彰顯STSE理念的高中化學教學實踐與思考？鄢

陳廷俊

摘要：STSE理念強調科學、技術、社會、環境之間的相互關系，重視科學的價值取向和社會效益。在充分研究課程標準與教材的基礎上，以彰顯STSE理念的“氯氣”教學設計為例，提出“通過化學史讓學生認識科學研究的方法與過程，通過社會或環境問題讓學生認識其背后的科學技術，通過技術創新讓學生認識其依據的科學原理”的教學策略。

關鍵詞：氯氣；科學；技術；社會；環境

文章編號：1008-0546（2016）08-0044-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.016

STSE 是英文單詞 Science、Technology、Society、Environment 的首字母的縮寫，即科學、技術、社會、環境之意。STSE 教育的基本理念是將化學知識融入到生產生活的實際應用情境中，讓學生了解化學知識的形成與發展過程，了解科學技術在化學發展過程中的作用，認識科學技術對社會與環境產生的影響，加深對人與自然和諧與可持續發展的理解，培養學生正確的價值觀和社會責任感，以及社會參與意識和科學決策能力。下面以蘇教版《化學1》“氯氣”為例，就教學中如何彰顯STSE理念，談談自己的實踐與思考。

一、課程標準與教材對STSE教育的要求

《普通高中化學課程標準（實驗）》在課程性質中明確指出“高中化學課程應有利于學生形成科學的自然觀和嚴謹求實的態度，更深刻地認識科學、技術和社會之間的相互關系，逐步樹立可持續發展的思想[1]”。在教科書編寫建議中也強調“高中化學教科書內容的選擇既要反映出化學科學的社會價值、化學科學對現代科學技術發展的貢獻，也要適當反映由于人類不恰當地運用科學技術的成果而產生的負面影響，體現社會發展對化學科學提出的新要求，幫助學生理解科學、技術與社會的和諧發展對人類的重要作用[2]”。對于氯氣的教學要求為：通過實驗了解氯氣及其重要化合物的主要性質，認識其在生產中的應用和對生態環境的影響[3]，突出化學對生活、社會發展和科技進步的重要作用，滲透綠色化學思想。

蘇教版《化學1》氯氣[4]的教學內容主要為氯氣的生產原理、性質和用途。包括2個“觀察與思考”：電解飽和食鹽水與氯氣性質實驗。2個“調查研究”：查閱有關資料，了解人們是如何從海水中獲得氯化鈉和使用氯化鈉的；根據氯堿廠原料和產品的性質，你認為在生產過程中和貯運時應注意哪些問題？氯堿廠應如何選擇廠址？有條件的話，參觀生產或使用氯氣的工廠。“活動與探究”：氯水的性質實驗。“化學史話”：氯的發現。“交流討論”：氯氣的制備裝置可分為幾個部分？各部分所起的作用分別是什么？“拓展視野”：新型滅菌消毒劑——二氧化氯。顯然，教材強調化學知識與工業生產實際相結合，要求學生在學習元素化合物知識的同時，關注化學與技術、社會、環境之間的現實問題，形成合理利用資源和可持續發展的觀念。

二、彰顯STSE理念的教學實踐

1. 通過含氯物質的社會應用創設教學情境

氯是維持人體液和電解質平衡所必需的常量元素之一。氯在人體含量平均為1.17g/kg，總量約為82～100g，占體重的0.15%。氯主要以NaCl（細胞外液）、KCl（細胞內液）和HCl（胃酸）的形式存在。人體所需的氯除了主要來源于食物外，還要通過食鹽（NaCl）來補充。NaCl廣泛存在于海水和鹽礦中。氯在化學工業上具有廣泛應用。如，有機合成塑料、橡膠、染料、藥物等化學物質；生產鹽酸、漂白劑、消毒劑；用于飲水消毒、提煉稀有金屬等。

通過氯在人體中作用和化工應用的相關圖片介紹，讓學生了解氯在人體內的不可或缺，認識氯在日常生活和化工生產中的重要作用，激發學生對氯及其化合物的學習興趣和探究熱情。

2. 通過氯氣的發現史學習氯氣的性質

1774年，瑞典化學家舍勒在從事軟錳礦的研究時發現：將軟錳礦（MnO2）與濃鹽酸混合后加熱就會生成一種令人窒息的黃綠色氣體。該氣體具有強烈刺激性氣味，令人的肺部十分難受。而且它能和各種金屬發生反應；還能溶于水，其水溶液（氯水）對紙張、蔬菜和花具有永久的漂白作用。1785年，法國化學家貝托雷將氯水露置在陽光下，發現生成了鹽酸并放出氧氣。他發現氯氣溶于草木灰水形成的溶液漂白能力更強。1789年英國化學家臺耐特將氯氣溶解在石灰乳中制成了漂白作用更穩定的漂白粉[5]。

1809-1811年，蓋·呂薩克和臺耐特發現鹽酸能分解生成氯氣和氫氣，而不是像貝托雷所說的氯氣會分解成鹽酸和氧氣。此外，他們成功地用氯氣和氫氣合成鹽酸。由于受到拉瓦錫“氧是成酸元素”觀點的束縛，雖然沒有實驗現象表明氯氣會分解生成氧氣，但是他們仍然認可氯氣是“含氧鹽酸”。戴維重復了蓋·呂薩克的實驗，證明鹽酸是由氫和氯兩種元素組成。他又用氯氣分別和錫、磷等物質反應來尋找氯氣中含氧的證據，但都沒有找到。經過多次實驗的反復驗證，1810年，戴維依據拉瓦錫對單質的定義“通過當前實驗用任何手段都不能分解的物質”，大膽斷定氯氣其實是一種單質，而不是含有氧的化合物，并根據其顏色命名為Chlorine（中譯名為氯氣）[6]。修正了拉瓦錫的兩個錯誤：并非有氧氣才可燃燒，酸不一定含氧。

根據上述材料引導學生思考：（1）氯氣有哪些物理性質？（2）設計實驗探究氯氣和銅、氫氣的反應。（3）設計實驗探究氯水的漂白性，氯氣和堿的反應。（4）氯氣有毒，實驗時如何減少氯氣對環境的污染？（5）貝托雷將氯水露置在陽光下生成了鹽酸和氧氣，就認為氯氣是“含氧鹽酸”，產生錯誤認識的原因是什么？

學生通過思考交流、小組討論，考慮氯氣的毒性，形成下列實驗方案：

（1）探究氯氣和水的反應。將氯水分別滴加到紫色石蕊試液、AgNO3溶液（加入少量稀硝酸），觀察實驗現象。

（2）探究氯氣和銅、氫氣的反應。用坩堝鉗夾住一束細銅絲，灼熱后立即放入盛有氯氣的集氣瓶中；在空氣中點燃氫氣，然后將導管緩緩伸入盛滿氯氣的集氣瓶中，觀察實驗現象。

（3）探究氯水的漂白性。將干燥的有色布條和濕潤的有色布條分別放入兩瓶干燥的氯氣中，觀察實驗現象。

（4）探究氯氣和堿的反應。在實驗（3）的兩集氣瓶中分別加入氫氧化鈉溶液和澄清的石灰水，振蕩，觀察實驗現象，寫出反應的化學方程式。

經過實驗探究，學生認識到實驗中使用有毒物質的操作注意事項，掌握了氯氣和水的反應，氯氣和金屬與非金屬的反應，氯水的漂白性，氯氣和堿的反應。明白氯氣本身沒有漂白性，氯氣和水反應生成的次氯酸有漂白性。這也回答了“含氧鹽酸”錯誤的原因，貝托雷沒有發現氯氣和水發生反應，且生成的次氯酸在光照條件下能分解為鹽酸和氧氣。

3.通過氯氣的制備認識技術對科學發展的作用

教學中要結合舍勒發現氯氣的“化學史話”引導學生分析其反應原理和實驗藥品，完成實驗儀器的選擇和組裝實驗裝置，討論實驗步驟和注意事項。在此基礎上，讓學生思考：（1）舍勒制備氯氣的方法至今還是實驗室制取氯氣的主要方法之一，說明什么？（2）工業生產如何制備氯氣？然后，讓學生按如圖裝置進行下列實驗探究：

（1）通電一段時間后，將小試管套在a管上，收集U形管左端產生的氣體。2min后，提起小試管，并迅速用拇指堵住試管口，移近點燃的酒精燈，松開拇指，檢驗收集到的氣體。

（2）另取一支小試管，用向上排空氣法收集從b管導出的氣體，觀察收集到的氣體的顏色。

（3）關閉電源，打開U形管左端的橡皮塞，向溶液中滴加1-2滴酚酞溶液，觀察溶液的顏色。

通過實驗探究，學生知道電解飽和食鹽水可以得到黃綠色的氯氣，同時生成氫氣和氫氧化鈉，反應的化學方程式為：

2NaCl+2H2O■2NaOH+H2↑+Cl2↑。

從舍勒發現MnO2與濃鹽酸加熱制備氯氣到工業電解飽和食鹽水制備氯氣，這一過程充分體現了科學的探索性與技術的發展性。1799年意大利物理學家伏打發明了將化學能轉化為電能的電池，1800年英國的尼科爾遜和卡里斯爾采用伏打電池電解水獲得成功，使人們認識到可以將電用于化學研究。在他們的影響下，許多科學家紛紛用電做各種實驗。戴維也正是通過電解法，在1807-1808年發現了鉀、鈉、鎂、鈣、鍶、鋇等元素[7]。19世紀初，已經提出電解食鹽水制取氯氣和燒堿；但直到19世紀末，大功率直流發電機研制成功，才使該法得以工業化。第一個制氯的工廠于1890年在德國建成，1893年在美國紐約建成第一個電解食鹽水制取氯氣和氫氧化鈉的工廠。我國最早的氯堿工廠是1930年投產的上海天原電化廠（現上海天原化工廠的前身）。目前，我國的氯堿工業主要采用隔膜法和離子膜交換法兩種生產工藝，引導學生思考討論隔膜法電解飽和食鹽水的原理、裝置和電極反應等。

4. 通過氯氣泄漏的處理認識化工產品對環境的影響

工業生產通常在加壓條件下，將氯氣轉化為液氯儲存于草綠色鋼瓶中，瓶身用白字標明氯氣，便于運輸和使用。氯氣是一種有毒氣體，氯氣生產和貯存運輸過程中發生泄漏事故的事情時有發生，不僅給人們的生命安全和財產造成巨大的威脅和損失，而且直接影響正常的生產、生活秩序和社會安全。如，1991年5月6日，美國內華達州氯堿廠氯氣泄漏，造成55人中毒住院，并且約1.5萬居民外出避難。2004年4月16日，重慶天原化工總廠發生氯氣泄漏和爆炸事故，造成死亡失蹤9人，15萬人緊急疏散撤離。2005年3月29日，京滬高速公路淮安段液氯泄漏事故造成27人死亡，約1萬人疏散轉移。根據這些材料，播放相關照片和視頻，引導學生結合氯氣的性質，通過不同的社會角色來思考：一旦發生氯氣泄漏，如何應對？

通過觀看照片和視頻，經過交流討論，學生提出了許多處理方法。如，政府官員要成立指揮部，緊急搶救人命，全力阻止氯氣擴散，設置警戒線，組織人員疏散轉移，分析險情，科學正確部署力量等。消防干警要穿防化服進入現場搶救患者，排除危險源，及時轉移疏散群眾；用高壓水槍向空中噴灑含堿性物質的水溶液；檢疫人員要檢查氯氣濃度、水源和食物等是否被污染。市民發現氯氣泄漏險情后，要立即向公安和消防部門報告；趕緊用濕毛巾捂住鼻子和眼睛，向上風方向或者高處跑。這樣，將知識的學習寓于事件的應急處理中，學生不僅掌握了科學知識，也學習了公共事件的應急處理方法。

5. 通過氯氣的應用性作業加深對STSE理念的理解

氯氣是一種重要的化工原料，涉及氯氣生產和生活中實際應用的知識很多。可以將這些知識設計成下列作業：

（1）氯氣是一種有毒氣體，但可用于自來水的殺菌消毒。你如何看待這個問題？參觀自來水廠，了解現在自來水廠所用的消毒劑并比較其優劣。

（2）買一袋漂白粉，仔細閱讀說明書上的主要成分、使用方法、注意事項、保質期。結合所學知識對其做出解釋，寫出漂白粉使用原理和變質時所發生反應的化學方程式。

（3）有人將家庭用“84消毒液”（主要成分為NaClO）和“潔廁靈”（主要成分為鹽酸）一起放入馬桶進行除垢和消毒，但加入后卻產生一種具有強烈刺激性氣味的氣體。該氣體可能是什么？寫出反應的化學方程式。

（4）查閱資料，分析比較“84消毒液”和“漂白粉”價格差異的原因。

（5）通過查閱資料，了解日常生活中常用的含氯化合物，并分析其利弊和使用注意事項，寫一篇科技小論文。

通過這樣的作業設計，使學生了解含氯物質在工農業生產中的具體作用，認識化學工業在國民經濟發展中的地位和科學發展對技術進步的促進作用。幫助學生認識更深刻理解科學、技術、社會和環境之間的相互關系，形成科學的自然觀和對待化學物質的科學態度。

三、彰顯STSE理念的教學策略

1. 通過化學史讓學生認識科學研究的方法與過程

化學史反映的不僅是科學知識的發展過程，實際上也是技術、社會和環境的發展與變化歷程。教師通過化學史上具有里程碑意義的科學事件，引導學生追尋化學發展邏輯行程和思維行程，充分了解其研究的背景、技術和實驗思路，感受化學家進行科學研究的方法與過程。如，人類對原子結構的認識，從古希臘哲學家德謨克利特提出原子概念到1803年道爾頓提出原子學說，因科學認知和技術條件的限制，經歷了漫長的過程。隨著科學和技術的不斷發展，1897年，湯姆生發現了電子，提出葡萄干蛋糕模型；1909年，盧瑟福用氦轟擊金箔，提出原子的核式結構；1913年，玻爾提出原子分層排布模型；到現代物質結構學說建立的量子力學模型，人類對原子的認識經歷了逐步深化演變和不斷發展的過程。

2. 通過社會或環境問題讓學生認識其背后的科學技術

化工產品已滲透到人類生活的各個領域，資源枯竭、環境污染和食品安全等問題直接影響人類的生存與發展。如何用科學的眼光去看待、分析和處理日常生活和環境中遇到的化學問題？這就要求教師能夠根據教學內容選擇緊密相關的熱點材料，讓學生通過角色扮演、決策模擬等形式，對技術發展在解決社會或環境問題中所起作用進行辯論，培養學生的社會責任感、參與意識和決策能力。如，1948年美國的多諾拉煙霧事件，由于煉鋅廠、鋼鐵廠、硫酸廠排放的SO2、氧化物和粉塵嚴重污染大氣，導致17人死亡，5900多居民患病。教學時，學生查閱資料，對污染事件的發生提出了許多觀點：多諾拉鎮坐落在山谷中；霧天、無風，污染物無法擴散；居民們對空氣中的煙霧和怪味習以為常；工廠沒有處理SO2、氧化物和粉塵的有效措施等。學生通過分析討論，自然條件只是事件發生的導火索，根本原因是人們只顧追求經濟效益，沒有環保意識，缺少處理污染物的有效技術手段，而這些問題的解決恰恰體現了化學對社會發展的重大貢獻。

3. 通過技術創新讓學生認識其依據的科學原理

迅猛發展的化學已成為生命科學、材料科學、環境科學、能源科學、信息科學等領域的重要基礎。教師可以通過視頻材料或帶領學生深入農村、工廠參觀學習，讓學生真切感受科學技術給人類生活帶來的益處和存在的弊端，認識技術的創新需要依賴科學的發展。鼓勵學生認真學習科學知識，綜合考慮技術的經濟化和綠色化，應用科學原理造福人類。如，對燃煤產生SO2的處理[8]，開始人們采用“流化床”燃燒技術，即在煤中加入脫硫劑石灰石，使煤與空氣在流化過程中充分混合、燃燒生成硫酸鈣而除去硫。然后，人們又將煤燃燒產生的煙氣用石灰水淋洗生成亞硫酸鈣或硫酸鈣而除去。現在，人們又使用微生物脫硫技術，煤炭中的FeS2在水和空氣存在的條件下，在微生物作用下發生氧化還原反應，最終轉化為硫酸而除去。相關反應可表示為：

STSE理念強調科學、技術、社會、環境之間的相互關系，重視科學的價值取向和社會效益。教師一定要充分挖掘教材的內在因素，找準教材與STSE教育的結合點，根據學生的知識基礎、心理特點和認知規律，創設真實的教學情境。通過對相關問題的討論與辯論，讓學生認識化學在科技發展中的地位和作用，辯證地看待化學的積極作用和負面影響，贊賞化學對社會發展的重大貢獻，幫助學生形成化學與社會和諧發展的情感態度與價值觀。

參考文獻

[1][2][3]中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003：1，39，11

[4] 王祖浩.普通高中實驗教科書《化學1》[M]. 南京：江蘇教育出版社，2006，（6）：38-43

[5] 人民教育出版社課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書《化學1》教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2007：83-84

[6] 來玲玲，胡志剛. 戴維的化學研究之路[J].化學教育，2013，（2）：79

[7] 人民教育出版社課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書《化學反應原理》教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2007：103-104

[8] 王祖浩.普通高中實驗教科書《化學與技術》[M].南京：江蘇教育出版社，2006：6，107