基于深度学习的金属学习单元设计

彭了 于秋红 郑弢 吴征辉 周逸清 冯岸超

摘要：以“金属学习单元”的设计和实施为案例，从学习目标的确定，核心表现型任务群的设立，单元实施情况和评价与反思几个方面论述了“深度学习”的要求和效果，为教师进行基于“深度学习”的学习单元的设计提供参考。

关键词：深度学习，基于标准的学习，基于理解的教学设计

文章编号：1008-0546（2020）05-0064-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.017

在教育领域，“深度学习”的概念在1976年被瑞典教育学家费伦斯.马顿和罗杰.萨尔乔提出，是指学习者加工信息水平相对更加深入的学习方式。近年来，为了进一步落实“核心素养”，北京师范大学化学学院“深度学习”项目组的胡久华老师提出，当前的深度学习具体是指“在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。”在上述思想的指导下，我们对“金属及其化合物”学习单元进行了设计开发。在这一过程中，“基于标准的学习”和“追求理解的教学设计（understanding by design，UbD）”的思路也对我们有所启发。

一、学习单元设计基础

根据2017年版《普通高中化学课程标准》（简称新课标），金属及其化合物的单元学习属于必修课程“主题2常见无机物及其应用”的内容范畴。因此，我们所设计的金属及其化合物的学习单元以“2.4金属及其化合物”作为核心内容，同时渗透了“2.1元素与物质”，“2.6物质性质及物质转化的价值”等相关内容。

该金属及其化合物的学习单元面向学校直升化学Ⅱ和直升化学Ⅲ的同学开展。在此之前，学生已经通过“氧化还原反应”和“离子反应”的学习，系统地掌握了复分解反应和氧化还原反应的原理基础;结合之前学习的元素周期表、元素周期律和物质结构基础，他们能够从元素在周期表中的位置、物质类别和物质结构，推测和解释元素及其化合物的基本性质，初步理解了“结构决定性质”的基本思想;最后，他们也分别学习了金属的代表元素钠和非金属代表元素氯及其化合物的性质和相互转化，初步了解了元素化合物的学习方法。

二、基于深度学习的单元设计思路

在金属及其化合物的传统学习中，将镁、铝、铁、铜四种金属元素分开学习，分别学习每一种金属在元素周期表中的位置，金属及其化合物的物理化学性质这些碎片化的知识点。为了促进学生的深度学习，在单元设计之中，我们从解决真实生活或者工业生产中存在的实际问题的角度切入，通过核心表现型任务的设计，让学生直接面对要解决的问题，以终为始，真正启动学生的自我学习系统。学生在解决问题的过程中，能够主动完成对金属及其化合物的学习、理解和迁移运用。此外，在学习过程中，注重对不同金属的类比和对比学习，有助于学生形成结构化的知识体系。

进行单元设计的第一步，就是确定学习目标。根据UbD的设计标准，我们从学习迁移、持久理解和核心问题三个维度确定学习目标，在学习单元设计过程中，通过核心问题的设计引导学生持久的思考和学习。因此，结合新课标，我们将“如何分离提取、分析鉴定、妥善保存和合理使用金属材料？”确立为学习的核心问题，该问题包括4个维度的学习内容（如表1所示）。

围绕该核心问题，我们进而确立学习迁移和持久理解的目标如表1所示。基于学生已有知识基础，在持久理解的范围内，我们再次强调“元素周期表”和“物质结构”作为化学学习基本工具的重要性，即引导学生建立和强化“位置一结构一性质”的模型认知。

最后，在钠及其化合物的旧知基础上，通过镁、铝、铁、铜四种常见金属元素及其化合物的学习，学生能够掌握金属元素及其化合物学习的一般方法，初步形成自己的思维模式，为元素化合物的继续深入学习奠定基础。

（一）单元学习目标（表1）

（二）核心任务（群）

在确立单元的核心任务之前，我们通过调查问卷进行了学情分析，在“你最愿意参与的课堂活动”之中，71%和65%的同学分别选择了探究性实验和验证性实验。学生对于实验的热情使得我们决定将综合性的探究实验作为单元的核心任务，以提高学生的学习兴趣。另一方面，深度学习要求，对单元学习主题，也就是核心表现型任务，需要满足以下条件：（1）任务来源于日常生产生活问题;（2）能够激发学生的兴趣;（3）具有一定的可操作性;（4）承载化学学科的核心知识和核心素养。基于深度学习的要求和学情分析，我们在充分讨论的基础之上，将解决实际问题——“矿石中金属元素的检验”作为该单元学习的主题。具体地，给学生提供一种未知矿石，该矿石中含有若干种金属元素，要通过化学实验的方法将其分离并鉴定。学生拿到矿石，通过观察这种矿石的颜色和状态，产生的第一个问题就是“这种矿石中含有哪些金属元素？”自然而然产生的下一个问题就是，“如何检验这些金属元素是否存在？”这就进一步涉及到，如何把矿石中的金属转化为溶液中的離子？在转化过程中有哪些注意事项？在上述思维过程中，涉及到金属在自然界的存在状态，金属矿物的冶炼（湿法冶炼），常见金属离子的分离（转化）和检验方法等，这都是金属及其化合物单元的核心内容。

根据王磊教授的《基于学生核心素养的化学学科能力的研究》，要完成上述核心任务，需要学生具有“复杂关联”和“系统探究”的能力，这对于学生提出了较高的要求。为了成功地完成这一具有一定挑战性的核心任务，我们在核心任务之前设计了一定的预热任务，作为脚手架为学生提供任务完成需要的基础知识和能力，包括“寻找生活中的金属材料”和“金属资源的开发利用”。从寻找生活中的金属材料开始，在熟悉的生活场景中，利用生活中熟悉易得的原料，开启学生对于金属单元学习的思维系统，在比较不同金属单质的物理化学性质时，引导学生进一步应用之前已经初步形成的“位置-结构-性质-功能”思维模型;在这个任务的基础之上，学生自然会产生的问题就是，这些金属资源是从哪里得到的？我们如何能够从自然界中提取金属资源？从而引出第二个任务，金属资源的开发利用，在该任务的进行过程之中，落实基础知识，通过对于工业流程的熟悉和对于化学方程式的书写，建构学生自己的思维体系。

（1）寻找生活中的金属材料

新课标关于金属及其化合物的学习中，要求“结合真实情境中的应用，了解金属及其化合物的主要类型，了解这些物质在生产，生活中的应用”，“能说明金属及其化合物对社会发展的价值，对环境的影响”。因此，我们设计的第一个任务即为“寻找生活中的金属材料”（表2）。

金属材料，尤其是合金材料在日常生活和国民经济中占据重要地位，与学生的生活有紧密的联系。在学习过程中从生活中的金属材料人手，体现了化学与工业生产和生活实际的联系。金属单质的性质是金属元素性质的一种体现，也是金属化合物性质的基础，从金属单质的性质开始学习，符合学生的认知规律。不仅要寻找和发现金属材料，了解它们的组成和用途，还要求用已有的化学认知模型对其进行解释，强化了“结构决定性质，性质衍生功能”的基本思想。

（2）金属资源的开发利用

在发现和寻找到生活中广泛存在的金属材料的过程中，学生对于金属材料学习的兴趣得到促进，自主开始思考，这些金属材料从何而来？如何从自然界中提取？从而开启下一个任务“金属资源的开发利用”。

落实化学方程式是元素化合物学习的基础，也是在学习过程中学生相对较为薄弱，需要多次练习的部分。过去的化学方程式的练习往往较为枯燥，不能够吸引学生主动学习的兴趣。考虑到金属化合物单元涉及到较多的工业流程，我们向学生提供了镁、铝、铁、铜四种金属冶炼工业流程的描述性文字，同时创设情境，假设学生是某金属冶炼工厂的化学工程师，需要向工厂的新员工展示这些金属冶炼的工业流程图，尽可能地找寻在整个工业流程中涉及到的化学变化过程，并写出它们的化学方程式并进行展示。

该任务需要学生在阅读资料的基础上完成，培养了学生在科普阅读中接收、吸收、分析、整合信息的能力，这些都是新高考所强调的。在阅读的过程中寻找化学反应和绘制工业流程，有学生的主动参与和创作，增加了任务的趣味性，同时创设了一定的情景，从而能够引导学生的自主探究，启动学生的自我系统，并且在此过程之中实现基础知识的学习。例如，对于镁和铁的金属资源的获取，我们分别提供了《海水中镁的提取》（部分内容如资料卡片所示）和《铁矿石的冶炼（高炉炼铁）》的文字资料，还穿插了一些问题引发学生的思考。同时，我们也鼓励学生查询自己感兴趣的金属的冶炼工业流程，并绘制对应的流程图。

（3）矿石中金属元素的检验

在“金属资源的开发利用”任务中，学生对金属冶炼的常见原料“矿石”有了基本的认识并且产生了一定的兴趣，但对于不同金属元素的学习仍然是相对独立的。然而，在自然界中很多矿物中的金属元素常常是伴生的，这就涉及到混合物中金属元素的分离和检验问题。因此，我们将“矿石中金属元素的检验”作为本单元学习的核心任务，让学生在主动解决该复杂真实问题的过程中获取知识和能力。

和常见的验证性实验相比，“矿石中金属元素的检验”是一个结果未知的探究性实验，能够充分引起学生学习和探究的兴趣，从而能够改变以往验证性实验中，学生操作积极性不高的状况。从方案的设计，到需要使用的药品，在实验安全允许的情况下尽可能地满足学生，为学生的探究提供坚实的保障。鼓励学生对于同一种离子，通过多种不同方法进行鉴别，也鼓励对于多种不同的实验方案进行评价和筛选，培养学生分析总结评价实验方案的能力。

因为矿石中多种金属元素的伴生，使该任务的实质是多种混合离子的检验，而不是单一离子的检验。需要学生在检验一种离子的时候能够考虑其他离子可能存在的干扰，有的时候还需要进行分离，以及考虑实验失败的可能性。这一过程能够有效地在真實的情景中培养学生“排除干扰”和“分离提纯”的化学观念，也促进了同学们对于“取样”这一操作的重要性的理解。

从化学学科核心素养的培养角度，这三个任务几乎涵盖了学科要求的五大核心素养，即宏观辨识与微观探析、变化观念和平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任，重点对宏微结合，模型认知和科学探究三大核心素养进行了培养和提高。从任务的设计上看，三个任务对于基础知识和能力的要求逐步上升，从金属单质的性质到金属化合物的性质，再到混合物中金属的转化和相关离子的检验。从马扎诺目标分类学的角度，第一和第二个任务主要涉及知识提取和理解分析，第三个任务主要涉及知识的综合运用，体现了知识能力的逐级提高。任务的设计环环相扣，每一个任务的结束并不意味着学生学习的结束，而是下一个任务的开始。

（三）工具和量规

整个单元学习的过程中，我们为学生提供了多种资源和相应的量规作为学生学习的脚手架。学习资源主要包括校本教材（高中化学Ⅱ《无机化学基础读本（下册）》），参考工具书和实验视频（如硫酸铜与氨水的反应，氢氧化铁的制备和性质等），以促进学生通过自学自研掌握基础知识。量规包括“实验方案设计量规”和“实验量规”，前者更强调实验方案设计的安全性、可行性、简约性和有效性，而后者更强调规范的实验操作，仔细的实验记录和对实验现象的分析。

三、单元实施情况

（一）寻找生活中的金属材料

在“寻找生活中的金属材料”子任务中，优秀的学生作业寻找到了成分比较明确的铝箔和菜刀。前者通过金属铝较高的熔点（相对于钠和镁而言）解释了其为什么在能够在烤制食物过程中有所应用，也通过其较小的密度和较好的延展性解释了其为什么能够广泛作为食品包装使用。而在菜刀的例子中，同学通过不同金属的性质解释了它们作为添加成分对于菜刀性质的作用。

（二）金属资源的开发利用

“金属资源的开发利用”子任务中的优秀学生作业分别完成了铝土矿冶炼金属铝和火法炼铜的工业流程图的绘制，和其中化学反应方程式的书写。在要求的基础之外，学生还饶有兴趣地绘制了实际的工业流程的装置图，体现了学习兴趣的提高和自我学习系统的启动。

（三）矿石中金属元素的检验

“矿石中金属元素的检验”由三个部分组成，即（1）在自学自研的基础之上，观察矿物，分小组讨论实验方案，在方案讨论过程中教师适当参与，给予一定的指导;（2）在确定实验方案的基础上，每个小组拿到个性化的实验药品，小组合作完成检验实验和实验报告;（3）对实验过程中发生的现象进行分析，对不同小组的不同检验方案比较，评价和总结。具体不同离子的实验检验情况如表3所示。

（1）铁元素的检验：在实验中，大部分学生通过最常见的加入SCN-生成血红色的Fc（SCN）₃配合物来检验。在后续检验Cu²⁺的过程中，他们又发现碱如NaOH或者氨水也能够与Fe³⁺生成红褐色沉淀，将这一原理也用于铁元素的检验之中，从而在实验的过程中学习掌握了一种元素的多种检验方法。

（2）铜元素的检验：在铜元素的检验中的主要困难是，混合物中可能存在的Fe³⁺也会生成沉淀，从而对Cu²⁺的检验产生干扰。因此，不能够过多加入强碱如NaOH生成沉淀的方法来检验Cu²⁺。同学们通过实验和思考另辟蹊径，通过生成有特殊颜色的配位化合物（加入过量氨水生成[Cu（NH3）]²⁺，此时Fe³⁺和Fe²⁺已沉淀，不干扰配离子颜色的观察），置换反应（生成有特征颜色的金属单质），以及焰色反应等来实现检验。

（3）铝元素的检验：与Cu²⁺类似，在铝元素的检验中，如果直接生成Al（OH）^{3+*沉淀，那么Fe3+和Cu2+的存在都会对实验产生干扰，因此需将Cu2+和Fe3+分离。此时，大部分同学采用了加入过量氢氧化钠的方法，在生成氢氧化物沉淀之后取上层清液，然后通人过量CO₂观察是否生成氢氧化铝的絮状沉淀来检验溶液中是否存在Al2+。有一组同学尝试了加入锌通过置换反应除去铁和铜的方法。这种方法虽然能够除去杂质，但是会引入Zn2+对Al3+的检验产生影响，从而得到错误的实验结果。在实验结束之后通过小组讨论，同学们共同意识到了这种方法的问题，从而培养了学生对于“除杂不引杂”的思想的深入理解。}

为了改变以往的实验过程中学生的实验记录习惯较差，如不能够真实细致地记录实验现象，不能够将化学方程式与实验现象的解释结合在一起等情况，我们将本次实验设计成为了实验考试，对每一个实验记录和解释进行精确赋分，对每一种离子通过多种方法进行检验的小组给予加分，引导学生培养在实验中仔细观察和忠实记录实验现象，在完成实验之后认真反思总结的习惯。

在实验结束之后，针对大家不同的实验方案，以及实验过程中遇到的各种问题和相应的解决方案，同学们以小组为单位进行了分享和讨论，对不同的实验方案进行了比较和评价，通过这一过程，将本单元学习的金属及其化合物的结构、性质和功能整理成为了结构化的知识。

在三个任务结束之后，我们对不同班级的同学分别进行了访谈，了解他们在通过基于深度学习的单元学习之后的感受和体会，总结如表4所示。从同学们的感想体会可以看出，此次以综合性探究实验为核心的任务群的学习，对于学生五大化学学科的核心素养的发展都起到了一定的促进作用。绝大多数同学能够从更加真实、更加动态的角度认识化学反应，化学反应不是书本上的一个个方程式，化学反应有一定的速率，因此需要一定的时间才能够完成;化学反应能否发生以及发生的速率也会受到外界环境的影响，因此我们需要控制反应条件来让化学反应按照希望的方向进行。本单元的学习也为后续开展化学反应原理的学习埋下了伏笔，比如在矿石提取液中加入Z。以置换Cu和Fe的时候，随着Zn先和溶液中的H⁺发生反应，溶液pH的升高会导致Fe（OH）₃红褐色沉淀的生成;再比如加入氨水的多少会明显影响生成的[Cu（NH₃）₄]²⁺的颜色深浅，这其中涉及到的水解和平衡的知识都是以后学习反应原理时的重难点，因此提高了实验作为素材的利用效率。此外，此次设计也在真实情境中促进了学生的思考以形成结构化的知识体系，比如对比不同离子的性质寻找不同情况下的最优检验方案，比如理解配位化合物的生成对于物质鉴定和分离的重要意义等。

四、评价与反思

总之，在金属学习单元的设计和实施中，核心任务群的内容承载了学科的思想方法和学科的核心素养，学习的活动和任务具有一定的挑战性，促进了学生的高度参与和深度思维;设计的任务具有层次，体现了知识能力从信息提取、理解到分析、应用的提高;学习的结果表明，学生能够自主应用学科思想解决问题，也能够自主说出在学科核心素养方面的具体收获，在一定程度上满足了深度学习的要求。但是，通过实施过程中的总结反思以及与学生的访谈，我们也发现了一些问题。对于这些问题，我们提出了以下改进措施，以在后续的实施过程中取得更好的效果。

（一）发现生活中的金属材料

在该任务中，学生很容易就能够发现生活中的金属材料，也能够体会金属材料在生活中的广泛应用，但是缺少适当的工具，无法对于金属材料的元素成分进行准确的判断，从而对任务的完成带来了一定的困难。在实际任务的进行过程中，能够确定明确成分的金属材料较少，比如铝箔和铁刀等，而大部分金属材料无法准确指出其成分。在解释金属材料的性质时，大部分学生能够联想到的出发点比较少，或者解释不够深入，比如学生在任务中只解释了金属铝能够作为铝箔用于烤制食物是铝的熔点高（相对于钠和镁），但是并不能进一步联想到通过金属晶体中金属键的强度来解释铝的熔点为什么相对较高。

因此，在方案的后续改进中，我们可以提供更多的范例和工具，帮助学生搭建脚手架，以对生活中的金属材料进行指认。另外，也需要向学生提供更多将物质的结构和性质结合在一起的角度，引导学生从元素周期表和元素周期律、物质结构（金属晶体、金属键）、金属氧化物的性质等角度人手进行分析，更好地培养学生形成“结构决定性质，性质衍生功能”的基本思想。

（二）金属资源的开发利用

该任务使用的文字材料在后续使用过程中可以进行更多的精雕细琢，以实现更准确的描述和提供更加多元的学习机会。一方面，要对文字描述进行核对，尽量避免不规范或者语意模糊的描述。另一方面，将化学方程式的不同难度标注出来，以满足不同学习程度学生学习的需求。针对学生在书写方程式过程中暴露的问题进行总结，如缺少反应条件，不注意反应环境等，在作业讲评的时候重点强调，引导学生养成全面思考的能力，树立良好的书写方程式的习惯。

（三）矿石中金属元素的检验

在小组设计实验方案的讨论课中，因为不同组的学习节奏不一样而造成了课堂资源的浪费。同样的任务对某些组可能时间绰绰有余，而对某些组来讲难度太大而無从下手，导致了时间的浪费。为了解决这一问题，在后续的改进中，可以将整个实验方案的设计分解成若干个更容易完成的小任务，比如如何转化为离子，如何对Fe³⁺进行检验，如何对Cu²⁺进行检验等，对于每个任务的方案设计讨论设置时间节点，在到达时间节点之后进行适当的总结，如果某些组在某个任务上卡住，可以利用课下的时间进行补充;而对于已经得到一定结果的小组，可以鼓励他们尝试思考多种方法，通过个性化的讨论学习以提高班级的总体学习效率。

总之，深度学习是一种基于理解的教学，在学习的过程中，学习者以解决实际问题为目标，积极主动地、批判性地学习新知，将其融入原有的知识结构之中并且能够实现知识的迁移应用。实现学生的深度学习，促进学生的学科核心素养发展是我们进行单元设计的终极目标。