改革無機元素化學教學培養學生化學科學素養

顧云蘭

(鹽城師范學院 化學與環境工程學院，江蘇 鹽城 224007)

《無機化學》是我院化學(師范)專業一門重要的基礎課程，也是學生進入大學后接觸的第一門專業課程，內容包括基礎理論和元素化學兩大部分，分別安排在大一第一、二學期開設，即在學習元素化學前，學生已掌握了熱力學、動力學、化學平衡、原子結構、分子結構、晶體結構和配合物結構等基礎理論知識。元素化學包括元素的通性與存在、單質與化合物的性質、應用和制備等，多為事實性或描述性知識[1]。按傳統組成、結構、性質、制備和應用的線性思路開展教學，短期內學生雖能習得一些元素化學的知識，但由于元素化學知識具有龐雜、零散的特點[2]，需要記憶的內容多，容易混淆，缺乏質疑、思辨和實作的記憶性學習行為會讓學生感覺“易學難記、易懂難學”，產生畏難情緒，學習興趣大打折扣，教學效果不容樂觀，亟須加以改進。

《普通高中化學課程標準(2017年版)》提出了“以發展化學學科核心素養為主旨”的課程理念[3]，化學師范生作為中學化學教師隊伍的后備力量，只有具備了較強的化學科學素養才能為日后培養中學生的化學核心素養奠定基礎與保障。在此背景下，課程組結合前人的經驗[4-10]，從如何統籌安排教學內容，凸顯化學學科觀念；如何精心設計教學、選擇恰當的方法和策略落實科學素養的培養進行了諸多有益的嘗試與改革。

1 重塑教學內容，凸顯學科觀念

課程組利用元素觀、分類觀和結構觀等學科觀念對元素化學知識進行了梳理、分析和整合，通過精編教學素材力求將教學內容情景化、問題化和項目化。在沿用教材以區、族為章節的基礎上，根據學生對知識的熟悉程度將各族元素分為兩類進行教學，一類為中學已涉及過的元素，如Na、Mg、Al、Si、N、S、Cl、Br、I、Fe、Cu等，另一類則為中學幾乎沒有接觸過的元素(大多數學生高中階段未選修化學)。前者主要通過問題引領式[11]、項目學習式[12]、啟發式等教學方法激發學生探究化學世界奧秘的熱情和好奇心；后者則依托前者，采用類比法或比較法引導學生運用發散思維建立知識間聯系，將學生的物質世界遷移拓展到同族其他元素[13]。每種元素又從單質、氫化物、氧化物、鹵化物、硫化物、氫氧化物、含氧酸及其鹽、配合物幾大類進行授課，從而培養學生的“元素觀”和“分類觀”。教學中遵循“結構決定性質，性質決定用途”的學科理念，有意識地引導學生用化學基礎理論揭示元素化合物的性質及變化規律，使元素化學知識系統化。從微觀角度，以原子結構(價電子構型、原子半徑、電負性)、分子結構(雜化軌道理論、價層電子對互斥理論、分子軌道理論)、固體結構(離子極化、分子間作用力)、配合物結構(晶體場理論)為指導，分析每種元素單質及其化合物的結構，進而對物質的理化性質及變化規律進行歸納總結，架構元素化學知識結構體系，培養學生宏微結合的學科素養；從宏觀角度，以熱力學、動力學和化學平衡理論為基礎，對化學反應的方向、快慢和程度進行判斷，將基礎理論貫穿元素化學教學的始終，使貌似雜亂無章的敘述性知識變得相互有關聯、有條理和有規律，提高元素化學的教學效果，同時使無機化學原理知識得到鞏固、運用，甚至拓展和提升，兩者相得益彰，學生的學習興趣也能隨之提高[9]。這樣的教學內容安排，能使學生把零散的元素化學知識條目整合起來，真正理解元素化合物知識的內在聯系及其所蘊含的學科觀念，形成清晰的學習思路以及自主研究元素化合物的方法步驟和思維模型，增強應用原理從多角度分析和解決問題的意識。

2 重構教學設計，培養科學素養

元素化學教學中要杜絕教師照本宣科，學生被動接受、機械記憶。通過元素化學的學習，學生應具備以認識物質為基礎，預測、分析解釋物質性質，根據性質進一步解決實際問題的能力[1]。為達到這樣的課程目標，教學中應基于知識分析和學情分析靈活選擇、組合運用多種教學方法和策略，形成一個有明晰線索、合乎邏輯的教學結構，幫助學生將碎片化的元素化學知識系統化，促進思維結構化，在傳授學生化學科學知識的同時，培養學生的化學科學品質和化學科學能力，提升學生的化學科學思想水平。

2.1 巧設問題情境，培養科學品質

“興趣是最好的老師”，任課教師可以從學生熟悉的事物、生活常識、網絡熱點、新聞視頻等出發創設環環相扣、逐步深入的問題情境，激發學生的學習興趣，培養學生獨立思考、勇于探索、敢于質疑的科學品質。通過情境問題的引導、分析和解決，使學生建構恰當的知識方法體系，最終形成靈活應用知識方法體系解決實際問題的能力和素養[14]。如在硫元素的教學中，首先，從學生熟知的葡萄酒創設情境，通過探討葡萄酒中二氧化硫的作用學習二氧化硫的還原性；以“毒銀耳的由來”為問題情境，講授二氧化硫的毒性及漂白性；然后，以“酸雨的產生”、“工業制備硫酸”為情境，過渡到三氧化硫、含氧酸及其鹽的學習中；最后，結合“酸雨防治”的實際問題，融入當前煙氣脫硫技術，由貼近學生的生活經驗升華至工業生產應用，符合從學生身邊的實際到學科知識，從學科知識到知識應用于實踐的認知規律。這樣的教學設計既豐富了教學內容，體現了化學與生活、社會、生產科技的緊密聯系，還能讓學生在生產生活實例的解析中體會化學知識的社會價值，明確學習化學的動機，堅定學好化學、保障自身權益、服務未來社會的信念。

在生產、生活中，這樣的應用實例還有很多[15-18]，如在“鋁的氫氧化物、硅酸、氮單質、氮的氫化物、氮的氧化物和含氧酸、氟的含氧酸鹽、氯的含氧酸、錳的含氧酸鹽、鈦單質、鐵的配合物、銀的鹵化物、鋅的鹵化物”等元素化學知識的傳授中，我們可以通過“胃舒平”、“硅膠干燥劑”、“煙霧冰淇淋”、“汽車安全氣囊”、“雷雨發莊稼”、“含氟牙膏”、“84消毒液”、“PP粉”、“鈦合金眼鏡架”、“鐵醬油”、“光致變色玻璃”、“熟鏹水”等實例創設問題情境，激發學生的求知欲。選取“相變儲能材料、酸催化劑、石墨烯電池、硝化纖維塑料、鈉硫電池”等學習情景，創設驅動性問題，學習“堿金屬和堿土金屬水合鹽、硼的鹵化物、碳單質、氮的含氧酸、多硫化物”等知識，融合理論與應用，讓學生在掌握元素化合物知識的同時，充分感受化學的“生活化”和“實用性”，養成從化學的視角分析生產、生活中現象的習慣，將化學學習延伸至課外，內化化學學科素養[19]。

2.2 巧用“項目學習”，提升科學思想水平

項目學習(Project-Base Learning，簡稱PBL)是一種系統的教學方法，通過圍繞復雜、真實的問題以及精心設計的產品和任務，構建一個完整的、學生深度參與的探究過程，旨在學習必要知識和提高生活技能[20]。在元素化學教學中，可以從元素化合物在生活、生產、生產科技中的應用出發，基于PBL教學模式，追溯其“為什么可以這樣用?”，“為什么會有這樣的現象？”，“如何正確、合理、規范地使用？”等，從而學習隱含在應用背后的元素化學知識，讓學生在項目的驅動下通過自主探究和團隊合作解決問題，掌握解決問題的技能，切身體會化學的魅力及實用價值，樹立嚴謹求實的科學態度，使知識傳授、能力提升與價值引領協調發展。

如在鐵元素的教學中，教師可以要求學生通過查閱文獻、理論分析、設計方案、小組討論、實驗探究、小結歸納，解決“食品脫氧劑中的化學問題[12]”，并錄制視頻上傳QQ學習群進行展示。學生通過已學“鐵的磁性”、“金屬的通性”、“原電池”、“沉淀的生成和溶解”、“氧化還原反應”、“配合物的生成”、“化學能與電能”、“化學能與熱能”知識解決問題①如何檢驗食品脫氧劑的主要成份？②食品脫氧劑的脫氧原理，如何檢驗生成物？③脫氧過程中的能量如何轉化？④如何正確處理廢棄的食品脫氧劑？讓學生在問題的解決過程中構建“鐵的單質、氧化物、氫氧化物、配合物”知識結構體系，形成基于物質類別、元素價態對物質性質進行檢測的認識模型，建立起“守恒觀”和“轉化觀”，同時，培養學生的團結協作精神、唯物辯證思想和生態文明意識。

同樣，學生可以通過“探究鉻酸洗液中的化學問題”這一項目學習鉻元素的有關內容。經過“鉻酸洗液的配制”、“鉻酸洗液的主要成份”、“鉻酸洗液的功效及其原理”和“廢鉻酸洗液的處理”等系列問題的探析，掌握Cr(III)和Cr(VI)化合物的性質及其相互轉化，了解含鉻廢水的排放標準及處理技術，形成“平衡觀”和“轉化觀”，將綠色化學理念潤物細無聲地傳遞給學生，以此勉勵學生節約資源、熱愛自然、保護環境，為建設美麗中國而努力。

當然，并不是所有的教學內容都適合采用“項目學習”，教師需要在研判教學內容難易、評估實際教學環境的基礎上深入思考、精心設計，讓學生在真實的任務導向情境中獲得情感交融，在互動交流中激發靈感和觀點，在項目驅動下積極主動思考[8]，培養學生的探究能力和創新意識。

2.3 巧借“互聯網+”，培養科學能力

元素化學教學內容多、課時少，僅靠32課時的課堂教學是不可能將元素化合物知識講深、講透的。我們選用的教材是大連理工的《無機化學》(第六版)，該校的《無機化學》和《無機化學實驗》SPOC課程已在中國大學慕課網站上線。在教學中，針對堿金屬和堿土金屬、硼的化合物、釩分族等部分教學內容，任課教師可以借助“中國大學慕課”、“藍墨云班課”和QQ群以“線上+線下”重構教學過程，采用“課前視頻自主學習→上傳筆記、SPOC測驗→課上教師精講、突破重難點→互動交流、答疑解惑→云班課測驗→課后作業”的混合教學模式，提升學生對元素化學的學習熱情度、投入度和參與度，有力保證學生學習時“身心”皆在場。

開學后QQ群分享課程教學大綱、授課計劃表、教學課件和精選的實驗視頻。課前，教師要求學生觀看慕課短視頻和實驗視頻進行自主學習，完成SPOC網絡測驗，上傳學習筆記，同時言簡意賅地介紹學習要求，使學生在自主學習的過程中真正做到“心中有數”、“有的放矢”，避免“不知重點”、“盲目聽課”現象的發生。課上，教師借助“云班課頭腦風暴或小組任務”以問題解決式、小組合作式等方法實現與學生的互動，啟發學生積極思考，鼓勵學生大膽發言，引導學生運用所學理論知識對自主學習的內容進行“理論-性質”的演繹，進一步領會元素化合物的組成、結構、性質、制備、應用以及相互之間的關系，培養學生的科學思維，落實教學目標。同時，借助“云班課測驗”配備一定數量的客觀題，由于軟件具有自動批改學生答案的功能，方便學生根據測驗結果進行自我評價、查漏補缺，也減輕了教師批改作業的負擔，便于教師了解學生知識的掌握情況。課后，學生完成線下主觀題作業并上傳“云班課作業”，學生互評、教師評價后，QQ群交流作業中存在的問題。這種教學模式體現了學生的主體地位，充分發揮了互聯網實時、方便、交互的優勢，調動了學生學習的主動性，改善了課堂教學效果，培養了學生的觀察能力、思維能力、表述能力和自學能力。

3 結語

無機元素化學部分涉及繁雜的化學現象和化學反應，是《無機化學》“教”和“學”的難點，科學素養的形成是循序漸進和逐步滲透的過程。教學中，教師要建立清晰的化學學科觀念，分析挖掘教材，提煉內在邏輯，重塑教學內容，潛心鉆研教法，重構教學設計，傳授學生化學知識的同時培養學生化學科學素養。