PCK视域下“素养为本”的教学设计研究

汪彩绫　游润红　曾美　蔡琴　候林丽

摘要：本文以“金属钠”的教学为例，构建了PCK理论教学设计模型。教学案例中创设了融合“知识、素养、策略、评价、兴趣”五条线索为一体的“素养为本”课程设计体系和方法。利用“知识线”深度挖掘教学内容，“素养线”发展核心素养，“策略线”和“兴趣线”突破难点、激发兴趣，“评价线”诊断目标达成情况，让化学课堂更有效地指向学生个体成长，实现全方位培养学生化学学科核心素养的目的。

关键词：PCK；教学设计；化学学科核心素养；钠

文章编号：1008-0546（2023）08-0035-08   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.08.008

一、问题的引出

《普通高中化學课程标准（2017年版2020年修订）》进一步强化教师的育人主体地位，要求教师积极开展“以素养为本”的课堂教学实践，主动探索构建“以素养为本”高效课堂教学模式与策略，以落实和培养学生的化学学科核心素养，这对新时期教师专业成长提出了更高要求。[1]美国舒尔曼最早在1986年提出，将教育学知识与特定学科内容相结合成学科教学知识，即 PCK （Pedagogical Content Knowledge）。 PCK 是对教学内容重新表征与组织，可以满足不同学习者的兴趣与需求。[2-3] PCK 与教师专业发展密切相关，正面指引教师的教学行为和教学观念的发展，有效促进教师实践智慧的形成和学科观念的提升，为促进教师快速成长提供了有效实施途径。将PCK理论融入教学设计，打破传统教学过分强调课程内容本身而忽略学生主体，促进学生主动思考、积极探究，创造更多思维训练的机会，使教学更有效地指向学生个体发展，有利于培养学生化学学科核心素养，为实施“素养为本”课堂教学奠定有效基础。目前，不少研究者将PCK理论与具体实践主题相结合，如邓峰以“氧化还原反应”为例，对新手-熟手高中化学教师PCK个案比较研究，据此对当前化学教师教育及其研究提出相关建议；[4]唐劲军同样以“氧化还原反应”教学为例，运用 PCK 理论探索发展学生核心素养的教学设计，以促进化学教师专业成长；[5]杨水金以“乙醇”为学科主题，创设PCK教学设计框架，以评价诊断学生的不同发展水平，最终达到育人目的。[6]文献调研显示，将 PCK理论运用于课堂，开展教学实践，对推进新课程改革，提升教师专业素养和学生核心素养有着极大帮助。[7-9]本文尝试以“金属钠”为学科主题，通过创设融合“知识、素养、策略、评价、兴趣”五条线索为一体的PCK教学视角，搭建支架式教学方式，充分挖掘课程内容的内涵和外延，在问题的提出与解决过程中突破知识瓶颈，促进学生“宏、微、符”三重表征模型认知的建立与发展，构建教学设计的一般流程与方法，将核心素养体现在课堂教学之中，以期为“素养为本”高效课堂教学实施提供可操作的设计思路模型及有益借鉴和参考。

二、基于 PCK视角的教学设计

1. PCK视角教学指导思想

教师将学科知识与教育学知识深度有机融合，激发学生学习动力，推动学生深层次学习，是PCK 的核心。本文结合建构主义理论“学生为主体”的思想，在“五线合一”的PCK教学视角下，运用启发讲授、概括归纳等教法，合作探究、预测分析等学法，开展教学活动，建立“结构决定性质，性质决定用途”学科认知，夯实“位-构-性”思维模型。

教学总体设计思路为：以促进学生发展为立足点，首先明确“金属钠”学科主题知识线，包括有机整合课程知识和学生知识，使课程内容结构化、条理清晰、层次分明，在此基础上，进一步紧扣教学目标；其次，创设“沈阳工厂不合理库存金属钠遇雨爆燃”的真实问题情境，组织分组实验探究等方式来激发学习兴趣，促进学生参与，激励学生进步，这样构成兴趣线；接着，通过探究钠与水的反应产物，促进对知识的认识、理解、运用，提升观察、分析、解决问题的能力，构思发展素养线；课堂教学中联合运用问题驱动策略、科学探究策略等多种策略，以此形成策略线；最后，评价和教与学贯穿始终、深度融合，实现“教、学、评”一体化。围绕“金属钠”学科主题，五条线索相互影响与联结，形成动态的PCK教学模式，最终提高课堂效率，促进学生积极主动学习，提升其核心素养（图1）。

2. PCK视角教材分析

“金属钠”这一节课选用的教材为人民教育出版社2019版化学必修第一册，所选章节为教材第二章第一节“钠及其化合物”。“钠”是学生第一次系统接触以典型核心元素为代表的无机元素化合物知识的学习。既为前面所学的物质分类、氧化还原反应补充丰富的感性认识材料，又为后续学习其他元素（氯、铁、硫、氮）化合物知识、元素周期律和选修模块化学反应与能量等理论知识作铺垫，使学生了解、认识化学与科学、技术、社会的密切联系，并逐步掌握研究物质性质的一般原理和方法。

3. PCK视角学情分析

学生在初中已初步了解一些常见金属的物理、化学知识，知道金属能与酸或盐溶液反应的规律，这为学习钠的相关性质奠定了基础。第一章所学的氧化还原反应，为预测分析金属钠的性质提供了思路与视角，支持学生从氧化还原角度认识反应产物。在前期的学习中，学生虽然具备物质分类、氧化还原反应等理论基础，初步掌握开展探究实验的一般流程与方法，但是对知识价值的深层次挖掘和主动建构的能力还有所欠缺；他们习惯基于自身的经验来思考探索问题本质，对通过实验现象来挖掘物质本质特性的科学思维方式还没有建构。因此，可通过创设真实情境、设计教学任务、组织学生活动、开展探究实验等多种途径，拓宽学生思维视角，系统认识化学反应的本质规律，建立辩证看待问题的方式，增强其对化学学科知识和社会价值的认识。

4. PCK视角教学重难点分析

教学重点：钠与水的反应，钠单质的研究理念和方法的建构。

教学难点：钠与水反应产物的分析。

5. PCK视角教学设计框架

本文以“金属钠”为教学案例，以提升化学学科核心素养为目标，结合教材内容、学情特点，设计如图2所示的 PCK 教学理论模型。教师在教学设计模型中确定教学目标和教学重难点，依据的是课程知识和学生知识；根据课堂实况，动态优化教学策略巩固教学效果；利用兴趣线激发学生的学习热情与兴趣，使其主动求知、求真；采用评价线确定评价内容和评价手段，最终诊断教学设计的实施与教学目标的契合度。

（1）“金属钠”的知识线

将课程知识（含教学目标知识）和学生知识有机融合、内化筛选、转化，形成主题知识线。将教学知识内容直接外显于教学过程，完善知识网络体系，促使认识思路系统化、结构化。“金属钠”的知识线如图3所示。

（2）“金属钠”的素养线

本文通过组织学生以小组为单位开展小组讨论和探究性实验，实现全方位培养化学学科核心素养。具体表现为：微观探析钠的原子结构，预测、推理、论证钠的化学性质；对钠与水、氧气的反应产物进行研究，解析探究物质性质的模型认知；最后，联系生产、生活讲解钠的用途，并应用所学知识解决实际问题，培养其正确的价值观及对社会的责任感。图4体现了落实核心素养所实施的具体教学路径。

（3）“金属钠”的兴趣线

课前引入新闻报道创设真实情境，引发学生思考，预设兴趣点；课中预测分析钠与水反应产物、对比分析钠与氧气反应开展实验探究活动，挖掘兴趣点、发散学科思维、提高参与度、培养团结协作精神；课尾讲解钠的保存、制取及用途，在生活实际中融入化学知识，从而让化学走进社会，拓展兴趣点，体会应用新知解决实际问题；整个课堂以学生的兴趣为出发点贯穿始终，形成层层递进、贯穿始终的“兴趣线”（图5）。

（4）“金属钠”的策略线

根据学生已有水平和可接受能力，合理选择和排列教学内容，改变传统只重视课本知识的传授，以利于学生易于接受的方式灵活运用不同教学策略，形成注重以学生发展为本的“策略线”。本节课主要选择了问题驱动策略、类比分析策略、合作学习策略、科学探究策略，教学过程中采用的具体策略如图6所示。

（5）“金属钠”的评价线

注重教学目标与评价方式的整体性融合，以评价方式为工具来确定学生的学习目标、状态及差距，将评价穿插、嵌入整个教学活动中，不再与“教”和“学”孤立、割裂，并成为“教”和“学”的有效载体，最终实现“教、学、评”一体化。

评价内容包括预测分析、证据推理和科学探究能力、社会责任感，评价手段则采用教师提问、点评、学生交流讨论等形式。评价内容与评价手段两者构成完整的评价线（图7），通过学生在反应产物的预测分析、实验方案的设计讨论、实验现象的对比分析、总结归纳物质性质等活动中的表现，了解学生的最近发展区，诊断、评价学生所达到的学科核心素养发展水平，动态优化、调整教学，实现学生核心素养的全面培养与发展。

三、PCK视角下的教学过程探究

本课例通过四个教学环节来构建“结构决定性质、性质决定用途”的学科思维模型（图8），立足PCK 视角，以问题驱动为导向，以科学探究为主体，促进高阶思维的发展，实施“教、学、评”一体化，最终达成学生核心素养发展的目标。

1.环节一：创设真实情境引发认识冲突

【学习任务】阅读新闻报道，思考金属钠遇雨爆燃的原因。

【评价任务】诊断学生从新闻素材中联系化学知识的能力水平。

【课堂引入】展示沈阳化工厂不合理库存金属钠遇雨爆燃致厂房起火的新闻报道（如图9所示），引发学生思考起火的原因，创设认识冲突。

【阅读思考】新闻材料中钠遇雨爆燃的原因。

设计意图：从新闻报道中提出问题，激发学习兴趣；进而引发认识冲突--“水不是可以灭火吗？为什么遇雨会爆燃”；引导学生深入思考并探究问题产生的原因，顺利过渡到本节课知识点学习。

2.环节二：预测分析产物，实验探究揭秘

【学习任务】从元素守恒及化合价升降的角度，预测、分析钠与水反应的产物，并设计验证反应产物的实验方案。

【评价任务】对学生的预测、分析、推理、论证及模型认知能力进行诊断评价，发展“结构决定性质”的模型认知能力。

【知识回顾】回顾钠的电子结构，预测分析钠的性质。

【思考回答】钠的核外电子排布为2，8，1的结构，很容易失去它的最外层一个电子，在反应中可作为强还原剂。

设计意图：初步构建“结构决定性质”的学科观念，夯实知识基础。

【提出问题】钠是否可以和水反應呢？提供预测、分析的两个维度--元素守恒及化合价升降。

【小组讨论】Na 化合价的变化：0→+1，化合价升高；H化合价的变化：+1→0，化合价降低；预测钠与水的反应方程式为：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑。

设计意图：提供“宏微结合”的思考角度，培养分析预测能力，认识化学反应的本质规律。

【提出问题】实验方案如何设计？如何来验证产物？

【设计实验】选用的方案：紫色石蕊试液、酚酞试剂、pH试纸、pH计等。

设计意图：运用预测结果，培养实验设计及创新能力。

【演示实验】从前面设计的实验方案中，挑选酚酞溶液来验证产物。教师演示钠与水的反应实验。引导学生注意观察钠与水的反应过程，对实验现象进行准确描述，并对现象背后的原因进行说明。

【思考讨论】由钠浮在水面上，熔成小球，快速的游动，发出嘶嘶的声响，溶液变红等现象，得出钠的密度比水小、反应放出大量的热、有气体产生、反应剧烈、生成了碱性物质等结论。

设计意图：打破传统教学思维定势，首先确定选择酚酞溶液的目的。培养学生对实验现象进行准确描述、判断，对实验结果进行推理、论证、分析的能力。

【提出问题】依据钠与水的反应，请揭示之前新闻报道中沈阳工厂雨天发生爆炸的原因。

【思考回答】揭示爆炸的原因：钠与水发生剧烈反应，产生大量的热，并伴有可燃性氢气产生，继而引发爆炸。

设计意图：建立现象与原因之间的桥梁，培养学生从现象分析本质的能力；运用新知揭秘钠遇雨爆燃，培养其解决实际问题的能力。

3.环节三：小组合作探究，总结归纳性质

【学习任务】对不同条件下钠和氧气的反应现象及产物进行比较，并对钠的化学性质和物理性质进行推断和归纳。

【评价任务】诊断学生观察、描述实验现象的水平，揭示现象本质的能力，发展小组协作、对比分析、信息加工的能力。

【启发讲授】钠除了可以和水反应，还可以发生什么反应呢？引导学生从金属通性的角度去考虑。

【思考回答】还可以和氧气反应。

【实验验证】教师指导学生对新切开的钠表面发生的变化进行观察：单质钠表面最初的银白色的金属光泽，很快就变得暗淡无光，其表面覆盖了一薄层白色的氧化钠（Na2O）。

【观察记录】钠很容易被空气中的氧气氧化：4Na+ O2=2Na2O

【提出问题】从煤油中取出后，新切开的钠表面很快就被空气中的氧气氧化，可见钠的化学性质十分活泼。如果在空气中加热单质钠，是不是反应更剧烈呢？引导学生从反应物状态、火焰颜色以及生成物的颜色等方面观察实验现象，并注意实验操作的规范性（如图10所示）。

【分组实验】钠在坩埚上加热后迅速熔化，与氧气发生剧烈反应，并伴有黄色火焰，最终观察到坩埚底部呈现淡黄色的固体粉末。

设计意图：增强小组团结协作精神；培养实验操作、观察及分析能力和科学探究精神。

【启发讲授】氧化钠是白色的，显然这里得到的物质是另一种。这种淡黄色固体是过氧化钠（Na2O2），常用来消毒、杀菌、漂白，我们在接下来学习过程中将会详细了解这种物质。对比、区分钠与氧气发生的两个反应的异同点。

【思考讨论】反应物相同，但是反应条件不相同，其反应结果就不一样了。

设计意图：对比分析，提升辨析能力，学会用辩证的观点看待问题。

【归纳总结】钠除了可以与氧气发生反应，其实还可以与氯气等其他多种非金属单质发生反应。播放钠与氯气的反应录像，引导学生多角度观察实验现象，包括反应物及生成物的颜色、状态等。

【观察记录】钠与氯气的反应：火焰为黄色，有大量的白烟（NaCl）产生，并独立写出反应方程式。

【总结提问】总结钠的化学性质（如图11所示）。

对实验现象进行回忆，想一想钠具有哪些物理性质？

【讨论回答】（1）钠是一种银白色、具有金属光泽的固体；（2）由于钠可以用小刀切割，因此钠的硬小，质软；（3）钠保存在煤油中，浮在水面上，因此密度是介于煤油和水之间；（4）钠在水中熔成小球，说明钠的熔点较低。

【补充讲解】点评学生的回答，补充完善钠的其他物理性质。

【倾听思考】钠的物理性质。

设计意图：培养信息获取及加工能力。

4.环节四：结合实际应用，夯实模型认知

【学习任务】结合本节课所学进行总结提炼，系统认识金属钠。

【评价任务】诊断并发展学生对金属钠的系统认知能力及学科价值、社会价值的认识水平。

【提出问题】结合刚刚所学，想一想，钠是以什么方式存在于自然界中？游离态？还是化合态？

【讨论回答】钠的化学性质非常活泼，自然界中应该保存不了单质钠，只能以化合物的形式存在。

【教师】是的，钠在自然界中是以食盐、硝酸钠、碳酸钠等化合物的形式存在。单质钠的还原性很强，在空气中很容易被氧化，所以要隔绝空气保存。比如在实验室中，少量的钠通常保存在煤油或者石蜡油中，而在工业上，大量的金属钠盛装在铁桶内，用液体石蜡来封存。

【倾听记录】钠的保存方法。

【教师】金属钠又有什么用途呢？比如前面提到沈阳化工厂，为什么要库存金属钠。结合钠的性质讲解钠的用途（如图12所示）。

【倾听记录】钠的用途。

【启发思考】钠有重要的用途，那怎么制备呢？它这么活泼，制取它会不会很困难呢？其实，早在19世纪初，科学家在实验室就研制了采用电解熔融氯化钠来制备金属钠。

【倾听记录】钠的制备方法。

设计意图：采用抽丝剥茧的方式，沿着钠的保存方法-钠的用途-钠的制备这一思路，层层深入、递进，实现知识的系统化、结构化。进一步夯实“结构决定性质、性质决定用途”的模型认识。学生在学习钠的相关知识时，体会到化学与我们的生产、生活息息相关，同时也培养其情感态度价值观。

【回顾总结】从掌握科学探究的一般过程和方法，夯实“位-构-性”模型认知等角度，回顾总结钠的物理化学性质及用途。结合所学，大家谈谈这节课的感受，对典型金属“钠”有怎样的认识？

【小组讨论】（1）对钠的物理、化学性质及其保存、制备和用途建立了系统认识。

（2）掌握如何设计实验方案，建构模型认知能力。

（3）建立了学习认识元素化合物的视角。

（4）体会到“钠”的学科和社会价值。

设计意图：诊断和评价学生的发展水平、认识角度、思维层面，为后续知识的学习奠定基础。

【课后作业】

（1）预测钠与盐酸溶液能否发生化学反应？如果发生反应，具体的反应过程是怎样？试写出具体的反应方程式。

（2）预测钠与硫酸铜溶液能否发生化学反应？尝试设计实验方案来验证产物？

四、PCK教学设计启示

基于“知识、素养、策略、评价、兴趣”五条线索为一体的PCK教学设计模式，通过首尾呼应的问题情境与外显三重表征的学习活动，引导学生形成对金属钠的系统认识，建立学习无机元素化合物的基本思路与方法，突显金属钠这一简单金属对元素化合物学习的重要认识价值。

本节课利用 PCK“知识线”对教学内容进行深度分析，在掌握学情基础上，把握学科主题，细化本节课的概念知识点；化学学科核心素养则通过“素养线”来发展；以“策略线”和“兴趣线”为枢纽，突破学习障碍点、激发兴趣热情；再使用“评价线”检验知识和素养目标的达成情况。“五线合一”的 PCK 教学设计，将教师自身的教学经验与学科知识和教育理论进行有机、深度融合，成为联结知识和素养的有效载体，有效促进知识的建构和迁移，形成完善的知識结构体系，实现知识的逻辑化、任务的情境化和能力的素养化，为全面培养学生化学学科核心素养提供有效途径。

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