素養(yǎng)為本的元素化合物知識“主題情境”教學

徐惠

摘要：從元素化合物知識的價值出發(fā)，以“鋁及鋁合金”教學為例分析素養(yǎng)為本的元素化合物知識教學的主題情境構(gòu)建、內(nèi)容組織，以及活動實施的基本路徑方法，提煉素養(yǎng)為本的元素化合物主題情境教學的基本范式模型。

關(guān)鍵詞：元素化合物；主題情境；教學；新授課；鋁

文章編號：1008-0546（2021）12-0002-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.001

*本文系江蘇教育科學規(guī)劃課題“基于真實問題的學生化學素養(yǎng)評價研究”（編號D/2016/02/24）及江蘇省教育科學“十三五”立項課題“化學教師對模型的認識與應用研究”（項目編號：D/2018/02/09）的階段性研究成果。

一、問題的提出

元素化合物知識約占中學化學教學內(nèi)容的60%，是構(gòu)成中學化學知識的基礎和骨架，因為元素化合物知識的真實可感，與人們的日常生活密切相關(guān)，還被人稱為是“真正意義上的化學”。在中學學習元素化合物知識可以促進學生的知識增長量，構(gòu)建學生化學學科的知識體系[1]。然而，在素養(yǎng)為本的化學教學基本價值導向下，元素化合物知識的教學價值遠非于此。元素化合物知識是化學與人類生活最密切聯(lián)系的部分，科學、技術(shù)、社會、無不與元素化合物知識緊密相關(guān)，元素化合物知識的學習可以讓學生感受化學到化學學科的價值，是提升學生“科學精神與社會責任”維度核心素養(yǎng)的最好載體。元素化合物性質(zhì)背后的微觀結(jié)構(gòu)奧秘以及元素化合物相互轉(zhuǎn)化過程所蘊藏的化學規(guī)律直接體現(xiàn)了化學學科“宏微觀結(jié)合”“變化與平衡”等的學科觀念，是培養(yǎng)學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”維度核心素養(yǎng)的直接素材。而在教學中研究和揭示上述化學學科的“奧秘”及“規(guī)律”的過程所采取的探究手段以及所經(jīng)歷的探究以及推理過程則是培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”維度核心素養(yǎng)的必由之路。

如何在教學中盡顯元素化合物知識在學生化學核心素養(yǎng)培養(yǎng)方面的如許價值？《普通高中化學課程標準（2017版）》在其“教學與評價”中提出以素養(yǎng)為本的教學應“注重真實問題情境的創(chuàng)設、注重認識思路的結(jié)構(gòu)化和顯性化、注重基于‘學習任務’開展教學以及在教學中注重‘教學評的一體化”[2]。鄭長龍等研究者認為內(nèi)容（Content）、活動（Activity）、策略（Strategy）、評價（Evaluation）、情境（Situation）是化學課堂的核心構(gòu)成5要素，將這5要素構(gòu)建整體系統(tǒng)、發(fā)揮系統(tǒng)作用才能實現(xiàn)素養(yǎng)為本的整體目標（Target）。并提出了素養(yǎng)為本的課堂教學的CASES-T模型[3]。

無論是課程標準中所提的教學建議還是研究者提出的教學模型，素養(yǎng)為本的化學教學都十分強調(diào)教學情境的重要性。但元素化合物知識不同于其他知識，當前元素化合物知識最大的教學難點在于其大多屬于事實性知識或陳述性知識，知識本身具有龐雜、瑣碎的特點，需要記憶的內(nèi)容較多[4]，且教材中更多重視元素化合物知識的應用[5]，使得元素化合物知識在知識的結(jié)構(gòu)化方面以及知識呈現(xiàn)的邏輯性方面存在著一定不足，針對元素化合物知識的特點，該部分內(nèi)容教學的教學情境創(chuàng)設應該做怎樣的調(diào)整，教學情境與教學活動和教學評價方面又該如何整合才能更好地實現(xiàn)素養(yǎng)為本的教學目標？本文擬以“鋁及鋁合金”一課的教學為例探討“主題情境式”教學在素養(yǎng)為本的元素化合物教學中的應用，并嘗試提出素養(yǎng)為本的元素化合物主題情境教學的一般范式，以期對上述問題做出來自教學一線的實踐回應，期待本研究能為教師開展相關(guān)教學提供一些有益的借鑒。

二、元素化合物教學中的主題情境構(gòu)建

元素化合物知識的學習內(nèi)容很豐富，從課程標準的“內(nèi)容標準”來看通常包括物質(zhì)的物理性質(zhì)、物質(zhì)的化學性質(zhì)及其物質(zhì)的應用等陳述性知識，這些知識條目化，零散化。為使得這些有關(guān)元素化合物的知識都在一定的情境下學習，教學者通常需要創(chuàng)設多個情境。不經(jīng)整合的情境會使得即使關(guān)注了情境的創(chuàng)設，教學仍會呈現(xiàn)堆砌、散漫以及缺乏整體構(gòu)建的態(tài)勢，且情境和元素化合物知識混雜，還可能使得原本就顯龐雜和瑣碎的知識更顯混亂。所以在元素化合物知識教學中，情境創(chuàng)設應不僅能將知識蘊含其中，還能將知識的內(nèi)在邏輯，以及認知知識的路徑方法清晰呈現(xiàn)。此時嘗試將多個小情境進行綜合歸納并尋找多個小情境之間可能的共性點，最終構(gòu)劃出可以統(tǒng)領多個小情境的整體主題情境，就可以實現(xiàn)上述目標。具體如圖1所示。

當然，也可以一個分情境包含了多個知識點，但整個課程中的所選各個情境與所構(gòu)成的主題情境之間一定是有密切的關(guān)系的，可以是多個分情境圍繞主題的多個角度闡述如圖2（Ⅰ）所示，也可以是多個情境之間有著自己的發(fā)展關(guān)系或是時間先后順序或是邏輯推演順序如圖2（Ⅱ）所示。可見，通過主題情境的構(gòu)建，零散的元素化合物知識可以在一種發(fā)散或者推演的邏輯中建立知識之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從零散到整體的整體建構(gòu)，在主題情境下的學習可以促進學生知識的結(jié)構(gòu)化。

如“鋁與鋁合金”的教學，涉及鋁的物理性質(zhì)、鋁與氧氣反應、鋁與酸反應、鋁與堿反應、鋁與金屬的置換等多個知識點。就可以構(gòu)建如圖3所示的主題情境。鋁的不同性質(zhì)，在不同的小情境中呈現(xiàn)，但這些情境被集中在與“美食”相關(guān)的生活化主題情境中，既切合了學生的認知基礎，又激發(fā)了學生興趣。主題情境使得一節(jié)課的教學內(nèi)容形成了具有連續(xù)性、邏輯性以及結(jié)構(gòu)性的整體。

三、元素化合物教學中的內(nèi)容組織

在素養(yǎng)為本的元素化合物教學中知識有兩重意義，一重是元素化合物知識本身，另一重是以元素化合物知識為載體所追尋的化學核心概念的構(gòu)建。這些核心概念包括“氧化還原、離子反應、物質(zhì)的類別、元素的價態(tài)轉(zhuǎn)化、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系”等。在教學中只有將單純的元素化合物知識與化學學科的大概念結(jié)構(gòu)化、功能化，所教授的元素化合物知識才有其素養(yǎng)價值[6]。在教學情境中將知識問題化，是實現(xiàn)上述目的的有效途徑。如在“鋁及鋁合金”的教學中每個教學情境中均可提煉出相關(guān)問題若干，從而實現(xiàn)在問題中激發(fā)學生的思維，提升知識的理解深度，促進學生化學學科概念的建立，如圖4所示。

四、元素化合物教學中的活動實施

在主題教學情境中整合教學內(nèi)容提煉出的數(shù)個核心教學問題形成了具有激發(fā)性和驅(qū)動力的問題驅(qū)動鏈。學生在問題的驅(qū)動下，在教師的引導下高效有序地在自主、合作、探究等活動中學習。這些活動可以包括實驗探究、觀察分析、分類表征、基于證據(jù)進行推理、相互交流與分享等，在這一系列的教學活動開展中，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也得以在課堂落地。“鋁及鋁合金”的教學中部分教學問題與教學活動如下圖5所示，可見每一項教學活動的推進都是核心素養(yǎng)得以具體化的呈現(xiàn)。

五、“鋁及鋁合金”教學過程

【視頻播放】播放制作色香味俱佳的“錫紙（鋁箔）花甲”的視頻，在學生被視頻中美味食物制作方法吸引時，提出問題：“鋁”的哪些性質(zhì)使得人們在烹飪美食時如此受厚愛它？導出本節(jié)課主題——帶著美食去“鋁”行。

【學生】通過視頻中，利用鋁箔彎曲制作鋁碗，在火上加熱，湯液快速沸騰等現(xiàn)象歸納鋁具有的物理性質(zhì)：銀白色、導熱導電性能好、密度小、質(zhì)地較軟延展性好。

【教師】在學生歸納出的鋁的物理性質(zhì)基礎上，提問從鋁的物理性質(zhì)出發(fā)，鋁在生活中可能具有哪些用途？

【學生】列舉生活中鋁制品的應用：鋁盆、鋁鍋、易拉罐、燒烤紙、鋁導線、鋁合金材料等。

設計意圖：情境決定了學生學習的氛圍，也是學生化學素養(yǎng)發(fā)展的平臺。新課的開始，應用新穎的情境引入，激發(fā)學生的興趣與學習的熱情。且一節(jié)課的主題情境是整節(jié)課的流程發(fā)展線索，盡早呈現(xiàn)的主題情境為整節(jié)課的整體的順利開展奠定基礎。

【教師】呈現(xiàn)金屬活動周期表，提出問題：根據(jù)金屬活動性順序表，我們知道鋁比鐵活潑，根據(jù)氧化還原反應判斷方法，說明鋁的還原性比鐵強，但是火鍋店除了不銹鋼鍋以外，卻更多使用鋁鍋而不是鐵鍋，為什么呢？展示生銹的鐵鍋和經(jīng)久耐用的鋁鍋。

【學生】提出鋁與空氣中的氧氣反應生成致密的氧化膜

【教師】教師展示生銹的鐵鍋圖片，提出鐵鍋也生銹生成氧化膜，為什么會不一樣呢？

【學生】通過討論指出同樣都是氧化物，可能微觀結(jié)構(gòu)不一樣。

【教師】追問：如何證實你的猜想？

【學生】交流討論，提出可以收集氧化鋁和氧化鐵的微觀圖片。

【教師】贊賞學生的猜想，PPT呈現(xiàn)網(wǎng)絡搜索的鐵銹顯微鏡照片及氧化鋁微觀結(jié)構(gòu)掃描圖片，如圖6、圖7所示。

【教師】微觀結(jié)構(gòu)表明氧化鐵具有疏松的結(jié)構(gòu)而氧化鋁卻整齊而致密，正是因為結(jié)構(gòu)的不同，使得氧化鐵和氧化鋁附著的鋁和鐵表現(xiàn)出了不一樣的性質(zhì)。

【教師】能不能通過簡單的實驗證明鋁表面有致密氧化膜存在呢？

【資料卡】氧化鋁熔點2000℃，鋁熔點600℃

【學生】用坩堝鉗夾住一小塊鋁箔，在酒精燈上加熱至熔化，輕輕晃動，觀察鋁箔熔而不滴的現(xiàn)象。

【教師】通過上述的反應我們知道鋁在空氣中能形成致密的氧化膜，根據(jù)鋁的這一性質(zhì)，人們常通過一定的方法來增加鋁表面氧化膜的厚度，以加強對鋁的保護。例如iphone手機的背部就在鋁合金的表面采用陽極氧化處理后生成的氧化鋁膜，不僅具有很好的抗腐蝕能力，而且具有很高的硬度，不容易被尖銳的東西劃傷，因此可以不使用手機套。更為有趣的是，這種氧化鋁很容易著色，因此iphone不僅有銀色的，還有大家都非常喜歡的土豪金和女生非常喜歡的玫瑰金。吃火鍋、聚餐大家習慣拿出手機拍照發(fā)朋友圈，鋁可也是和你親密在一起的。

【過渡】鋁箔在空氣中不能燃燒，能不能說明鋁就不能燃燒？

【學生】不能，應該在氧氣中再試試。

【教師】增大鋁和氧氣的接觸面積，可以使鋁與氧氣充分接觸，充分接觸的方法除了可以采取增大氧氣濃度的方法外，還可以將鋁片換成鋁粉。

【演示實驗】鋁粉在氧氣中燃燒。這是盛有二氧化錳的廣口瓶，加適量的雙氧水可產(chǎn)生氧氣，用棉花包裹鋁粉，點燃。

【教師】鋁粉在氧氣中劇烈燃燒，火星四射，發(fā)出耀眼白光，有白色固體Al2O3產(chǎn)生。

【應用】軍事上利用鋁在氧氣中燃燒這個反應來制造信號彈、燃燒彈，同樣鋁與氧氣的反應，不一樣的條件就會生成不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)，也會使得物質(zhì)具有不同的應用。

設計意圖：通過基于情境素材的問題驅(qū)動，使學生經(jīng)歷提出問題，收集證據(jù)，解決問題的過程，培養(yǎng)學生“科學探究和創(chuàng)新意識”“證據(jù)推理”“宏觀辨析和微觀探析”等素養(yǎng)；鋁氧化膜手機外殼的額外拓展與主題情境素材密切相關(guān)，可以拓展學生視野，增強學生對于化學價值的理解，關(guān)有助于發(fā)展學生的“科學精神與社會責任”。

【過渡】雖說鋁制品常用來制作炊具制作美食，但搜索購物網(wǎng)站卻發(fā)現(xiàn)，家用調(diào)味盒，幾乎沒有“鋁”制的，用來烘焙、燒烤的鋁箔在說明書上還標有“長期包裝堿性及酸性、腌制的食品可能變色或出現(xiàn)蜂孔”等字樣。這些又可能是什么原因呢？

【學生】通過周期表中鋁的位置，鋁所屬的物質(zhì)類別，以及調(diào)味品成分分析提出，可能是因為鋁與調(diào)味料中成分酸以及鹽反應。

【教師】是否如此，能不能用實驗證明？

【學生】在點滴板中完成鋁與稀鹽酸、濃硫酸、濃硝酸、CuSO4溶液的反應。觀察現(xiàn)象，記錄并匯報（表1）。

【學生】匯報鋁與稀鹽酸、濃硫酸、濃硝酸、硫酸銅溶液反應現(xiàn)象，書寫鋁與鹽酸以及硫酸銅溶液反應方程式。

【教師】針對鋁與濃硫酸與濃硝酸反應的異常現(xiàn)象做出解釋：常溫下，鋁遇濃硝酸、濃硫酸時在表面生成致密的氧化膜而發(fā)生鈍化，從而阻止了內(nèi)部金屬進一步發(fā)生反應。鋁表面生成氧化膜，從鋁的價態(tài)上分析，化合價升高了，說明鋁被濃硫酸氧化了。濃硫酸、濃硝酸都是常見的強氧化劑。

設計意圖：從金屬活動性順序表等化學基本工具以及物質(zhì)類別角度思考物質(zhì)的性質(zhì)，提出猜想并通過實驗加以證實是研究元素化合物性質(zhì)的一般思路，強調(diào)化學學科中的認知思路方法，促進學生模型認知素養(yǎng)的發(fā)展。

【教師】利用合適的炊具烹制了合適的食物，一頓饕餮之后，難免經(jīng)歷清洗餐具的煩惱，食物殘渣若堵塞了下下水道，就會引來一番麻煩，而市面上銷售的固體管道通常能在關(guān)鍵時候拯救我們。管道通里還有哪些成分？為什么管道通能夠通下水道呢？展示一盒管道通。

【資料卡】管道通使用說明書如圖8

【教師】“管道通”內(nèi)有一袋白色固體顆粒。NaOH和一袋銀灰色鋁粉。下水管道堵塞時因為其中存在油垢、毛發(fā)和殘渣，NaOH的強堿性能夠腐蝕油垢、毛發(fā)和殘渣，既然NaOH本身已經(jīng)能起到管道疏通的作用，為什么還要加鋁粉呢？

【學生】完成點滴板上鋁與氫氧化鈉反應。

【教師】通過分組實驗，大家觀察到：鋁不僅能與酸溶液反應，也能與強堿溶液產(chǎn)生氣體。鋁與氫氧化鈉溶液、水反應，可生成一種鈉鹽，叫偏鋁酸鈉。反應中鋁元素由0價升高到+3價，那產(chǎn)生的是什么氣體呢？

【分組討論】鋁與氫氧化鈉溶液反應產(chǎn)生的是什么氣體？

【歸納總結(jié)】從元素守恒看，氣體可能是氧氣或氫氣。從化合價看反應中鋁元素的化合價升高了，必然有元素化合價降低，能降低的元素只能是氫元素，生成的是氫氣。是否如此，請觀察演示實驗。

【演示實驗】鋁與氫氧化鈉溶液反應并檢測氫氣。

【教師】從元素守恒和化合價升降兩個角度分析反應可能的產(chǎn)物，以及會用實驗的方法加以驗證。以此在體現(xiàn)科學探究要素的同時，使學生掌握理論、實驗、理論和實驗相結(jié)合的科學探究方式，以及科學探究的基本方法。

【教師】請結(jié)合實驗現(xiàn)象解釋，為什么管道通能夠疏通下水道？

【學生】加入鋁粉，可以與氫氧化鈉反應放出大量的熱，可以加快反應速率。且此反應產(chǎn)生大量的氣體，可以產(chǎn)生機械驅(qū)動力。

設計意圖：從與主題相關(guān)的情境中引入鋁與氫氧化鈉的反應，依舊是問題驅(qū)動的探究實驗，強化學生探究與科學創(chuàng)新素養(yǎng)的同時，引導學生從元素守恒和價態(tài)分析可能的反應，這是對化學核心觀念的進一步強化。學生對于管道通疏通下水道原理的闡釋，則是學以致用，可以提升學生對與化學價值的認同。

【過渡】美食總是讓人垂涎，吃貨在追求美食的道路上一路向前，展示網(wǎng)絡流行的“吃貨眼中的中國”一圖，以及2020年中國鐵路網(wǎng)建設圖，四通八達的鐵路讓我們可以輕松到達全國各地吃上美食，你可知鐵路的建設，也和鋁密切相關(guān)呢。

【播放視頻】鐵路工人野外焊接鐵軌視頻

【提出問題】視頻中焊接鋼軌用到的那袋試劑是什么呢？就是鋁粉和氧化鐵的混合物。在焊接鐵軌時，人們常將鋁粉與氧化鐵的混合物點燃，由于反應放出大量的熱，置換出的鐵以熔融態(tài)形式流出。讓熔融的鐵流入鐵軌的裂縫，冷卻后就將鐵軌牢牢地黏結(jié)在一起。

【演示實驗】利用鋁熱反應來焊接鐵釘。在沙里埋兩根鐵釘，將它們相互靠近，再向試管中加入鋁粉和氧化鐵的混合物，加一定量氯酸鉀，氯酸鉀高溫產(chǎn)生氧氣，助燃。插上鎂條，鎂條燃燒可以產(chǎn)生反應需要的高溫。如圖9所示。

【教師】該反應溫度高達3000℃，我們把這個反應叫作鋁熱反應，鐵在這個溫度下會“融化”。

設計意圖：鋁熱反應的性質(zhì)是鋁獨特的一條性質(zhì)，如果未經(jīng)情境化的整合，或者實驗情境的強化，就會成為學生記憶的一條知識點，借用吃貨地圖將該內(nèi)容整合進整體教學情境，通過情境的內(nèi)在邏輯將原本零散的知識進行整合是發(fā)揮主題情境構(gòu)建的優(yōu)勢，強化知識的結(jié)構(gòu)化。且該情境的選擇進一步增強了學生對于化學價值的認同，是“科學精神與社會責任”素養(yǎng)的進一步強化。

【教師】整合板書（圖10），并小結(jié)：通過這節(jié)課的學習，我們知道鋁能與非金屬單質(zhì)、某些金屬氧化物、酸、堿、鹽發(fā)生反應，其中鋁與非金屬單質(zhì)、酸、鹽的反應是金屬一般具有的化學通性，而鋁與強堿溶液反應、鋁熱反應則是鋁的化學特性。反應中，鋁元素均由0價升高到+3價，體現(xiàn)了較強的還原性。這是由它的結(jié)構(gòu)決定的，鋁原子容易失去最外層3個電子，失去電子而表現(xiàn)出還原性。認識物質(zhì)要由表及里深入探究，認識一種物質(zhì)也要從通性和特性兩個方面了解。

【PPT呈現(xiàn)】美國北卡羅來納大學化學系教授Daniel Rabinovich語錄：“鋁這個曾經(jīng)被美國《國家地理》稱為“神奇金屬”的元素仍是科學家、工程師、甚至是藝術(shù)家和設計師的靈感來源。讓我們在下一次使用鋁箔紙包裹三明治或者從易拉罐里喝碳酸飲料時，銘記它豐富多彩的化學、迷人的歷史和諸多的用途！”

設計意圖：通過總結(jié)歸納，使得研究元素化合物的思路方法外顯，回歸有關(guān)鋁的使用情境，進一步強化學生對于學科價值的理解。

六、素養(yǎng)為本的元素化合物主題情境教學的課堂構(gòu)建模型

“鋁及鋁合金”一課的教學不難看出，精心創(chuàng)設的真實的主題情境可以統(tǒng)領零散的元素化合物知識，建立知識內(nèi)在的邏輯意義，追尋素養(yǎng)為本的元素化合物教學情境創(chuàng)設是不可或缺的環(huán)節(jié)，而情境的創(chuàng)設依賴于對核心知識本身以及知識所對應的學科基本觀念的整合，也只有從情境中生成出具有驅(qū)動力的教學問題才能對知識進行有效闡述，而教學問題的解決依賴具體的教學活動的實施，具有探究性、活動性、合作性、創(chuàng)新性、實驗性的教學活動，是化學問題的解決的最佳途徑，教學活動的實施本身就是核心素養(yǎng)落地的過程。所以鑒于此，素養(yǎng)為本的元素化合物教學課堂的構(gòu)建應按照教學內(nèi)容、教學情境、教學問題、教學活動四大部分來建構(gòu)，具體構(gòu)建模型如圖11所示。

在上述的模型之下，可以搭建出素養(yǎng)為本的教學課堂的基本框架，但課堂是否真的高效，依賴于教師的對于教學內(nèi)容的理解程度，依賴于情境的新穎性、趣味性、真實性，也依賴于所提煉教學問題的系統(tǒng)性、層次性、啟發(fā)性、驅(qū)動性，最終教學活動的豐富性，探究性、實驗性是決定化學核心素養(yǎng)的能否落地的關(guān)鍵。在情境中學，在問題中學，在探究中學，是素養(yǎng)為本的化學課堂的追求。

參考文獻

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