基于教学内容结构化的设计与实践

林亮 孙美华 经志俊

摘要： 基于对“弱电解质的电离”教学课例的再研究，对如何实施内容结构化教学设计进行尝试性探讨。围绕“电解质在水溶液中的行为”这一核心概念，从基于教学内容结构化（知识关联-认识思路-核心观念）的视角出发对本节课教学内容进行再设计。以实验方案设计与探究为情境素材，以促进学生认识思路的形成为主线创设递进式学习的系列任务群，体现知识结构化的建构过程，通过任务群中的问题探讨引导学生在解决问题過程中形成学科认识思路与核心观念，发展学生核心素养。

关键词： 教学内容结构化; 核心概念; 弱电解质的电离; 平衡模型; 核心素养

文章编号： 1005-6629（2021）12-0036-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

德国物理学家普朗克曾指出：“科学是内在的统一体，它被分解为单位的部门不是由于事物的本质，而是由于人类认识能力的局限，实际上存在着从物理学到化学、人类学到社会学的连续链条。[1]”在常规的课堂教学中，囿于高中教材编写的限制带来教学内容的分散性，囿于教学课时的限制带来教学过程的间断性[2]，一直存在着“化学知识的整体把握和局部认识之间的矛盾”，这样的矛盾所产生的“隐患”是课堂教学中缺少“核心主线”，这样的课堂教学让学生学到的也只能是一些零散的、片段式的或缺乏有序组织的知识，尤其是如果教师也缺乏引领学生关注对知识的整体认识的意识，那这样的教学就会影响学生良好的认知结构（认识思路与核心观念）的形成，不利于发展学生的学科核心素养。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“课程标准”）提出“化学教学内容的组织，应有利于促进学生将化学学科知识向化学学科核心素养的转化，而内容的结构化则是实现这种转化的关键”[3]。结构化可以将化学知识关联形成有机整体，有利于化学知识的记忆、存储和检索，有利于提升学生的化学认知结构品质，使之具有简约性、关联性与逻辑性，从而提高知识的迁移能力，并使知识具有自我生长的活力，在真实问题情境中生成新知识、新方法、新思想[4]。所以结构化是实现知识向素养转化的有效途径，结构化水平直接决定着素养发展水平。这就要求“教师在组织教学内容时应高度重视化学知识的结构化设计，充分认识知识结构化对于学生化学学科核心素养发展的重要性，尤其是应有目的、有计划地进行‘认识思路’和‘核心观念’的结构化设计，逐步提升学生的化学知识结构化水平，发展化学学科核心素养”[5]。由此可见，教学内容结构化是课堂教学中落实“以发展学生化学核心素养为主旨”“重视开展素养为本的教学”等高中化学课程理念的重要措施[6

]。但是通过知网搜索可知，有关“教学内容结构化”的研究案例却鲜有研究成果。

如何针对不同特点的教学内容、教学任务与教学目标，依据课程标准所规定的化学学科核心素养及其水平，从“教学内容结构化”的三个基本维度（知识关联、认识思路与核心观念）进行教学任务的设计、学生活动的开展、真实情境的创设、实验方案的设计或探究等，目前尚未形成更多具体的、可操作、可借鉴的课堂教学案例，这对广大研究人员和一线教师来说是一个全新的、富有挑战性的研究课题。为此，笔者尝试围绕以上的教学要求，以教学内容“弱电解质的电离平衡”为例，开展基于“教学内容结构化”的设计与实践，冀以摸索出可借鉴的教学案例及可操作的设计思路模型，形成真正意义上的“素养为本”的教学范式。

2 教材及思路分析

综上所述及“课程标准”有关的理念分析，笔者以新人教版（2019版）选择性必修《化学反应原理》第3章第一节“电离平衡”为例，对如何基于教学内容结构化的视角实施教学设计进行尝试性探讨。

“课程标准”明确主题3“水溶液中的离子反应与平衡”中的核心知识点与实验版基本相同： 强弱电解质、电离、离子反应;弱电解质的电离平衡、电离平衡常数;水的电离、水的离子积常数;溶液的酸碱性及pH、检测溶液pH的方法等[7]，并要求能运用前一章所学的化学平衡理论研究“电解质在水溶液中的电离或转化”等行为。本课程内容设计为2课时的教学任务，为能给“探究弱电解质存在电离平衡”的实验提供相应依据，对教材内容做了适当的调整，将pH的定义在第1课时给出。

通过比较还可以发现，本主题有关核心知识的陈述方式发生了变化，增加了“电解质在水溶液中的行为”这一统摄性核心概念的论述，并明确要求“要发挥核心知识的认识功能，从电离、离子反应、化学平衡的角度认识电解质水溶液的组成、性质和反应，加强学生对核心知识模型建立过程的理解”[8]。“课程标准”中最大的变化是突出了“电解质在水溶液中的行为”这一核心概念的认识功能，将其提炼、外显为本模块的主题内容结构。那么，什么是核心概念，其承载的功能又是什么呢？美国课程专家埃里克森（C.Erickson）认为，核心概念是指居于学科中心，具有广阔的解释空间、超越课堂之外的持久价值和迁移价值的关键性概念、原理或方法。核心概念是位于学科中心的概念性知识，具有统摄性、系统性、阶段性和抽象性，能反映认识的角度[9]。由此可以看出，本主题中“电解质在水溶液中的行为”这一统摄性核心概念承载了化学学科的“认识思路和核心观念”，新教材编排体系也凸现了课程结构对“学生认识角度和认识思路”的培养路径，体现了教学内容结构化的要求。因此，为了更好地促进学生“认识思路和核心观念”的形成，围绕“电解质在水溶液中的行为”这一核心概念对本主题尝试进行教学内容结构化的设计，以促进学生化学反应知识系统化、内容结构化的形成，提高学生认识思路与核心观念结构化水平，发展学生核心素养。

“弱电解质的电离”作为“电解质在水溶液中的行为”这一主题的第1节内容，与后续的“水电离与溶液酸碱性”“盐类物质的水解平衡”“难溶电解质的溶解平衡”等都有直接的关联，可以说这是本主题的统领性和关键性内容，也是进行单元化设计的“基点”（见图1）。基于此，进行结构化教学设计有利于增强学生对“电解质在水溶液中的行为”这一统摄性核心概念的结构化认识，它能将学生从大量的、碎片化的学习中“解放”出来，使学生能集中精力去理解核心知识的内涵和价值，围绕核心知识建构知识体系，迁移运用核心知识分析和解决问题[10]，帮助学生逐步形成从溶液中的微粒及微粒间相互作用的角度分析水溶液中离子及其反应的核心观念、思路和方法。同时，本节课的主要教学目的之一是要发展和提高学生对化学平衡的认识水平，通过探究“电离平衡的存在及程度，以及电离平衡常数”相关问题，帮助学生进一步整合化学平衡相关知识，建立基于平衡常数K的化学平衡知识结构，使学生能够从“平衡模型”的视角认识电离平衡及其移动，构建基于平衡常数K的平衡分析的思路和方法。这样既能帮助学生加深和巩固化学平衡思想的理解，形成大“平衡观”的结构化认识思路（见图2），也能提高学生分析解决平衡相关问题的能力。

通过对电离平衡的证明及平衡移动的分析，形成并发展学生的微粒观、平衡观和守恒观;关注水溶液体系的特点，结合实验现象、数据等素材，引导学生形成认识水溶液中的离子反应及化学平衡的基本思路，培养系统思维能力，从而发展学生“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”等化学学科核心素养。

3 教学目标设计

3.1 教學目标

（1） 通过实验探究获得“弱电解质”在水溶液中存在电离平衡的证据，并基于证据从宏观与微观相结合的视角描述和解释弱电解质的电离平衡。

（2） 通过分析弱电解质电离平衡的程度，建立化学平衡的认识模型，促进化学核心观念和认识思路的形成与发展。

（3） 通过实验探究和问题讨论，认识电解质在水溶液中的电离等行为，促进学生从电离、离子反应、化学平衡角度认识水溶液组成、性质与反应，形成知识系统化和结构化。

3.2 评价目标

（1） 通过对同浓度的盐酸和醋酸pH测定、与镁条反应等分组实验的探究与讨论，探查学生对相关核心概念的认知程度以及学生是否形成微粒观、能否主动用微观本质分析宏观现象，诊断并发展学生实验探究水平与能力。

（2） 通过对弱电解质电离平衡的建立过程及电离程度的判断与分析，提高学生对化学平衡常数价值的认识，以及推论预测及解释说明的能力;诊断并发展学生对化学平衡模型的认识进阶（微粒观与平衡观）和结构化认识思路发展水平。

4 教学流程

根据以上的教学构思与设定的教学目标，设计如下的教学流程（见图3）。

5 教学过程

[情境创设]

CaCO3是卫生洁具常见的污染物之一，洁厕灵除水垢的工作原理一般可简单表示如下：

CaCO3+2H+CO2↑+H2O+Ca2+

日常生活中常使用有效成分是盐酸的洁厕灵进行卫生洁具的清洁。

[提出问题1]醋酸是家庭常见用品，为什么不用醋酸代替盐酸呢？

（引导学生分析可能的原因。）

[动画展示]氯化钠晶体溶于水，模拟“电离”过程。

设计意图： 通过创设真实的问题情境，激发学生探究未知的兴趣和欲望，体验真实的化学，感受化学学科的魅力。

[学习任务1]探究不同电解质的电离行为。

[提出问题2]我们已经知道，盐酸（HCl）与醋酸（CH3COOH）均为电解质，那么它们的电离行为又是怎样的呢？

[学生活动1]根据你所了解的知识，写出盐酸及醋酸溶液中存在的微粒，并进行展示。

设计意图： 探查学生对电解质电离的原认识，以及学生从电离、离子反应、化学平衡的角度对水溶液组成与性质认识的障碍点。

[提出问题3]你是如何确定盐酸是完全电离、醋酸是部分电离的？

[学生讨论]提出能否设计实验加以验证。

[学生活动2]设计实验方案验证醋酸是部分电离。

[分组实验]

方案1

用三支型号相同的水质检测笔分别检测0.1mol/L盐酸、0.1mol/L醋酸以及蒸馏水的导电性。（已知： 相同温度下，水质检测笔读数越大溶液的导电性越强。）

方案2

在装有过量且形状、大小均相同镁条的试管中分别加入相同体积、浓度均为0.1mol/L的盐酸和醋酸溶液，观察实验现象并讨论。

方案3

测定浓度均为0.1mol/L的盐酸和醋酸溶液的pH。

[资料卡片]

（1） pH的定义[已知： pH=-lg c（H+）];

（2） 用广泛pH试纸测定pH的方法。

[学生讨论]

方案1

（获取数据）用三支型号完全相同的水质检测笔分别插入0.1mol/L盐酸、0.1mol/L醋酸、蒸馏水中，观察数据，等数据停止变化了，记下数据（见表1）。

方案2

（宏观现象）让学生将观察到的现象描述出来（见表2）。

方案3

（对比实验）实验小组代表展示实验结果，并与其他组同学展开交流，通过计算分析数据，得出结论：

0.1mol/L的盐酸的pH=1 c（H+）=0.1mol/L

0.1mol/L的醋酸的pH=3 c（H+）=0.001mol/L

[结论]

盐酸溶液中溶质（HCl）是全部电离的;

醋酸溶液中溶质（CH3COOH）是部分电离的。

设计意图： 设计实验方案1、2的目的是让学生直观感受到导电性不同、反应快慢是由离子浓度不同引起的;通过资料卡片上给出的pH的定义及测定方法，帮助学生分析实验数据，并提供合理的实验手段;利用实验方案3培养学生实验探究意识并与探究醋酸部分电离的实验进行对比，提供比较分析的依据。通过探究“强、弱电解质电离程度”的实验，观察分析宏观现象等任务，培养学生的宏观辨识与微观探析学科核心素养。

[小结1]不同电解质的电离行为（见图4）。

[学习任务2]探究弱电解质溶液中存在的电离平衡。

[提出问题4]醋酸在溶液中只有部分电离，过程中是否可以电离出更多的H+与CH3COO-？或者H+与CH3COO-是否又能结合成CH3COOH分子呢？

[学生活动3]设计实验方案证明醋酸溶液中存在电离平衡

（引导学生注意设计的关键点，见图5）。

方案1 比较活动2的方案2中收集到的气体体积（观察气球）。

方案2 向0.1mol/L醋酸溶液中加CH3COONH4（水溶液呈中性）晶体，然后测定其pH变化。

[演示实验]

通过传感器测定由方案2中条件改变引起的pH变化图（见图6）的投影展示，观察分析并讨论。

[师生讨论]

（1） 最终试管中收集到气体体积近乎相同，说明了什么？

（2） 加入盐晶体的目的是什么？加入CH3COONH4（水溶液呈中性）晶体后，根据其pH变化，试试说说你的想法？

设计意图： 方案1目的是从宏观上证明醋酸可以继续电离出离子，从宏观现象上体现醋酸的电离是可以持续不断的。通过方案2的实验活动及讨论分析，从微观上说明改变条件电离平衡发生移动，证明电离平衡受到条件影响，同时通过分析数据曲线变化培养宏观辨识与微观探析的学科素养。

设计实验方案证明平衡体系的存在，既巩固对平衡体系特征的认识，又能形成实验探究的一般思路与方法（提出假设—明确目的—设计方案—实验验证—得出结论），提升科学探究素养。

[学生活动4]以醋酸溶于水为例，画出其电离平衡建立过程中速率、微粒浓度、溶液的pH与时间的变化图（见图7）。

设计意图： 通过绘制平衡中三个量的变化数据图像并用于解释宏观现象和反应规律，以外显学生的已有认识，启发学生的思维完成由感性认识向理性认识的飞跃。

[小结2]弱电解质的电离是可逆过程，存在电离平衡：

CH3COOHH++CH3COO-

[学习任务3]不同弱电解质的电离平衡时的电离程度。

[提出问题5]弱电解质溶液中均存在电离平衡，那么在相同条件下不同的弱电解质的电离平衡时电离程度又是否都相同呢？

[引导分析]表征平衡进行程度的重要依据——平衡常数。

[学生活动5]

（1） 以醋酸为例，仿照化学平衡常数写出其电离平衡常数表达式，并总结电离常数的意义。

Ka=c（CH3OOO-）·c（H+）c（CH3OOOH） α=n已电离分子n总分子×100%

电离平衡常数意义： ①反映弱电解质的电离程度大小;

②仅与温度有关。

[提出问题6]

① 从表3数据能获得哪些结论？

② 浓度是否能影响电离平衡？引入另外一个表征： 电离程度的物理量——电离度。

（2） 向100mL 0.1mol/L的CH3COOH溶液中加水稀释到1000mL，利用平衡常数分析稀释过程中平衡的移动方向。

[小结3]电离平衡是一个动态平衡，符合勒夏特列原理;

利用K与Qc（浓度商）的关系判断平衡移动的方向。

设计意图： 让学生感受“电离平衡”是“化学平衡”的一种，同时关联电离平衡常数与化学平衡常数，发挥平衡常数的核心功能，利用平衡常数来分析与判断平衡体系的状态或平衡移动的方向。进一步构建溶液中“离子反应的平衡”模型，为后面的盐类水解平衡和难溶物质的溶解平衡等学习提供一般的分析思路与方法。

[总结]本节课后及时归纳如图8。

[问题解决]

（1） 学完本节课后，请你用所学知识来解释不用醋酸代替盐酸原因？

（2） 蚊子、蚂蚁等叮咬人，是向人体内注入蚁酸（又称甲酸：HCOOH）会使皮肤红肿、瘙痒。通过本节课的学习，要快速止痒，家庭中可涂下列哪种物质？

A. 小苏打溶液    B. 食盐

C. 食醋  D. 蔗糖

设计意图： 理论联系实际，应用所学知识解决生活中的常见问题，让学生进一步体会化学学科价值，提高学生学习化学的兴趣和社会责任感。

6 教学反思

通过知网搜索发现，有关“弱电解质的电离平衡”的教学案例研究是一线教师和教研员关注的热点课题（有近700条研究成果）。近年来以“发展核心素养”为导向的教学案例研究视角主要集中在： 基于“素养为本”的教学设计、基于“证据推理与模型认知”的教学设计、以“化学观念为统领或发展学生认识水平”的教学设计、以“实验（手持技术）探究”为主的教学设计等，这些设计既传统又单一，基本上大同小异。本教学案例尝试以“知识关联、认识思路与核心观念”为视角进行结构化教学设计，并形成了“教学结构化设计”的思路模型（见图9）[11]。本案例的最大特点是以“核心概念”确定主题内容，以实验设计与探究为情境素材创设学习任务群来体现“核心知识”的系统化和结构化的建构过程，通过一系列递进式问题引导学生在问题分析与解决过程中形成“认识思路”与“核心观念”，让化学学科素养在课堂落地。

三大学习任务凝练出学习重点，系列问题层层递进，为核心概念的建构搭建适宜的台阶，结构化的设计有力地促进学生认知结构的形成。过程中充分尊重学生的主体地位，注重思维引领，学生全程参与，专注度高，培养学生实验的设计与探究能力，发展学生系统和结构化的推理与逻辑思维等关键能力，教会他们从生活走进化学、用实验探究真相、用理论提升认识、从化学走向社会。

反思教学过程，仍然有值得进一步思考和改进的地方： 一是学生分组探究的实验相对较少，特别是传感器实验是教师演示完成的，若条件允许，让学生来完成教学效果会更好。二是针对基础较好的学生，为防止思维的碎片化，提高分析解决问题的思维张力，可嘗试对问题作进一步整合。例如，可整合为电解质在溶液中能以分子形式存在吗、如何证明弱电解质在溶液中存在电离平衡、弱电解质的电离程度与哪些因素有关、如何驾驭弱电解质电离平衡的移动等四大问题，在教学实际过程中再结合学生的表现搭建必要的台阶。三是学习与评价任务、学习和评价方式的整体性和一致性设计尚有待加强，设计的问题与评价的切入点与衔接度不够紧密等。特别是需要探索常态课教学中如何更有效地开展日常学习评价、更好地发挥“点评、提问”等对学生化学学科核心素养发展的促进功能[12]。所有这些，我们将在后续教学过程中深入研究，尽力弥补这些方面的不足。

参考文献：

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[3]郑长龙. 化学学科理解与“素养为本”的化学课堂教学[J]. 课程·教材·教法， 2019， 39（9）： 120～125.

[5]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 71～75.

[6]经志俊. 教学内容结构化的教学主张[J]. 化学教学，2019， （10）： 28～30.

[7][8]房喻， 徐端钧. 普通高中化学课程标准（2020年修订版）解读[M]. 北京： 高等教育出版社， 2020： 130～131.

[9]梁弘文等. 国内高中化学核心概念研究及启示[J]. 中小学教师培训， 2018， （5）： 62～64.

[10]尹博远， 王磊. 电解质溶液主题学科核心素养的系统构成[J]. 化学教育， 2021， （7）： 57～62.

[11]林亮. 电化学复习的结构化设计与实[J]. 化学教学，2020， （11）： 43.

[12]朱鹏飞. 化学学科核心素养导向的教学设计——以“元素周期律”为例[J]. 化学教学， 2019， （10）： 37～42.