基于人文背景融合學科核心素養的化學教學設計與實踐

邵傳強

摘要： 基于硅及其化合物在人類文明演進過程中發揮的巨大作用，以人類文明演進為主線，構建基于人文背景融合學科核心素養的硅及其化合物教學方案。在分析學情和教學價值的基礎上設定教學及評價目標，呈現課堂設計思路、主要過程和設計意圖。結合教學實踐，從元素化合物教學中人文與科學融合的價值、高一教學與后續知識的銜接、評價性問題的設置三個方面進行了反思。

關鍵詞： 人文背景; 學科核心素養; 硅及其化合物; 化學教學設計

文章編號： 10056629（2020）12004106

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

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

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，化學不僅與經濟發展、社會文明的關系密切，也是材料科學、生命科學、環境科學、能源科學和信息科學等現代科學技術的重要基礎，化學在促進人類文明可持續發展中發揮著日益重要的作用[1]。《普通高中化學課程標準（實驗）》提出，要在人類文化背景下構建高中化學課程體系。因此，在化學課堂教學中，構建基于人文背景的教學場景，挖掘化學知識、化學技術與社會文明的關系，將人文與科學有機融合，對于推動化學學科核心素養落地具有重要意義。人類文明發展與含硅材料的應用有著緊密的聯系，對含硅材料的研究與利用貫穿人類文明進步的全過程。因此，蘇教版《化學1（必修）》專題三第三單元“含硅礦物與信息材料”[2]教學主題是承載這一理念的理想載體。

1學情分析、目標設定及教學功能

1.1學情分析

高一學生在學習“含硅礦物與信息材料”這一教學主題前，已經學習了根據物質類別和元素價態認識物質性質的方法，能從類別遷移和氧化還原兩個角度認識實現物質轉化的規律，形成基于物質的性質差異尋求物質分離、提純的基本思路。因此，具備了自主探究元素化合物性質和轉化的基本能力。

通過課前調查，學生的主要疑惑點是： 含硅礦物的外觀與其結構究竟有怎樣的關聯？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，學生的困惑焦點是含硅礦物的宏觀性質與其微觀結構之間存在怎樣的內在聯系。此外，對于元素化合物及其轉化在促進社會文明進步、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目標設定與教學功能

（1） 通過探究含硅礦物宏觀性質與微觀結構的關聯，診斷并發展學生宏觀辨識與微觀探析的能力。

（2） 通過實驗探究硅酸凝膠制備、阻燃性能，理論探究粗硅提純實驗方案，鞏固物質性質、物質轉化的認知模型，診斷并發展學生基于物質類別、價態實現物質轉化的變化觀念。

（3） 通過系統體悟含硅材料在人類文明發展歷程中的重要作用，彰顯化學物質、化學技術在生產生活中的重大貢獻，診斷并發展學生對化學價值的認識水平。

（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，激勵學生既要從傳統繁榮文化中建立自信，又要面對現代核心科技缺失負有社會責任感。

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

2教學設計思路

以人類文明發展的進程為軸線，創設與之契合的教學情境，通過探究活動，落實硅及其化合物基礎知識和實驗探究基本技能，發展學生的學科核心素養。具體教學設計思路可簡略歸納為如圖1所示。

3主要教學過程

3.1片段1認識自然界的含硅物質

[創設情境，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其功能會選擇不同材質的巖石，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？

[學生探討，交流想法]學生能基于已有的經驗——結構決定性質做出推測，宏觀性質的差異源自構成巖石微粒微觀結構的差別。

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

問題2： 你能想象閃石礦、云母、水晶其微觀結構基元間的連接方式嗎？

展示巖石中SiO4-4結構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構進行匹配嗎？說明匹配的依據。

[學生探討，交流想法]學生盡管尚不具備晶體中微粒堆積方式的知識基礎，但基于宏觀特征，能精準推測閃石礦具有鏈狀結構、云母具有層狀結構、水晶具有空間立體網狀結構的微觀結構特點。

設計意圖： 將教學素材置于歷史人文場景中，渲染學科教學的文化價值。從具有歷史感的石器到現代化學研究中的物質結構，從實際問題到化學問題，從宏觀現象到微觀結構，形成和發展學生的化學想象力，建立宏微關聯分析的具體思路。通過“內在微觀結構與外在宏觀現象”的關聯，深化“結構決定性質”的學科觀念，診斷并發展學生宏觀辨識與微觀探析的學科核心素養。

3.2片段2認識硅酸鈉的結構、性質與應用

[創設情境，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？你能猜測其微觀結構嗎？說明依據。

[學生探討，交流想法]學生從生活經驗知道，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分子類似的長鏈結構[4]。

[創設情境，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。”

問題5： 火浣布具有怎樣的性能？常見化學物質中哪些具有類似的功能？

[實驗探究]對比實驗： （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，傳給學生觀察、觸摸;（3）將兩種紗布同時在兩盞酒精燈火焰上點燃，觀察現象。

[學生探討，交流結果]浸泡過硅酸鈉溶液的紗布柔韌性變差，且不容易燃燒（對于阻燃的物質是硅酸鈉還是其他物質難以確定，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生變化？推測的依據是什么？你能設計實驗證實你的推測嗎？

[學生探討，設計方案]根據硅酸鈉的物質類別，推測與空氣中的CO2發生反應生成了硅酸。可向硅酸鈉溶液中充入CO2進行驗證。

[實驗實證]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，硅酸鈉轉化成了硅酸凝膠，證實推測合理。書寫反應的離子方程式： SiO2-3+H2O+CO2CO2-3+H2SiO3↓。

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

設計意圖： 通過古籍中的火浣布創設情境，設置懸疑，誘發好奇心，滲透古代化學史知識;通過對硅酸鈉形態、性質的研究，基于物質分類進行有依據的預測，設計實驗進行有目的的驗證;運用物質轉化的原理進行分析，運用化學用語表征物質的變化實質。依托該片段，診斷并發展學生的科學探究素養。

3.3片段3認識生產生活中的無機非金屬材料——玻璃、水泥、陶瓷

[創設情境，設置任務]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、工藝設備及產物成分。

[學生閱讀，獲取信息]通過閱讀文本，梳理出生產陶瓷、玻璃、水泥所需的原料、設備、化學成分等信息。

設計意圖： 在歷史背景中，設計閱讀、討論活動，引導學生體會化學與生產、生活的關聯，體會化學對改善人類生活條件、推進文化繁榮、促進社會發展的貢獻，激發學生對化學學科巨大社會價值的認同感。

問題7： 結合原料和玻璃成分分析，燒制玻璃時發生了怎樣的反應？嘗試寫出反應的化學方程式。

設計意圖： 能從化學視角，結合物質類別，分析物質轉化的規律，解決生產實際問題，診斷并發展學生的變化觀念核心素養。

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

設計意圖： 通過陶瓷和文化的融合，展現我國古代科技、文化的輝煌，激發學生的民族自豪感，樹立文化自信。

3.4片段4認識信息時代的含硅物質——單晶硅與光導纖維

[創設情境，引發思考]時間軸1956年，美國工程師基爾比發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： 結合硅元素在自然界存在形式，從元素價態角度分析，工業上如何獲取Si單質？結合鐵、銅的冶煉談談你的依據。

[學生交流，初探方案]基于已有的物質轉化經驗，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的硅轉變為游離態硅，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;（2）Si、雜質分別形成的氯化物沸點差異較大。請據此進一步細化提取流程。經探討得到如圖8所示流程，歸納得到如圖9所示物質制備認知模型。

[符號表征]學生書寫粗硅提純涉及的反應的化學方程式，認識物質轉化的規律。

設計意圖： 引導學生學會從金屬冶煉的經驗進行遷移，從價態角度結合氧化還原原理，解決生產實際問題。通過問題的解答和探討，建構物質制備的認知模型，診斷并發展學生物質制備的模型建構、模型運用能力。

[創設情境，激發責任意識]鏈接三則新聞資料： （1）我國高性能集成電路用硅嚴重依賴進口;（2）美國限制對華為芯片相關技術的出口;（3）日韓貿易摩擦，日本限制高純HF出口，對韓國半導體產業影響巨大。

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

[符號表征]學生書寫硅與HF反應的化學方程式，認識硅單質性質的特殊性。

問題10： 對于上述三則新聞資料你有何感想？化學技術在信息產業中扮演了怎樣的角色？

設計意圖： 通過新聞資料解讀，引起學生反思，我國在信息技術領域落后的現狀，與古代燦爛文明形成的強烈反差，激發學生對信息時代我國核心技術缺失的憂慮，增強社會責任意識。

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的深層價值

[創設情境，引發暢想]播放科幻電影《星際迷航》片段，引發學生暢想。

問題11： 碳與硅的原子結構相似，地球上以碳元素為基礎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形成的硅基生命呢？如若存在，其客觀環境應該滿足怎樣的要求？結合硅及其化合物的性質說明你推測的依據（圖10）。

設計意圖： 通過科幻影片，引發學生產生與化學相關的更多的想象空間，在展現化學學科獨特魅力過程中讓學生體驗化學學科的社會發展價值，引發對生命世界的暢想和反思。

4教學反思

4.1元素化合物教學要注重科學與人文的有機融合

文化基礎是中國學生發展核心素養的根基。劉慶昌教授認為，人文底蘊是文明人的基本標識，科學精神是現代人的基本品格。把這兩者打通，“文化基礎”所指向的，其實就是培養“文明現代人”或“現代文明人”的教育[5]。化學發展史與人類文明進步史休戚與共，依托元素化合物在人類文明進步中的作用構建元素化合物教學背景，有利于將人文素養與科學素養的培育融為一體，發揮兩者育人功能的互補作用。本節課展開的過程，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，有利于激發學生探索自然的欲望;化學技術進步推動人類文明前行的歷史事實，讓學生真切體悟科技發展對人類生活的巨大貢獻，增強對學科價值、社會價值的認同。

4.2元素化合物教學要為化學反應原理教學預留接口

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

4.3促進提問的誘導功能與評價功能相融合

元素化合物教學中，創設情境的目的是為了引發實際問題，設置問題的價值不僅是為問題解決進行誘導鋪成，更在于對學生的思維水平和思維質量進行度量。教、學、評一致的教學設計與實施，評價是檢測教學目標達成程度的指示劑。課堂中多次采用“你能說出……嗎？并說明理由”“請設計……并說明設計依據”等評價性提問，避免了學生在課堂進行隨機性無依據的低效思考。指向評價的問題，不僅為了引導、拓展學生思考學科核心知識，更能顯性地評價學生學科核心素養水平。因此，變誘導性提問為評價性提問，對于推進教、學、評一致性的課堂或許是一種有益的嘗試。

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

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1.

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2014： 78～82.

[3][4]張青蓮. 無機化學叢書（第三卷）[M]. 北京： 科學出版社， 1998： 212～220.

[5]劉慶昌. 人文底蘊與科學精神——基于《中國學生發展核心素養》的思考[J]. 教育發展研究， 2017， （4）： 35～41.