基于化学学科核心素养的“活动元”教学设计
——以“金属矿物的开发利用”为例

■薛盼，李思盛，刘延美

核心素养是学生在相应学段的学习过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[1]。它需要在各种形式的学习活动过程中逐渐形成。本文以“金属矿物的开发利用”为例，开展基于发展化学学科核心素养的“活动元”教学设计。

一、“活动元”教学的概述

（一）“活动元”的内涵

“活动元”是指在教学中为完成某一学习任务中的一个或几个子任务而进行的相对独立的学习活动[2]。它是以学生为中心，以学习任务为背景来进行的。将符合新课程理念的学生活动抽取出来，将其作为课堂教学的一个元素或一个环节来使用，每个活动元必须有明确的学习任务，学生在此任务驱动下进行学习活动[3]。“活动元”教学与传统讲授式教学不同，它强调学生是课堂的主体，强调课堂教学过程应该由学生通过自主实验、自主思考、自主探究等自主行为而获得直接经验，并发展学生的动手能力和学科核心素养。“活动元”教学的主体是学生，核心是活动，目标是让学生通过活动亲历学习过程，达成学习目标。

（二）“活动元”教学设计模型

以学生活动为中心的“活动元”教学设计模型是指教师在明确把握课标的前提下，根据教材特点、教学资源情况、学生实际情况等因素，将课程标准细化成一个个学习任务，并将每个学习任务设计成一个个符合新课程理念的独立的活动单元，也就是“活动元”，然后将这些“活动元”有机地整合成教学设计，运用于课堂教学。一般一堂课设计约三个“活动元”。“活动元”教学设计模型如图1所示。

图1 “活动元”教学设计模型

（三）“活动元”教学设计策略

1.突出学生是活动的主体，优先设计学生的“学”

先设计学案再设计教案，有利于细化和结构化内容体系，落实学生活动，强调学生的主体地位，课堂教学的准备、组织、实施和评价等均以学生为主体。“活动元”教学设计的目标设计一般都是以“学生活动+内容（或能力）标准”的模式来完成的。教师的教学准备和教学行为与此对应，并通过学生活动投射。学案优先“强迫”教师必须站在学生的角度设计教学过程，有效控制了“讲”，使课堂教学行为更规范清晰，为学生在课堂上开展有效活动和提升学科核心素养争取更多时间。

2.及时反馈和评价，重视活动落实与目标达成

斯金纳认为，要达到一个难度较大的行为目的，需要采用连续接近法，即分很小的步子强化，每次强化的难度逐渐加大，从而由易到难逐步达到目的。课例评价设计上应采用这一规则，即小步子反馈、连贯性评价。教学中不仅每个学生活动之后要紧跟练习、小结梳理和交流评价，每个“活动元”设置显性化的评价，改变了原有单一的“纸笔测评”，在最后单设一个评价“活动元”，对学生当堂学习情况进行测评，检查活动效果，从传统的“单线教学”变革为“双线教学”[4]。

二、“活动元”教学设计案例分析

（一）教学内容分析

本节课是依据普通高中新课程标准实验教科书人教版化学必修2 第四章第一节“开发利用金属矿物和海水资源”中的“第1 课时金属矿物的开发利用”开发的一节基于“活动元”教学设计的实验新授课，以金属的冶炼为目的，主要围绕着金属的冶炼方法进行。金属元素在周期表中的分布非常广泛，在自然界的存在主要是化合态，而金属单质以及合金在工农业和日常的生活中的用途很广。本课通过“回顾冶史”较生动形象地引导学生总结提炼不同金属冶炼的方法，理解金属冶炼的实质及冶炼方法不同的原因。本节课的学习也是学生提升和运用元素观解决实际问题的体现。本课旨在构建“金属矿物的开发利用”的理论模型，养成从化学角度思考实际问题、用化学原理解决实际问题的习惯，以期落实相关化学学科核心素养。

（二）教学目标、评价目标及重难点确定

1.教学目标及评价目标

“金属矿物的开发利用”教学目标及评价目标见表1。

表1 “金属矿物的开发利用”教学目标及评价目标

2.教学重、难点

（1）教学重点：理解金属冶炼的实质和铝热反应。

（2）教学难点：理解不同金属冶炼方法的选择和铝热反应。

（三）教学流程设计

教学流程及相应的化学学科核心素养如图2所示。

图2 “金属矿物的开发利用”教学流程及相应的化学学科核心素养

（四）教学过程分析

1.情境导入：视频播放设疑激趣

设计意图：情境导入，以天上掉黄金视频引入。同时通过分析新闻报道中的事实，与新课建立联系。

2.活动元一：重温冶史——理解金属冶炼的实质及冶炼方法不同的原因

【教师】这就是天上掉的东西，硫铁矿！ 在自然界中金属矿物少数以游离态存在，大部分以化合态存在。

请大家阅读教材，总结金属冶炼的原理和实质。

【教师】请让我们穿越历史，一起回顾金属冶炼史。（见图3）

图3 金属冶炼史

【教学情境1】铜器时代。中国古代首创的胆水冶铜。西汉古籍《淮南万毕术》上就有“曾青得铁，则化为铜”的记载。《宋史——食货记》记载：“以生铁锻成薄片，排置胆水槽中，浸渍数日，铁片为胆水所薄，上生赤煤，取刮铁煤入炉，三炼成铜。大率用铁二斤四两，得铜一斤。饶州兴利场、信州铅山场各有岁额，所谓胆铜也。”

【教学情境2】铁器时代。方以智《物理小识》说：“煤则各处产之，奥者烧焙而闭之成石，再凿而入炉曰礁，可五日不绝灭，煎矿煮石，殊为省力。”李诩《戒庵老人漫笔》也说道：“炼焦炭，备冶铸之用”。

【教学情境3】汞的冶炼。中国古时有“成仙”的说法，所以炼丹术最先在中国诞生。“丹”原来指丹砂（即硫化汞HgS）。葛洪《抱朴子》曾记载：“丹砂烧之成水银。”

司马迁在其《史记·秦始皇本纪》中也曾说：“葬始皇哪山。始皇初即位，穿治邮山……以水银为百川江河大海，机相灌输，上具天文，下具地理。”我国有汞的记载已达3000 多年，战国初期（公元前5世纪）发明了金（银）汞齐鎏金（银）的技术，可见当时已能制作汞齐。

【教学情境4】近现代冶炼。铝的冶炼史，它曾经是金属中的贵族，在19世纪以前，铝价格比黄金还要贵。在拿破仑举办的宴会上，只有王室成员才能用铝勺和铝叉用餐。1889年，人们为了表彰门捷列夫的伟大贡献，他被赠予了一件贵重奖品──用铝制作的天平。1886年，“铝”开始飞入寻常百姓家，这是冶炼铝历史上的又一里程碑。这一年，22 岁的美国大学生霍尔和法国大学生埃罗各自独立地研究出电解制铝法。在实验中，霍尔发现向氧化铝中加入冰晶石，可以将氧化铝的熔化温度从2050℃降低到950℃。他发明的基本思路是电解氧化铝和冰晶石，1886年2月23日制得了第一个铝样本。

【教师】请写出上述教学情境过程中金属冶炼的化学方程式。

【问题1】为什么青铜器时代早于铁器时代呢？

【问题2】金属有哪些冶炼方法？

【问题3】从金属冶炼实质角度具体讨论金属活动性和冶炼方法之间的关系？

【学生】金属越活泼，越难冶炼。金属冶炼方法：电解法、还原法、热分解法、物理提取法。冶炼方法的选择原则:简单、实用、节能、环保。

设计意图：从元素价态变化的角度认识金属冶炼的实质，初步建立物质性质与冶炼方法之间的联系。以金属冶炼史为线索，认识不同活动性金属的冶炼方法。从具体金属冶炼方法中归纳类比金属通性的冶炼规律。以具体金属冶炼史问题情境为线索，使学生对中国和世界各国冶炼历史有深入的理解。

3.活动元二：实验探究——理解“铝热反应”的实质及应用

【教师】我们重点探究热还原法中的经典反应——铝热反应。教师引导学生参与实验演示，请两名实验小助理近距离观察演示。

【教师】请一名实验助理用磁铁先检验铝热剂中是否含有单质铁，接下来按照教材实验演示，请两名实验助理戴上墨镜观察实验现象并进行汇报。

【学生】反应之前铝热剂中不含铁单质。镁条剧烈燃烧，发出耀眼的白光，氧化铁粉末和铝剧烈反应，放出大量的热，纸漏斗的下部被烧穿，有黑色熔融物落入沙中。

【实验验证】教师出示问题、提出疑惑，派学生代表进行验证。请这名实验助理用磁铁再次在铝热反应后的产物中检验是否有单质铁产生。

【学生】反应之后产生了小块铁单质。

【教师】铝热反应在生产生活中最重要的应用就是焊接钢轨，请大家参阅教材的演示实验，是否看到了焊接钢轨的应用？ 想不想亲自目睹？

【学生】异口同声回答想，同时流露出期待的眼神。

【实验演示】教师模拟铝热反应焊接钢轨改进实验。具体实验内容如下：

⑴仪器：铁架台（带铁圈）、圆形大滤纸两张、长药匙三把、沙盘、蒸发皿、酒精灯、砂纸、吸铁石两根、自制加工过的板砖、铁丝（若干）、多功能化学反应橱、录像机。

⑵药品：三氧化二铁粉末、铝粉、氯酸钾粉末、镁带、沙土、火柴等。

⑶改进方案：①采用板砖作为反应容器。材料易得且来源于生活，保温性能好，能让圆孔内红热的铁水保持较长时间，便于学生观察，而且可以重复多次使用。②采用仿真的微型模拟铁轨进行焊接，生动形象。

设计意图：学生参与教材实验演示，通过反应前后磁铁的使用检测单质铁的生成，培养学生的实验探究与观察能力。同时为了避免实验强光对眼睛的伤害，注重实验安全，特意准备了墨镜。焊接钢轨实物展示有利于激发学生的探究热情。先演示“铝热反应焊接钢轨模拟改进实验”，后通过观察视频焊接钢轨在实际生产生活中的应用，有利于提升学生从理论到实践的认识水平，培养学生思维的缜密性。

4.活动元三：学以致用——了解金属的回收利用与资源的保护

【教师】你们知道吗？我们每年向自然界索取数以亿吨的金属资源，资源会越来越少，直至有一天枯竭。怎样才能使金属资源可持续发展？ 如何合理开发利用金属资源？

【学生】防止金属腐蚀，回收和利用废旧金属，开发海底矿物资源，寻找金属的代用品，合理开采矿物，物尽其用……

【教师】回收铝和铁，可以大幅减少耗能以及二氧化碳的排放。

【教师】在海底发现的大量多金属结核矿是人类重要的金属资源，思考目前开发这些海底金属资源可能遇到的主要问题是什么。

【教师】中国每年4月22日都要举办“世界地球日”活动。环境保护，中国一直在行动！

【交流研讨】回收金属的意义：（1）节约矿物资源；（2）节约能源；（3）减少环境污染。

设计意图：通过学习金属冶炼的实质和方法选择，结合实际生活，引导学生思考如何合理开发利用金属资源。学生将化学与生活联系，培养学生对学科价值的认识水平。明确中国是一个负责任的大国，增强民族荣誉自豪感。

三、教学反思

本课教学以“活动元”的形式，通过设计课前前置性任务学习，课堂设计三个具有逻辑关系、难度逐层递进的“活动元”任务驱动学生自主学习，发挥学生的积极能动性。通过重温金属冶炼史，了解、掌握金属冶炼的不同方法及原因，制作教具进行“铝热反应焊接钢轨改进实验”，将课堂的理论学习与生活实际结合起来，采用仿真的微型模拟铁轨进行焊接，生动形象。最后学以致用了解金属的回收利用与资源保护的重要意义。

通过分组实验、讨论交流、实验探究、汇报交流、改进模拟实验、参与实验演示等多样化的素材情境，以及重温冶史，使学生理解金属冶炼的实质及冶炼方法不同的原因。组织科学探究活动，使学生理解“铝热反应”的实质及应用。通过学以致用，了解金属的回收利用与资源的保护，树立资源保护意识及合理开发意识，发展了学生的“变化观念与平衡思想”“实验探究与创新意识”“科学精神与社会责任”等学科核心素养。

多样的学生活动设计，最终目的是突破科学探究中的学习重点和难点。教师通过演示“铝热反应焊接钢轨创新改进实验”，轻松突破了铝热反应应用的难点。同时学生参与实验演示更加激发了实验探究兴趣，培养了学生的社会责任感和参与意识，激发其探究欲望，在愉快的实验氛围中轻松突破学习中的重难点内容。同时多样化的情境及探究活动为发展学生学科核心素养提供了载体。

总之，学科核心素养不是直接由教师教出来的，而是在问题情境中借助问题解决的实践培育起来的[5]。实施“教、学、评”一体化，有效开展化学日常学习评价，应树立“素养为本”的化学学习评价观，紧紧围绕化学学科核心素养的发展水平和化学学业质量标准来确定化学学习评价目标，注重过程性评价和结果性评价的有机结合，灵活运用活动表现、纸笔测验和学习档案评价等多样化的评价方式，倡导学生自评、同伴互评与教师评价相结合，充分发挥评价促进学生化学学科核心素养全面发展的功能。