思维课堂的设计、实践与生成

李发顺 叶跃娟

摘要： 学科核心素养包括价值观念、关键能力与必备品格。化学学习的关键是学生思维的形成、进阶与结构化。课堂设计、实践及生成是学生思维能力形成的重要途径。描述并分析了“化学反应与热能”的一节示范课，突出思维进阶的设计、实践与生成。

关键词： 思维课堂； 思维进阶； 化学反应与热能

文章编号： 10056629（2022）10006004

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

伴随着教学改革进入深水区，单纯以接受知识与学会技能为目标的双基教学已经很难满足现代学生发展的需要。教师在组织开展学科教学活动时，帮助学生在学习过程中获得必备知识和关键能力的同时，应基于提升学生学科核心素养的目标，培养和发展学生学科思维的逻辑性、完整性和严密性，在此基础上培养和发展学生的社会责任意识和正确的价值观念。思维是智慧的核心，是影响人的发展的重要能力；化学思维是关于物质组成、结构、性质、变化和相互联系的思维，是认知化学、掌握化学和发展化学的智慧，是探究活动的灵魂［1］；思维课堂是指学生在任务和问题驱动下进行预测、推理、实证的课堂实践活动，并通过（与宏观世界、伙伴世界、自我世界）对话，发展“具象到抽象、归纳到演绎、模仿到创新、孤立到系统”认识化学现象与化学变化的思维能力。

R老师示范了“化学反应与热能”的思维课堂教学活动，从教什么、怎样教、怎样测及怎样学等角度分析课堂生成的思维活动与思维进阶。据此得出，化学学科教学的着力点应以“思维发展”为抓手进而实现核心素养教育。

1 设计中的思维活动与进阶

教学实践活动的前提是设计，包括对文本内容的理解、学习目标的确定、学习任务的设定（含学习活动中的思维发展）、评价活动的匹配、育人理念的融合。带着这样的思考，我们尝试与读者分享R老师在教学设计中的思维活动及其进阶与结构化。

人教版教科书［2］第二册（必修）第6章第一节“化学反应与热能”包括2个演示实验（用温度计测量“镁和盐酸”反应温度变化、“氢氧化钡晶体与氯化铵晶体”混合搅拌后促使水结成冰，以此说明化学反应有吸热和放热现象），认识典型的放热和吸热反应，以“H2（g）+Cl2（g）2HCl（g）”反应过程中断键吸热和成键放热（微观认识）为例认识化学反应中能量变化的原因，以图表数据展示我国的能源消费构成和人均能源需求。

学习内容中思维活动与进阶是怎样设计的？

R老师的教学设计一共设定了三个任务：认识能量与能源、认识化学反应中的能量变化、化学反应中能量变化的原因及表示方法。下面以布鲁姆（bloom）认知思维分类学方法［3］分析任务活动设计中的思维活动与思维进阶（见表1）。

2 实践中的思维活动与进阶

任务设计的思维活动，需要通过教学实践得到体现与落实。有没有达到预期？学生思维活动怎样描述？思维活动与进阶是怎样实践与体现的？带着这些问题走进R老师的课堂教学，观察、记录、描述、分析和整理学生的思维活动。

2.1 实验从定性到定量，思维从具象到抽象

教科书实验［61］测定“镁与盐酸反应”前后溶液温度，推理出反应过程放出热量。教学活动中除了观察反应前后温度的变化，还让学生触摸试管外壁（安全前提下）感受反应过程的热量变化，并让学生预测和描述实验现象（固体、溶液、温度），定量测定热量变化与定性感受放热反应相结合，增强了对放热反应的认识。从讲解实验现象到用化学用语规范表达化学反应，分析整个过程中学生思维的变化，师生对话活动情况如下。

师：镁和盐酸反应很常见，我们先在试管中加入稀盐酸，再加入打磨光亮的镁条。（加入镁条前）请同学们预测可能的现象？

生：镁条逐渐溶解，有气泡产生。

师：气体产生是否快速？为什么会很剧烈？

生：因为镁是活泼金属。

师：还可能有什么现象发生？

生：……放出熱量。

师：如何知道反应时放出了热量？

（让前排学生小心触摸试管壁，感受温度的变化）

R老师用温度计测量反应过程中溶液温度的变化：向盐酸溶液中加入镁条，温度计度数从13℃→30℃→40℃→50℃，此后温度不再上升。根据这一现象，R老师解释反应放热，温度不再上升说明反应已经结束。

学生的思维过程有预测（来自于已有的经验），实验实证并描述实验现象（定性和定量结合），再到对反应快慢（程度）基于证据（气泡）来说明，更进一步关注了热量变化。整个过程学生思维水平有明显的提高。

师：上述过程中能量形式如何转化？

生：化学能转化为热能。

师：化学反应中化学能是否全部转化为热能？

生：可能有光能，如氢气在氯气中燃烧会发出苍白色的光。

生：可能还有声能，如钠在水中四处游动，发出“咝、咝”的声音。

学生通过这个过程体验到化学反应中化学能的转化方式不仅仅只有热能，既拓展了对化学反应中能量变化的认知，也为后续学习埋下伏笔。

师：上述反应中反应物是镁和盐酸，生成物是氯化镁和氢气。大家判断一下，反应物和生成物谁的能量高？为什么？

生：反应物能量更高，反应过程中有热量跑出来，所以生成物能量降低了。

此处结合学生刚刚获得的体验马上提出反应物和生成物的能量（内能）高低问题，既是学生学习过程中水到渠成的结论，又很好地突破了学生在能量图学习过程中的一大难点。

师：请同学们在坐标图上画出反应物（镁和盐酸）、生成物（氯化镁和氢气）能量的相对位置图。

教师出示“能量反应过程”图示，体现反应物和生成物能量相对高低及差值ΔE，并提问ΔE是什么？ΔE的符号应该是“+”还是“-”？从而认识能量减少与热量的关系（并区别了能量与热量）；解释对于反应物来说，能量减少了（损失了），所以用“-”来表示这个过程的能量变化。教师和学生之间基于图示中反应物和生成物位置交换，通过对话认识了吸热反应中ΔE数值的符号应该为“+”。这个过程中学生思维水平的发展从图示到符号，从正向到逆向，从文字到专业用语，一气呵成。

2.2 认识从具体到归类，方法从归纳到演绎

对于吸热反应和放热反应经历了具体反应→典型反应→一类反应，归属为反应物和生成物能量相对高低的认识。下面来讨论R老师是怎样引导学生发展认识水平、促进思维活动进阶的。

师：那么对于吸热反应，能量图要如何修改？说说我们学过的反应中哪些是吸热反应。

生：硝酸铵溶于水；碳酸受热分解。

师：硝酸铵溶于水主要是一个物理过程，不是化学反应；碳酸受热分解确实是吸热反应。大家分析一下，哪一类化学反应通常是吸热反应？证据是什么？

生：分解反应，大多数分解反应需要加热才能进行。

师：如果移去酒精灯，就不会继续分解了，这是吸热反应的一个外显的判断方法。当然，并不是说需要加热就一定是吸热反应，如木材的燃烧，也需要引燃，但引燃后拿走火柴还是可以继续燃烧下去的，也就是反应产生的能量足够使反应继续进行下去，所以木材的燃烧是放热反应。那么，有没有化合反应属于吸热反应的例子？

生：……木炭和二氧化碳的反应好像是吸热反应。

教师高度肯定学生能够说出木炭和二氧化碳的反应为吸热反应。

师生共同梳理常见的放热反应和吸热反应。

上述学习过程从具体的吸热反应出发，发散思维，通过类比、关联、迁移、分类来认识吸热反应，并运用此方法和特征对某另一个未知反应作初步判断，再根据吸热反应与放热反应的能量相对大小与反应特征，演绎、推理、分类、整理典型的放热反应。

3 生成性的思维活动与进阶

预设与生成是教学设计与实践活动的重要环节，教学设计中的思维活动与进阶在教学实践中不一定能够如期实现，而教学实践中的演绎和变化又常常会有意外的发生和精彩的生成。笔者在认真研究R老师的课堂中，发现学生思维活动敏捷，思维的层次、进阶和深度足以令人兴奋。下面以怎样设计实验来证明“氢氧化钡晶体与氯化铵晶体混合”反应是放热还是吸热为例进行分析。

师：刚才大家观察了“氢氧化钡晶体与氯化铵晶体混合使水结冰”的实验，又动手“在塑料袋中混合两种晶体并揉搓”体验到冰凉的感觉，知道了上述两种晶体混合反应是吸热反应。请同学们设计一个简单的仪器或装置证明某反应是吸热反应还是放热反应，请将装置图画在草稿纸上。

学生开始自主独立进行设计与简单的描绘。教师适时引导“怎样的现象能证明是吸热或者放热”，从生活和原有经验中寻找。教师纠正个别学生将草图画在教科书上的做法，指导学生如何在教科书上做笔记。

展示两位学生的成果，见图1A和图1B，并请学生来评价。

第一位学生认为，可根据图1A中气球的变化（胀大放热、缩小吸热）来分析和判断化学反应过程中能量的变化；第二位学生回答，如果是放热反应，图1B烧杯水中会有气泡，如果是吸热反应，图1B烧杯中的水会倒吸入导管中，据此可判断反应过程中的能量变化。

师：请大家来评价上述两个装置的合理性。

生：如果反应中没有气体的参加或生成，这两个装置是可以的。但对于氢氧化钡和氯化铵两种晶体的反应，这两个装置都不合理，因为这个反应除了是吸热反应，还会产生氨气，所以第一个装置中根据气球的变化难以判断。

师：为什么难以判断？

生：因为吸热反应会使气球变小，而产生氨气又会使气球胀大。

师：很好！这位同学分析了这个反应中作用效果相反的两个因素。现实中这样的情形是很多的。遇到这样的情况我们就要作科学的分析，看看哪个因素起主导作用，才能得出正确的结论（思维的辩证性）。

生：第二个装置产生的氨气会溶于水，所以不光看不到气泡，还可能会倒吸。

师：确实如此。氨气极易溶于水，所以确实会产生倒吸现象（批判性思维）。那么你有没有更好的方案？

画出图1A装置的学生举手提出了用小试管套大试管的改进方法。教师肯定其创意并让该同学到黑板上画出她的设计，见图1C。这位同学解释：将反应试剂装在小试管中，如果是吸热反应，气球会缩小，如果是放热反应，气球会胀大，而氨气的产生对气球不产生任何影响。全班学生自发响起热烈的掌声（创造性思维）。

师：非常好！这就是设计，这就是创新。为了实现实验目标，我们需要进行科学的设计，同时要考虑分析各种可能影响结果的具体情况。要证明一个反应是放热还是吸热，主要方法是依据封闭体系内压强的变化，比如（教师展示装置图1D），我们可以利用这个装置导管中红色水柱的移动方向分析封闭体系内压强的变化来判断化学反应过程的吸热或放热。当然这个装置对于氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应来说同样要作图1C那样的改进。

学生在设计（绘制）“氢氧化钡晶体与氯化铵晶体混合”实验吸热或放热反应的判断中，从一开始仅仅考虑气球大小变化或气泡逸出，到在设计与评价环节发现忽视了NH3的生成，后面又再设计排除气体因素的改进装置，最后教师展示出预设的装置（也要补充改进）。整个教学流程的推进好似行云流水，学生在这样一个过程中充分享受了学习的快乐和思维的进阶。化学实验的設计及操作不仅训练学生的动手能力和观察能力，更能全面培养学生的问题分析能力、证据推理能力和逻辑思维能力。本环节中，学生通过自己混合塑料袋实验获得了较好的感受与体验，到了设计与评价活动环节，学生的思维水平从简单应用发展到了一定的批判质疑和创新水平，尤其是图1C的套管实验设计与说理过程生动且自然，既发生在预设之外，又似乎在情理之中。

4 启示

4.1 任务设计中的思维进阶

思维课堂实现的前提是设计，“化学反应与热能”的教学设计中三个大任务（认识能量与能源、认识化学反应中的能量变化、化学反应中能量变化的原因及表示方法）之间有着天然的、十分紧密的逻辑关系。首先，R老师从（以前）仅研究物质转化到研究伴随的能量转化，站在化学研究对象“物质”和“能量”两个领域，打开学生的眼界和思维空间，区分能量与能源，引导学生辨析，并学会辩证看待两者之间的关系；其次，通过实验与实验设计，引导学生在定性描述实验现象推理结论的基础上，学习定量表达实验数据推理实验结论，从实验实施活动到实验设计活动，提升学生分析、评价、批判、创造的思维水平；再次，通过将教科书文本中能量变化图示、能量变化数据在给定的坐标系中定量表示，从能量相对大小到定量差值变化理解化学反应中的能量变化，并在图示中揭示“化学反应中能量变化”的微观本质（断键吸热与成键放热的相对大小）；最后的课堂重回任务并介绍青年科学家刘翀和中科院院士李灿在利用太阳能领域的研究成果，为人类发展、为实现碳中和做出的贡献，体现了化学学科的社会价值。

4.2 生成性活动中的模仿与创新

思维课堂设计与实践过程中，往往会出现预料之外的活动和想法，这正是思维课堂的精彩之处，如上述学生设计与分析套管装置（图1C）检验化学反应的吸热和放热，气球装置（图1A）和水封装置（图1B）也一样能检验化学反应的吸热或放热，但他们都受到了反应物、生成物的状态、性质的影响，因而遇到问题不断地进行改进与优化设计，这就是生成性的活动。生成性活动中学生的思维进阶表现得尤为明显，如评价“氢氧化钡晶体与氯化铵晶体混合加热”中气球装置的不合理性的辩证性思维活动、水封装置不合理性的批判性思维活动、套管装置合理性的创新与创造的高层次思维活动，学生思维的敏捷性、层次性、逻辑性和完整性都得到了充分的发展。在这样一种生动的教学活动过程中，教师智慧的预设和过程中的“导”和“引”显然是至关重要的。

参考文献：

［1］吴俊明. 关注化学思维 研究化学思维［J］. 化学教学，2020， （3）： 1～9.

［2］王晶， 毕华林主编. 普通高中教科书·化学·必修 第二册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 32～35.

［3］L·W·安德森等著. 皮连生主译. 学习、教学和评估的分类学［M］. 上海： 华东师范大学出版社， 2008： 41～55.