基于深度學習的化學項目式學習設計與實踐

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯 基于深度學習的化學項目式學習設計與實踐 吳其特 摘 要 以“自制天氣瓶為例介紹初中化學工程式學習的設計思想、教學模式、實施策略，以及如何進行深度學習、培養(yǎng)高階思維，從而促進學生的批判性思維、創(chuàng)造能力、溝通能力等學科素養(yǎng)的形成。 關鍵詞 初中化學 工程式學習 深度學習 教學設計 一、工程式學習的內涵與特點 （一）工程式學習的內涵 工程式學習是以建構主義理論為指導，圍繞工程問題，以課程目標為依據(jù)，在小組中進行的自主合作探究性學習。學生通過摸索與生產(chǎn)生活密切相關的問題，最終形成工程成果或解決問題，從而構建學科知識體系，形成分析問題和解決問題的能力。 建構主義提倡

2、以學生為中心的學習，既強調學生的認知主體作用，又不忽略教師的指導作用。學生在學習過程中積極主動摸索，對外部信息主動進行選擇、加工和處理，成為學習活動的主動建構者。教師是學習活動的幫助者、引導者，教師要通過各種教學方式，幫助與促進學生對知識進行有意義的建構。 綜上，筆者認為，工程式學習是以學生為中心，以問題為動力導向，通過創(chuàng)設真實情境，引導學生以小組合作的方式解決問題，最終完成工程的一種學習方式。工程式學習的設計以驅動性問題為起點，確定工程研究目標，規(guī)劃、設計工程研究方案;工程式學習的開展應由小組協(xié)作實施，并在實施過程中合作解決相關難題，完成工程并且展示、匯報。在工程式學習中，學生帶著原有的知識

3、和閱歷去解決實際問題和完成任務，在這個過程中，原有的知識得到重組和建構，形成新的認知，而教師主要是提供“腳手架，幫助學生將知識進行重構，生成有意義的知識體系。 （二）工程式學習的主要特點 1.真實情境萌發(fā)新問題。教師應有目的、有意識地為學生創(chuàng)設各種情境，促使學生主動去質疑問難。布魯納的問題教學法認為，學習者在一定的問題情境中所經(jīng)歷的對學習材料的親身體驗和發(fā)展過程才是學習者得到的最有價值的東西。在工程式學習中，教師要創(chuàng)設真實的、符合學生認識的問題情境，而不是虛構的、脫離學生生活的情境，使學生在與真實情境的互動中萌生真實的問題，對知識形成陌生與新異感，產(chǎn)生探究學習的欲望。這種基于真實情境而萌發(fā)的問

4、題才是基于學生內在需求的好問題，才能驅動工程式學習的深入開展。 2.在實踐探究中建構知識，在深度學習中解決問題。在工程式學習過程中培養(yǎng)學生問題解決能力、團隊合作意識，使學生具備批判式思維，是深度學習的具體表現(xiàn)。在合作、探究、解決問題中實現(xiàn)學科知識以及關鍵能力的提升，是深度學習的關鍵。工程式學習強調在“做工程中學，通過探究與實踐，將知識、技能重新整合，解決繁雜問題，并以成果展示的方式進行表達，以達到深度學習的目的。 二、工程式學習的設計與實施 基于工程式學習的內涵與特點，筆者設計了基于深度學習視域的“自制天氣瓶工程式學習。以天氣瓶的制作活動為載體，內容包含生活問題及學科核心知識，并與初中化學課程

5、內容、化學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的內容相互交融，根據(jù)化學學科的特點，以發(fā)展學生的核心素養(yǎng)為目標，遵循以學生為主體的原則，工程的設計、實施、評價都以學生為主體，教師只是給予適度的指導和幫助。學生在工程學習中既用所學理論指導實踐，又在實踐中完善所學理論，在理論和實踐相互作用中理解知識、把握知識;學生是工程活動的主動參與者，是工程實踐過程中的參與主體。 （一）“自制天氣瓶工程的建構 1.“自制天氣瓶教學分析?！白灾铺鞖馄抗こ淌綄W習是基于滬教版九年級化學第六章“溶解現(xiàn)象設計的單元工程式學習。這一章概念繁多，涉及溶液的組成、飽和溶液和不飽和溶液、溶液的質量分數(shù)等，一般是分課時完成教學，學生對繁多的概念簡單產(chǎn)生

6、混淆。但是其中的溶液知識與生活生產(chǎn)聯(lián)系緊湊，如溶液的配制、結晶等在生活生產(chǎn)中有廣泛的應用，這為進行工程式學習提供了真實的生活生產(chǎn)情境素材。因此，筆者以“天氣瓶為工程式學習的根本素材，將初三化學關于溶液的知識進行整體化設計并使之表達章節(jié)知識間的滲透與聯(lián)系，使學生以這些具體真實的問題情境為載體，在體驗科學探究的過程中，通過自主學習與交流合作來解決開放性的問題并完成知識的重構，以培養(yǎng)學生合作解決繁雜問題的能力。 2.學情分析。首先，學生已在生活中接觸到一些溶液，通過氯化鈉等物質的溶解初步了解了溶液的形成以及溶液在生產(chǎn)中的一些應用;其次，學生對于多種多樣的溶液會產(chǎn)生好奇，簡單激發(fā)探究的欲望，形成學習動

7、機，保持學習興趣，這是學生進行本章工程式學習的心理前提;再次，學生已經(jīng)知道怎樣應用科學探究的方法去探尋物質的性質與變化，這是學生進行本章學習的能力前提;結果，學生對于溶液的理解尚不能將宏觀與微觀結合，沒有建立起知識間的內在聯(lián)系，還有待從多角度認識溶液，形成認識混合物的一般思路和方法。因此，學生需要通過本章的工程式學習，形成系統(tǒng)的溶液知識體系，把握工程式學習的根本方法，體驗深度學習的過程。 （二）工程設計與實施 1.制訂符合學科核心素養(yǎng)的工程式學習目標。工程式學習的設計要從課程標準出發(fā)來確定學習的核心知識、要提升的關鍵能力及高階認知策略，明確學習任務。學習目標也是學科核心素養(yǎng)的具體表達，在工程式

8、學習的設計中，表達不同素養(yǎng)內涵的學習目標有助于工程活動的開展與深度學習，有助于培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)2。學生通過研究天氣瓶的功能與構造學會從宏觀角度認識溶解現(xiàn)象，通過對溶解本質的探究活動提升微觀辨析的能力;通過配制天氣瓶所需的溶液學習溶液的簡單計算和溶液的配制，在合作學習中培養(yǎng)試驗探究能力和協(xié)作意識;通過觀測天氣瓶中的結晶現(xiàn)象了解飽和溶液和溶解度的含義，了解結晶的現(xiàn)象，從而培養(yǎng)證據(jù)推理能力，形成科學態(tài)度;通過梳理工程成果能將所學知識運用于實踐，體會化學與生活生產(chǎn)之間的緊湊聯(lián)系，培養(yǎng)科學探究精神和環(huán)保意識。在該工程式教學中，素養(yǎng)目標統(tǒng)攝教與學的目標（表1浮現(xiàn)的是本課時的教學目標、學習目標和素養(yǎng)目

9、標）。 2.創(chuàng)設貼近生活的問題驅動情境。教師要尋覓教材相關內容與工程式活動內容的融合點，再創(chuàng)設貼近生活的問題情境（如案例1）。問題情境能激發(fā)學生主動研究工程的動力，為工程式學習的開展奠定基礎。 案例1 【情境引入】天氣瓶是個網(wǎng)紅產(chǎn)品，據(jù)說它能預計天氣的變化。天氣瓶中的物質主要由蒸餾水、乙醇、硝酸鉀、氯化銨和樟腦按一定的比例混合而成。下面，我們就來共同觀看奇妙的天氣瓶視頻短片，并請同學們帶上以下這個問題： 【驅動性問題】描述天氣的要素有哪些？天氣瓶能預計哪些要素呢？ 【設計意圖】由學生熟悉的天氣瓶引出工程主題，能激發(fā)學生主動思考與探究天氣瓶奧秘的熱心，為“自制天氣瓶工程式學習的開展奠定基礎。 “

10、自制天氣瓶工程式學習整合了溶液的定義、溶液的組成、飽和溶液、溶解度和結晶等概念，也包含一定濃度溶液的配制、探究影響物質溶解性的因素等探究試驗，是開展工程式學習的適合載體。情境引入環(huán)節(jié)的驅動性問題是具有一定開放性的、生活化的驅動性問題，能激起學生的興趣，能帶給學生多維度的思維空間，促使學生在提出問題、分析和解決問題的過程中思維向高階、多維度發(fā)展。 3.根據(jù)學習目標設計工程式學習任務單。工程式學習任務單能保證工程研究的方向，學生通過完成工程式學習任務單，能夠在知識能力、學習方法、情感體驗三個維度上全面發(fā)展，從而促進科學素養(yǎng)的提升3?！白灾铺鞖馄抗こ淌綄W習圍繞天氣瓶的研究并從學生的認識發(fā)展規(guī)律出發(fā)設

11、計任務單：任務一要求學生初步認識天氣瓶的功能和構成，主要通過觀測、文獻學習、試驗探究等學習方法初步了解天氣瓶;在學生對天氣瓶有了基礎性認識的前提下，設計任務二“配制天氣瓶所需一定溶質質量分數(shù)的溶液，在工程活動中提升試驗探究和合作學習的能力;任務三為探究天氣瓶受溫度影響的原理，培養(yǎng)學生設計試驗方案、進行試驗探究、形成試驗結論的整體工程實踐能力;任務四建立在前三個任務的基礎上，是學生學習成果的展示。工程式學習設計四個以探究活動為載體的學習任務（見表2），并根據(jù)學生的認識水平層層遞進，通過四個任務的開展，幫助學生建構化學觀念、學習證據(jù)推理的方法、提升科學探究的能力。另外，為了幫助學生進行深度學習，筆

12、者在每一個任務中又設計了相應的化學探究試驗，通過試驗1、2和3的遞進探究過程，使學生對于溶液的認識從宏觀認知發(fā)展到微觀辨析的水平;通過試驗4、5的學生分組試驗，訓練學生的根本試驗操作技能，學習操縱變量的科學方法，從而促進學生對溶解度概念的深入理解。 4.組建小組，合作學習，促進深度學習。小組合作學習是工程式學習的主要方式，在小組合作中學生會產(chǎn)生思維的碰撞，重視知識的建構與遷移運用，從而促進深度學習。學生在同伴互助中能更加主動地參與到學習中，重組學習內容，建構出自己的知識結構;能在合作學習的過程中開展積極的合作與溝通;能理解跨學科知識的內在聯(lián)系，并學以致用。因此，合理建設學習小組，科學設計探究問

13、題，豐富合作學習模式，能夠促使更多的學生參與課堂活動，進行深度學習體驗，提高核心素養(yǎng)4。 “自制天氣瓶的工程式學習就是以合作學習小組為根本形式來促使學生進行深度學習，以小組學習過程性評價和成果性評價來促使學生共同達成學習目標的學習活動。以任務一“初步認識天氣瓶的功能和構成為例（案例2），筆者讓學生以學習小組為單位展開探究活動，探究活動從宏觀到微觀逐步深入，使學生更簡單理解溶液的形成并建構溶液的概念。 案例2 認識溶解過程 【問題】制作天氣瓶所需要的硝酸鉀溶液由什么成分組成？ 【小組活動1】探究天氣瓶中硝酸鉀溶液的形成。向燒杯中加2 g的硝酸鉀晶體，再參與10 mL水，攪拌并觀測試驗現(xiàn)象，測定溶

14、液溫度的變化。 【設計意圖】學生通過動手試驗體會溶解過程中物質和能量的變化，從宏觀角度認識溶液的形成過程。 【小組活動2】小組探討并繪制出硝酸鉀晶體溶解過程微觀示意圖（圖1為學生繪制的錯誤的微觀示意圖）。 通過分析學生繪制的微觀示意圖發(fā)現(xiàn)，部分學生對于溶解過程不甚理解，不能將宏觀現(xiàn)象與微觀本質結合起來，無法確切地表示出溶解的過程和溶液的均一性的特征。 【設計意圖】通過學生繪制溶液的微觀示意圖，使學生從淺層的宏觀認知向深層次的微觀辨析深入，挖掘宏觀現(xiàn)象與微觀本質的內在聯(lián)系。 【小組活動3】測定溶液電導率，研究溶質微粒在水中的運動狀況。向燒杯中參與40 的蒸餾水500 mL，均勻參與硝酸鉀晶體，用

15、電導率傳感器測定溶液的電導率，觀測曲線變化。2分鐘后開啟磁力攪拌器，再次觀測曲線變化。 學生經(jīng)過小組探討后提出方案，用測定溶液電導率試驗獲取硝酸鉀溶解過程的電導率變化曲線（見圖2），根據(jù)直觀的電導率變化曲線，再分析、推理溶液形成的微觀本質并再次繪制硝酸鉀晶體的溶解過程微觀示意圖。此時，學生通過小組合作及直觀試驗，已能夠將硝酸鉀晶體溶解的宏觀現(xiàn)象與微觀本質相結合，正確理解了硝酸鉀溶液的形成并成功建構了溶液的概念，因此，能夠正確繪制出硝酸鉀晶體溶解過程的微觀示意圖（見圖3）。 【設計意圖】運用電導率傳感器生成的曲線直觀展示物質溶解的微觀過程，將宏觀現(xiàn)象與微觀本質相聯(lián)系，突破學習難點，在分析數(shù)據(jù)的過

16、程中學生的證據(jù)推理和模型認知能力得到提升。 5.巧用平臺展示工程成果，重視過程性評價，完善多元化評價體系。工程式學習中的評價不僅評價學生的高階思維、必要技能，還要評價學習方法及學習表現(xiàn)，其中學習表現(xiàn)主要包括團隊協(xié)作、人際溝通、問題解決、團隊活動等5。工程式學習的重要特征之一就是學生運用在學習過程中所獲得的知識和技能完成工程成果，如工程報告、實物模型等。工程學習小組可制作精致的PPT課件、撰寫工程式學習研究報告等，并依次登臺展示工程成果，以此展示在工程式學習中所獲得的知識和所把握的技能。 在“自制天氣瓶工程式學習案例中，評價的內容除包括個人調查報告和試驗報告外，還有小組用PPT展示成果、學生工程

17、作品等。在評價學生研究成果時，既要對成果進行評價，也要對研究過程中每個成員的表現(xiàn)進行過程性評價，激勵學生投入每個環(huán)節(jié)的研究學習，如采用信息技術統(tǒng)計小組活動積分，根據(jù)學習過程中的積分評比優(yōu)秀學習小組等。 案例3 環(huán)節(jié)一：解密天氣瓶 【探究一】比較樟腦在水和乙醇中的溶解性。設計比較試驗，并分組探究。 【探究二】天氣瓶內的白色晶體成分。設計檢驗方案，并分組探究。 【探究三】天氣瓶晶體形成的因素。設計試驗方案，并分組探究。 【學生活動】小組合作完成三個試驗探究活動，歸納天氣瓶的原理。 【設計意圖】加深學生對溶解性概念及影響因素的理解，進一步感知物質的溶解性、飽和溶液在實踐中的應用;在學生已有的通過閱歷

18、、試驗獲得的感性認識的基礎上，幫助學生通過探究內化知識。 環(huán)節(jié)二：制作天氣瓶 【問題1】如何制作出既美觀又確切的天氣瓶？ 【問題2】簡化探究過程、獲取最正確試驗效果的設計思路是怎樣的？ 【活動】合作完成天氣瓶的制作，并進行工程成果展示。 【設計意圖】在制作天氣瓶的環(huán)節(jié)中，通過探究活動培養(yǎng)學生的科學創(chuàng)新意識和科學探究能力。通過天氣瓶的展示活動培養(yǎng)學生表達和交流的能力。 環(huán)節(jié)三：工程評價 “自制天氣瓶工程評價分為過程性評價和終結性評價，每個小組的工程式學習過程采用自評、互評及教師評價相結合的方式。筆者在設計工程式學習的同時也設計了“工程式學習評價量表。量表共4個工程：評價工程、評價內容、評價標準、

19、評價結果，其中評價工程包括：學習態(tài)度、學習方式、合作意識、探究活動、知識技能的應用、綜合評價，等等。由于文章篇幅所限不具體浮現(xiàn)“工程式學習評價量表，對工程式學習有興趣的一線教師可以根據(jù)評價工程自行設計更符合自己學生學情的評價內容及評價標準。 學生在制作天氣瓶的過程中需要不斷思考和動手實踐，也需要同組合作交流。由于是在真實的情境中分析“天氣瓶的原理、學習溶解的相關知識，使學生更樂于參與探究活動和動手試驗操作。而通過最終的產(chǎn)品展示環(huán)節(jié)，既展示了學生的“天氣瓶產(chǎn)品，也呈現(xiàn)了學生對化學學科的熱愛，同時還可以看出學生的實踐能力、探究能力以及協(xié)作能力得到了提升。 三、教學反思 工程式學習案例“自制天氣瓶在學習方式、學習內容、學習評價等方面進行了變革，在課堂中創(chuàng)設與生活相融合的教學情境，教師給學生進行有目的的指導，使學生在具體的實踐中深度學習，讓知識和技能能夠有效地結合起來。聯(lián)系生活，使學生明白化學知識既源于生活又服務于生活。工程式學習堅持學習生活化、知識技能化，始終堅持以學生素養(yǎng)發(fā)展為第一要務。可見，