基于学科核心素养的初中化学科学探究

夏建华+杨静

摘要：以“探究铝和稀盐酸、稀硫酸反应”为例，运用翻转课堂的教学模式，开展了基于学科核心素养的科学探究。将科学探究的部分环节置于课前辅之于微课完成，课堂上主要进行猜想的分析、方案的论证、进行实验、解释与结论，并用POE教学策略进行拓展延伸，最后以中考真题进行巩固提高训练，提升了科学探究的品质，促进了学生化学学科核心素养的提升。

关键词：化学学科核心素养；科学探究；翻转课堂；案例研究

文章编号：1005–6629（2017）5–0046–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了学生通过化学课程学习形成的关键能力和必备品格。化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”5个维度。这些核心素养既适合高中化学，又涵盖初中化学。

初中化学教学中如何落实“素养为本”的课程理念，是当前化学教学研究的重要课题。本文以“探究铝和稀盐酸、稀硫酸反应”为例，运用翻转课堂的教学模式，创设真实的问题情境，引导学生开展以化学实验为主的科学探究活动，探索基于学科核心素养的科学探究基本模式。

1 教学基本思路

本节课的教学对象是已学过金属和酸的化学性质等相关知识的初三学生，学生在学习金属的化学性质时已经知道在金属活动性顺序中位于氢前面的金属能置换出稀盐酸和稀硫酸中的氢，生成氢气，但是铝和稀盐酸以及稀硫酸反应时的现象却不同，本课题设计的教学意图是让学生通过科学探究来解决这一认知冲突，教学目标有以下三点：一是深化前面学习时建构的“酸的概念”和酸的化学性质知识；二是学会从物质的组成和结构角度解释宏观现象，培养宏观辨识与微观探析的学科素养；三是让学生体验科学探究的过程、学习科学探究中发现问题、提出猜想、运用控制变量思想设计实验的基本方法，落实义务教育化学课程标准中对科学探究既是学习方式，又是化学课程的目标和重要内容的期待。教学思路如下：

1.1 课前——观看微课发现问题、提出猜想、设计实验方案

学生在课前观看教师制作的微课（见表1），观察到铝和稀盐酸、稀硫酸反应现象明显不同，学生根据教师在微课中的友情提示，独立地提出猜想，并设计实验方案进行验证。

1.2 课堂——科学探究（续课前）、拓展延伸、巩固提高

1.2.1 科学探究

学生分组对各自提出的铝和稀盐酸、稀硫酸反应现象不同的猜想进行讨论，找出合理猜想。

学生对合理猜想的方案设计进行论证，优化方案。

学生按照优化后方案进行实验，得出结论。

1.2.2 拓展延伸

运用POE教学策略，让学生预测、观察和解释：密闭容器内铝和稀盐酸反应过程中气压会如何改变？

1.2.3 巩固提高

运用中考真题强化学习效果，布置作业（翻转课堂平台展示）。

本节翻转课堂的科学探究过程中各要素及其行为主体结构如图1。

2 主要教学过程

2.1 课前观看微课，提出猜想，设计实验方案

学生课前在翻转课堂平台上自主观看微课，发现铝和稀盐酸、稀硫酸反应现象明显不同，提出猜想并自主设计实验方案。

2.2 课堂完成探究，得出结论

2.2.1 展示猜想，找出合理猜想

学生分组对这六种猜想的合理性进行讨論，然后各组推荐一名代表汇报交流。通过讨论，学生发现微课中的实验是在室温下做的，取了大小相同（表面积相同）的铝片，所以猜想④、⑤不合理；学生查阅溶解性表发现硫酸铝可溶于水，所以猜想⑥不合理；剩下的①②③即为较为合理的猜想。

2.2.2 对猜想①、②设计的实验方案进行论证

针对猜想①、②，教师展示了多个学生的方案，通过翻转课堂云平台下发到学生的平板电脑上，学生分组对各种实验方案进行评价和完善，然后各组推荐一名代表汇报交流，最后在教师的引导下对各种方案进行科学合理的评价，并优选出可行的方案。

验证猜想①：学生设计的几个具有代表性的实验方案如下：

在交流和互动的过程中，教师有针对性地引导学生对有关方案进行分析和评价。

教师：在设计对比实验时，常常采用控制变量的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对反应的影响。请同学们根据控制变量的方法对上述方案进行评价。

学生在讨论中对这三种实验方案进行了分析与比较。

学生A：方案二和方案一相比，控制变量的方法运用得较好，如控制了铝的表面积、反应的温度等。相比这下，方案一不够严谨。

学生B：方案三的特点是设计了两种酸的浓度在三种不同情况下（相等、大于和小于）的方案，虽然步骤较繁，但是更为严谨（学生设计此方案是受到了浓硫酸特殊性的影响，排除了特殊浓度的酸的特性的影响）。

学生C：在方案三的基础上我又提出方案四：控制其他条件都相同的条件下，将两种相同浓度的酸配制成从小到大不同的浓度，和铝反应观察实验现象。

学生在对现有方案进行科学评价的基础上，提出了新的方案。教师小结时指出：同学们能从不同角度设计出多种方案来验证猜想，并能指出各种方案的优点和不足，这正是我们学习化学需要的创新能力和科学精神。上述方案二、三、四都是合理的，提議由各小组自行选择一个方案进行实验。

验证猜想②：学生设计的实验方案如下。

在教师的引导下，学生很快对上述方案进行了质疑和评价。

学生D：方案一有两个变量，没有排除钠离子能否加快铝和酸的反应。

学生E：方案二是在此基础上增加一个加入硫酸钠对比实验，排除了钠离子的影响。

学生还围绕方案三进行了热烈的讨论。有的认为变量控制得较好，方案可行；有的认为右边加进去的盐酸是已知能和铝反应的物质，说服力不够。

经过讨论，学生选择用方案二来进行实验验证。

2.2.3 进行实验，观察现象，得出结论

学生分组分别完成猜想①、②的相关实验，然后分享各组观察到的实验现象，并得出结论，如表2、3所示。

2.3 拓展延伸

在实验的过程中，学生发现铝和稀盐酸反应时的现象比较特殊，一开始并不明显，后来慢慢变快，最后又停止，反应的同时放出热量。为了顺应学生的学习需求，教师提出了一个思考题：密闭容器中一定量的铝和稀盐酸反应，容器内气压随时间会如何改变？这里教师采用POE（即预测、观察、解释）教学策略引导学生进行科学探究。

预测：先请学生大胆预测密闭容器中一定量的铝片和稀盐酸反应过程中的气压变化，在平板电脑上画出图像，上传至翻转课堂云平台。然后教师借助于平台快速浏览学生所画图像，并选取典型图像进行对比展示，启迪学生说出预测的理由。学生在已有知识基础上进行了大胆的预测，现例举两例如下。

观察：进行实验，用气体压力传感器测出此反应的气压变化，学生观察曲线变化的图像（见图5）。

解释：学生解释曲线变化的原因。学生讨论后得出如下观点：AB段变化不明显是因为铝的表面有一层致密的氧化铝薄膜；BC段包含着以下反应过程：①氧化铝薄膜消失，铝和盐酸反应生成了氢气，导致容器内气压变大；②铝和稀盐酸反应放热，使容器内气压明显增加；③随着反应的进行，盐酸浓度变小，铝片的表面积也在不断减小，反应会变慢，最终反应停止，气压不再增大。CD段下降是因为反应停止，容器内温度高于环境温度，从而逐渐下降，导致气压减小。

那么温度的变化是不是如学生所预测的一样呢？教师又展示了课前用气体压力传感器和温度传感器同时测出的曲线（见图6）。学生发现温度曲线与自己预测的完全一致。

2.4 巩固提高

最后进入巩固提高环节。本节课的探究题材来源于2008年安徽省化学中考题15题，教师将该题通过云平台发送到学生的平板电脑上，让学生进行巩固练习。然后将2015年安徽省中考题15题发送给学生，与学生一起进行简单的分析，并且留给学生作为课后作业来完成，使得学生的探究结果能够得以运用，提升了学生学以致用的能力。

3 反思

3.1 通过高品质的科学探究提升学生的学科核心素养

创设真实问题情境，让学生开展以化学实验为主的多种探究活动，是落实“素养为本”的主要方法。从以上课例可看出，一个高品质的科学探究的教学设计应该具有以下特点：

（1）科学探究从真实的问题源起，以解决问题为结局。一个高品质的科学探究过程一定是源于一个学习、研究或生活中的真实问题，通过探究最终解决了问题，提升了认识。在本节课上，教师在微课上呈现了铝和稀盐酸、稀硫酸反应的实验，这种与学生已有认知相冲突的实验现象，激发了学生的探究意识，教师就此提出问题让学生进行猜想并设计实验，最终解决了问题，拓展了视野，提升了学生对盐酸中氯离子特殊性质的认识。

（2）科学探究过程是学生学科核心素养提升的过程，在探究过程中需要关注以下三个层面的问题：一是在探究过程中要尽可能涉及到重要的化学观念、主干知识、化学模型，促进学生对化学基础知识的理解和化学观念的提升。如本节课中设计实验需要用到酸的概念模型——电离出的阳离子都是氢离子，酸的化学性质——与金属及金属氧化物反应；解释与结论时要运用元素观、微粒观，要用宏微结合的化学思维来分析问题等。二是在探究过程中要尽可能让学生经历科学探究的主要过程——提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、观察现象、结论与解释等，让学生学习、体验科学探究。如在本节课中除了提出问题的主体是教师外，其他探究要素都是以学生为主体完成的。另外，POE教学策略也是一种科学探究模式，如本节课中的拓展延伸环节，先让学生对铝和稀盐酸反应过程中压力变化进行预测，然后教师演示数字化实验让学生观察压力变化曲线，再让学生解释三段曲线的变化。三是在探究过程中要启迪学生进行深度思考，提升学生的思维品质。如本节课中学生提出的六个猜想主要是借助于已有知识和微课中给出的提示通过逻辑推理得到的；设计实验时需要用到比较的方法、控制变量的思想，对思维的深刻性、系统性和独创性是一个实践和提升的过程，如验证假设①时设计的实验方案二需要考虑到各种因素（酸的浓度、体积，铝的质量、颗粒大小等）的影响，控制好自变量、平衡好无关变量，有效地训练了学生的思维严谨性；设计实验方案三时还考虑到两种酸比较时，可能出现的三种不同情况，对思维的系统性要求较高；验证假设②时的实验方案二既考虑到氯离子的影响，又考虑到钠离子的可能影响，培养了学生的辩证思维；对实验方案一和方案三存在的不足的评价，培养了学生的批判性思维。

3.2 翻转课堂为科学探究搭建了高效平台

笔者在“基于翻转课堂的科学探究典型案例研究——以探究钠燃烧实验中黑色产物的成因为例”[2]一文中曾论述了基于翻转课堂的科学探究基本模式。本案例也是对此模式的一个拓展研究。正是因为有了翻转课堂，使得科学探究的部分过程前移（如发现问题、提出猜想、设计实验等），学生有了适切的知识准备（微课提供）、充足的时间在课前实施科学探究的核心环节——提出猜想、设计实验，为实现深度思考提供了可能，也为课堂上高质量的小组合作、师生互动夯实了基础。如在本节课中，学生课前通过观看微课，根据微课提供的相关知识，围绕教师提出的问题提出了6种猜想并设计实验进行验证，在课堂小组讨论的基础上師生对6种猜想进行了论证，排除了猜想④、⑤和⑥，引导学生围绕猜想①、②设计的实验方案进行讨论，讨论过程中的观点交锋、思维碰撞提升了学生的思维品质和学科素养。由于课前学生进行了深入的思考，才会使得课堂的讨论有高度、有深度、有针对性。

本节课翻转课堂的课堂教学阶段，除了完成了一个规范的科学探究过程外，还包括延伸拓展和巩固提高两个阶段。拓展延伸实际上是本节课的第二个科学探究环节，学生在通过实验获得结论是Cl-的存在促进了铝和酸反应以后，又在实验过程中发现了新的问题，铝和稀盐酸一开始反应不明显，然后逐渐变快，又变慢最后停止。为了顺应学生的学习需求，于是教师提出了一个拓展问题，密闭容器中一定量的铝和足量的稀盐酸反应，容器内气压随时间会如何改变？学生运用化学和物理知识共同解决了问题，促进了学科之间的交叉和融合，这样的探究深度也得益于翻转课堂的教学模式。最后一个巩固提高的环节中，学生将所学的科学探究方法和相关知识运用到中考题中，通过练习及时检验、巩固学习效果。

3.3 数字化实验让科学探究绚丽多彩

化学是一门以实验为基础的科学。数字化实验以实验手段数字化、测量呈现实时化和现象规律可视化的特点丰富了科学探究的模式研究，促进了科学探究的发展。如在本节课的拓展延伸环节，数字化实验实时得到的压力和温度变化曲线，支撑了POE教学策略的成功实施。教师引导学生对曲线上三个线段的解释，有效地提升了学生的思维品质。如AB线段较平，学生需要在对酸的化学性质理解的基础上进行思维变通，从酸与氧化膜反应的角度进行解释；BC线段快速上升，学生分析的三个影响因素中，两个使反应变快一个使反应变慢，对学生的辩证思维是一个挑战。尤其是从反应放热角度推导出压强增大，对学生的发散性思维（从化学变化到物理变化）要求较高；CD线段逐渐下降，学生从实验过程中的温度变化趋势进行分析，这时教师又呈现了课前测出的反应时温度和压力的变化曲线，学生在数字化实验的助力下，发现自己的分析与实验结果完全一致，进一步激发了学生学习化学的兴趣。

参考文献：

[1]魏建方.对铝和稀酸的反应的探究教学[J].化学教学，2016，（1）：26～27.

[2]夏建华，宫鹏飞.基于翻转课堂的科学探究典型案例研究[J].化学教学，2015，（2）：36～39.