基于学生核心素养提升的中学化学教学设计研究——以“化学反应的快慢”为例

万延岚，薛瑞卿，刘会峦，刘 翠，王国明

一、引言

当前我国基础教育正从“知识本位”时代走向“核心素养”时代。“核心素养”已成为目前世界各国基础教育理论研究和实践变革的重大热点与趋势。2016年9月，《中国学生发展核心素养》正式发布［1］，探索基于核心素养的课程发展成为贯彻落实立德树人根本任务的必要路径，也是进一步深化我国基础教育课程改革所面临的挑战。

化学学科是一门承载着独特教育价值的自然科学，化学学科在漫长的发展过程中，不仅积累了丰富的化学知识，更积淀了化学家们认识物质、改造物质和应用物质的思想观点、科学方法、思维方式等［2］，这些知识、思想、观点、方法等对促进学生核心素养的发展具有重要价值。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中对化学学科核心素养做出了明确规定，分别是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［3］（P3-4），并对这五大学科核心素养进行了详细深入地阐述和分析。因此，探索基于学生核心素养提升的化学教学设计具有重要的理论价值和实践意义。基于此，本文以“化学反应的快慢”主题为例，进行核心素养下的化学教学设计研究。

二、教学背景分析

（一）教学内容方面

“化学反应的快慢”主题作为化学学科重要的理论性知识，是认识化学反应必不可少的一个维度。世界上许多国家都将化学反应快慢及其相关知识作为中学化学学科的课程内容，国内的高中化学课程更是将“反应”作为中学化学学科内容维度的三大主题（物质、结构、反应）之一。［4］因此，“化学反应的快慢”主题对学生深入理解化学反应特点和进程等后续相关知识的学习具有非常重要的意义。

从课程标准的要求看，《普通高中化学课程标准（2017年版）》在内容要求部分，对“化学反应的快慢”主题进行了明确规定。课程标准中明确指出，“知道化学反应平均速率的表示方法，通过实验探究影响化学反应速率的因素”、“体会从限度和速率两个方面去认识和调控化学反应的重要性”、“学会运用变量控制方法研究化学反应”［3］（P18）。可以看出，“通过实验探究影响化学反应速率的因素”是本节课的重点，而引导学生体会变量控制的研究方法，以及发展“变化”的观念在探究教学中应加以关注和渗透。

从课程内容的设置来看，“化学反应的快慢”主题既是对之前化学反应相关知识学习的提升与拓展，又是深入学习化学反应原理的必备基础知识之一。教材对化学反应快慢的认识是通过对化学反应速率的研究完成的。化学反应速率属于化学动力学的范畴，其涉及的内容非常丰富，但是，本主题教学的目的不是让学生深入认识化学反应速率的知识，而重点是让学生认识到化学反应有快慢之分，可以随着外界条件，如浓度、温度、压强、催化剂等的改变而改变。

（二）学情方面

教育心理学家加涅提出，教学是一种外部事件，教学设计的目的是要影响学习者的内部学习过程。［5］（P19）对于“化学反应的快慢”主题，学生通过已有的生活经验和其他学科知识储备，已经形成了对化学反应快慢知识的一般基础性认识。但是，这种认识只是感性的、模糊的认识，缺少理论化的概念界定和分析。另外，学生对于影响化学反应速率的因素，没有正确系统的认识，需要通过实验亲身探究和概括总结，使之系统化、规律化。同时，学生的实验设计能力也缺乏锻炼，需要在探究学习过程中加以锻炼。

三、教学目标与评价目标

（一）教学目标

一是知道化学反应速率的意义及定量表示。

二是通过“以孔雀石为原料模拟湿法炼铜”的实验探究，了解物质本身的性质、温度、浓度、压强等因素对化学反应速率的影响，体验以具体实验事实为证据对假设进行证实的探究历程，培养严谨求实的科学态度和创新意识。

三是通过了解中国科学家在配位化学领域的突出贡献，了解催化剂这一因素对化学反应速率的影响。

四是通过古今中外“湿法炼铜”工艺对比，了解湿法炼铜在反应原理和技术上的不断革新和发展，初步发展化学价值观，增强社会责任感。

（二）评价目标

一是通过学习化学反应速率的含义及定量表示，诊断并发展学生的概念理解水平（定性水平、定量水平）。

二是通过对“以孔雀石为原料模拟湿法炼铜”实验设计方案的交流和实验探究，诊断并发展学生的实验探究水平（基于经验水平、基于概念原理水平）。

三是通过对古今中外“湿法炼铜”工艺对比的讨论和点评，诊断并发展学生对化学学科价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。

四、教学设计思路与化学核心素养的渗透

“湿法炼铜”是我国古代科技发展的代表性成果，领先西方社会几百年，是古代铜的冶炼的重要方式。本教学设计基于化学学科核心素养的引领，以“孔雀石为原料进行湿法炼铜”作为教学情境素材进行教学设计研究。本教学设计核心研究思路如下：首先，通过古今湿法炼铜的情境导入新课，调动学生积极性；继而向学生展示并解释传统湿法炼铜的原理，引出化学反应速率的概念；在此基础上，以孔雀石为原料模拟古代湿法炼铜，引导学生从温度、浓度、反应物性质和表面积等方面探究影响化学反应速率的因素；探究完成之后，放眼国际，提供配位化学的相关资料，聚焦中国科学家在催化剂方面实现的突破；最后，师生共同概括总结，提升核心素养。设计思路如图1所示。

图1 基于化学核心素养提升的“化学反应的快慢”教学设计思路

在整个教学设计过程中，所有的教学设计环节均基于化学学科核心素养的引领，同时又都指向学生化学学科核心素养的培养与提升。具体地，通过对比古今湿法炼铜，能够使学生深刻领略我国古代劳动人民的智慧；通过分析湿法炼铜原理，可以让学生建立宏观与微观之间紧密的联系；通过实验探究“如何提高反应速率”，优化与提升湿法炼铜，引导学生从内因（物质的性质）和外因（表面积、温度、浓度）两个方面探索影响化学反应快慢的因素，实验过程凸显以具体实验事实为证据对假设进行证实，有利于学生形成严谨求实的科学精神和科学态度，培养学生的实验探究与创新意识。同时，整个教学过程通过引导学生学习丰富感性的湿法炼铜资料，了解湿法炼铜在反应原理和技术上的不断革新和发展，彰显化学科学发展在冶金工业发展中不可替代的作用，引导学生体会化学学科的价值，从发扬我国传统文化和中华民族伟大复兴两个角度，体会当代科学家肩负的历史使命以及每位学生应担当的社会责任。

五、教学过程设计

（一）创设情境，引入新课

【播放视频】中央电视台《国家宝藏》（云纹铜禁），呈现国内外与铜冶炼发展相关的湿法炼铜（又称“胆铜法”）文献资料，引导学生在观看视频和阅读文献资料中，感悟古代劳动人民的智慧与力量。

【学生活动】观看视频，倾听讲解，感悟智慧。

【图表展示、提问】展示我国第一座具有工业规模湿法炼铜厂；中国近几年湿法炼铜的产量仅占金属铜总生产量的5%。提出问题：为什么古代经典的湿法炼铜如今在中国却没有得到较好的发展？在中华民族伟大复兴的时代背景下，我们可以利用化学知识做出哪些努力，让我国历史上优秀的科技文明重现光彩？

【师生总结】湿法炼铜的本质是化学变化在工业生产中的应用。在工业生产中，要综合考虑生产成本、生产效率、生产原料、环保生产等多种因素，根据具体情况具体分析。

这一环节的设计意图是：课程资源是落实核心素养的物质基础。［6］从影视节目和中外古代冶金史出发，使同学们领略我国古代劳动人民的智慧与力量。同时，与我国当前湿法炼铜现状形成鲜明对比，引发学生思考“借助化学知识，我们能为湿法炼铜做些什么？”，在此过程中体会化学科学的价值和作为社会公民应当承担的社会责任。

（二）剖析问题，突出主题

【资料展示】古代胆铜法的工艺流程；胆水（铜离子溶液）来自于细菌与铜矿相互作用；《本草经集注》中胆铜法相关的历史资料。

【总结提出】胆铜法的原理为“铁置换硫酸铜”，这一方法主要由两步组成：获取胆水和金属铁置换硫酸铜。这一方法存在的主要问题是生产效率比较低。化学上，可以通过提高反应速率来提高生产效率。

【讲解概念】化学反应速率的意义及定量表示。

【提出问题】基于对化学反应速率概念的认识和对古代胆铜法的工艺了解，可以采用什么方法提高湿法炼铜的化学反应速率？

【学生活动】思考，回答。

【师生总结】在湿法炼铜中，可以通过提高反应温度、增大反应物的表面积、选择合适的催化剂、使用更高浓度的酸制得更高浓度的胆水、采用更活泼的金属及纯度更高的金属等方式来提高反应速率。

【板书】化学反应速率

这一环节的设计意图是：引导学生观看古代胆铜法的工艺流程，了解工作原理及其存在的问题，通过一步步分析问题，引发学生对“如何提高反应速率”的思考，调动学生思维积极性，切入主题。

（三）实验探究，提升素养

【问题情境】以孔雀石为原料模拟古代湿法炼铜，设计实验探究提高反应速率的途径。

【学生活动】小组合作，设计展示、评价、改进实验方案。教师在这一过程要有意识地向学生讲授“控制变量法”、“对照实验”等科学方法。

【实验探究一】探究提高“获取胆水”这一过程的反应速率。

表1.提高“获取胆水”的反应速率实验设计方案

【实验探究二】探究提高“金属铁置换硫酸铜”这一过程的反应速率。

表2 . 提高“金属铁置换硫酸铜”的反应速率实验设计方案

【师生归纳】通过对照实验，可以得出固态反应物表面积越大、液态反应物浓度越大、反应物的性质越活泼、反应过程中温度越高，都会不同程度上加快化学反应的速率。师生共同归纳影响化学反应速率的因素。

【板书】影响因素：1.内因——反应物性质；2.外因——温度、固体表面积、溶液浓度

【问题情境】给出实验过程中，各种反应物及反应物加工所需的成本。以小组为单位讨论，在考虑反应成本的情况下，你会选择哪种组合方式提高湿法炼铜的反应速率？

【师生总结】综合考虑成本和效益，选择最优化的提高湿法炼铜反应速率的方案。

这一环节的设计意图是：引导学生小组合作设计、改进实验方案，系统地引导学生从实验目的、实验方法、实验现象等多个方面对实验做出整体规划，提高学生的小组交流合作能力、实验探究能力和创新意识。实验过程中，影响化学反应速率的条件多次出现，同时有多种表示反应快慢的标志物，加上制取胆水与胆铜法两步实验之间相互关联，整个实验体系开放程度大，可以很好地培养学生宏观与微观、变化、证据推理等方面化学学科核心素养。最后，对影响化学反应速率的条件，基于成本和效益的角度让学生做出选择和权衡，从中优化方案，紧密联系社会生产实际，凸显化学科学价值。

（四）放眼国际，聚焦前沿

【资料讲解】展示1968年世界上第一所采用浸出、萃取、电积技术的湿法炼铜工厂；展示当前世界上湿法炼铜产量占铜总产量的比重约为25%；回顾我国当前湿法炼铜产量占国内铜总产量的比重约为5%；展示新技术的原理：铜矿+氨→铜氨络合物；分析铜矿浸出技术的发展得益于20世纪40年代配位化学的快速发展。

【提出问题】如果你是一名科学家，你将会从哪里出发为新技术的湿法炼铜寻求突破，实现超越？

【学生活动】学生思考，小组讨论交流，得出“催化剂”可能是改变现状最有效的方法。

【拓展讲解】展示我国科学家为新技术下湿法炼铜寻找到的有效催化剂；展示新技术下湿法炼铜的原理：CuFeS2+2S2O82-=Cu2++Fe2++2S；展示科学家研究数据；讲解选择合适的催化剂，也能够提高化学反应速率。

【板书】催化剂

【师生总结】催化剂可以低量高效地加快化学反应速率，是科学研究的重点与热点。同时，科学家们也并没有忽视温度、表面积、反应物浓度、不同反应物对化学反应快慢的影响。课堂实验与科学研究在根本上是一致的，脚踏实地，仰望星空，坚持不懈，才能承担家国重担，为中华民族伟大复兴贡献自己的力量。

这一环节的设计意图是：展示湿法炼铜的新技术，对比国内外湿法炼铜产量占铜总产量之间的比重，并展示原理、分析原因，使学生从此中感受到与国外存在的差距，激发学生的学习动机。同时，引导学生以科学家的身份继续思考，认识到催化剂的高效性，梳理之前实验中对温度、浓度、反应物、表面积等要素，对本节课的知识进行梳理与总结。最后，引导学生认识到课堂探究实验与科学研究本质相同，进一步激发学生的学习动机，鼓励学生勇于担当，为中华民族伟大复兴贡献力量。

（五）概括整合，深化素养

【总结交流】从知识、方法、观念方面，引导学生回顾总结本节课所学的主要内容，绘制概念图，畅谈收获，并从核心素养的角度整合深化学生的理解和认识。

【学生活动】总结交流，绘制本节课的概念图。

【课外拓展】据不完全统计，全世界每年钢材产量的约1/3因腐蚀而损失。已知钢铁的腐蚀是一种缓慢的氧化反应。请你调查研究：人们为了减慢钢铁的腐蚀，采取了哪些措施？

这一环节的设计意图是：加深对化学反应速率概念及其影响因素的理解，巩固本节课知识，提升学生的化学核心素养。鼓励学生运用所学的知识解决社会生活中的实际问题。

六、本教学设计的特色

本教学设计在山东省青岛市数所高中被一线教师采用，均反响良好，认为应用本教学设计思路进行教学，可以克服理论性知识的单调和去情境化，充分调动学生学习理论性知识的积极性和兴趣［7］，也能够很好地培养学生的化学学科核心素养，知识与素养同时得到了有效落实。反思本教学设计，可以看出本教学设计具有以下特色：

一是在核心素养的引领下设计教学，同时所有的教学设计环节都尽可能地指向发展学生的化学学科核心素养。具体地，基于化学学科核心素养，本教学设计选择“湿法炼铜”情境素材，整个教学过程对宏观与微观的联系、证据推理意识、科学探究与创新意识、科学精神与社会责任等化学学科核心素养进行了不同程度的外显和渗透。

二是重视情境、问题、活动三者的融合贯穿。本教学设计以核心素养为引导，创设了大情境“湿法炼铜”承载化学反应速率相关知识，并贯穿整个教学设计。设计中特别重视以问题为引导的探究活动，通过问题来调动学生的积极思维和活动探究。

三是重视我国传统文化的传递，注重学生社会责任感的培养。“湿法炼铜”是我国古代科技发展的代表性成果，选择这一情境素材不仅能够将理论性知识赋予一定的情境，激发学生的学习兴趣，同时能够将我国优秀的传统文化向学生展示和传递。通过古今湿法炼铜的对比、中外湿法炼铜的差距，渗透化学学科价值的同时，激发学生的社会责任感和使命感。