核心素养发展视角下的“单元设计”

褚幼萍

摘要：在核心素养发展为本的背景下，以“化学生电记”单元为例，从单元确定、内容安排、学习活动等方面阐述如何开展“单元设计”教学，努力建构主题式、结构式、体验式的课堂教学，以关注知识与素养的融合为重点，凸显学科本质与思想方法的渗透，促成“知识中心”到“素养中心”的转变。

关键词：核心素养;单元设计;化学生电

文章编号：1008-0546（2018）12-0050-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.017

一、核心素养的发展提倡“单元设计”教学

基于核心素养发展为本的教学是当前基础教育阶段的变革趋势和必然要求。每一个学科的核心素养对人的发展有其独特的作用，也应该承担起它在每个阶段促进学生成长的必要责任。高中化学核心素养包括了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、实验探究与创新意识、科学精神与社会责任五个维度，它集中体现了化学学科的思想、观念、情感、态度等价值元素，具有广泛的迁移作用与持久的解释效应，是学生适应终身发展和社会发展需要的化学关键能力和化学学科品格。

然而，素养不是说教和灌输就能速成的，它需要在长期的学习活动与开放的实践体验中不断内化而成，这就需要更多主題式、结构式、体验式的学习活动来完成。传统的“单课时”教学模式在这方面便会暴露出它的局限性。当我们在指责一些课堂教学过于偏重知识与技能的单一目标，而忽视了过程与方法、情感态度与价值观目标的时候，是否想过后者是需要在系统长期的课程中才能达成的。因此，“核心素养”一经提出，常规的教学模式就面临着严峻的挑战，“单元设计”的教学模式也就成为新的变式方向。单元设计打破了单课时的束缚 [1]，能将零散的知识组合成一个个结构化的版块，能在这些版块的铺陈中，把学科观念、学科思维、学科能力逐步展现与提炼出来，最终汇总成学科核心素养，实现了从“知识中心”向“素养中心”的转变。

单元设计教学要求教师整体把握教材，高屋建瓴地俯瞰学科知识体系，然后勾勒出一个个大主题，再相应地规划课时与知识内容，并有序地开展学习活动，使教学变得更具系统性和关联性。教学单元可以由教师根据自己的理解设定，然后在明确的主题下，选择、调整和补充教材内容，组编成单元版块。以苏教版专题2第三单元的教学为例，我们可以将“化学能与电能的转化”、“化学电源”整合为一个单元结构，主题设定为“化学生电记”，按照“怎样用化学生电”、“化学为什么能生电”、“化学生电的初步应用”、“化学生电器的发展”这条线索展开。它遵循了历史发展顺序，便于将现象发现、深入研究、观点提炼、原理应用等事件背后蕴含的素养一并显现出来，让学生感受到学科知识形成的过程中，学科素养所赋予的功能价值。

二、“单元设计”教学的内容组建

怎样以核心素养为本进行单元设计呢？本文分成三个步骤完成：首先提炼出与本单元最密切相关的核心素养要素。新课标 [2]指明：知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例，认识化学能可以转化为电能;并有素材建议：电池的历史沿革与发展，如伏打电池的发现、干电池的改进、燃料电池的应用。本单元教材内容承载着丰富的学科核心素养的内涵，下表1罗列出其中一部分。如果再结合教材模块顺序，我们发现此处可以侧重培养学生“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新精神”两大素养，这也比较契合我们的单元主题。

其次，我们需要对核心素养赋予本单元的思想意义进行解构。“原电池”理论从偶然现象中被发现到推广应用，之后有各种科学假说的提出，经由一步步实验方案的验证，获得了相应的结论，再进一步建构理论模型并发展完善，凭借的正是科学家强大的“证据推理”能力与“模型认知”思维。在教学中我们需要通过让学生自主建构新知感受这一素养的内涵。当然，“证据推理与模型认知”的前提是“科学探究与创新精神”。可以说，没有科学探究与创新精神就不可能提出任何假说，不可能设计方案获得任何事实证据，并使之发展成严密的科学理论，也不可能由最初的“伏打电堆”经由长时间的优化改进，演变成如今功能各异的化学电源。学生需要在动手体验与动脑思考中领悟到创新精神与科学品质的可贵。这样，课堂就需要设计开放性、探究性、自主性的学习活动，以保障这两大核心素养的体验式学习。

借鉴学科核心素养培养的课堂教学效标——核心知识、关键能力和核心品质 [3]，我们确定了本单元的课时安排与评价效标，如下表2：

第三步，以核心素养为统领，串联整合知识要点。“化学生电记”至少涉及了以下四个维度的知识内容，它们与两大素养的关系如图1。当学完原电池后，提醒学生进行“回望”：“原电池”原来是一种检验氧化还原反应本质的实验手段，也是实现它社会价值（产生电能）的一种方式，这就将两个维度关联在一起了。这应在前两个课时中侧重安排。在教学中还可以多方位挖掘科学史，并以多样化的素材形式呈现，充分释放其教育价值，其中“化学生电器”的改进史料和实物模型，平行推进了后两个维度，也表明了化学的价值追求与科学立场。这是后两个课时的主要内容。

三、“单元设计”教学的学习活动

单元目标需要在每一课时有效的学习活动中得到落实。以本单元前两课时为例，下面介绍主要的学习活动，如表3。

1.课前预学

课前学习材料安排了三部分内容：用本校“科普园”中学生喜爱的“导电材料测试仪”（图2）作为情境，驱动学生复习电学，总结形成电流的条件;以“锌与稀硫酸反应”为例，写出氧化还原反应的概念组，并尝试从微观层面来解释反应现象、能量变化，锌片变化、浓度变化;观察普通干电池的实物结构或图片，搜索资料，查询相关信息（图3）。

2.科学探究

（1）提出问题

展示各种电池及其工作时的图片，引发学生思考：电池是怎样被制作出来？人类是什么时候，又是怎样知道这种生电方式的？

（2）实验探究

史料1：在人类对电的初步认识和对静电的早期研究的历史背景下，伽伐尼发现了“青蛙触电”现象。

实验1：“还原”伽伐尼实验

“铁叉和铜叉分别用铁片和铜片代替，玻璃片用表面皿代替，青蛙内的体液用氯化钠溶液代替，蛙腿改用更灵敏的检流计。请模拟伽伐尼的实验，看看有什么发生？”

生物体外“生电”的实验证伪了伽伐尼的结论。但是电流是怎样形成的？结合课前预学，让学生从电流的形成条件去分析其中原因（必要提示：不同的金属由于活泼性不同，当浸入到同一种溶液中，表层堆积的电子数量会不同）。这种学习路径一方面有助于快速把原电池知识纳入到电学的系统中，认识到构成原电池的根本要素：不同的金属形成了电势差;电极、导线和电解液等构成了闭合回路。这可以减少一些不必要的是非辨析题。另一方面，这一体系作为初识原电池的对象，可以培养学生挖掘实验中隐性因素与隐性变化的思维习惯，克服只依据显性信息判断正负极或者产物的浅显认识。

对于本单元来说，学生需要知道的是原电池的“概念模型”，但是教师还需要具备其数学模型，因为一旦有了数学模型，便深谙“原电池有多种影响因素在制约着电势差、电流、放电效率”的道理。而这些信息也是学生在动手操作时一定会遇到的，教师便可有的放矢地引导，使课堂更具有科学性。这当然不是让学生去学习数学模型，但却能培养学生在整体把握事物时能兼顾细节的思维方式。

史料2：伏特经过一系列的研究后，成功制备出人类史上的第一个电堆，开拓出动电学领域。他认为电流的产生是由于两种不同金属的接触引起的。

实验2：“重温”伏特的研究路径

素材提供：Mg、Zn、Fe、Cu四种金属片;HCl、NaOH、NaCl三种溶液;表面皿、U型管、烧杯三种容器及其他用品。

上述实验2是需要较多时间来保障的，也只有足够时间的摸索，学生才能深入体验多种组装方式，并从电流形成条件去分析每一次组装结果。当他们发现不同的组装方式效果有所不同，就是在真切地“触摸”电流、电压、电阻等。而所选的不同容器、不同组装方式还会造成电池的不同外观与性能，绘制的装置图也会有所区别，这些问题的讨论触及了学科知识的本质，为提炼概念模型作好准备，也预埋了后面课时的化学电源演变史。

在反复的实验操作中，学生会发现“生电”时常伴有一些化学反应，这便是当初波兰科学家特则注意到的现象，也是不同于伏特的观点，即“化学说”的产生（史料3），这样就有了实验3的验证活动。当然，一个实例不能论证一种学说，课堂上也无法穷尽，教师可再选取一典例作为证据，让学生再次肯定自己的想法，“氢氧燃料电池”便是“反应生电”的极好例证。

史料3：“接触说”与“化学说”的争论。

实验3：“化学说”的验证

石墨电棒2支;FeCl3溶液和KI溶液;组装如图4。

（3）证据推理

选择了“化学说”以后，就需要返回到前面实验中去寻求更多的证据，并最终确定实验结论。这个过程主要是找出“生电”中发生的“氧化还原反应”。以伽伐尼实验为例，从检流计的偏转方向可以判定，铁是失电子端，那么，电子流到铜以后交给了谁？得了电子的物质是谁？应该出现什么现象？此时，可以提示学生：除了观察显性现象，还应该关注隐性的条件;除了即时可观现象，还要考虑延后積累效应。这样，就会有细心的学生想到：氧气的存在，这正好符合铁氧化的知识。在学生顿悟时让他们阅读“钢铁腐蚀”材料，并演示铁片上滴加酚酞的结果，真实地“看”到氧气参与的过程和结果。同理，伏特研究的每个体系，也都可以一一找出发生的反应：分别属于金属与酸反应或与氧气反应。这些分析最终让学生形成观点：“反应”与“生电”的因果关系。

安排一个课时让学生验证这三种学说，反复触摸“化学生电”法是必要的，因为核心素养本身就是指向过程而非结果的。正如刘前树教授所说：“化学核心素养应该体现双重基础性：不仅应该为不继续学习化学的学生做好社会生活的准备，也应该为继续学习化学的学生打下基础 [4]。”

（4）建构模型

如果说第1课时的焦点是探寻具体的事实信息，那么，第2课时的视角就转换到了建构模型。

选择“酸性介质，铜锌电极”为例，在问题分析中进行思维加工，让学生形成自己的心智模型：

建构模型的认知策略：

1.如何判断和解释正负极名称？两极材料的作用分别有哪些？

2.写出两极得失电子的微粒及前后变化过程（也称为电极反应式），标出反应类型，分析其对应的实验现象。

3.画出电子、离子的移动方向，分析它们的推动力分别是什么？从电极结构、反应速率、溶液浓度等方面分析这种移动产生的结果？讨论这种结果对电势、电流、电阻产生的可能影响。

4.相同材料，不同小组的组装方式，气体产生速率不同的原因可能是什么？一段时间后气体产生速率变化的原因又可能是什么？

5.与普通反应相比，化学生电法的总反应有变化吗？这说明了什么？再比较两种情况下离子、电子运动有什么不同？能量利用方式有什么不同？

6.从能量转化的类型和效率上分析氢气出现在铜片和锌片两处的不同意义。

7.请从“氧化还原反应”、“能量转化”的角度，用自己的语言给原电池下个定义，并绘制原电池模型图。

学生尝试给原电池作出新的定义：一种能将“氧化还原反应”加工使之产生电流的装置或者一种通过改变“氧化还原反应”的发生场实现化学能向电能转化的“仓库”。根据这样的定义，学生分别绘制了原电池的模型图，图5为其中一例。这是学生经过理解消化后的产物，是一种内在思维的外化形式，也许很粗糙，但是很珍贵。

（5）修正模型

再次按照上述的“认知策略”，解释三个实验事实，让学生各自评价与修正自己的心智模型。

事实1：“青蛙触电”现象

事实2：FeCl3和KI在石墨电极上“生电”（图4）

事实3：氢氧燃料电池

独立完成这个学习活动后，教师需要组织学生相互评价与展示汇报，适时追问与点评，使学生的思考不断地深入，最终让每个人的心智模型趋向科学的概念模型。

（6）应用模型

①辨析戴维的两句话：“两种金属和一种液体的伏特装置可用一种金属和两种液体的装置来代替”;“在两种金属中，同氧亲和势较大的一个形成液体中的正极”。

②铝燃烧能放出大量的热，设计方案将铝氧化释放出的化学能转化成电能。（科技在线：利用海水作电解质可制备出“海洋电池”。）

③指出图6中两池的能量转化形式;圈出图中“电压”、“外电路”部分;与铜锌原电池相比，它们的电压、电阻、电流是怎样形成的？指出甲池中两电极和电解液的作用，标出电子与离子的移动方向。

④你认为原电池可以验证氧化还原反应和电学原理的哪些规律？

⑤请构思（或编制）原电池的学习软件，并搜索网络，进行比较。

⑥以小组为单位，任意选择，在实验室里完成水果原电池和蔬菜原电池。

⑦伏打电堆有什么缺点？科学家们又会去琢磨哪些变量？“化学生电记”后来又发生了哪些事儿？（请阅读提供的化学史料。）

这个阶段既是应用模型的能力训练，也是学科知识的内化整理，最后还引出了后面两个课时的内容，使整个单元的内容设计更具有整体性与逻辑性。在后续“化学生电的初步应用”和“化学生电器的演变”两个课时中，将会介绍如何更好地利用“化学生电”法使电池家族壮大，同时推动各种理论的问世或发展的史实，从中体会技术的力量、设计的美感、成本的权衡、环境的制约、人类的智慧等等，感受到化学知识在与技术、信息、人文等的結合中创造出更大的社会价值和人类创新能力与科学精神的魅力。图7，8是笔者在教学之后收到的学生制作的软件作品。笔者相信以发展学生核心素养为主旋律的新课改会对学生的能力和品格有着更深层次的影响意义。

当然，本文的“化学生电记”无论是在单元主题、单元目标、内容素材，还是学习活动等方面还有许多值得探讨与改进的地方。单元设计教学是迎合新课程改革的一种教学变式，其目的就在于转变课堂教学的培养目标。笔者只是以此为例，呈现部分课时的教学片断，为的是尝试突破常规课堂教学的格局，在寻求学科核心素养能以一种更合理的方式得到落实的道路上贡献自己的绵薄之力。

参考文献

[1]  朱鹏飞.学科核心素养的研究进展及其对中学化学教学的启示[J].化学教学，2017（1）：8-15

[2]  教育部基础教育课程教材专家工作委员会，普通高中课程标准修订组.普通高中化学课程标准（征求意见稿）[M].北京：人民教育出版社，2016：15-16

[3]  刘凯，张贤金，吴新建.化学核心素养培养的课堂效度评析[J].化学教育，2017，38（5）：19

[4]  刘前树.试论化学核心素养的结构[J].化学教育，2016（21）：4-8