資源簡介

基于科學思維培養的作業設計案例研究
——以 “金剛石、石墨和 C60（第二課時）”為例
一、背景
作業作為課堂教學的輔助和補充，是較為有效的培養學生學科素養的途徑之一。作業的定位在很長一段時間里都被認為是對教師教的反饋和學生學的鞏固的一種手段，課外作業則更是課堂教學的延伸。但作業很少被認為是學情的前測和學習習慣養成的一個側面，更別說在作業層面的“減量提質”。為了落實作業的“減量提質”，確保減輕學生的負擔，從中央文件到學校教研，都在呼吁要調整作業設計的思路和形式。作業設計應承載學科知識和學科能力考查，包括多種類、跨學科知識和能力的考查，并最終指向核心素養的培育。
《義務教育化學課程標準（2022版）》提出要培養學生的“科學思維”。所謂“科學思維”指的是從化學視角研究物質及其變化規律的思路與方法，是解決與化學相關的實際問題的思維習慣和能力；是學生在科學探究與實踐中解決情境問題、形成科學結論的思維方式；也是學生在高中階段能靈活運用宏微聯系、證據推理與模型認知等方法的認知基礎。
二、教材分析
本課時的教學內容位于義務教育教科書《化學》（上冊）第六單元“碳和碳的氧化物”。該單元是初中階段較為全面學習元素化合物知識的一個單元，所涉及到的學科知識內容較廣，化學反應較多，物質之間的聯系較為復雜。學生學習過程中雖然普遍感到該單元的知識容易上手，但距離真正掌握還是存在一定困難。教學過程中如何根據這部分知識內容的特點，指導學生通過科學的思維建立有序的知識結構尤為重要。“金剛石、石墨和 C60（第二課時）”主要涉及單質碳的化學性質，本課時中碳的可燃性涉及到第二單元課題2“氧氣的性質”中的相關內容；而還原性又為后續學習“一氧化碳的性質”做了鋪墊。教材設計的順序體現了化學課程的學科內邏輯關系，循序漸進地培養學生認識物質性質的一般思路。
三、實踐研究
學習是基于知識建構的社會協商過程。已有的知識和能力是引起學習的內部條件，教學活動必須建立在學生的認知發展水平和已有的知識經驗基礎之上。鑒于上述認識，筆者在作業設計中加入課前作業內容，一是了解學生已有的知識水平，二是可以在教學中糾正學生已形成的一些可能存在錯誤的前概念。課中作業則主要是“對話”，是學生同客體（教材）的相遇與對話，是同他人（教師與伙伴）的相遇與對話，也是同自己的相遇與對話。課后作業除了鞏固所學知識，還增設跨學科實踐作業。
以義務教育教科書《化學》（上冊）第六單元課題1“金剛石、石墨和 C60（第二課時）”為例，設計本節課的作業如下。
1.課前作業
（1）作業內容
Ⅰ.利用網絡等了解“清明上河圖”的年代、使用的繪畫材料，找到相關的圖片。
Ⅱ.了解書寫檔案材料的“碳素墨水”的主要成分，思考用這種物質來做“碳素墨水”的原因。
Ⅲ.燒烤時用木炭來烤制食物，說明木炭具有什么性質？請說說木炭在空氣中燃燒的現象。
Ⅳ.請查找相關材料冶金工業常常用到的原料，說說各種原料的作用。
（2）作業類型
Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ信息搜集題，Ⅲ為基礎知識題，全體學生均需完成。
（3）設計目的
①設計思想
從生活的真實情境入手，讓學生在課前去感受單質碳的化學性質，初步養成單質碳的性質決定了其用途的化學觀念；通過對古代書畫的繪畫材料、碳素墨水、燒烤燃料、冶金原料等，讓學生知道碳單質是一種常見的重要化學物質。
通過讓學生課前在網上搜尋相關資料，不僅培養學生獲取信息、加工信息的能力，增強學生的實踐能力，而且學生通過分析收集的真實情境下的資料，進行獨立思考、分析、判斷、歸納、總結，提出自己獨到的看法，發展科學思維。
②涉及的知識與能力
A.信息收集與加工的能力；
B.表達和交流的能力；
C.性質決定用途，了解碳單質在生活中較為廣泛的應用，是因為它獨特的性質。
③培養的學科素養
√化學觀念；√科學思維；√科學探究與實踐；□科學態度與責任。
（4）預估完成時間15分鐘。
2.課中作業
（1）作業內容
Ⅰ.“鉆石恒久遠”是經典的廣告詞，通俗易懂地解釋了鉆石作為單質碳的性質是（填選項序號）。
A.熔點高 B.常溫下化學性質穩定
C.硬度大 D.還原性
從碳原子的結構入手，解釋形成這一性質的原因。
Ⅱ.冬季北方地區常常使用煤炭（主要成分是單質碳）燃燒來取暖，說明煤炭具有性，其燃燒是（填“吸熱”或“放熱”），在使用煤爐取暖時，要注意通風的原因是。
Ⅲ.焦炭是冶金工業的重要原料之一。它可以與磁鐵礦（主要成分是 Fe3O4）反應生成鐵單質，該反應的化學方程式是，該反應中（填物質名稱）發生還原反應。
（2）作業類型
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均為基礎題，Ⅳ為提高題，全體學生均需完成。
3.設計目的
（1）設計思想
A.課中作業Ⅰ～Ⅲ ， 明確指向了單質碳的三個化學性質，課堂中通過三道作業的反饋讓學生認識到碳在化學變化中體現出的性質，樹立起結構決定性質的意識。所創設的作業情境均來自生活和生產實際，結合實例讓學生了解化學與生活、生產之間的關系，樹立科學態度。
B.課中作業Ⅳ是通過“碳三角”的形式展現，讓學生初步了解三種物質之間的轉化關系，養成物質之間可以相互轉化的化學思維，促進知識結構化。
C.所設計的作業不僅有促進新知識掌握的鞏固性作業，還有在情境中運用知識解決問題的應用性作業，發展了學生科學思維。例如解決“從碳原子結構的角度解釋碳在常溫下穩定性”，培養了學生宏微結合的能力；再如解釋用煤爐取暖時要注意通風的生活現象、根據給出的一氧化碳性質，寫出一氧化碳轉化成二氧化碳的化學方程式等，都培養了學生證據推理的能力；再如讓學生通過類比碳和氧化銅、碳和氧化鐵的反應方程式，完成碳和四氧化三鐵反應的化學方程式，歸納總結碳還原金屬氧化物這一類反應方程式的書寫方法和規律，強化學生邏輯思維能力。
（2）涉及的知識與能力
A.碳的化學性質；
B.化學方程式的書寫；
C.證據推理能力；
D.邏輯思維能力。
（3）培養的學科素養
√化學觀念；√科學思維；√科學探究與實踐；√科學態度與責任。
（4）預估完成時間8分鐘。
5.課后作業
（1）作業內容
Ⅰ.請用相關物質的性質解釋一些生活中的事實：①書寫檔案時用碳素墨水；②石墨做電極材料；③焦炭可以冶煉金屬；④制糖工業中用活性炭來脫色用以制白糖。
Ⅱ.根據木炭還原氧化銅的實驗回答下列問題：
①酒精燈上網罩的作用是_______；
②該反應的化學方程式為_______，該實驗的現象是_______；該實驗體現了碳的_______性；
③預熱時，澄清石灰水中立即出現了氣泡，但此時石灰水不變渾濁，可能的原因是_______；
④反應結束先將導管從石灰水中撤出，并用彈簧夾夾緊橡皮管，再停止加熱，原因是_______；
⑤待冷卻至室溫后再把試管內的紅色粉末倒出，原因是_______。
Ⅲ.5 g碳和10 g 氧氣在密閉容器中充分反應后，剩余的氣體是（ ）
A. CO B. CO2 C. CO和CO2 D. CO2和O2
Ⅳ.小明同學在實驗室把18 g木炭和氧化銅的混合物用酒精噴燈加強熱使之充分反應，冷卻后稱量固體剩余物的質量為13.6 g，求參加反應的CuO的質量（寫出計算過程）。
Ⅴ.小明同學整理燃燒實驗現象時發現木炭、鐵絲在氧氣中燃燒沒有火焰，氫氣、蠟燭燃燒卻有明亮的火焰。該小組同學進行了如下探究。
【提出問題】物質燃燒是否產生火焰與什么因素有關？
【猜想假設】物質燃燒是否產生火焰可能與如下因素有關：
a.可燃物的狀態 b.氧氣的濃度
c.燃燒達到的溫度和可燃物沸點的相對高低
【查閱資料】
【結論】
①通過木炭在空氣和氧氣中燃燒均不產生火焰，可以得出假設_______不合理；
②分析表中數據，可以得出假設_______正確。
【反思交流】
①“查閱資料”表格中的橫線應填_______；
②小娟同學發現生活中木炭在木炭爐中燃燒時，木炭爐上方有藍色火焰出現，并且木炭爐進風口一般在下方，產生火焰的原因可能是_______。
（2）作業類型
Ⅰ、Ⅱ為基礎題，全體學生均需完成；Ⅲ、Ⅳ為提高題；Ⅴ為拓展題，學生選擇性完成。
（3）設計目的
①設計思想
A.根據作業的難度，結合每個學生自身學情，分層設計和布置課后作業，因材施教，讓每個學生都在完成課后作業時得到知識和能力的提升。
B.課后作業Ⅰ旨在利用碳的性質解釋其實際生活應用中，鞏固了物質決定用途的化學觀念。
C.課后作業Ⅱ通過類比高錳酸鉀制氧氣的實驗細節，培養學生類比推理的科學思維，同時增強了學生實驗探究能力。
D.課后作業Ⅲ和課后作業Ⅳ讓學生意識到通過質量比例關系和質量守恒定律認識化學變化，理解化學反應中的定量關系。這兩道作業對學生的思維轉換和計算能力有一定要求。
E.課后作業Ⅴ是培養學生基于已知信息進行證據推理，預測物質變化，用以解決真實問題的科學思維能力和科學探究能力。
②涉及的知識與能力
A.碳的相關性質；
B.質量守恒定律；
C.根據化學方程式進行簡單計算；
D.實驗探究能力；
E.類比與遷移能力；
F.證據推理能力。
③培養的學科素養
√化學觀念；√科學思維；√科學探究與實踐；□科學態度與責任。
（4）預估完成時間20分鐘。
四、實踐反思
1.課前作業要有針對性和多樣性
課前作業在設計時要明確指向本節課的教學內容，與之相互呼應，確保學生在完成課前作業后了解本節課的教學內容。在設計本次課前作業時，有針對性地設計了問題：了解《清明上河圖》及碳素墨水是針對性地指向碳的化學性質在常溫下不活潑；用木炭烤制食物是指向碳的可燃性；搜尋冶煉金屬的材料以及作用是指向碳的還原性。當然課前作業在設計的形式上可以多樣化，不僅僅包括紙筆形式的課前導學案，而且還可以結合自主學習，研討和搜尋相關材料。該案例中的課前作業設計實踐中，不僅有木炭烤制食物的性質體現、木炭燃燒現象的簡單知識回憶，而且采用了讓學生自主在網上尋找古畫、墨水、冶金等相關材料，并讓學生在課堂上做分享和交流，增強了學生學習本節課的內驅力。
2.課中作業要有典型性和增長點
課中作業的設計需要對本節課所涉及的重難點知識，在呈現方式上合理且明確。課中作業要基于真實的問題情境，所蘊含的化學思想、解題思路和方法要有典型性，能有舉一反三的效果。在該案例中的課中作業設計實踐中，無論是從廣告詞中體現出碳的化學性質，并從結構上解釋，還是從煤炭燃燒角度解釋注意通風的原因，還是基于類比方法書寫焦炭還原磁鐵礦的化學方程式，都具有代表性。課中作業中應該富含化學思維增長點，基于證據推理要符合學生的化學認知規律和心理發展特征。基于思維增長點的角度考慮，在課中作業設計上選擇了“碳三角”的情境，在相關問題的解決中讓學生建構三種物質相互轉化的關系，為后續化學學習中遇到的“鐵三角”“鋁三角”等物質轉化建構模型。
3.課后作業要有分層性和提高性
課后作業在設計時要兼顧不同能力層次的學生，根據難度進行作業分層。基礎薄弱的學生完成基礎題即可。在本文的課后作業設計中，基礎題是用以鞏固碳的性質，其中碳還原氧化銅的實驗，用以鞏固和掌握本節課的重點知識。對于一些學有余力的學生，可額外設計一些培養能力的提高題和拓展題。兩道提高題均需學生進行簡單的化學計算，培養了學生的計算能力和質量守恒思想。拓展題是一道探究物質燃燒時產生火焰因素的實驗題，根據已有的實驗現象和相關信息，得到“物質燃燒能否產生火焰與物質在燃燒時的狀態有關”這個正確的推論，并根據所得到的推論來預測相關的實驗現象，解釋生活中的真實問題，培養學生的信息加工能力、科學探究能力、類比遷移能力和證據推理能力，提高這些學生的思維質量。

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