基于人文背景融合學(xué)科核心素養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐

邵傳強(qiáng)

摘要： 基于硅及其化合物在人類文明演進(jìn)過程中發(fā)揮的巨大作用，以人類文明演進(jìn)為主線，構(gòu)建基于人文背景融合學(xué)科核心素養(yǎng)的硅及其化合物教學(xué)方案。在分析學(xué)情和教學(xué)價值的基礎(chǔ)上設(shè)定教學(xué)及評價目標(biāo)，呈現(xiàn)課堂設(shè)計思路、主要過程和設(shè)計意圖。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從元素化合物教學(xué)中人文與科學(xué)融合的價值、高一教學(xué)與后續(xù)知識的銜接、評價性問題的設(shè)置三個方面進(jìn)行了反思。

關(guān)鍵詞： 人文背景; 學(xué)科核心素養(yǎng); 硅及其化合物; 化學(xué)教學(xué)設(shè)計

文章編號： 10056629（2020）12004106

中圖分類號： G6338

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

高中化學(xué)中涉及硅及其化合物的知識內(nèi)容較為簡單，在各級各類考試中出現(xiàn)的頻次也不高，因此在有些教師心目中其學(xué)習(xí)地位較低，在教學(xué)研究中也容易被邊緣化。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，化學(xué)不僅與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會文明的關(guān)系密切，也是材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)和信息科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)，化學(xué)在促進(jìn)人類文明可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用[1]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》提出，要在人類文化背景下構(gòu)建高中化學(xué)課程體系。因此，在化學(xué)課堂教學(xué)中，構(gòu)建基于人文背景的教學(xué)場景，挖掘化學(xué)知識、化學(xué)技術(shù)與社會文明的關(guān)系，將人文與科學(xué)有機(jī)融合，對于推動化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地具有重要意義。人類文明發(fā)展與含硅材料的應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系，對含硅材料的研究與利用貫穿人類文明進(jìn)步的全過程。因此，蘇教版《化學(xué)1（必修）》專題三第三單元“含硅礦物與信息材料”[2]教學(xué)主題是承載這一理念的理想載體。

1學(xué)情分析、目標(biāo)設(shè)定及教學(xué)功能

1.1學(xué)情分析

高一學(xué)生在學(xué)習(xí)“含硅礦物與信息材料”這一教學(xué)主題前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了根據(jù)物質(zhì)類別和元素價態(tài)認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)的方法，能從類別遷移和氧化還原兩個角度認(rèn)識實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，形成基于物質(zhì)的性質(zhì)差異尋求物質(zhì)分離、提純的基本思路。因此，具備了自主探究元素化合物性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的基本能力。

通過課前調(diào)查，學(xué)生的主要疑惑點(diǎn)是： 含硅礦物的外觀與其結(jié)構(gòu)究竟有怎樣的關(guān)聯(lián)？硅酸鈉溶液為什么是黏稠的？其粘合、阻燃功能的原理是什么？可見，學(xué)生的困惑焦點(diǎn)是含硅礦物的宏觀性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)之間存在怎樣的內(nèi)在聯(lián)系。此外，對于元素化合物及其轉(zhuǎn)化在促進(jìn)社會文明進(jìn)步、自然資源的綜合利用中的重要價值缺乏豐富、真切的體悟。

1.2目標(biāo)設(shè)定與教學(xué)功能

（1） 通過探究含硅礦物宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，診斷并發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的能力。

（2） 通過實(shí)驗(yàn)探究硅酸凝膠制備、阻燃性能，理論探究粗硅提純實(shí)驗(yàn)方案，鞏固物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型，診斷并發(fā)展學(xué)生基于物質(zhì)類別、價態(tài)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的變化觀念。

（3） 通過系統(tǒng)體悟含硅材料在人類文明發(fā)展歷程中的重要作用，彰顯化學(xué)物質(zhì)、化學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)生活中的重大貢獻(xiàn)，診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)價值的認(rèn)識水平。

（4） 通過古代繁榮的陶瓷文化與信息時代我國核心科技不足的對比，激勵學(xué)生既要從傳統(tǒng)繁榮文化中建立自信，又要面對現(xiàn)代核心科技缺失負(fù)有社會責(zé)任感。

（5） 通過科幻電影中對星際空間硅基生命的探索，引導(dǎo)學(xué)生反思碳、硅元素及化合物性質(zhì)的差異，從化學(xué)視角推測硅基生命存在與否的理論依據(jù)，診斷并發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識。

2教學(xué)設(shè)計思路

以人類文明發(fā)展的進(jìn)程為軸線，創(chuàng)設(shè)與之契合的教學(xué)情境，通過探究活動，落實(shí)硅及其化合物基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)探究基本技能，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。具體教學(xué)設(shè)計思路可簡略歸納為如圖1所示。

3主要教學(xué)過程

3.1片段1認(rèn)識自然界的含硅物質(zhì)

[創(chuàng)設(shè)情境，提出問題]時間軸公元前300萬年—公元前5000年，展示原始人使用的天然石器和打制石器圖片（圖2）。

問題1： 古人在制造石器時根據(jù)其功能會選擇不同材質(zhì)的巖石，自然界的巖石其紋理、硬度等均存在巨大差異，推測其原因是什么？

[學(xué)生探討，交流想法]學(xué)生能基于已有的經(jīng)驗(yàn)——結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)做出推測，宏觀性質(zhì)的差異源自構(gòu)成巖石微粒微觀結(jié)構(gòu)的差別。

[提供支撐，逐步深入]展示閃石礦、云母、水晶的圖片（圖3），構(gòu)成含硅巖石的基本結(jié)構(gòu)基元SiO4-4微觀結(jié)構(gòu)模型圖（圖4）。

問題2： 你能想象閃石礦、云母、水晶其微觀結(jié)構(gòu)基元間的連接方式嗎？

展示巖石中SiO4-4結(jié)構(gòu)基元三種不同的連接方式（圖5）[3]。

問題3： 你能將閃石礦、云母、水晶與上述三種微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配嗎？說明匹配的依據(jù)。

[學(xué)生探討，交流想法]學(xué)生盡管尚不具備晶體中微粒堆積方式的知識基礎(chǔ)，但基于宏觀特征，能精準(zhǔn)推測閃石礦具有鏈狀結(jié)構(gòu)、云母具有層狀結(jié)構(gòu)、水晶具有空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

設(shè)計意圖： 將教學(xué)素材置于歷史人文場景中，渲染學(xué)科教學(xué)的文化價值。從具有歷史感的石器到現(xiàn)代化學(xué)研究中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從實(shí)際問題到化學(xué)問題，從宏觀現(xiàn)象到微觀結(jié)構(gòu)，形成和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)想象力，建立宏微關(guān)聯(lián)分析的具體思路。通過“內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)與外在宏觀現(xiàn)象”的關(guān)聯(lián)，深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科觀念，診斷并發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.2片段2認(rèn)識硅酸鈉的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與應(yīng)用

[創(chuàng)設(shè)情境，提出問題]展示最簡單的硅酸鹽——硅酸鈉的水溶液，用玻璃棒蘸取，觀察。

問題4： 硅酸鈉溶液為什么呈黏稠狀？你能猜測其微觀結(jié)構(gòu)嗎？說明依據(jù)。

[學(xué)生探討，交流想法]學(xué)生從生活經(jīng)驗(yàn)知道，硅酸鈉溶液外觀與蛋清溶液相似，玻璃棒蘸取時容易形成絲狀，推測其可能具有蛋白質(zhì)分子類似的長鏈結(jié)構(gòu)[4]。

[創(chuàng)設(shè)情境，提出問題]古籍《列子書》記載：“火浣之布，浣之必投于火，布則火色，垢則布色。出火而振之，皓然疑乎雪?！?/p>

問題5： 火浣布具有怎樣的性能？常見化學(xué)物質(zhì)中哪些具有類似的功能？

[實(shí)驗(yàn)探究]對比實(shí)驗(yàn)： （1）普通紗布于硅酸鈉溶液中浸泡，空氣中晾干;（2）分別取普通紗布、浸泡過硅酸鈉溶液的紗布，傳給學(xué)生觀察、觸摸;（3）將兩種紗布同時在兩盞酒精燈火焰上點(diǎn)燃，觀察現(xiàn)象。

[學(xué)生探討，交流結(jié)果]浸泡過硅酸鈉溶液的紗布柔韌性變差，且不容易燃燒（對于阻燃的物質(zhì)是硅酸鈉還是其他物質(zhì)難以確定，需要教師提供支撐）。

問題6： 浸有硅酸鈉溶液的紗布在空氣中是否會發(fā)生變化？推測的依據(jù)是什么？你能設(shè)計實(shí)驗(yàn)證實(shí)你的推測嗎？

[學(xué)生探討，設(shè)計方案]根據(jù)硅酸鈉的物質(zhì)類別，推測與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成了硅酸?？上蚬杷徕c溶液中充入CO2進(jìn)行驗(yàn)證。

[實(shí)驗(yàn)實(shí)證]在充滿CO2的礦泉水瓶（500mL）中注入約10mL飽和硅酸鈉溶液，擰緊瓶蓋，迅速振蕩，觀察現(xiàn)象。

[描述解釋，符號表征]塑料瓶迅速變癟，澄清溶液變透明凝膠狀，硅酸鈉轉(zhuǎn)化成了硅酸凝膠，證實(shí)推測合理。書寫反應(yīng)的離子方程式： SiO2-3+H2O+CO2CO2-3+H2SiO3↓。

[釋疑解惑]硅酸鈉本身阻燃，轉(zhuǎn)化成硅酸凝膠后會堵塞材料的毛細(xì)孔，并在材料表面形成連續(xù)的封閉膜，硅酸在高溫下分解生成熔點(diǎn)更高的SiO2亦具有阻燃性能。古代的火浣布材質(zhì)其實(shí)就是硅酸鹽材料——石棉纖維紡織而成，利用了硅酸鹽良好的耐高溫性能。

設(shè)計意圖： 通過古籍中的火浣布創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置懸疑，誘發(fā)好奇心，滲透古代化學(xué)史知識;通過對硅酸鈉形態(tài)、性質(zhì)的研究，基于物質(zhì)分類進(jìn)行有依據(jù)的預(yù)測，設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有目的的驗(yàn)證;運(yùn)用物質(zhì)轉(zhuǎn)化的原理進(jìn)行分析，運(yùn)用化學(xué)用語表征物質(zhì)的變化實(shí)質(zhì)。依托該片段，診斷并發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

3.3片段3認(rèn)識生產(chǎn)生活中的無機(jī)非金屬材料——玻璃、水泥、陶瓷

[創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置任務(wù)]時間軸公元前4500年——近代，展示半坡人面魚紋彩陶盆、古埃及玻璃魚、現(xiàn)代建筑用水泥圖片（圖6）。閱讀課本，找出制陶瓷、玻璃和水泥的原料、工藝設(shè)備及產(chǎn)物成分。

[學(xué)生閱讀，獲取信息]通過閱讀文本，梳理出生產(chǎn)陶瓷、玻璃、水泥所需的原料、設(shè)備、化學(xué)成分等信息。

設(shè)計意圖： 在歷史背景中，設(shè)計閱讀、討論活動，引導(dǎo)學(xué)生體會化學(xué)與生產(chǎn)、生活的關(guān)聯(lián)，體會化學(xué)對改善人類生活條件、推進(jìn)文化繁榮、促進(jìn)社會發(fā)展的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生對化學(xué)學(xué)科巨大社會價值的認(rèn)同感。

問題7： 結(jié)合原料和玻璃成分分析，燒制玻璃時發(fā)生了怎樣的反應(yīng)？嘗試寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式。

設(shè)計意圖： 能從化學(xué)視角，結(jié)合物質(zhì)類別，分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，解決生產(chǎn)實(shí)際問題，診斷并發(fā)展學(xué)生的變化觀念核心素養(yǎng)。

[創(chuàng)設(shè)情境，孕育情懷]圖片展示海上絲綢之路，我國古代海上貿(mào)易將瓷器和輝煌的中華文化傳播到世界各地。

設(shè)計意圖： 通過陶瓷和文化的融合，展現(xiàn)我國古代科技、文化的輝煌，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，樹立文化自信。

3.4片段4認(rèn)識信息時代的含硅物質(zhì)——單晶硅與光導(dǎo)纖維

[創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)思考]時間軸1956年，美國工程師基爾比發(fā)明第一塊單晶硅為基材的集成電路、單晶硅切片、華為麒麟980芯片、1970年誕生的光導(dǎo)纖維（圖7），展示信息革命時代含硅材料的核心地位。

問題8： 結(jié)合硅元素在自然界存在形式，從元素價態(tài)角度分析，工業(yè)上如何獲取Si單質(zhì)？結(jié)合鐵、銅的冶煉談?wù)勀愕囊罁?jù)。

[學(xué)生交流，初探方案]基于已有的物質(zhì)轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)，可判斷以自然界的石英為原料，選擇合適的還原劑，采用熱還原法將化合態(tài)的硅轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)硅，但具體流程尚不明確。

[信息支撐，完善方案]信息： （1）焦炭還原后的粗硅中還含有鐵、鋁、碳、硼、磷、銅等雜質(zhì);（2）Si、雜質(zhì)分別形成的氯化物沸點(diǎn)差異較大。請據(jù)此進(jìn)一步細(xì)化提取流程。經(jīng)探討得到如圖8所示流程，歸納得到如圖9所示物質(zhì)制備認(rèn)知模型。

[符號表征]學(xué)生書寫粗硅提純涉及的反應(yīng)的化學(xué)方程式，認(rèn)識物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律。

設(shè)計意圖： 引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從金屬冶煉的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行遷移，從價態(tài)角度結(jié)合氧化還原原理，解決生產(chǎn)實(shí)際問題。通過問題的解答和探討，建構(gòu)物質(zhì)制備的認(rèn)知模型，診斷并發(fā)展學(xué)生物質(zhì)制備的模型建構(gòu)、模型運(yùn)用能力。

[創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)責(zé)任意識]鏈接三則新聞資料： （1）我國高性能集成電路用硅嚴(yán)重依賴進(jìn)口;（2）美國限制對華為芯片相關(guān)技術(shù)的出口;（3）日韓貿(mào)易摩擦，日本限制高純HF出口，對韓國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)影響巨大。

問題9： 高純度的HF在半導(dǎo)體加工過程中的作用是什么？請用化學(xué)方程式表述原理。

[符號表征]學(xué)生書寫硅與HF反應(yīng)的化學(xué)方程式，認(rèn)識硅單質(zhì)性質(zhì)的特殊性。

問題10： 對于上述三則新聞資料你有何感想？化學(xué)技術(shù)在信息產(chǎn)業(yè)中扮演了怎樣的角色？

設(shè)計意圖： 通過新聞資料解讀，引起學(xué)生反思，我國在信息技術(shù)領(lǐng)域落后的現(xiàn)狀，與古代燦爛文明形成的強(qiáng)烈反差，激發(fā)學(xué)生對信息時代我國核心技術(shù)缺失的憂慮，增強(qiáng)社會責(zé)任意識。

3.5片段5從碳基生命到硅基生命——暢想星際空間、人工智能時代含硅物質(zhì)的深層價值

[創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)暢想]播放科幻電影《星際迷航》片段，引發(fā)學(xué)生暢想。

問題11： 碳與硅的原子結(jié)構(gòu)相似，地球上以碳元素為基礎(chǔ)形成了豐富多彩的生命世界，星際空間是否存在以硅元素為基礎(chǔ)形成的硅基生命呢？如若存在，其客觀環(huán)境應(yīng)該滿足怎樣的要求？結(jié)合硅及其化合物的性質(zhì)說明你推測的依據(jù)（圖10）。

設(shè)計意圖： 通過科幻影片，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生與化學(xué)相關(guān)的更多的想象空間，在展現(xiàn)化學(xué)學(xué)科獨(dú)特魅力過程中讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)學(xué)科的社會發(fā)展價值，引發(fā)對生命世界的暢想和反思。

4教學(xué)反思

4.1元素化合物教學(xué)要注重科學(xué)與人文的有機(jī)融合

文化基礎(chǔ)是中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的根基。劉慶昌教授認(rèn)為，人文底蘊(yùn)是文明人的基本標(biāo)識，科學(xué)精神是現(xiàn)代人的基本品格。把這兩者打通，“文化基礎(chǔ)”所指向的，其實(shí)就是培養(yǎng)“文明現(xiàn)代人”或“現(xiàn)代文明人”的教育[5]?；瘜W(xué)發(fā)展史與人類文明進(jìn)步史休戚與共，依托元素化合物在人類文明進(jìn)步中的作用構(gòu)建元素化合物教學(xué)背景，有利于將人文素養(yǎng)與科學(xué)素養(yǎng)的培育融為一體，發(fā)揮兩者育人功能的互補(bǔ)作用。本節(jié)課展開的過程，師生始終處于人文磁場的吸引中，課堂輕松愉悅，思緒自然交織、碰撞。豐富的人文情境，營造了富有人文情懷的課堂氛圍，有利于激發(fā)學(xué)生探索自然的欲望;化學(xué)技術(shù)進(jìn)步推動人類文明前行的歷史事實(shí)，讓學(xué)生真切體悟科技發(fā)展對人類生活的巨大貢獻(xiàn)，增強(qiáng)對學(xué)科價值、社會價值的認(rèn)同。

4.2元素化合物教學(xué)要為化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)預(yù)留接口

鑒于現(xiàn)行的教材編排體系，化學(xué)反應(yīng)原理知識滯后于元素化合物教學(xué)，教師在進(jìn)行元素化合物教學(xué)時，對于部分物質(zhì)的“反常規(guī)”轉(zhuǎn)化其背后的熱力學(xué)原理還不能做出有效的闡釋，需要為原理的教學(xué)預(yù)留接口。硅及其化合物的諸多性質(zhì)有其特殊性，如： 粗硅與焦炭反應(yīng)為何生成CO而不是CO2？SiO2為何能在高溫下與碳酸鹽反應(yīng)生成CO2？Si和SiO2為何能與HF反應(yīng)？面對這些疑惑，教師既需要做出契合學(xué)生當(dāng)時認(rèn)知水平的合理解釋，又要為今后從熱力學(xué)角度解釋預(yù)留空間，促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知水平的螺旋上升。

4.3促進(jìn)提問的誘導(dǎo)功能與評價功能相融合

元素化合物教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)情境的目的是為了引發(fā)實(shí)際問題，設(shè)置問題的價值不僅是為問題解決進(jìn)行誘導(dǎo)鋪成，更在于對學(xué)生的思維水平和思維質(zhì)量進(jìn)行度量。教、學(xué)、評一致的教學(xué)設(shè)計與實(shí)施，評價是檢測教學(xué)目標(biāo)達(dá)成程度的指示劑。課堂中多次采用“你能說出……嗎？并說明理由”“請設(shè)計……并說明設(shè)計依據(jù)”等評價性提問，避免了學(xué)生在課堂進(jìn)行隨機(jī)性無依據(jù)的低效思考。指向評價的問題，不僅為了引導(dǎo)、拓展學(xué)生思考學(xué)科核心知識，更能顯性地評價學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)水平。因此，變誘導(dǎo)性提問為評價性提問，對于推進(jìn)教、學(xué)、評一致性的課堂或許是一種有益的嘗試。

致謝： 本課題在教學(xué)設(shè)計階段、教后反思階段、教學(xué)案例書寫階段，得到了杭州市基礎(chǔ)教育研究室教研員、浙江省特級教師陳進(jìn)前老師的悉心指導(dǎo)，在此致以深深的謝意！

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