關于高中化學“二氧化硅和硅酸”三個教學難點的研究述評

黃毓展+鄢錢揚義+蔡立媚

摘要：硅元素及其化合物的教學是高中化學課程中的重要課題，分析探討課題的教學難點問題具有較高的研究價值。本研究首先從文獻研究入手，基于中國期刊網2000-2016年的49篇與高中化學“二氧化硅和硅酸”教學研究相關的文獻，對其研究概況中的研究趨勢以及研究內容分布進行統計分析，并在此基礎上，結合對深圳市某中學高一年級兩個班級共88名學生進行開放式問卷調查，確立學生在本課時學習中的三個難點問題，即二氧化硅的結構教學、二氧化硅與氫氧化鈉反應的性質教學以及硅元素的應用教學，著重分析其在教材和文獻中的教學方法，最后結合文獻分析對“二氧化硅和硅酸”中的三個教學重難點的突破提出建議。

關鍵詞：硅元素；結構教學；性質教學；應用教學；教學綜述

文章編號：1008-0546（2017）08-0002-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.001

一、問題的提出

硅元素作為當今互聯網時代高速發展的決定性元素，作為無機非金屬材料的主角，是學生從學習金屬元素過渡到非金屬元素的開端，近年來在教材中的地位越發突出。本文以硅的相關教學研究論文作為對象，對其已有的教學研究概況進行簡要概述。在此基礎上，結合對一線教師的訪談以及對學生的問卷調查，發現學生在這節課的學習中普遍存在三個問題：

（1）對二氧化硅的結構認識不到位，不理解為什么二氧化硅屬于原子晶體而不是分子晶體，且既然二氧化硅晶體結構為硅氧四面體結構，但其硅氧原子的個數不是1∶4而是1∶2。

（2）關于二氧化硅和氫氧化鈉反應的性質問題，為什么盛放堿液的試劑瓶不能用玻璃塞，但試劑瓶本身卻是玻璃制品。

（3）硅元素各種化合物的應用問題，學生非常容易混淆。針對這三個難點問題，本文對教材和已有文獻中采用的教學方法以及教學手段進行歸納分析，結合已有的文獻，提出微教學設計的思路，以供教學參考。

二、無機非金屬材料的主角——“硅”的教學研究概況

1. 教學研究趨勢分析

本文從文獻研究入手，以“硅元素”、“二氧化硅”、“硅酸鹽”、“結構”、“性質”以及“應用”等作為關鍵詞進行組合，檢索2000 -2016這17年來中國期刊網上相關教學文獻，截止2016年9月，共搜得49篇文獻，其中包括期刊文獻44篇，碩士論文3篇，會議記錄2篇、博士論文0篇。以下是按年份對論文數量進行統計，見圖1。

從圖1可以看出，在2000年至2015年16年間，有關硅的教學研究文獻數量總體趨勢是增長的，說明了隨著硅及其相關化合物廣泛應用于信息技術及材料科學中，更多教學工作者對硅的教學也給予更多的關注。硅的教學研究文獻多發表于《化學教學》、《化學教育》、《中學化學教學參考》 這種課程教學期刊上，2009年首次出現與硅相關的碩士論文，這是一個新的突破。然而，關于硅的教學研究論文，鮮有研究者對其進行持續深入的研究，也沒有相關博士論文出現，這為以后其他研究者提供了一個方向。

2. 教學研究內容分布

在研讀以上文獻的基礎上，總結歸納有關“硅”的教學研究文獻的內容，統計發現，在49篇文獻中，主要分為四類，分別是：（1）硅及其化合物的結構教學探討；（2）硅及其化合物的相關實驗教學改進；（3）硅及其化合物的教與學設計；（4）硅及其化合物的教學理論反思，其分布趨勢如圖2。

統計發現，在硅的教學研究相關文獻中，教與學的設計是教學工作者最多關注的部分，有22篇文獻，占總數的44.9%；其次是教學理論反思，有14篇文獻，占總數的28.6%。對于相關實驗教學改進研究，只有8篇文獻；而硅的結構教學研究，則更少人關注，僅找到5篇文獻。分析其原因是由于教材中對于二氧化硅的結構教學以及實驗教學這兩方面涉及不多，課標等的相關要求不高，導致教師們對于這兩方面的教學研究有所忽略。

三、教學難點問題的確立與分析

1. 教學難點問題的確立

（1）訪談高中一線化學教師

在對教學文獻進行粗讀后，筆者針對此課例在實施過程中的教師發現的教學重難點問題，在廣東省2014年中小學骨干教師省級培訓中學化學研修班項目中，對來自廣東省各地區不同層次高中的42名一線骨干教師進行隨機訪談，訪談一線教師在本課例教學過程中認為的難點問題以及解決方法。其中有37名教師提到關于二氧化硅的結構教學的問題：由于目前高一的學生沒學習物質結構，分不清什么是原子晶體、什么是分子晶體，對于為什么沒有SiO2分子以及SiO2是化學式，僅表示物質組成，而不能表示分子組成，這些類似的問題，學生很難理解，高一的時候由于課程安排等原因，一般也不深入講解，就讓學生記住結論。另外，也有22名老師提到：學生在含硅元素的應用上，經?；煜?，特別是光纖和半導體材料的主要成分；而這一塊解決的方法主要以練習熟記為主。

（2）學生難點問題開放式調查

為了更準確地確定學生的學習難點，本研究課例采用了先學后教的教學方式。即在課前利用教師自制的教學視頻以及學案，由學生先進行自學；并收集學生完成的學案，統計學生提出的問題。學案的最后，通過一個開放性的問題“關于本節課你還有什么疑問，提出來匯總到課代表處”，了解學生其他學困點，防止由于學案設計考慮不完整而影響對學生關于知識的掌握情況的判斷。研究對象為深圳市某市屬中學的高一理科學生，共兩個班88人，參與課堂人數為88人；學生已經學習過金屬及其化合物的知識，對學習元素化合物的方法有了一定基礎；由于該校較重視信息技術的課程，研究對象對利用電腦教學視頻進行學習在技術上基本不存在問題；該校屬于深圳市屬的前列，學生自學能力較于其他同齡者屬于前列。

通過分析學生完成的學案，教學者收集并整理分析學案中學生比較集中的錯誤；在本次研究中參與課前自主學習的學習者總人數是88人，上交的學案總共有88份，通過整理分析，學生的主要提問可以分為兩大類，第一類是二氧化硅的結構問題：有31人提及：二氧化硅是原子晶體，二氧化碳是分子晶體，兩種晶體怎么判斷？有什么不同？而有44人提到：為什么硅氧四面體硅氧比是1∶4，但由硅氧四面體構成的二氧化硅，硅氧比卻是1∶2？第二類是二氧化硅的性質問題：有76人提及：盛放堿液的試劑瓶不能用玻璃塞，但試劑瓶本身就是玻璃制品，是不是矛盾了？類似的問題還有：硅的還原性要比碳強，但是卻能發生以下的反應：2C+SiO2 Si+2CO，是不是也矛盾了？有18人提及，這些問題本質上就是化學反應與反應條件的關系的問題。

根據教師訪談與學生提問統計，確立三個問題為本節課難點問題，對所查閱到的文獻中，針對這三個難點問題的教學情況進行分析。

2. 教學難點問題的分析

（1）難點問題一：二氧化硅的結構教學狀況分析

關于二氧化硅的結構教學，人教版高中化學的教材中，首先在前言提及了硅元素的原子結構，說明其與碳原子相似具有穩定性；然后通過科學視野欄目介紹二氧化硅的硅氧四面體結構，指出二氧化硅晶體結構是由Si和O按1∶2的比例所組成的立體網狀結構。學生在學習二氧化硅的結構的時候，由于缺少必要的化學鍵和晶體方面的知識，對于二氧化硅為什么屬于原子晶體這一事實難以理解，特別是不理解為什么二氧化硅的基本結構單位是硅氧四面體，但是硅氧個數比卻是1∶2。

在對期刊文獻進行分析統計后，有4篇文獻專門探討了硅及二氧化硅結構教學，主要有兩種：第一是對比-聯想的方法[1-2]，由金剛石與二氧化硅的結構對比講解；第二則是從晶體化學計算的角度去講解二氧化硅的硅氧原子個數比為1∶2的原因[3-4]。而在20篇教學案例文獻中，僅6篇教學設計涉及了二氧化硅的結構教學，其中謝意純、張艷艷[5-8]等老師是采用在課堂上展示硅氧四面體結構的圖片，加以講解輔助教學，葉東輝老師[9]則采用了二氧化硅的結構模型展示輔助教學，而南京的江敏老師[10]則通過對地球的各種元素之間的含量計算，以一個比較新穎的角度，去說明硅氧之間的比例關系。

總體來看二氧化硅結構教學在這些案例中教師均是略作講解，把二氧化硅屬于原子晶體，以及硅氧個數比為1∶2這些知識點直接講授給學生，學生在教學過程中被動地接受知識，至于硅氧四面體實際的晶體模型卻不甚了解。

（2）難點問題二：二氧化硅與氫氧化鈉反應的性質教學情況分析

在二氧化硅的性質教學中，主要涉及了二氧化硅作為酸性氧化物具有的性質，包括共性（與強堿反應，與堿性氧化物反應）和特性（不與水反應，會與氫氟酸反應）。學生已經學習了同主族碳的氧化物二氧化碳的性質，具備了一定的有關酸性氧化物性質的基礎知識，因此在學習二氧化硅的性質時，通過聯想和對比，在方程式的書寫上掌握情況是比較好的。

然而通過訪談和學生問卷的結果顯示，學生在學習二氧化硅的性質的時候，普遍都對二氧化硅與氫氧化鈉的反應存在疑問。人教版教材中關于二氧化硅與氫氧化鈉的反應，安排了一個圖片，設置了問題“為什么實驗室盛放氫氧化鈉溶液的試劑瓶用橡膠塞而不用玻璃塞”，通過學習學生可以了解這是由于玻璃塞中二氧化硅與氫氧化鈉反應生成了硅酸鈉，會黏住瓶口，而學生的疑問是：試劑瓶本身也是玻璃制品，主要成分也是二氧化硅，為什么卻可以用來盛放氫氧化鈉溶液？類似的問題還有：硅的還原性要比碳強，但是卻能發生以下的反應：2C+SiO2Si+2CO，是不是也矛盾了？實質上也是化學反應的發生與條件的關系的問題，弄清這一點，對學生對化學反應原理的理解是有所幫助的。

這些看似矛盾的問題，教材并未對此進行討論。在所查閱到的文獻，對于二氧化硅和氫氧化鈉的反應，教師只強調了玻璃塞和橡膠塞的問題，對于試劑瓶的問題，沒有一篇教學案例設計文獻提及。

（3）難點問題三：硅元素的應用教學情況分析

人教版必修一教材中，硅元素則作為非金屬元素學習的開端，由于互聯網信息技術的發展以及材料科學的進步，硅及其化合物在建筑、通訊、光電以及航空航天領域有著不可替代的作用，因此在教學過程中應該更突出其非金屬材料的主角地位。

含硅元素應用的講解，關于教學活動安排上，大部分教師采用播放視頻的形式，讓學生了解硅元素的廣泛應用，然后自行進行復習歸納，加以練習的方式進行學習；或者是在講解硅及其化合物的時候提及，學生課后自己練習鞏固的形式，學生在其中的參與度并不高。

其中劉煥琴老師[11]采用了布置任務，由學生在課前對硅及其化合物的應用查閱相關資料，然后在課堂上分享交流參與討論，最后教師總結這種先學后教的設計，學生的參與度和自主度就得到了體現。另外南京的江敏老師[10]，通過對中國建筑歷史的追溯，在硅的教學上融合于社會生活；浙江的魏樟慶老師[12]，強調文化視角下關于硅元素的應用如玻璃、陶瓷、水晶、光纖等等，看得出近年來教師們更加關注元素教學與社會生活的融合并進，也側面凸顯了硅作為無機非金屬材料的主角地位。

雖然硅及其化合物的應用廣泛，學生平日接觸的機會也多，如電腦芯片、光纖、太陽能電池等，但是這些物質的主要成分學生卻經常混淆，分不清什么物質對應含硅元素的什么化合物；這一方面是由于知識點本身較散亂，另一方面也是由于教師沒有在教學過程中很好地體現分類思想，幫助學生梳理和建立硅元素的應用體系網絡。

四、教學微設計

在對所提的問題進行分析后，我們針對這三個問題進行微教學設計，為突破三個教學難點提供建議。

1. 教學微設計一：二氧化硅結構教學

為了使學生更加直觀地觀察二氧化硅立體空間網狀結構，我們可以考慮在硅的教學中使用球棍模型進行教學，由學生自行拼裝球棍分子模型，對比二氧化碳和二氧化硅的晶體模型的異同，從而突破分子晶體和原子晶體這一概念。通過任務驅動，學生自行收集資料，課上匯報結晶型和無定型二氧化硅材料的區別，從而加深學生對課本中“結晶型”和“無定型”的理解，見表1。

2. 對二氧化硅與氫氧化鈉反應教學的思考

在二氧化硅的性質教學中，關于二氧化硅與氫氧化鈉反應的性質教學，主要要解決為什么NaOH溶液可以用玻璃瓶裝，不能用玻璃塞蓋的問題，為此我們介紹高中化學中未學習的硅酸鹽檢測試劑——鉬酸銨，并進行設計實驗探究，從而引導學生理解化學反應的發生是受到條件的影響的，微設計如表2。

3. 對硅元素的應用教學的思考

在進行應用教學時，除了盡可能擴充介紹二氧化硅在材料科學和信息技術方面的應用，也應該注重化學學科的分類思想，著重對不同硅材料的不同應用進行分類總結，以解決學生在硅及其化合物的對應用途的錯誤認知。因此我們在教學活動的設計上，建議將學生分三組課下查找對應的資料，三組分別查找硅單質、二氧化硅以及硅酸鹽的應用，并自行制作5分鐘以內的微視頻，視頻的形式可以是剪切或者自行拍攝，內容為介紹硅或者其化合物的應用，教師在整個過程中給予必要的指導和幫助。制作完成后，由學生們自行在課堂上進行分享展示，在匯報時也可以結合PPT等多媒體進行輔助，同學之間相互點評的形式，這樣讓學生通過查找資料的過程進行梳理，從分類思想的角度對含硅元素的應用進行學習，充分體驗硅元素作為無機非金屬材料的主角地位，也解決了“硅”元素的應用混淆的問題。

參考文獻

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[12] 魏樟慶.“文化視角下對化學教學的反思——以“硅酸鹽礦物和硅酸鹽產品”為例”[J].中學化學教學參考，2016（17）：23-26