初中化学挑战性教学模式的应用研究——以“奇妙的二氧化碳”教学为例

江苏省苏州市吴江区同里中学（215200）顾永宏 王宝权

一、挑战性教学模式概述

在初中化学课堂教学中，可采用“一主体二支架三条线”挑战性教学模式（见图1），结合学生的最近发展区，以学生为主体确定挑战性教学目标，运用有效的挑战性教学策略，以“问题链”为导线，以“活动链”为情境，以“学科素养”为目标，通过科学探究，引导学生在实现挑战性学习目标、夯实学科知识的同时体验学科思维和学科观念的形成过程，从而达到深度学习之目的，逐步提升学生的化学学科核心素养。本文以沪教版九年级化学上册第二章第二节“奇妙的二氧化碳”的教学为例，探讨基于挑战性教学模式提升学生学科核心素养的化学课堂教学设计策略。

二、挑战性教学模式下的教学设计思路

本节课以真假干冰的鉴别引入课题，让学生结合课前的预习及已有的生活学习经验，对干冰和冰提出合理的鉴别方案，并根据方案进行实验验证。在接下来的教学环节中，依照科学探究流程（见图2），进行环环相扣的“问题链”和“活动链”设计。首先，创设挑战性探究情境“如何证明二氧化碳与氢氧化钙反应生成碳酸钙和水？”，以加深学生对二氧化碳与石灰水反应中水的作用的理解。接着，提出“怎样证明二氧化碳能与水反应？”这一问题，让学生设计实验探究二氧化碳通入紫色石蕊溶液中，溶液由紫色变为红色的原因，同时引导学生查阅文献资料，找出自己的实验设计与资料和教材中的实验设计的异同。最后，提出“二氧化碳能否与氢氧化钙反应，你能证明吗？”这一问题，让学生根据科学探究流程，做出合理的猜想，再通过查阅文献资料或实验探究进行相应的证实或证伪。学生经历挑战性问题的回答、实验探究的亲身参与，进而形成对二氧化碳常见物理性质、化学性质及其用途的深度认识。

三、教学过程

（一）以问题链为导线，创设实验探究情境，形成学科观念

【活动一】鉴别冰和干冰。

［问题引导］同学们，现在有两块无色固体，请猜测它们分别是什么，并思考怎样区别它们。

［做出猜想］一块是冰，一块是干冰。

［实验探究］分别用一张纸包裹以上固体，若纸上有水迹的是冰，没有水迹的是干冰；触摸感受温度，更冷的是干冰；把以上固体分别放在水里，能浮在水面上且无气泡冒出的是冰，沉入水底且有气泡不断冒出的是干冰；使阶梯蜡烛的火焰由下而上依次熄灭的是干冰……

［问题引导］由以上实验现象能得出干冰（二氧化碳）具有哪些性质和用途？

［分析讨论］干冰易升华，可以做制冷剂，制造舞台云雾，进行人工降雨；一般情况下，二氧化碳气体的密度比空气大，不可燃、不助燃，可以用于灭火；二氧化碳不能供给呼吸，可以用于粮食瓜果的保鲜、防氧化等。

设计意图：经过小学科学、初中生物和物理学科的学习，学生已经初步具备结合情境做出猜想、设计实验、进行实验、证据推理、得出结论的能力。以学生素养提升为本，通过问题链的引导，借助真假干冰的辨别，既能引入课题，又能激发学生主动探究的兴趣，让学生逐步形成“变化体现性质，性质决定用途”的学科观念。

［衔接过渡］干冰升华后产生的气体你能看得到吗？（不能）说明二氧化碳通常情况下是什么状态？（无色、无味的气体）如何检验它的存在呢？（可将它通入澄清的石灰水）

（二）以问题链为导线，以实验探究为载体，激发学生的挑战欲望

【活动二】探究二氧化碳和石灰水的反应。

［问题引导］根据前一节的学习，同学们已经知道二氧化碳可以用澄清的石灰水来检验。请问它们是怎样反应的呢？

［分析讨论］二氧化碳与氢氧化钙（石灰水的主要成分）反应生成了难溶于水的碳酸钙白色沉淀和水。

［实验探究］把干冰装在大试管中作为二氧化碳气体的输出源，通过导气管不断地通入另一支盛放少量石灰水的小试管中。

［现象描述］澄清石灰水中不断有气泡冒出，石灰水逐渐变浑浊，一段时间后，浑浊的石灰水又逐渐变澄清。

设计意图：通过问题链的引导，让学生对看似平常的二氧化碳的检验实验进行仔细观察，并认真描述实验现象，从平常中发现不寻常（石灰水并非立刻变浑浊，且继续通入二氧化碳一段时间后浑浊的石灰水又逐渐变澄清），进而引发学生的认知冲突，激发学生的挑战欲望。

［问题引导］澄清石灰水是纯净物还是混合物？（混合物）它由哪些成分组成？（由氢氧化钙和水组成）

［提出问题］二氧化碳能不能溶于水，是否能和水反应？

［分析讨论］通常情况下，二氧化碳能溶于水，如果增大压强可以溶解得更多；二氧化碳可以与水反应生成碳酸。因此，可以利用二氧化碳的这一性质制取汽水或碳酸饮料。

［教师追问］怎样证明二氧化碳确实与水发生了反应？

［实验设计］可以用紫色石蕊试液变红来检验有酸性物质生成。

［实验探究］学生把干冰放在试管里，通过带有橡皮塞的导管把二氧化碳气体通入滴有紫色石蕊试液的水中，看到溶液由紫色变成了红色。

［教师反问］会不会是二氧化碳使溶液变红呢？怎样证明？

［实验探究］学生小组先将滤纸浸泡在紫色石蕊试液中，然后用吹风机吹干，接着将干燥的石蕊试纸放在盛有干冰的试管口，再与滴过水的紫色石蕊试纸进行对比。

［实验现象］学生发现放在盛有干冰的试管口的干燥石蕊试纸没有变红，而滴过水的石蕊试纸变红了。

［得出结论］说明二氧化碳不能使紫色石蕊变红，而二氧化碳和水的共同作用可以使紫色石蕊变红。

［提出问题］紫色石蕊为什么会变红呢？（遇到了酸性物质）

［教师追问］你可以用实验证明吗？

［实验设计］可以用前面学过的稀盐酸或白醋来证明。

［实验探究］取少量（1～2 mL）紫色石蕊溶液（紫色明显），加入少量稀盐酸或白醋，溶液变成明显的红色。（平时教师演示时通常是在稀酸中滴入2～3 滴的紫色石蕊试液，虽然溶液也会变红，但现象不明显）

设计意图：以学生素养提升为本，让学生通过具有挑战性的实验设计和亲身实验去验证教材上的某一个结论，以此增强学生的感性认识，培养学生实验验证能力和证据推理能力。

（三）以问题链为导线，借助实验改进，提升学生的创新精神与信息检索素养

【活动三】碳酸有关性质的探究。

［问题引导］碳酸稳定吗？怎样证明？

［实验设计］把上述的红色溶液放在酒精灯上加热，若加热后有气泡冒出且溶液变回紫色，说明碳酸分解成了二氧化碳和水。

［问题引导］这样设计严谨吗？如何检验生成的气体是二氧化碳？（不严谨，应该将产生的气体通入澄清石灰水中，看是否能使其变浑浊）

设计意图：通过问题链的引导，促使学生对课本实验的不足进行挑战性思考，并改进相关实验，从而让学生体验到实验方案设计的严谨性和重要性，感受到好的实验设计方案能更充分地体现出证据的可靠性、推理的逻辑性；在充满挑战性的学习情境中不断提升学生的学科核心素养。

［实验探究］把红色溶液倒入一支大试管中，并连接好带有橡皮塞的导管，把导管通入澄清石灰水中；加热大试管，观察现象。

［教师追问］二氧化碳通入澄清石灰水后出现的浑浊现象，一定是二氧化碳和氢氧化钙的反应引起的吗？

猜想1：一定是，因为二氧化碳与水反应没有明显的现象。

猜想2：不一定，可能是二氧化碳先与水反应生成了碳酸，碳酸再与氢氧化钙反应生成了碳酸钙。

猜想3：以上两种情况可能同时发生。

［教师引导］哪种猜想正确呢？让我们来查阅资料吧。

［呈现资料］沈鹤鸣等学者的研究表明：二氧化碳与氢氧化钙的反应必须要有水参加，否则无法进行［1］。吴文中在《澄清石灰水与二氧化碳的作用机理和实验探究》一文中指出：澄清石灰水中通入二氧化碳的实验研究分为两段，第1 段是碳酸钙的沉淀过程，其作用机理一般而言，就是简单的酸碱溶液之间的离子反应［2］。

［得出结论］通过以上资料，可以排除猜想1 和猜想3，初步得出结论：二氧化碳与石灰水的反应，可以认为是二氧化碳与水反应生成了碳酸，碳酸再和氢氧化钙反应生成了碳酸钙和水。

设计意图：从众多资料中提取有用信息的能力是进行科学探究和证据推理不可缺少的素养和能力。这种能力需要在学习中逐渐养成，真正让学生体会到寻找证据的乐趣，体验文献资料在科学探究中的重要作用；让学生不仅掌握课本上的知识，还学会利用网络进行文献搜索并进行有用信息的筛选和提取，在挑战性学习的过程中逐步提升个人能力和素养。

四、教学反思

本节课以真假干冰的鉴别引入课题，通过问题链引导依次进行二氧化碳的性质探究实验，主要设计了三个课堂探究活动，所有的实验及教学活动都紧紧围绕如何科学地探究目标物质来展开，形成了环环相扣的实验教学主线，让学生在思考中深度学习，在探究中锻炼实验设计能力和动手操作能力，养成实验探究的科学态度。

二氧化碳的性质探究实验看似简单，但若能引导学生厘清化学反应的机理，必然能增强学生的探究能力和思考能力，提高学生的问题意识和逻辑思维能力。教师结合学生的最近发展区，确定挑战性教学目标，运用有效的挑战性教学策略，促使学生在真实的问题情境中体验实验设计、实验探究、文献资料查阅、分析讨论、得出结论等，从而逐步提升学生的证据推理、科学探究及创新意识等学科核心素养。

提升学生的学科核心素养，需要教师认真开展“素养为本”的课堂教学实践，积极探索“素养为本”的有效教学策略和模式。在课堂教学设计和实施中，合理确定可操作的基于学科核心素养的教学目标，参照学生的最近发展区开展实验探究活动，有目的、有计划地引导学生运用挑战性思维方式和方法学习相关学科知识；在学科知识结构化的过程中理解学科核心观念；设置基于真实情境的问题探究任务，使学生在探究问题的过程中逐步提升学科核心素养。

“素养为本”的课堂教学设计与实施，对初中化学教师来说是一个富有挑战性的研究课题。教师应积极开展“素养为本”的课堂教学研究，在研究中总结和提炼发展学生学科核心素养的有效途径、方法和策略，提升自身开展“素养为本”的课堂教学的能力［3］。