基于学生认知发展的教学实践分析

摘要：在分析学生已有认知经验的前提下，以高中化学金属钠的性质和应用为例，通过分类预测、實验探究、微观分析的方法开展教学实践，探讨了促进学生认知发展的元素化合物的教学方法，建构相关认知模型。

关键词：认知发展;真实教学情境;系统性实验探究

文章编号：1008-0546（2020）04-0014-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.003

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准》2017版修订原则之一是要求教学遵循学生身心发展规律，贴近学生生活实际，促进学生主动发展[1]。王磊教授在学习进阶的研究中也提出了这样的观点[2]：根据学习者现有的知识水平，结合已有的研究，发现可能的学习路径，就可能通过教学促进学习者学习。金属钠是高中化学元素化合物知识的代表物质之一，也是第一个学习的典型金属。因其性质与初中已习得的金属有一定的差异，导致学生对钠和氧气的化合反应、和盐溶液的置换反应等问题上出现认知差异。目前高中教师已经设计和实践了大量的优秀课例，分析相关文献可以发现，这些课例主要集中在生活中钠的事故及处理方法、围绕金属钠的相关实验改进、师生教学方式的改进等。在这些教学实践中，教师重视了情境的创设和合作探究的多样化的学习方式，但追求的仍是以金属钠的相关性质获得为目的，仍然没有突破元素化合物知识学习的思维惯性，对于教学过程中多角度多层次发展学生认知能力的实践研究并不多见。

本课题的教学活动以苏教版化学1第二单元第一节“金属钠的性质与应用”为载体，基于学生认知水平的发展，通过教学活动，拟解决以下3个问题：如何帮助学生形成自主认识元素化合物的一般方法，丰富学生认知角度;如何帮助学生体验高水平实验探究的过程和意义，促进学生认知发展;如何帮助学生建构元素化合物知识的认知模型，完善学生认知方式。

二、基于认知发展的教学设计

苏教版化学1教材编排为：通过钠原子和钠离子两种微粒结构描述钠的性质，提供实验方案进行观察性实验，探究钠的性质，对钠及其变化进行分类表征，分析钠的制法及用途。教材的编排思路体现出学习元素化合物的一般思路，关注了学生对具体知识的理解，并未注重学生认识能力的发展和提高。

《普通高中化学课程标准》2017年版中，对“金属钠的性质与应用”内容的相关要求为：结合真实情境中的实例，通过实验探究，了解钠的主要性质，了解钠在生产生活中的应用。在学业要求中建议从物质类别角度预测钠的化学性质，设计实验进行验证，分析、解释有关实验现象[3]。课标对教学的建议，突破了课本编排的以钠为中心的教学思路，建议创设真实情境，分类预测性质，开展高水平实验探究进行分析论证，预期学生敢于批判质疑形成理性思维。

学生在初三已有金属单质的物理性质和化学性质的相关知识经验，在化学l第一章中习得分类法、实验法、微观分析法。学生具有基于分类进行预测的能力，也具有一定的实验探究能力，但由于个体认知方式和认知水平差异较大，部分学生面对复杂、陌生的个性问题时，往往无法进行预测和分析，不能形成分析思路，只能靠背诵来解决问题。

基于教材、课标和学习者分析，本节内容确定的教学目标为：通过切身体验激发认知兴趣，了解钠的相关性质;通过类比预测明确认知思路，感悟元素化合物知识的学习方法;通过不同层次的实验论证感受认知角度，体验高水平探究的一般过程;通过证据推理掌握认知手段，培养严谨的科学态度;通过微观分析感悟认知方式，强化学学科知识素养;通过应用理解感知认知目标，明白化学学科实际价值。笔者根据学生已有经验，分4个环节开展教学实践建构学生元素化合物知识的认知模型。学科方法线：“激活已有知识→分类法预测性质→实验法论证预测→微观分析法解释用途”。在教学过程中笔者整合多种认知方式，唤醒学生已有认知经验，基于已有}人知开展多角度假设猜想，定向论证预测，帮助学生将金属钠的性质和应用纳入已有的认知结构，构建符合学生思维规律的元素化合物知识认知模型，帮助学生有意识地改善自身认知发展。

三、教学过程

1.呈现真实情境，激活认知储备

【情境与问题】投影与钠有关的四幅图片：（1）金属钠制取供氧剂;（2）钾钠合金消融肿瘤;（3）金属钠制取金属钛;（4）高压钠灯用于金属照明。引言：这是有关钠的四个真实生活情境，说明钠是我们生活中的重要物质。

投影：化学课本专题l目录截图，化学家是通过哪些方法研究物质的呢？（学生l参考投影上的目录，准确描述出“分类法”“实验法”“微观分析法”。）这节课我们就借鉴化学家的方法，研究陌生却重要的物质钠。

（1）根据分类法，钠单质属于哪一类物质？（2）根据常见金属的性质，预测金属钠有哪些性质？（根据方法提示，学生2、3能准确回答出钠是金属单质，并随机回答出一些性质，如金属光泽，和氧气反应等。）

【推理与假设】投影沪教版《化学》九年级上册1 14页截图“常见金属的物理性质”，116页截图“常见金属的化学性质”。请根据九年级教材的提示，补充物理性质和化学性质。（根据文本提示，学生4能预测物理性质，如银白色固体，金属光泽等;学生5能准确预测化学性质，如能跟氧气、稀盐酸、硫酸铜溶液反应。）

追问预测1：钠和氧气反应的产物是什么？反应的条件是什么？（学生6认为产物为氧化钠，点燃和常温下都能反应。）预测依据是什么？（学生6认为镁条在空气中被氧化，点燃时能反应生成氧化镁，钠比镁活泼，所以都可以反应生成氧化钠。）

追问预测2：钠和盐酸溶液反应的类型是什么？产物是什么？（学生7认为发生置换反应，生成产物氢气和氯化钠。）

追问预测3：钠和硫酸铜溶液反应的类型是什么？产物是什么？（学生8认为发生置换反应，生成产物铜和硫酸钠。）

设计意图：以图片形式呈现生活中的四个真实场景，贴近学生生活实际，明确钠的重要作用，唤醒学习注意。展示教材中前一專题的文本，提示学生分析研究物质的一般方法，激活已有知识经验储备。从学生归纳出的分类法入手，引导学生预测钠的相关性质，在学生认知无法系统生成时，提供初三教材文本，帮助学生建立新旧知识间的联系，提取迁移知识。用追问的方式，促进学生对三个预测的思考，激活已有相关知识储备，明确学生认知偏差，生成课堂研究点。

2.定向实验探究，修正认知差异

探究点一：钠常温和加热下能否和氧气反应？产物是否都是氧化钠？

【实验探究l】找到实验盒中封在玻璃导管[4]中隔绝空气的钠和塑料袋中接触到空气的钠，对比两种钠块的颜色，说明现象，分析原因。（根据实物对比，学生9描述，玻璃导管中的钠块有金属光泽，塑料袋中的钠块没有光泽，是白色的，说明钠和氧气反应生成白色固体，钠常温下能和氧气反应。）

【实验探究2】用玻璃棒推出导管中的钠块，置于易拉罐底部的铝板凹槽，用酒精灯加热点燃[5]，观察实验现象，分析原因。（学生10：钠块燃烧生成淡黄色固体，钠能在氧气中燃烧。）

【推理与结论】根据观察到的现象，判断两种条件下生成的产物是否相同？判断依据是什么？（学生6：不同，因为两种氧化物的颜色不同，所以产物不同。）展示图片：白色的氧化钠和淡黄色的过氧化钠。类比图片和实验现象，判断钠和氧气在两种条件下反应的产物分别是什么？（学生6：钠和氧气常温下反应生成白色的氧化钠，加热时生成淡黄色的过氧化钠。）

探究点二：钠能否和盐酸反应生成氢气？

【演示实验1】2mm₃钠块在针筒中和O.Olmol/L的盐酸溶液反应，推出并点燃针筒中的气体[6]。

【推理与结论】描述看到的现象，气体是氢气吗？预测2是否正确？（学生II认为针筒中有气体生成，气体点燃有黄色火焰，因为溶液有钠离子，针尖部分出现钠离子的焰色，结合元素守恒，所以气体为氢气，预测正确。）

探究点三：钠能否和硫酸铜反应生成铜和硫酸钠？

【实验探究3】用镊子夹取塑料袋中压成片状的Imm₃的钠块，放入盛放在小盒内的硫酸铜溶液中，观察有没有红色的铜生成。

【推理与结论】是否出现红色的铜？预测3是否正确？还有什么现象？猜测钠和硫酸铜溶液中的什么物质在反应？说明判断依据？（学生12认为没有红色物质，说明预测三错误，看到了钠片变成钠球浮在水上，在动，有声音，有蓝色的沉淀，预测可能跟水发生反应。）

【实验探究4】同学12根据实验现象做出了新的推测，根据他提供的四个观察点（见表1），定向探究钠和水的反应：用镊子夹取塑料袋中压成片状的Imm-的钠块，放入盛放在小盒内的水中，观察。

【推理与结论】看到什么现象？能否说明钠和水反应？（根据文本提示，学生13能准确描述钠和水反应浮在水面上、熔化成小球、运动、有响声，说明钠和水能反应）这些现象说明了钠的什么性质？（学生13认为钠浮在水面上说明钠的密度比水小;熔化成小球是钠的熔点低，使钠熔化的热量来自于反应放出的热量;气体推动，气体发声导致小球会动会响，根据组成元素，预测气体是氢气。）

【情境与问题】硫酸铜溶液和钠的针筒实验，点燃气体;水和钠的针筒实验点燃气体。同样进行针筒实验，都能观察到气体的燃烧，说明同学12的预测正确。请利用物质的组成元素分析蓝色沉淀是什么？预测钠和水反应除了氢气外还生成什么？（学生14认为蓝色沉淀为氢氧化铜，钠和水生成氢氧化钠。）

【实验探究5】向钠和水反应后的溶液中滴加酚酞，验证学生14的预测。

【推理与结论】什么现象？同学14的预测正确吗？根据这两组实验和结论，分析硫酸铜溶液中的蓝色沉淀是怎么生成的？（学生8通过酚酞变红，认为同学14的预测正确，分析钠和硫酸铜溶液的反应是钠和水先生成氢氧化钠和氢气，氢氧化钠和硫酸铜再生成氢氧化铜。）同学8通过类比分析，完善了自己对钠和盐溶液反应的认知。若希望钠能置换出铜单质，你会给我怎样的建议？（学生8建议不要有水。）

【视频实验l】在蒸发皿中加热无水硫酸铜粉末，加入5mm₃的钠块，搅拌。剧烈反应，火星四射，蒸发皿破裂，底部出现红色物质。

【推理与结论】展示蒸发皿底部的红色物质，得到什么结论？（学生15回答，没有水的情况下钠能置换出不活泼的铜。）

设计意图：对前一环节中学生提出三个预测，设计一系列的实验方案，或证实或证伪。通过开展差异性实验探究，修正学生预设和生成之间的认知差异，教学环节的两个教学创新点为：（1）在教学过程中利用对比氧化钠和过氧化钠的实物图片，帮助学生辨析钠和氧气在两种不同情况下的产物，修正原有的认知偏差。（2）根据实验对学生预测的钠和硫酸铜溶液反应的证伪，跟进预测钠和水反应，利用学生对前一个实验的分析生成观察量表，实验证实钠和水的反应，跟进预测钠和硫酸铜置换出铜的条件，实验证实钠和盐的反应。在教学过程中利用追问的方式进行师生对话，引导学生深度思维，重构知识联系，促进记忆编码，完善认知结构。基于学生的课堂表现能够论证，随着教学的进行学生的知识理解及认知能力有了提升，体验了探究彰显科学精神的过程。

3.解决真实问题，完善认知过程

【情境与问题】刚刚同学体验的三个实验，模拟了生活中三个真实的情景。钠在铝盘上加热制过氧化钠，钠和水反应消融肿瘤，钠和熔融金属盐反应制金属。

投影：图片（l）金属钠制取供氧剂。图片（2）钾钠合金消融肿瘤。图片（3）金属钠制取金属钛。请同学们将三幅图片中的介绍，改写成化学反应方程式，并标出钠元素化合价的变化。（学生16上黑板板书。）请找出这些反应中钠元素的化合价的变化？电子转移的数目？画出钠原子和钠离子的结构示意图，并从微粒结构的角度分析钠原子和得失电子之间的数量关系？（学生17上黑板板书并分析：根据双线桥法分析得到钠和转移的电子数目是I：I，钠的原子结构中最外层是1个电子，所以在反应中1个钠原子很容易失去1个电子形成钠离子。）

【问题与讨论】根据刚刚习得的化学知识，思考：金属钠应该如何保存？为什么？（学生18认为要密封保存，隔绝空气钠会和空气中的氧气和水反应。）

实物展示：小块钠保存在煤油中;图片展示：大块钠密封在石蜡中。

生活中钠的保存就是同学18提出的方法，利用有机物隔绝空气。自然界中有没有天然钠单质的存在？为什么？（学生18认为没有，钠会和空气中的氧气和水反应。）

图片展示：1807年戴维利用电解碳酸钠第一次获得钠，目前T业上最常用的钠的制取方法是食盐熔融电解法，请写出工业制钠的方程式。

设计意图：化学课程的社会性体现在利用化学知识解决生活中的问题，本环节的教学中选用积极正面的图片和真实的案例，旨在帮助学生了解化学的社会价值，反思化学对社会发展的积极作用。利用微观分析法帮助学生关联三重表征，用简单化学符号描述复杂的宏观现象，整理复习认知方式，将有意义的关联纳入认知结构，帮助学生从学习理解到应用实践，最终建立认知模型。

结束语：今天同学们利用化学家的眼光研究了生活中的重要物质钠，初步感受了分类预测、实验探究、微观分析的研究方法，明确了类别通性和个体性质之间的差异。希望同学们能继续用化学家的眼光和方法研究更多的化学物质，共筑中国梦。

四、教学过程分析

1.从知识解析走向学生认知发展，形成自主认识元素化合物的一般方法

用四个真实的情境引课，投影化学课本专题l目录截图，根据学生总结出的研究思路，分类预测钠的相关性质，将初三教材文本设置为触发器，帮助学生生成系统认知，系统完善对钠的预测。基于预测，设计实验方案，寻找证据论证猜想，完善认知结构，分析引课的真实情景，利用原子结构、化学方程式、电子转移等符号建构认知体系，基于习得知识，解决生活中的相关问题。在教学实践中，学生的认知方式由共性到个性、由宏观到微观、由孤立到关联，生成了认识元素化合物的一般的方法：了解物质在生活中的情境，分类预测相关性质，实验论证相关预测，多角度完善相关认知，用已有认知解决生活中的情境。

2.从观察性实验走向多角度认知，体验开展系统性实验探究的过程和意义

探究性实验从实验形式上可以分为学生分组实验探究、教师演示实验探究和视频实验探究，从实验能力上分为基于观察的思考性实验探究和基于论证的系统性实验探究。简单安全的实验设计为学生分组实验，如钠和氧气、钠和硫酸铜溶液、钠和水的反应;操作复杂的实验设计为教师演示实验，如钠和酸溶液的反应，针筒反应操作中有入酸口位置，抽推速度等多处注意点;操作风险系数高的实验设计为视频实验，如硫酸铜固体和熔融金属钠的反应。在利用实验开展教学的过程中，不断明确开展实验的目的是为了论证学生的三个假设是否正确。钠和氧气、钠和盐溶液的实验探究均发生了认知误差，这种误差是通过就知识的迁移自然生成的，通过观察性实验机械记忆实验结论难以改变学生的认知，通过能力水平层层递进的定向实验探究，可以促进概念的转变。对比基于观察的思考性探究，基于论证的系统性实验探究更强调学生的认知发展过程，为什么要做这个实验，预期看到什么现象，说明什么结论，在实验与预期有偏差时，分析偏差，再次设计方案，跟进实验论证。学生在学习过程中明确了认知行为，即：预测提出探究方案，设计、评价、优化方案，根据实验进行推论，对异常进行分析解释、对结论进行描述说明。

3.从知识点走向基于素养进阶的教学，建构元素化合物知识的认知模型

利用教材文本为支架，引导学生从氧气、酸溶液、盐溶液等认知角度分析金属的相关性质，利用降低学生思维起点，不断采用追问的方式，引发生生对话，师生对话，生本对话，在互动过程中不断发生思维碰撞，引发学生对生活情境、研究方法、实验现象的思考和探索，激发学生认知思维始终处于高度活跃状态，环环相扣地开展推理论证，最终修正自我认知结构，形成促进学生认知发展的元素化合物知识的一般教學思路，即将真实的生活情境转化为化学学科问题，用实验探究的方法分析问题形成学科知识，利用学科知识分析生活中的复杂情境。

综合上述，基于学生认知发展的教学设计能建构元素化合物知识的认知模型（见图1），帮助学生有意识地改善认知方式和认知行为，有效促进了学生的认知发展。

参考文献

[1][3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：2，16-19

[2]王磊，黄鸣春.科学教育的新兴研究领域：学习进阶研究[J].课程·教材·教法，2014（1）：113

[4][5][6]王澄，孙宇红.苏教版教材中“金属钠性质”的实验改进[J].化学教与学，2014（11）：94-95