基于深度学习的元素化合物教学实践——以沪科版“次氯酸和次氯酸盐”为例

黄炎维

（上海市第二中学 上海 200031）

一、问题提出

深度学习是指学习者以高阶思维的发展和实际问题的解决为目标，以整合的知识为内容，积极主动地、批判性地学习新的知识和思想，并将它们融入原有的认知结构中，且能将已有的知识迁移到新的情境中的一种学习。［1］促进深度学习的一般教学策略为“确立高阶思维发展的教学目标，引导学生深度理解；整合意义连接的学习内容，引导学生批判建构；创设促进深度学习的真实情境，引导学生积极体验；选择持续关注的评价方式，引导学生深度反思”。［2］

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对“常见无机物及其应用”的学业要求中指出：能从物质类别、元素价态的角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测物质的化学性质和变化，设计实验进行初步验证，并能分析、解释有关实验现象。这为教师开展深度学习的教学提供了依据。

《普通高中教科书化学必修第一册（上科版）》第二章第一节“海水中的氯”学习内容，是高中阶段学生第一次成模块地学习非金属元素及其化合物的性质，由于学生还未学习“氧化还原反应和离子反应”相关内容，因此“引导学生从组成、结构、性质和制备等方面审视具体物质的性质”的常规教学思路，学生很难做到主动建构，迁移应用，批判性学习。倡导基于深度学习的教学设计，教师要勇于进行课堂转型的探索，发挥教学的创造性。［3］笔者以“海水中的氯”第二课时“次氯酸和次氯酸盐”为实践对象，以“科学使用含氯消毒剂”为主题，尝试基于深度学习理念进行教学设计，提升学生的化学核心素养。

二、基于深度学习的“科学使用含氯消毒剂”教学思路分析

1.课标与教材分析

课程标准中对非金属元素的内容要求为：结合真实情境中的应用和实例或通过实验探究，了解氯及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。［4］“次氯酸和次氯酸盐”为典型的含氯化合物。学生能从物质类别角度，依据物质的通性推测化合物的性质，而“次氯酸和次氯酸盐”的相关性质也可为氧化还原及离子反应等基本理论知识的学习积累学习素材。

2.教学内容分析

在认识“次氯酸和次氯酸盐”性质中能体验含氯消毒剂的科学使用。以解决实际问题为目标，学生结合已有知识经验，如“酸、碱、盐”性质及复分解反应原理等，通过性质推测、实验探究、实验反思等学习活动，将次氯酸盐和次氯酸的新知识纳入原有知识体系。同时形成“认识、研究物质性质的基本程序”的认知模型，为后续其他元素化合物的学习奠定了方法层面的基础，培养了核心素养，发展了高阶思维。

3.“教、学、评”一体化的教学目标

课程标准中指出：化学日常学习评价是化学教学不可或缺的有机组成部分，［4］日常教学的评价方式除了纸笔练习，作业等方式之外，化学课堂上的学生活动、课堂任务、提问交流等途径，可促进学生有效开展深度学习，也是教师在教学中不断评估教学目标是否达成的有效途径，因此设计教学目标如下表1：

表1 “科学使用含氯消毒剂”课时目标设计

4.教学流程

基于以上的认识，本节课的教学内容分为两大环节：环节一，尝试通过以漂粉精作为研究对象，以“如何科学使用含氯消毒剂”为真实情境，从学生已有的“物质分类”视角认识次氯酸盐的性质，通过次氯酸盐与酸反应原理的探究，引发学生的认知冲突，借助对比、反思、讨论、评价等方式在活动中提升学生创新与批判思维。环节二，以深入认识漂粉精的消毒原理为主题，借助化学史话，着手对漂粉精具有消毒漂白作用背后真正的物质“次氯酸”开展研究，通过次氯酸分解的实验的现象观察，数字化实验等手段，宏微结合地深入感受化学变化过程。在对次氯酸钙和次氯酸性质的研究中实现“研究物质性质的基本程序”认知模型的进阶，发展学生的高阶思维。具体教学流程如图1所示。

图1 “科学使用含氯消毒剂”教学流程

三、基于深度学习的“科学使用含氯消毒剂”教学实践

1.以真实情境为载体，借助已有知识经验解决实际问题

【情境引入】含氯消毒剂在新冠肺炎疫情期间的广泛使用，展示某品牌漂粉精片剂及使用说明书。

【教师】阅读漂粉精的使用说明，通过讨论尝试归纳漂粉精性质、用途、使用注意事项。

【学生】有效成分为Ca（ClO）2；白色固体、具有腐蚀和漂白性；可用于杀菌、消毒；使用时学注意贮存于干燥、阴凉处，防雨、防晒，倒入水中，静置半小时后使用。

【教师】从物质分类角度分析漂粉精有效成分次氯酸钙有的化学性质。请仔细阅读说明书，次氯酸钙的消毒原理和次氯酸钙的什么性质有关？

【学生】Ca（ClO）2属于盐，可以与酸反应，说明书中指出使用漂粉精需“加少量水调成糊状，然后倒入水中搅动几下，静置半小时后使用”，这是由于空气中存在CO2，其溶于水生成的碳酸可以与Ca（ClO）2反应CaCO3和HClO。

设计意图：本环节通过漂粉精说明书的反复阅读，将次氯酸盐的消毒作用和次氯酸盐与酸的反应相联系，在“寻证”的过程中归纳总结次氯酸钙的性质；在真实情境中，引导学生积极体验化学物质用途与性质之间紧密的联系，同时将物质分类及同一类别物质通性的学习经验应用于该情境下，顺利将次氯酸钙的性质纳入知识体系，并将含氯消毒剂的研究重点转移至HClO。

2.在探究实验中，全面认识次氯酸盐性质与用途，建构研究物质性质的基本程序

【教师】漂粉精之所以有消毒作用是因为Ca（ClO）2与酸反应生成了HClO，我们怎么能够通过实验判断HClO生成呢？

【学生】从新制氯水的性质可知，HClO具有漂白性。可以尝试通过观察次氯酸钙与酸反应的产物是否具有漂白作用来判断次氯酸的生成。

【教师】实验是我们研究物质性质的重要手段。与空气中CO2反应时间太长，请同学们用酸性较强的盐酸来进行如下实验。

【学生实验】锥形瓶中分别盛有一定量研磨好的次氯酸钙固体，用针筒向锥形瓶中注射一定浓度的盐酸2～3 mL。观察实验现象。（探究实验：不同小组使用不同浓度的盐酸开展实验，浓度分别为0.1 mol·L-1、2 mol·L-1），实验装置及现象如表2所示。

表2 不同浓度盐酸与次氯酸钙反应实验现象

【教师】引导学生仔细观察现象，对比小组之间反应现象的异同，归纳实验背后隐藏的信息，如：盐酸可加速漂粉精漂白速度，盐酸浓度变化会导致反应产物变化，日常生活中次氯酸盐不能与洁厕灵（含较浓的盐酸混用）等。

设计意图：学生提出可通过漂白性证明次氯酸钙与酸反应有次氯酸生成的实验设想，提升了宏微辨析，科学探究等素养。盐酸与次氯酸钙反应的探究实验，其教学价值为：从认知角度出发，盐酸与漂粉精反应的现象不同，会引发学生的认知冲突，使学生意识到，盐与酸反应生成的产物受到反应物浓度的影响、酸的强弱等等因素的影响，促进学生“变化的观念”由静态变为动态；从科学态度与社会责任视角看，产生氯气的异常现象能很好地培养学生实事求是的科学态度，也可得到次氯酸盐不能与洁厕灵混用的结论，从反应原理回归日常用途，认识化学产品给生活带来的双重影响；最后，通过实验探究及结论归纳，学生完整地经历了研究物质性质的科学过程，为下一环节次氯酸性质的教学做了良好的铺垫。

3.在研究次氯酸性质的新情境中，应用研究物质性质的基本程序

【教师】展示含氯消毒剂使用的化学史话，从保存和使用角度出发，使用氯水和漂粉精进行消毒的优缺点分别是什么？

【学生】学生归纳如表3

表3 漂粉精和氯水使用优缺点比较

【教师】引导学生抓住关键词“变质”，结合化学史话中关于“漂粉精稳定性强”的描述，提问氯水不稳定性是由什么物质造成的。

【学生】经过氯水中成分的筛选，推测次氯酸可能具有不稳定性。

【教师】展示氯水中次氯酸见光分解的实验及其现象（实验装置及现象如图2所示），推测反应产物。

图2 氯水光照的实验装置及现象

【学生】推测次氯酸分解的产物中气体可能为O2，根据元素守恒可能还有HCl生成。

【教师】展示数字化实验测定次氯酸分解过程中pH及Cl-浓度的变化，分析图像，验证你的推测是否正确？溶液pH及Cl-浓度的变化如图3。

图3 氯水光照分解数字化实验

【学生】归纳图像变化趋势，验证推测。

【教师】总结归纳次氯酸的性质及次氯酸分解与消毒漂白的原理。

【学生】归纳研究物质性质的基本程序。

设计意图：本环节的学习任务就是研究次氯酸的性质与杀菌消毒之间的关系，学生在体验研究物质性质的基本程序后，本环节重点在应用该程序完成对次氯酸性质的研究。教学过程与研究物质性质的基本程序，如图4所示。

图4 教学过程与“研究物质性质基本程序”

学生通过“化学史话”搜集信息，在评价氯水作为消毒剂的优缺点中，推测氯水不稳定可能是其中次氯酸易分解所导致，通过氯水分解产生气体的宏观现象及元素守恒，推测次氯酸分解的产物，通过数字化实验测得的pH和氯离子浓度变化曲线验证次氯酸分解的产物，学生能从物质变化的宏观现象和微观视角上收集证据，得出合理结论。在整节课的反思中，通过自身学习经历归纳出研究物质性质的基本程序，形成了植根于实践的认知模型。

四、教学实践反思

1.选取合适情境，使学习有据可循

深度学习的教学要求以一定的学习情境展开学习活动，因此，情境除了激发学生的学习兴趣之外，应该还有一些其他功能，本教学案例中某品牌漂粉精说明书除了让学生感到学习的内容贴近生活之外，还起到了思考“支架”的作用，通过阅读，提取信息可帮助学生认识次氯酸钙的性质，教师也可运用说明书中的资料开展评价性提问，如：说明书中说到漂粉精会腐蚀金属，可能的原因是什么？以诊断学生对于次氯酸钙与次氯酸之间转化的认识。阅读“含氯消毒剂”使用发展史的学生活动中，学生可将提取的信息作为知识支架用来评价氯水和次氯酸盐作为消毒剂的优缺点，从而推测次氯酸的不稳定性。综上所述，深度学习中的情境要为学生进行证据推理提供学习线索和思考依据。

2.重视认知发展，开展有效的课堂评价

“教，学，评”一体化教学要求评价方式的多样性，除了传统的纸笔测试的方法外，课堂中实时提问互动也是教师进行有效评价及开展后续教学的依据，本教学案例中以9个问题（见图1）为线索推进教学，在环节一的教学中，以“你认为…”“尝试推测、评价…”等提问方式使问题更具有开放性，激活学生思维，调动学生运用已有知识解决新情境中的问题，诊断学生能否基于物质分类认知物质性质，开展深度学习的教学。在环节二的教学中，教师的提问设计为“要研究次氯酸的性质，我们首先应该做什么？接下来我们要怎么做…”，以诊断学生是否能应用认知模型去解决新问题，同时润物细无声地引导学生巩固、应用认识模型。因此，深度学习的课堂评价需以学生形成化学思维方式为导向。

3.培养高阶思维，注意学生认知水平的进阶

深度学习旨在培养学生的高阶思维，本教学案例以“科学使用含氯消毒剂”作为情景，以次氯酸和次氯酸盐性质学习为主要线索，旨在发展学生研究物质性质的基本程序的认知模型。在教学中，该认知模型的建构分为两段：第一段以日常生活中常见漂粉精中的次氯酸钙为研究对象，在教师问题引导、探究实验的帮助下，使学生经历“观察性状、搜集资料→推测性质→实验验证→得出结论”的探究过程。在抽丝剥茧般地发现次氯酸才是次氯酸盐具有杀菌消毒作用的物质后，以相同的方式将上述的研究程序应用于次氯酸性质的研究，为后续学习其他化学物质做好方法论的准备。因此，在深度学习的教学中，高阶思维的形成、认知模型的结构必需层次清晰，这样方可实现学生认知的螺旋式上升。