PCK视域下五线合一的教学设计
——以铁盐及亚铁盐的转化为例

杨水金,刘晶晶,周 鑫,李雄建

(湖北师范大学 化学化工学院,湖北 黄石 435002)

1 学科教学知识(PCK)理论的发展

学科教学知识(Pedagogical Content Knowledge,简称PCK)是美国学者Shulman L S[1]于1986年提出的与教师教学相关的一个重要概念,他比较系统地阐述了教师教学知识与学科知识协调作用的规律,对于我国的教育改革具有一定的现实意义。当前,我国正处于课程改革和高考改革深水期,这对高中化学的教与学提出了新的要求,PCK教学理论能够很好地适应当前形势下高中化学教学的需求,近年来在高中化学教学设计及教学中的应用得到了教育工作者的广泛重视。

自2017年版的《普通高中化学课程标准》[2]中认为在教学活动中学生知识的发展与学科核心素养的培养应该同样重视、科学思维与实践能力并进,学科核心素养应该在高中化学教学设计及实施中得到体现。因此如何在PCK理论的基础上构建化学教学设计以发展学生的化学学科核心素养成为当前一线教师需要重视的问题,笔者基于五线合一的PCK教学设计模型,即一个学科主题、五条PCK主线(知识线、素养线、兴趣线,策略线及评价线),创设教学设计。当前该课题的研究多偏向于教师PCK水平的对比研究,少有以教学设计案例开发,故笔者以人教版高中化学中《铁盐及亚铁盐的转化》作为学科主题,通过分析本节课的知识线,明确教学过程中需要落实的化学学科素养,挖掘契合的生活实际情景作为兴趣线,提出适当的教学策略并将评价线贯穿始终,实现教、学、评一体化[5～8]。本文力求能有效提升学生的化学学科核心素养并对此节内容的讲授提供一定的借鉴。

2 基于PCK理论下解析“铁盐与亚铁盐的转化”的教学

2.1 基于五线合一的PCK理论的教学内容解读

本文基于五线合一的PCK理论模型分析本节教学内容:本节课的知识线分为课程知识(对于常见的无机化合物及其应用的学习,需结合实际情景中的应用或实验探究,了解铁及其重要化合物的化学性质,了解铁的化合物在实际生活中的应用,要求学生能从元素的价态变化,根据氧化还原反应原理,推测物质的类别和化学性质,并设计实验,根据实验现象分析相关性质)和学生知识(学生已经了解了分类法,实验探究法,学习了氧化还原反应,离子反应等理论知识,整体能力较强,素养较高,能从元素的价态、物质的类别认识无机化合物;学生思维敏捷,对化学实验有浓厚的兴趣。但是学生还不能将宏观概括思维和微观探析相结合,概括、分析实验现象的能力有待提高,学生的氧化还原思维还处于初步阶段,不能很好的将元素的价态与物质的类别相结合来认识元素化合物,无法独立的设计实验进行探究或设计方案不够完整) 。通过以上知识线分析,笔者挖掘三个生活实际情景作为兴趣线(补血剂、久置FeSO4变质,补铁剂变质综合探究),尝试以多元化的教学策略(问题驱动策略,实验探究策略,小组合作策略),培养学生的化学核心素养(证据推理与模型认知,科学态度与社会责任),评价线贯穿始终(通过Fe2+、Fe3+的检验及其转化关系的认识过程,发展学生宏观辨识和变化观念的核心素养。诊断并发展学生物质鉴别知识的综合运用能力;通过分析、设计实验探究Fe2+、Fe3+的相互转化,初步建立假设、猜想和检验的认知模型,发展学生证据推理与模型认知的化学核心素养,诊断并发展学生元素二维价态观;通过运用所学知识解释、解决实际问题,建立化学来源于生活又用于生活的基本观念,发展学生的科学态度与社会责任,诊断并发展学生对铁的化合物的结构化认知水平)。笔者将知识线、兴趣线、素养线、策略线和评价线融合于《铁盐及亚铁盐的转化》这一学科主题中,试图发展学生化学核心素养。

2.2 教学思路

“铁盐及亚铁盐的相互转化”教学思路如图1:

图1 “铁盐及亚铁盐的相互转化”教学思路

3 《铁盐与亚铁盐的转化》教学流程

教学环节一 如何判断补血剂中亚铁离子是否被破坏

【课堂导入】铁不仅是我们生活中常见的金属材料,更是人体的重要组成元素,如果缺铁,人体就会发生缺铁性贫血,也会造成免疫功能下降和新陈代谢紊乱等;因此,如果人体缺乏铁元素时通常需要及时补充铁元素。【提问】这是老师找到的市场上常见的补铁剂,同学们能否观察一下,这些补铁剂都是几价的铁元素呢?

【学生回答】大多是二价铁。

【教师】对,市场上常见的补铁剂大多是二价铁的化合物,这是因为人体更容易将二价铁吸收转化。老师在补铁剂的服用说明书上发现这样一段话:一些蔬菜水果中富含维生素C,服用补铁剂期间可多使用此类食物,也可以直接服用维生素C片剂来促进铁的吸收,但是不能食用花生、核桃、浓茶、咖啡等,否则铁剂的有效成分可能被破坏。

【提出问题】如何判断补铁剂中的亚铁离子有效成分是否被破坏?请同学们根据已学知识小组讨论,设计方案鉴别亚铁离子和三价铁离子。

【学生】小组讨论,设计方案

【学生1】可以通过溶液颜色进行判断。

【学生2】可以加入氢氧化钠溶液观察现象的差异。

【教师】那如果溶液中存在其他有色离子,或溶液中离子浓度较小,这些判断方法还可靠吗?还有更科学严谨的方法鉴定Fe3+吗?

【演示实验】教师当堂演示氯化铁溶液中铁离子与硫氰化钾反应,现象:溶液迅速变为血红色。

【教师】硫氰化钾是一种灵敏的Fe3+特征检测试剂,能与Fe3+反应产生血红色。

设计意图:以生活中补血剂的服用原则创设教学情景,从学生已有知识层面出发,形成有效的问题驱动,激发学生解决实际问题的兴趣,也可以使学生对旧方法的不足和新方法的印象更深刻,构建螺旋上升,不断前进的知识结构,培养宏观辨识和微观探析的化学核心素养。

教学环节二 实验探究 证据推理

【情景创设】取少量久置于实验室的FeSO4溶液,分成两份,向其中一份溶液中滴加少量KSCN溶液。观察现象,发现溶液变红,为什么FeSO4会使KSCN溶液变红?

【学生】结合氧化还原反应原理,明确认识到铁盐与亚铁盐相互转化过程。

【教师】通过以下几种常见的氧化剂、还原剂以及检验试剂,小组讨论,合作探讨出Fe2+向Fe3+的转化实验方案,要求方案尽可能严谨细致,包括选取试剂、预测依据、实验现象等。

【实验药品】 FeCl2溶液、FeCl3溶液、KSCN溶液、KMnO4酸性溶液、 3%H2O2溶液、Cl2水、Fe粉、KI溶液、CCI4(萃取I2)、淀粉、维生素C

【学生活动】各小组的成员合作,积极讨论,将氧化剂与还原剂分组,选用合理的试剂,设计实验方案,预测实验现象并解释预测依据。

【幻灯片展示】

【教师】老师观察了各小组代表提出的探究实验方案后,提出以上表格,有同学能根据顺序汇报一下你们小组的方案一吗?

【学生1】在盛有少量FeCl2的试管中加入氯水,再滴加1～2滴KSCN溶液,试管内溶液迅速变为血红色。

【学生2】在盛有少量FeCl2的试管中滴加1～2滴KSCN溶液,无明显变化,再加入少量氯水,试管内溶液迅速变为血红色。

【教师】两位同学的方案有所不同,先加硫氰化钾溶液还是先加氧化剂更好?为什么?

【学生思考】先加入KSCN溶液更好,排除溶液中原有Fe3+的干扰情况。

【教师】请同学们根据方案一,进一步修改完善自己小组的实验方案,小组合作继续完成方案二和方案三。

抽取小组学生代表进行实验,并检验同学们的离子方程式书写。

【学生】依据教师的点评和给出的参考方案对自己设计的实验方案进行完善。并仔细观察参考实验中的现象,完成实验现象观察(收集实验证据)、现象解释、得出该实验的结论。

【过渡衔接】在生活中补铁剂为什么要与维生素C(Vc)同时服用?请参照上述过程设计实验探究Fe3+转化为Fe2+.

【学生】完善本小组设计的实验方案。完成实验并收集实验证据,得出该实验的结论。

【设计意图】 以久置的FeSO4变质设置问题情景,小组合作设计Fe2+与Fe3+相互转化的探究方案,让学生能够将所学的氧化还原理论知识运用于试剂选择、预测现象、实施实验等环节,落实学生证据推理与模型认知的核心素养培养;小组合作设计实验方案充分发挥学生在实验探究学习中的主体地位;在实验探究的学习中穿插实验试剂添加顺序问题,充分认识试剂添加顺序对实验结果的影响,进一步树立严谨的科学态度。分别从物质类别与核心元素价态认识物质转化,并进而建立到运用氧化还原规律对物质性质进行推理的模型,培养学生基于价类二维的元素观、转化观与模型观。

教学环节三 巩固留疑 综合实践

【巩固留疑】现有一瓶补铁剂,请同学们小组合作根据所学知识设计实验探究该补铁剂是否为假冒伪劣产品。

【设计意图】呼应新课导入中提到的补铁剂服用注意事项,引导学生使用所学知识解决生活中的实际问题,提升学生对铁的化合物的结构化认知水平,唤醒学生的化学探究意识,培养学生的科学态度与社会责任。

4 结论

化学作为一门自然科学,教学环节充分体现了科学情怀,学科核心素养中的“证据推理与模型认知”就是严谨的科学态度最好的诠释,本文以该核心素养为主要素养培养目标,这一培养目标对于培养新时代的合格高中生具有十分重要的意义;本文研究基于PCK理论及五线合一的教学模式,以人教版高中化学中《铁盐及亚铁盐的转化》作为学科主题,结合知识线、兴趣线、素养线、策略线与评价线,试发展高中学生化学学科核心素养,通过开发教学设计案例为一线教师提供教学参考。