基于4MAT模式以 “核心问题”为驱动的深度学习设计

滕明俊

一、以“核心问题”为驱动的4MAT化学教学模式2019年发布的《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中明确提出：“深化课堂教学改革”积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学。在从“教”向“学”的转变中，教师作为支持者和指导者，如何采用合适的策略，帮助学生建立起对学科关键概念的正确认知并灵活应用，促进学生的深度理解，将是提高课堂质量的关键之一。

美国学者麦卡锡（McCarthy）博士结合心理学、脑科学研究和体验学习理论， 发展了4MAT教学模式（自然学习模式）。麦卡锡根据人们处理信息的方式将学习的过程主要分为了Why？（为什么） What？（是什么） How？ （如何用）What if？（又能如何用）？四个部分（如图1所示），以上四个问题构成一个循环，是学生在学习一个概念时需要经历的过程。学生通过体验、感知、内化并付诸实践等方式，自主探寻并构建关键概念的意义和内涵，并最终应用和迁移。该模式使得教师能够在课堂的不同阶段，采用不同的教与学的方式，来帮助学生深度理解关键概念。

当前中等教育工作者对4MAT教学模式进行了创新性的研究和实践，但是从操作层面仍存在瓶颈，主要原因在于缺乏一个适合的载体将Why？（为什么） What？（是什么） How？ （如何用）What if？（又能如何用）这四个内容较好地串起来并融入课堂教学当中。而其中，最为关键的是第一步，通过什么的方式设疑，既能引起学生的兴趣，又能与课程内容无缝对接，同时与学科素养的落实相契合，达到素养发展的落实和教育意义的实现。

为解决以上的难点，笔者提出并实践了以“核心问题”为驱动的4MAT模式（如图2所示），通过核心问题一方面能聚焦学生，另一方面能够顺应4MAT教学模式展开。以“核心问题”为驱动能将化学学科的大概念和核心素养落实分解到核心问题当中，利用核心问题将章节中的知识点有机地串联起来，形成完善的知识体系。通过核心问题的提出和解决，可以激发学生学习的内动力，发展学生的核心素养，同时也顺应以学生为中心的课堂设计理念。现以北京市区级公开课“盖斯定律”为例进行剖析，以期进行反思并提供启示。

二、基于4MAT模式“核心问题”驱动的课例实践

1. 教材内容及学情分析

人教版高中化學教科书《化学反应原理》（选修四）热化学章节中关于“盖斯定律”的教学内容，其教学重点是学生能理解并正确应用盖斯定律。这部分是反应热学习的延续，也为后续化学能转化的学习打下基础，因此具有承上启下的作用。

盖斯原理的学习较为抽象，学生往往只是记住结论并直接用于解题，没有切身的体验，对该原理的理解停留在表面;学生缺乏实验设计、数据处理、实验观察和测量相结合的训练，难以建立反应热与化学变化之间的深层关系。

为了解决学生缺乏深度学习体验，难以深刻理解该原理的问题，对本章内容进行整合，将测定反应热实验和盖斯定律进行融合，通过“测定氢氧化钠与盐酸中和反应的反应热”的实验，引导学生对盖斯定律进行论证。以“如何测定在现实条件下难以进行的反应的反应热？”为核心问题进行驱动，开展基于4MAT模型的教学实践以促进学生的深度学习，帮助学生在学习理解盖斯定律的同时，进一步深化对反应热测定、比热容等概念的理解与应用，同时加强学生动手操作获取数据、分析和评价数据的能力。

2.教学目标

（1）通过海拔高度差的类比以及焓作为状态函数的介绍， 学生能理解盖斯定律提出的理论依据和基础，了解其在科学研究中的意义，同时掌握有关盖斯定律的应用。

（2）以氢氧化钠固体与盐酸溶液的反应热测定为例，通过设计合理的反应路径以及基于能量守恒定律来论证盖斯定律。通过以上探究过程的设计、实践、展示和评价，发展学生证据推理和模型认知的水平;同时在实验中体会科学家进行实验探究的完整过程，培养学生的科学精神、科学方法以及创新意识。

（3）通过运用盖斯定律求解难以直接测量的化学反应的反应热（如碳与氧气生成一氧化碳的反应热），加深对反应热概念和盖斯定律的理解。让学生感受到化学对社会发展的巨大贡献，进一步提升学生对化学与社会关系的认识水平以及在真实情景中的问题解决能力。

3.教学设计及实践

“盖斯定律”一课教学设计如图3所示。

【第一阶段】创设情景、引出问题

设置问题情景：小王同学假期计划爬山，他想弄清楚从山脚A点到山顶D点的海拔高度差有多少米。地图上提供了三条路径，但没有直接提供A点和D点海拔信息，而是提供了中间驿站B点、C点的海拔信息及与A、D两点的高度差，根据以上间接的信息是否能够推断出A点和D的海拔高度差？

学生思考并回应：可以通过A→B，B→C，C→D的高度差来求得A→D的高度差。

追问：在化学反应热的测定中，也存在这样类似的没有直接数据可参考的问题。比如，受反应条件的限制，有的反应的焓变很难直接测量，比如难以测定碳单质与氧气反应生成一氧化碳的反应热，因为该反应发生的时候总是伴随产生二氧化碳气体。如何测定在现实条件下难以进行的反应的反应热？

教师启发：在指定状态下，各种物质的焓值都具有确定的数值，因此从反应物变成产物，无论经过哪些步骤，他们的焓的差值都是不变的。就好比登山时，无论是徒步攀登，还是坐缆车直达山顶，虽然路径不同，但是总的上升高度是一样的。

学生推测：如果一个化学反应的焓变只取决与反应体系的终态和始态，与反应途径无关，那么就可以设计合适的反应路径获得目标反应的焓变值。

设计意图

通过设计实际问题情景，利用类比的方法为盖斯定律的引出做好铺垫。激发学生兴趣，引发学生猜想，促进学生对焓的定义的深度理解，为盖斯定律的探究奠定理论基础。同时，发展学生多角度、动态地分析化学变化的能力。

【第二阶段】分析实例、提出猜想

素材提供：以真实反应为例：

对于中和反应A：

NaOH（s）+H+（aq）+Cl-（aq）

Na+（aq）+Cl-（aq）+H2O ΔHA

是否可以由另外几个热化学方程式相加减而得到？

学生讨论分享：

（1）氢氧化钠固体溶解的过程B：

NaOH（s）Na+（aq）+OH-（aq） ΔHB

（2） NaOH溶液和HCl溶液的中和反应C：

Na+（aq）+OH-（aq）+H+（aq）+Cl-（aq）

Na+（aq）+Cl-（aq）+H2O

ΔHC

启发：我们可以直接测定反应A、B、C的焓变。这几个反应的焓变值之间存在什么样的关系？

学生推测：反应A可以由反应B和反应C相加而得到，则可能存在ΔHA=ΔHB+ΔHC

设计意图

本环节引导学生将熟悉的氢氧化钠固体与盐酸溶液的中和反应拆分成氢氧化钠固体的溶解和氢氧化钠溶液与盐酸溶液的中和反应，通过测定以上3个反应的反应热来论证盖斯定律，使得抽象的定律转变成更贴近实际的生活情景。重点发展学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养，引导学生通过分析、推理和演绎等方式不断接近和认识盖斯定律的本质特征，建立认知模型，并运用模型来解决问题。

【第三阶段】系统探究、验证猜想

教师展示量热计的使用并说明注意事项，学生聆听，了解任务要求，分组進行实验。通过量热计收集各组相关数据，利用Q=C×m×ΔT， 计算出反应热;利用ΔH=Q/n计算出反应焓变ΔHA、ΔHB、ΔHC。

学生验证：学生收集、计算并展示数据。实验数据表明：在误差范围内（<5%），存在以下关系ΔHA=ΔHB+ΔHC。 （备注：理论值：氢氧化钠的溶解焓：-44.6 kJ/mol， 氢氧化钠和盐酸的中和热：-57.3 kJ/mol）

问题启发： 以上的结论是否可以进行推广并用科学的语言来表述？

学生主张：考虑到焓是一个状态函数，以上结论可以迁移到一般的化学反应中。对于A→D的反应，如果不能直接计算出反应焓变ΔH，但是通过设计别的反应路径A→B、B→C、C→D并得到每一步的焓变ΔH1、ΔH2、ΔH3，则ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。说明若一个化学反应的热化学方程式可以由另外几个化学反应的热化学方程式相加减而得到，则该化学反应的焓变即为另外几个化学反应焓变的代数和。

教师拓展：盖斯在大量实验的基础上，总结出如下规律：一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成，反应热都是一样的，此定律称为盖斯定律。虽然这是一个基于实验数据总结的规律，但是盖斯定律实质上是能量守恒定律的体现，能否用能量守恒定律来论证盖斯定律？

学生探究：

目标反应为从始态A变化到到终态D，体系的焓变是ΔH。如图4所示，可以设计另外途径：从A到B、B到C，C到D，体系的焓变分别为ΔH1，ΔH2，ΔH3 。假设经过一个循环，从始态A出发经过B、C、D，再回到A， 体系仍处于A态，因为物质没有发生变化，所以就不能引发能量变化，即ΔH1+ΔH2+ΔH3-ΔH=0。所以ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3图4

设计意图 改变了以往将盖斯定律直接教授给学生的方式，而是换用科学探究的方式让学生亲身体验、思考并动手论证。学生既体会了化学家可以通过巧妙的实验设计，又在教师的启发下，理论和实践相结合，由本质推出变式，由个别推广到一般，演绎和归纳能力得到锻炼。同时，学生成为实验的主导者和数据的分析者，落实了新课程标准中化学学科核心素养中的关键第三和第四点：证据推理与模型认知、科学探究与创新意识。在反应热的测定中，学生通过小组合作、数据分享、独立分析给出结论，能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径。

【第四阶段】联系实际， 迁移应用

教师追问：盖斯定律在实际生产生活中有哪些独特的应用？

学生提炼并展示应用场景：可以解决特殊场景下反应热测定困难的问题，比如以下情形可以运用盖斯定律来解决：

（1） 进行得很缓慢的反应;

（2） 在特定条件下不容易直接发生的反应;

（3） 伴随有副反应发生的反应。

追问探究：盖斯定律解决问题的关键是设计流程，从反应物开始，经历若干中间反应（不一定是真实的反应历程），最终生成生成物。

本节课开始阶段曾经提到因为C燃烧时不可能完全生成CO，总有一部分CO2生成，因此这个反应的ΔH无法直接测得，如何根据盖斯定律设计一个方案计算该反应的ΔH？需要哪些数据？

学生讨论分享：

为了规避不完全燃烧的情况，可以设计C完全燃烧及其CO完全燃烧的反应，因此需要C及其CO分别在氧气下完全燃烧的反应热，然后通过数学处理将热化学方程式相加减而得到C不完全燃烧生成CO的反应热。

C（s， 石墨）+O2 （g）CO2（g）

ΔH1=-393.5 kJ/mol①

CO（g）+12 O2CO2（g）

ΔH2=-283.0 kJ/mol②

①-②得到：

C（s， 石墨）+12 O2 （g）CO（g）

ΔH总=ΔH1-ΔH2

问题启发：盖斯定律运用的基本流程是什么？

学生提炼：写出目标热化学方程式，确定“过渡物质”（要消去的物质），然后用消元法逐一消去“过渡物质”，从而导出四则运算式，对热化学方程式进行适当变形，ΔH进行相应的变化后来计算反应热。

设计意图 首尾呼应，从实际问题引入开始到实际问题的解决结束，引导学生“学以致用”，从单纯的“解题”向“解决问题”进行转变。通过解决CO生成焓测定的难题，让学生深刻意识到化学对社会生产生活的重大贡献，发展其“科学态度与社会责任”化学学科核心素养。此外，通过对盖斯定律运用流程的提炼，提升学生归纳概括的能力和运用科学理论分析和解决实际问题的能力。

三、反思与启示

在本课例中，以核心问题“如何测定在现实条件下难以进行的反应的反应热？”为驱动，激发学生好奇心，引发学生深度思考，从而提出假设并亲自动手从理论和实验两个角度来论证假设。学生在这个过程中完整地体验了一个概念或者结论的形成、论证和迁移的过程，逐渐学习从科学家的视角来看待问题、分析问题并在此基础上创造性地解决新问题。在整体的设计中，以真实问题为情景，与关键概念建立起意义关联，从核心问题切入，最后以学生自主探究解决核心问题结束，较好地体现了以学生为主体，从教走向学的课改趋势。以上课例的实践说明基于4MAT模型以“核心问题”为驱动的教学模式，可以促进学生对核心概念的深度理解，有利于发展学生学科核心素养，值得进一步研究和关注。

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划2020年度青年专项课题编号：CDCA2020111。

（收稿日期：2021-08-01）