资源简介

基于科学思维培养的作业设计案例研究
——以 “金刚石、石墨和 C60（第二课时）”为例
一、背景
作业作为课堂教学的辅助和补充，是较为有效的培养学生学科素养的途径之一。作业的定位在很长一段时间里都被认为是对教师教的反馈和学生学的巩固的一种手段，课外作业则更是课堂教学的延伸。但作业很少被认为是学情的前测和学习习惯养成的一个侧面，更别说在作业层面的“减量提质”。为了落实作业的“减量提质”，确保减轻学生的负担，从中央文件到学校教研，都在呼吁要调整作业设计的思路和形式。作业设计应承載学科知识和学科能力考查，包括多种类、跨学科知识和能力的考查，并最终指向核心素养的培育。
《义务教育化学课程标准（2022版）》提出要培养学生的“科学思维”。所谓“科学思维”指的是从化学视角研究物质及其变化规律的思路与方法，是解决与化学相关的实际问题的思维习惯和能力；是学生在科学探究与实践中解决情境问题、形成科学结论的思维方式；也是学生在高中阶段能灵活运用宏微联系、证据推理与模型认知等方法的认知基础。
二、教材分析
本课时的教学内容位于义务教育教科书《化学》（上册）第六单元“碳和碳的氧化物”。该单元是初中阶段较为全面学习元素化合物知识的一个单元，所涉及到的学科知识内容较广，化学反应较多，物质之间的联系较为复杂。学生学习过程中虽然普遍感到该单元的知识容易上手，但距离真正掌握还是存在一定困难。教学过程中如何根据这部分知识内容的特点，指导学生通过科学的思维建立有序的知识结构尤为重要。“金刚石、石墨和 C60（第二课时）”主要涉及单质碳的化学性质，本课时中碳的可燃性涉及到第二单元课题2“氧气的性质”中的相关内容；而还原性又为后续学习“一氧化碳的性质”做了铺垫。教材设计的顺序体现了化学课程的学科内逻辑关系，循序渐进地培养学生认识物质性质的一般思路。
三、实践研究
学习是基于知识建构的社会协商过程。已有的知识和能力是引起学习的内部条件，教学活动必须建立在学生的认知发展水平和已有的知识经验基础之上。鉴于上述认识，笔者在作业设计中加入课前作业内容，一是了解学生已有的知识水平，二是可以在教学中纠正学生已形成的一些可能存在错误的前概念。课中作业则主要是“对话”，是学生同客体（教材）的相遇与对话，是同他人（教师与伙伴）的相遇与对话，也是同自己的相遇与对话。课后作业除了巩固所学知识，还增设跨学科实践作业。
以义务教育教科书《化学》（上册）第六单元课题1“金刚石、石墨和 C60（第二课时）”为例，设计本节课的作业如下。
1.课前作业
（1）作业内容
Ⅰ.利用网络等了解“清明上河图”的年代、使用的绘画材料，找到相关的图片。
Ⅱ.了解书写档案材料的“碳素墨水”的主要成分，思考用这种物质来做“碳素墨水”的原因。
Ⅲ.烧烤时用木炭来烤制食物，说明木炭具有什么性质？请说说木炭在空气中燃烧的现象。
Ⅳ.请查找相关材料冶金工业常常用到的原料，说说各种原料的作用。
（2）作业类型
Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ信息搜集题，Ⅲ为基础知识题，全体学生均需完成。
（3）设计目的
①设计思想
从生活的真实情境入手，让学生在课前去感受单质碳的化学性质，初步养成单质碳的性质决定了其用途的化学观念；通过对古代书画的绘画材料、碳素墨水、烧烤燃料、冶金原料等，让学生知道碳单质是一种常见的重要化学物质。
通过让学生课前在网上搜寻相关资料，不仅培养学生获取信息、加工信息的能力，增强学生的实践能力，而且学生通过分析收集的真实情境下的资料，进行独立思考、分析、判断、归纳、总结，提出自己独到的看法，发展科学思维。
②涉及的知识与能力
A.信息收集与加工的能力；
B.表达和交流的能力；
C.性质决定用途，了解碳单质在生活中较为广泛的应用，是因为它独特的性质。
③培养的学科素养
√化学观念；√科学思维；√科学探究与实践；□科学态度与责任。
（4）预估完成时间15分钟。
2.课中作业
（1）作业内容
Ⅰ.“钻石恒久远”是经典的广告词，通俗易懂地解释了钻石作为单质碳的性质是（填选项序号）。
A.熔点高 B.常温下化学性质稳定
C.硬度大 D.还原性
从碳原子的结构入手，解释形成这一性质的原因。
Ⅱ.冬季北方地区常常使用煤炭（主要成分是单质碳）燃烧来取暖，说明煤炭具有性，其燃烧是（填“吸热”或“放热”），在使用煤炉取暖时，要注意通风的原因是。
Ⅲ.焦炭是冶金工业的重要原料之一。它可以与磁铁矿（主要成分是 Fe3O4）反应生成铁单质，该反应的化学方程式是，该反应中（填物质名称）发生还原反应。
（2）作业类型
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为基础题，Ⅳ为提高题，全体学生均需完成。
3.设计目的
（1）设计思想
A.课中作业Ⅰ～Ⅲ ， 明确指向了单质碳的三个化学性质，课堂中通过三道作业的反馈让学生认识到碳在化学变化中体现出的性质，树立起结构决定性质的意识。所创设的作业情境均来自生活和生产实际，结合实例让学生了解化学与生活、生产之间的关系，树立科学态度。
B.课中作业Ⅳ是通过“碳三角”的形式展现，让学生初步了解三种物质之间的转化关系，养成物质之间可以相互转化的化学思维，促进知识结构化。
C.所设计的作业不仅有促进新知识掌握的巩固性作业，还有在情境中运用知识解决问题的应用性作业，发展了学生科学思维。例如解决“从碳原子结构的角度解释碳在常温下稳定性”，培养了学生宏微结合的能力；再如解释用煤炉取暖时要注意通风的生活现象、根据给出的一氧化碳性质，写出一氧化碳转化成二氧化碳的化学方程式等，都培养了学生证据推理的能力；再如让学生通过类比碳和氧化铜、碳和氧化铁的反应方程式，完成碳和四氧化三铁反应的化学方程式，归纳总结碳还原金属氧化物这一类反应方程式的书写方法和规律，强化学生逻辑思维能力。
（2）涉及的知识与能力
A.碳的化学性质；
B.化学方程式的书写；
C.证据推理能力；
D.逻辑思维能力。
（3）培养的学科素养
√化学观念；√科学思维；√科学探究与实践；√科学态度与责任。
（4）预估完成时间8分钟。
5.课后作业
（1）作业内容
Ⅰ.请用相关物质的性质解释一些生活中的事实：①书写档案时用碳素墨水；②石墨做电极材料；③焦炭可以冶炼金属；④制糖工业中用活性炭来脱色用以制白糖。
Ⅱ.根据木炭还原氧化铜的实验回答下列问题：
①酒精灯上网罩的作用是_______；
②该反应的化学方程式为_______，该实验的现象是_______；该实验体现了碳的_______性；
③预热时，澄清石灰水中立即出现了气泡，但此时石灰水不变浑浊，可能的原因是_______；
④反应结束先将导管从石灰水中撤出，并用弹簧夹夹紧橡皮管，再停止加热，原因是_______；
⑤待冷却至室温后再把试管内的红色粉末倒出，原因是_______。
Ⅲ.5 g碳和10 g 氧气在密闭容器中充分反应后，剩余的气体是（ ）
A. CO B. CO2 C. CO和CO2 D. CO2和O2
Ⅳ.小明同学在实验室把18 g木炭和氧化铜的混合物用酒精喷灯加强热使之充分反应，冷却后称量固体剩余物的质量为13.6 g，求参加反应的CuO的质量（写出计算过程）。
Ⅴ.小明同学整理燃烧实验现象时发现木炭、铁丝在氧气中燃烧没有火焰，氢气、蜡烛燃烧却有明亮的火焰。该小组同学进行了如下探究。
【提出问题】物质燃烧是否产生火焰与什么因素有关？
【猜想假设】物质燃烧是否产生火焰可能与如下因素有关：
a.可燃物的状态 b.氧气的浓度
c.燃烧达到的温度和可燃物沸点的相对高低
【查阅资料】
【结论】
①通过木炭在空气和氧气中燃烧均不产生火焰，可以得出假设_______不合理；
②分析表中数据，可以得出假设_______正确。
【反思交流】
①“查阅资料”表格中的横线应填_______；
②小娟同学发现生活中木炭在木炭炉中燃烧时，木炭炉上方有蓝色火焰出现，并且木炭炉进风口一般在下方，产生火焰的原因可能是_______。
（2）作业类型
Ⅰ、Ⅱ为基础题，全体学生均需完成；Ⅲ、Ⅳ为提高题；Ⅴ为拓展题，学生选择性完成。
（3）设计目的
①设计思想
A.根据作业的难度，结合每个学生自身学情，分层设计和布置课后作业，因材施教，让每个学生都在完成课后作业时得到知识和能力的提升。
B.课后作业Ⅰ旨在利用碳的性质解释其实际生活应用中，巩固了物质决定用途的化学观念。
C.课后作业Ⅱ通过类比高锰酸钾制氧气的实验细节，培养学生类比推理的科学思维，同时增强了学生实验探究能力。
D.课后作业Ⅲ和课后作业Ⅳ让学生意识到通过质量比例关系和质量守恒定律认识化学变化，理解化学反应中的定量关系。这两道作业对学生的思维转换和计算能力有一定要求。
E.课后作业Ⅴ是培养学生基于已知信息进行证据推理，预测物质变化，用以解决真实问题的科学思维能力和科学探究能力。
②涉及的知识与能力
A.碳的相关性质；
B.质量守恒定律；
C.根据化学方程式进行简单计算；
D.实验探究能力；
E.类比与迁移能力；
F.证据推理能力。
③培养的学科素养
√化学观念；√科学思维；√科学探究与实践；□科学态度与责任。
（4）预估完成时间20分钟。
四、实践反思
1.课前作业要有针对性和多样性
课前作业在设计时要明确指向本节课的教学内容，与之相互呼应，确保学生在完成课前作业后了解本节课的教学内容。在设计本次课前作业时，有针对性地设计了问题：了解《清明上河图》及碳素墨水是针对性地指向碳的化学性质在常温下不活泼；用木炭烤制食物是指向碳的可燃性；搜寻冶炼金属的材料以及作用是指向碳的还原性。当然课前作业在设计的形式上可以多样化，不仅仅包括纸笔形式的课前导学案，而且还可以结合自主学习，研讨和搜寻相关材料。该案例中的课前作业设计实践中，不仅有木炭烤制食物的性质体现、木炭燃烧现象的简单知识回忆，而且采用了让学生自主在网上寻找古画、墨水、冶金等相关材料，并让学生在课堂上做分享和交流，增强了学生学习本节课的内驱力。
2.课中作业要有典型性和增长点
课中作业的设计需要对本节课所涉及的重难点知识，在呈现方式上合理且明确。课中作业要基于真实的问题情境，所蕴含的化学思想、解题思路和方法要有典型性，能有举一反三的效果。在该案例中的课中作业设计实践中，无论是从广告词中体现出碳的化学性质，并从结构上解释，还是从煤炭燃烧角度解释注意通风的原因，还是基于类比方法书写焦炭还原磁铁矿的化学方程式，都具有代表性。课中作业中应该富含化学思维增长点，基于证据推理要符合学生的化学认知规律和心理发展特征。基于思维增长点的角度考虑，在课中作业设计上选择了“碳三角”的情境，在相关问题的解决中让学生建构三种物质相互转化的关系，为后续化学学习中遇到的“铁三角”“铝三角”等物质转化建构模型。
3.课后作业要有分层性和提高性
课后作业在设计时要兼顾不同能力层次的学生，根据难度进行作業分层。基础薄弱的学生完成基础题即可。在本文的课后作业设计中，基础题是用以巩固碳的性质，其中碳还原氧化铜的实验，用以巩固和掌握本节课的重点知识。对于一些学有余力的学生，可额外设计一些培养能力的提高题和拓展题。两道提高题均需学生进行简单的化学计算，培养了学生的计算能力和质量守恒思想。拓展题是一道探究物质燃烧时产生火焰因素的实验题，根据已有的实验现象和相关信息，得到“物质燃烧能否产生火焰与物质在燃烧时的状态有关”这个正确的推论，并根据所得到的推论来预测相关的实验现象，解释生活中的真实问题，培养学生的信息加工能力、科学探究能力、类比迁移能力和证据推理能力，提高这些学生的思维质量。

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