐步了解了金属腐蚀的本質,进而学会了创新,利用这一原理建立了金属腐蚀的防护——牺牲阳极阴极保护法。这样的学习,不仅贴近知识本质,还贴近学生的最近发展区,使学生在本有的能力内“跳一跳”,逐步提升自己的综合水平。
  4.科学评价,构建体系,融会贯通
  评价体系的建立也是符合学习进阶理论要求的,赏识与鼓励是定性的评价,试题测试是定量的评价。在教学中,教师要能够将定性评价与定量评价相结合,让学生时时刻刻感受到来自学习的力量,激活学生心中的竞争意识。
  在学习了“金属的电化学腐蚀”之后,教师就可以利用试题的形式对学生进行定量评价,以检测学生对知识的掌握情况,了解学生灵活运用知识的能力,帮助学生形成科学、灵活的知识网络。
  试题评价:利用如图装置进行实验,开始时,a、b两处液面相平,密封好,放置一段时间.下列说法不正确的是(  )
  A.a管发生吸氧腐蚀,b管发生析氢腐蚀
  B.一段时间后,a管液面高于b管液面
  C.a处溶液的pH增大,b处溶液的pH减小
  D.a、b两处具有相同的电极反应式:Fe-2e-=Fe2+
  在试题的分析中,学生自动地采用进阶式的思维方式,先从学过的析氢腐蚀、吸氧腐蚀进行考虑,然后结合以前所学的知识引入容器内压强的大小,从而准确得出结论。这样的评价方式,帮助学生清楚地了解自己的水平所在,认识了自己,塑造了一个更好的自己。
  结束语
  学习进阶视阈下的高中化学实验课堂,尊重了学生的心理,改变了化学学科知识零散且缺乏衔接的现状,真正采用“学习进阶”的方式,实现了明暗两条线的融合。从明线上看,课程的推进,将初中到高中所有关于“金属腐蚀”的相关知识编制成网,在思考、实验、辨析及总结中获取了知识的内涵,形成了一张科学且灵活的知识网络;从暗线上看,关注了学生的心理,利用赏识、激励的方式杜绝了学生的懈怠情绪,将学生的精力集中在学习上,学生的能力自然就得到了提升。当然,在实践过程中,还会存在这样或那样的生成,这需要广大教师充分结合学生的需求,在进阶视阈下进行改进,以逐步完善我们的教学,全面满足素质教育的需求,切实推进教育事业的发展。
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