UbD理论下的科学说理实验教学设计
叶淑娇 金隆
摘 要 基于UbD理论，采用逆向教学设计，通过创设问题情境，确定预期教学目标，制定评估依据，设计了“走‘进生石灰干燥剂”的科学说理实验教学。实践表明，这种以学习预期结果为出发点的逆向教学设计，是实现教、学与评一致性的有效路径之一。
关键词 初中化学 UbD理论 逆向教学设计 科学说理
“追求理解的教学设计”（Understanding by Design简称“UbD”）是由美国学者威金斯和麦克泰格倡导的一种新型教学设计模式，核心是“意义学习，理解为先”，强调为理解而教学，促进学生持久而深入地理解知识，是一种“以终为始”的教学模式。该模式以明确的预期目标为起点，以促进学生有意义的学习为宗旨，强调评价设计先于教学活动的开展[1]。這种逆向教学设计与科学说理的结合使用，能促进知识的理解、迁移与应用，从而提高学生的科学说理能力。科学说理，是指运用科学事实、概念和原理，通过科学的逻辑推理，使用准确的科学语言来解释某一科学问题或科学现象的过程[2]。以下，笔者以“走‘进生石灰干燥剂”一课为例，展示依据UbD理论而设计的教学的三个阶段：制订预期教学目标、选择合适的评估证据、设计教学过程。
一、制订预期教学目标，有的放矢
教师要在了解学情、依据课程标准、研读教材后制定预期教学目标。为了帮助学生了解需要迁移的知识，教师还要根据预期教学目标确定基本问题，并围绕这些基本问题确定学生需要理解的内容[3]3。本课例以变质的生石灰干燥剂作为教学情境，以鉴别物质、定性定量鉴定其成分等问题作为任务驱动，并对学生掌握“物质的转化、物质的检验、含量的测定”等核心知识的程度进行检测和评价。笔者从教学目标、基本问题、学生需要理解的内容三个方面出发，设计了预期教学目标，详见表1。
三、设计教学过程
教师在设计教学过程时，应认真思考：选取哪些资源和活动来引导学生学习？这些资源和活动如何呈现？设计的活动要充分考虑情境素材的生活化、问题设置的科学性和合理性、学生的参与性和目标达成的有效性。因此，需要通过把问题任务化并融入表达、书写、合作、实验、观察、讨论、展示等具体活动的方式来设计教学过程，以驱动学生学习。据此，笔者设计了本节课例的教学流程图，如图1所示。
以教学流程图为主线，具体的教学过程设计如下（以下“科学说理”简称“说理”）：
（一）创设情境，导入新课
展示食品——波力海苔，打开包装袋，取出干燥剂。查看干燥剂名称：生石灰干燥剂。
（二）复习回顾，唤起前知
【设计意图】巧用情境，以生石灰干燥剂为载体，激发学生的说理兴趣。通过复习回顾，先设置三个较为简单的说理目标，再根据说理目标来设置问题或问题链，引导学生在CaO、Ca（OH）2和CaCO3三种钙元素化合物之间建立联系，认识物质间相互转化的规律，加强学生对知识的系统建构。通过演示实验，归纳物质检验方法。从学生的说理、方程式书写中寻找证据，判断学生对知识的掌握情况。
说理目标一：生石灰为什么能做干燥剂？
设置问题1：生石灰干燥剂的主要成分是什么？
查看干燥剂包装袋说明：不可浸水、不可玩耍等。
设置问题2：为什么不可浸水？
设置问题3：很多新闻报道，小孩把干燥剂放入有水的矿泉水瓶中玩耍，发生了爆炸，造成人体严重损伤。为什么会爆炸？
学生思考，表达观点：生石灰的主要成分是CaO，CaO能与水反应，所以能做干燥剂;反应放出大量的热，所以不可浸水，否则会发生爆炸。
说理目标二：如何检验干燥剂是否有效？
设置问题：这包生石灰干燥剂有效吗？如何检验？
目的：检验干燥剂中是否还含有氧化钙。
原理：检验物质要依据物质的性质，包括物理性质和化学性质。氧化钙的性质之一：遇水反应且放热。
学生表述实验步骤并说理：取少量样品于试管中，加入少量水，触摸试管外壁，若温度升高，说明还含有氧化钙，干燥剂应该有效。
教师演示实验，师生一起归纳物质检验的一般方法：取样品、加试剂、看现象、得结论。
说理目标三：暴露于空气中久置的干燥剂含有哪些成分？请作出解释。
设置问题：新制得的干燥剂成分是生石灰，久置后还有效吗？若失效，会变成哪些物质？
学生书写化学方程式并说理：CaO+H2O[ ]Ca（OH）2，CO2+Ca（OH）2[ ]CaCO3↓+H2O。会失效。暴露于空气中久置的氧化钙会与空气中的水反应，生成氢氧化钙。氢氧化钙又会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙。所以久置的干燥剂中可能有CaO、Ca（OH）2、CaCO3。
（三）定性鉴定，低阶应用
任务一：检验久置干燥剂的成分。
【设计意图】让学生选择合适的试剂对久置干燥剂中的三种成分[CaO、Ca（OH）2、CaCO3]进行检验，目的是通过学生选择的试剂来诊断学生对物质性质的掌握情况。通过说理，规范科学用语，增强逻辑思维能力，掌握物质检验的方法。利用分组随堂实验，让学生体验实验研究的基本过程，提高实验能力，形成把科学知识应用于生活实际的意识。
情境升级：老师这里有一包暴露于空气中久置的生石灰干燥剂，这包干燥剂中是否含有CaO、Ca（OH）2和CaCO3三种物质？请结合他们的物理性质和化学性质，思考如何检验。
说理目标四：如何检验久置的生石灰干燥剂的成分？
分组实验，学生表达，教师提示并进行操作指导。
1.检验CaO：取部分样品于试管中，加入少量水。
提示：久置后的干燥剂中氧化钙含量可能会比较少，为了使现象明显可以多放点样品。
操作指导：在温度计上读出室温（即干燥剂初始温度），用滴管将少量水滴加到样品中，再用温度计测出此时干燥剂的温度并进行前后对比，若温度升高，则说明有CaO存在。
2.检验Ca（OH）2：取部分样品于试管中，加入适量硫酸铵并混合加热。
提示：在没有氧化钙的情况下，可以依据碱溶液的化学性质，如加指示剂或加酸、加CuCl2、加Na2CO3等检验Ca（OH）2;在有CaO干扰的情况下，则无法使用上述试剂检验Ca（OH）2。Ca（OH）2等碱性物质能跟铵态氮肥反应释放出有臭鸡蛋气味的氨气，可以采用将样品与铵盐混合加热的检验方法来检验。为避免铵盐自身分解产生干扰，应选择分解温度较高的硫酸铵（分解温度为280 ℃）。
操作指导：取样品加硫酸铵后，稍稍振荡混合，铵盐一般会受热分解。如果现象不够明显，则放在热水中稍稍加热。
3.检验CaCO3：取部分样品于试管中，加入足量稀盐酸。
操作指导：加稀盐酸时注意观察试管中的现象，边加边观察有无气泡产生。
（四）定量测定，高阶创造
任务二：构建测定各成分含量的实验装置模型。
【设计意图】采用问题链驱动，利用装置卡片，逐步引导学生构建装置模型。通过小组合作、展示与交流，教会学生根据不同的实验目的和原理，构建测定CaCO3含量的装置模型;通过比较分析和讨论说理，明确方案的优缺点，改进设计，提高测量的精确度。
问题升级：通过上述实验，我们确定了这包久置生石灰干燥剂的成分，你能据此判断这包干燥剂大概放置了多长时间吗？
提示：干燥剂中CaCO3含量越高，说明它被放置的时间越长。因此，可以通过测定干燥剂中各成分的含量来推断干燥剂放置的时间。
说理目标五：请设计测定久置生石灰干燥剂成分含量的实验方案，并说说各方案的优缺点。
测定思路：称取样品，加入相关试剂后，会生成相应的气体或沉淀;测量气体或沉淀的量，利用化学方程式计算出反应物的量。
1.测定CaCO3含量的实验装置设计
方案（1）：称重法[称量法（1）]
称量收集装置反应前后的质量，增加的量即为二氧化碳的质量。构建实验装置的步骤如下：
①需要一个发生装置和收集装置（用浓NaOH溶液吸收），如图2所示;
②生成的二氧化碳中携带了水，需要在收集装置前加一个干燥装置（用浓H2SO4溶液吸收）;
③为避免装置内部残留二氧化碳而影响测量的精确度，需要由外向内通入空气;
④通入的空气也含有二氧化碳，需要在发生装置前加一个盛有浓NaOH溶液的装置以除去空气中的二氧化碳;
⑤为防止空气中的二氧化碳和水倒吸入收集装置，还需要在收集装置的末端连接一个充满无水硫酸铜的装置。
最后构建出的实验装置模型如图3所示。
方案（2）：称轻法[称量法（2）]
实验装置和步骤同方案（1）。称量发生装置反应前后的质量，差值即为二氧化碳的质量。
方案（3）：排液法
利用反应产生的二氧化碳排出集气瓶中的液体，用量筒盛接并读出排出液体的体积，即为反应产生的二氧化碳的体积，再换算成二氧化碳的质量。装置模型如图4所示。
提示：二氧化碳易溶于水，或在集气瓶的液面上方铺放油层，或采用排“饱和”的碳酸氢钠溶液的方法。
学生说理，比较三种方案的优缺点：方案（1）和方案（2）的装置连接较复杂，操作麻烦，测质量需考虑多方面误差。方案（3）装置简便，无需考虑装置内部的气体残留，不足的是需由二氧化碳的密度和体积算出质量，而二氧化碳的密度受环境的温度、气压等影响较大，并非定值。
2.测定Ca（OH）2含量的实验装置设计
任务：小组合作，选择合适的装置（见图5），连接装置（提示：装置图可重复使用，药品自选）。
学生展示，教师点评，构建装置模型，见图6、图7。
方案（1）：称重法
装置见图6。
利用Ca（OH）2与（NH4）2SO4反应产生氨气，用浓硫酸装置C吸收氨气。由于浓硫酸具有吸水性，需在吸收装置C前加碱石灰装置D来干燥氨气。为避免氨气在装置内的残留，需向装置内通入空气。为防止装置倒吸空气中的水蒸气，需在浓硫酸装置C后加干燥装置D。称量吸收装置C反应前后的质量并计算出差值，即为氨气质量。
方案（2）：称轻法
装置同图6。称量发生装置C反应前后的质量，差值即为氨气的质量。
方案（3）：排液法
装置如图7。利用反应产生的氨气排出集气瓶E中的液体，用量筒盛接并读出排出液体的体积，即为反应产生的氨气体积，再换算成氨气的质量。氨气易溶于水，应在集气瓶的液面上方铺放油层。
（五）问题迭代，课外拓展
教师小结：根据这两个方案我们就可以测算干燥剂变质后各成分的含量，进而推测它的放置时间。当然，这只是我们推断的依据之一，它的变质速度还跟环境的湿度、温度等有关。
问题迭代：怎样才能使生石灰干燥剂得以循环使用？
（六）多元评价，总结提升
学生根據GRASPS评估框架进行自评。教师总结：本节课我们通过定性实验和定量实验，对暴露于空气中久置生石灰干燥剂的成分进行了探究。物质的检验和测定都是依据物质的性质来设计和进行实验的。通过这两个实验的体验，我们可以总结出实验的基本过程：明确目的、选定原理、设计步骤、观察现象、分析评价。本节课的板书设计如图8所示。
总之，说理是考查学生科学素养的重要手段。它既能检测、完善科学认知，培养比较、分析评价和逻辑等科学思维能力，又能增强语言表达能力。当下，说理教学的现状不容乐观，教师很少自己设计说理并将其运用于课堂教学，往往只针对题目进行枯燥的分析，学生说理兴趣不强，说理能力难以得到有效培养。基于UbD理论的逆向教学设计，先以清晰的目标为导向，再进行说理教学设计，使学生的科学认知与生活相联系，从而培养其说理能力。UbD理论强调评价与反馈，因此，教师应考虑设计多种评价方式，给学生充分表达的机会，从中捕捉评价证据，这也与说理教学常见的SOLO分类评价方法一致。
[参 考 文 献]
[1]李婉莹.“逆向备课”的UBD教学设计框架[J].上海教育，2018（14）：32-34.
[2]张翔，胡逢尧，金隆.基于PISA测试的科学说理能力培养[J].中小学教材教学，2020（3）：32-34.
[3]威金斯，麦克泰格.追求理解的教学设计（第二版）[M].闫寒冰，宋雪莲，赖平，译.上海：华东师范大学出版社，2017.
（责任编辑：赵晓梅）
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