“三位一體”涵養化學科學素養

胡永紅 張晨 金靖雯 陳曦

摘要：聚焦日常生活中最普通卻又不可或缺的物質“氧氣”，依據內容、方法與評價“三位一體”的基本原則，即內容的廣博性與前沿性、方法的先進性與嚴謹性、評價的即時性與人文性，融合創新設計化學科普課程。以此激活青少年客觀理性的好奇心，培育一定的科學研究方法意識，涵養化學科學素養，助益青少年化學探究內驅力的生成。

關鍵詞：化學科學素養; 三位一體; 青少年科普; 氧氣

文章編號：1005-6629（2021）08-0032-06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

化學科普教育不僅包括傳授化學科學常識，還包括培育化學科學素養。2016年《全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016—2020年）》明確將實施青少年科學素質行動納入“十三五”重點任務。化學變化普遍存在于日常生活，如何活用普通的日常物質或現象，探索以化學科學為基礎的科普教育，涵養青少年的化學科學素養？本團隊依托大學師資，圍繞“氧氣”這一重要的常見物質，遵循內容、方法與評價“三位一體”的基本原則，創新設計化學科普課程。內容上力求日常性、專業性與前沿性;方法上力求精心設計豐富多彩、層層遞進、邏輯嚴密的實驗;評價上力求即時性，并融匯人文社會科學的柔性評價方式。通過內容、方法與評價的創新融合設計，激活青少年對客觀現象的好奇心，引導青少年體悟化學研究所需的科學思維，循序漸進培養科學研究意識與合作探究精神，幫助青少年涵養自主深入探索化學世界的內驅力。

1 課程對象與教學目標

學校是青少年化學科普教育的主陣地，但是，受限于傳統教學模式的固定思維與應試壓力，學校的化學科普教育缺乏與青少年生活經驗、個體體驗的深層互動，由此帶來青少年的思考維度依然停留于單線平面式，缺乏橫縱貫通的立體式思考力，更缺乏理論知識、科學實驗與實踐應用可多向度融合的意識。有鑒于此，本課程以化學知識零基礎的初一學生為授課對象，由化學教學經驗豐富、科研積淀厚實的大學教授、博士生導師帶領研究團隊共同設計并親自主講。授課采用“內容介紹、實驗演示和學生參與實驗”三結合的形式。演示實驗中，基于“周邊常見，聽眾熟悉;易于操作、安全無毒且符合綠色化學要求”的原則，選定“氧氣”為化學反應物質。在環環相扣的實驗與深入淺出的講解中，圍繞化學知識與技能、化學過程與方法、化學情感態度價值觀三個維度，通往涵養學生的化學科學素養的目標（見表1）。

2 課程的設計原則

依據內容、方法與評價“三位一體”的原則，凸顯內容的廣博性與前沿性、方法的先進性與嚴謹性、評價的即時性與人文性。知識內容方面，圍繞氧氣這一物質，不僅介紹氧氣的基本性質、氧傳感的重要性、國內外有關氧傳感研究的進展，也展示氧傳感研究成果與產品應用情況;教學方法方面，依托實驗載體，層層遞進設計邏輯嚴密的實驗，結合現場實驗演示和視頻，從定性描述的實驗到具有嚴格控制且定量的科學化實驗、從探索性感知到驗證性檢測，將通過實驗觀察研究物質變化特性的化學教育本質融于其中;課程評價方面，通過小組合作梳理思維導圖，依托即時性問卷調查，將溝通力、思考力與表現力的培養浸潤其間。

3 課程內容、方法與評價“三位一體”的創新設計

本課程是一棵樹，內容為根系，方法為主干，評價為枝葉。豐富的內容與方法帶來枝繁葉茂，多元評價讓內容與方法的有效性得到驗證，三者橫縱交織、相互作用服務于同一教學目標。

3.1 巧設課程內容

初一學生具有天然的創造力與自我驅動力，本課程以豐富的設問架起溝通的橋梁。課程初始實施開放式問卷，聚焦五個問題“化學是什么？氧氣可見嗎？氧氣可燃嗎？氧氣從哪兒來？氧氣有何用？”限時回答。梳理問卷答案，發現聽課前學生的思考相對淺層，限定在“化學是科學、變化、元素;氧氣看不見，但可以呼吸感覺;氧氣應該不能燃燒;氧氣從空氣中來;氧氣是維持生命的元素”等一般日常性層面。為引導深層學習，我們將與氧氣相關的歷史源流與原理背景、氧氣的應用成果融匯到課程中，逐級揭開氧氣的神秘面紗。

3.1.1 燃燒現象里引出“氧氣”

讓學生點燃火柴，從最易被感知的火柴燃燒、火箭升天、自然火災等現象切入，在互動中啟迪學生思考燃燒現象發生的必需要素——氧氣，讓氧氣的“助燃性”在碰撞中推導、鋪展于眼前。

3.1.2 以歷史視角講述“氧氣的故事”

按照時間序列，簡單講述17世紀德國化學家貝歇爾的“燃素說”、18世紀化學家普利斯特里第一次成功制得氧氣、拉瓦錫的“氧化學說”等歷史故事，傳遞出“歷史的溫情”與科學研究必需的歷史性視角與必備的嚴謹精神。

3.1.3 從國外到國內的研究掃描

科學研究需要具備廣闊的視野，既要面向世界也要關照本國。因此，課程簡單提及我國關于氧氣的相關研究，如1981年上海化工學院研究了需氧發酵過程中溶解氧水平的檢測[1];氧氣的科學應用方面，1989年，中國科學技術大學等使用電子順磁共振（ESR）直接檢測心肌再灌注產生的氧自由基，開啟了我國氧氣的應用研究[2];2008年，作者研究團隊在國內首次提出氧氣的可視化傳感研究等。在世界視域下傳輸“中國的發展離不開世界，世界也需要中國”的博大理念。

3.1.4 從理論研究到實際應用

融入作者研究團隊以研究成果對接社會實際需求、服務社會的應用成果，如氧熒光傳感膜、海洋浮標中溶氧傳感器等產品的運用與推廣，將研究成果與實際應用、“書架”與“貨架”之間的關系講深講透。一位學生在作文中寫道：“書架就是說我們要有學習欲望，有學習成果;貨架就是說要做一個能服務大眾的人。我愿我能成為那樣的人，也能有一番建樹。”

3.1.5 以“南極臭氧洞”引出綠色化學理念

氧氣相關研究成果的展示激發了學生的思考，一位學生提出：“我們聽到的都是氧氣好的方面，是否也有不好的方面呢？”緊跟這個質疑，我們順水推舟引出1985年英國科學家法爾曼（Farmen）等人首提的“南極臭氧洞”問題[3]，將“臭氧層是地球的一道天然屏障”之理念植入學生內心，這是對綠色化學科普教育的踐行。

3.2 精挑科學方法

方法設計兼具先進性與嚴謹性。從感知到實踐，從定性到定量、由近及遠又及近、由易而難、由簡單到復雜、由直觀到抽象，剝筍般層層遞進，逐層演繹實驗，調動學生感官的多元感知，揭開現象里潛藏的本質。

3.2.1 感性直觀，初試氧氣

氧氣看不見摸不著，為強化直接體驗，實施“三瓶子實驗”：學生手執燃燒木條，分別放入裝有氮氣、空氣和氧氣的瓶子中，共同細致觀察并分別描述燃燒情況的差別，各抒己見與相互啟迪中得出“氧氣具有助燃性”的結論;利用憋氣比賽（安全起見，1分鐘為限），讓學生感知氧氣對維持生命體的重要性。

3.2.2 水電解實驗，初識化學式

為揭示氧氣從何而來，讓學生參與水電解實驗。學生在此起彼伏的氣泡中感受水分解的奧秘，在成功分離出氫和氧兩種氣體后，學生第一次接觸氧氣和水的化學表達方式，也第一次知道了水分解的化學方程式：2H2O電解2H2↑+O2↑，了解到水中氫、氧兩種元素的原子個數比為2∶1。

3.2.3 定性感知，引出定量滴定

氧化也是一種變化，蘋果氧化變色、鐵制品生銹、生命體新陳代謝等現象逐一呈現，在多樣化的氧化情境中辨析物理變化與化學變化的緊密關系。定性感知氧氣存在后，通過水產養殖的圖片案例，進一步闡明氧含量定量化的重要性，推出經典的Winkle方法進行氧定量滴定的原理[4]。

3.2.4 定量檢測，原位傳感

為引導學生感受科學實驗的嚴謹規范，提出實際應用中經典滴定方法對現場氧氣的定量檢測具有一定不適合性，從而推出基于電化學和熒光原理的氧傳感器[5，6]。通過動態演示顏色隨著氧氣含量的變化而變化的過程，激發學生思考氧氣的可視化問題。

3.2.5 活用成果，直觀可視

宏觀辨識結合微觀層面的實驗展示有利于激活思考，挖掘表象下潛藏的內在原理和規律，產生辨析內在根源的動力。已有商品化的氧傳感器無法應用在細胞等微區的溶氧檢測中，借助物理學三原色原理的氧可視化傳感檢測，利用實際的實驗視頻，讓學生直觀了解氧氣的可視化傳感[7]，讓無色無味、看不見摸不著又充滿我們周邊的氧氣，成為可直觀觀察的可視化元素，并實現細胞分裂中氧氣的動態可視觀察[8]。可觀可感中，引出化學是研究物質變化的科學，變化是絕對的，靜止是相對的;理解“化學是當代科學技術和人類物質文明迅速發展的基礎和動力，在改善人民生活方面是最有成效、最實用的學科之一”[9]。

3.2.6 成果應用，學以致用

作者團隊的研究成果應用于電化學/熒光傳感器、水產養殖、環境檢測與保護（地表水、海洋環境）、工業生產質量控制（發酵）等領域。例如，氧氣的可視化材料可以成為感知周邊空氣中氧含量微小變化的“氧氣標簽”，應用在衣服上，為救火戰士或礦井工人提供實時的氧含量變化情況[10];也可以作為食品包裝中的智能標簽[11]，實時顯示食品包裝的完整性和食品的新鮮度。通過多樣化的應用表達將抽象的氧氣功能直觀化、具體化，在解決具有實際價值的日常真實問題中，達到微觀生動與抽象思維的交融，科研價值與社會價值的互補，促進學生對實物本質與科研社會責任的認知，為形成科學概念、科學思維方式、科學研究倫理提供可能。

3.3 細選評價機制

評價機制是檢驗教學內容與方法設計成效的關鍵點，評價設計緊扣“涵養化學科學素養”的教學目標，將化學知識與技能的傳遞、化學過程與方法的體悟、化學情感態度價值觀的培養融入開放式與非開放式問卷;遵循青少年“很強的模仿性、易感性和可塑性”[12]的身心特點，引導學生分組制作并講述所授內容的思維導圖，凸顯自然科學與人文社會科學的評價機制相互交融的特點。

3.3.1 分組梳理思維導圖，檢測學生“化學知識技能方法”的吸收

思維導圖是構建自我知識脈絡的有益工具，有助于突破單線的思考模式，由博返約、觸類旁通培養輻射性思考力，推動直觀感性到客觀理性的質變，是學生鞏固知識、教師評價教學成果完善課程設計的契機。五位參與課程的初一學生在課后回憶、碰撞、交流合作，梳理出思維導圖（見圖1）。

3.3.2 實施問卷調查，檢驗學生“化學情感態度價值觀”的涵養

為進一步跟蹤學習成效獲得完善課程所需數據，課程伊始與課程結束時，我們對參與課程的24位初一學生實施開放式與非開放式相結合的問卷調查。開放式問卷結果顯示：通過參與課程，學生對化學學科的認知由淺入深，認識到“化學是對生活的正確解釋，文理結合兼有理科的嚴謹與歷史的浪漫，也是充滿變化的學科;氧氣不可見但是可以通過電解水的實驗提取;氧氣不僅是維系生命的必需要素，也可以應用在傳感、醫學、工業等領域”。表2是一位初一學生填寫的開放問卷，展示了授課前后的認知差異。

非開放式問卷調查的結果顯示：100%的參與者都認可課程設計的創新性與趣味性，提高了對化學科普的興趣;70%意識到氧氣的學問不簡單，形成了對氧氣的基本認知，意識到生活中處處有化學，認可思維導圖梳理模式的優點;90%深刻感受到了科學實驗的嚴謹規范性，認識到化學學習研究不僅跨學科還需要團隊協作;80%表達了高考中選擇化學學科作為專攻方向的較強意愿（見表3）。

4 總結

綜上所述，涵養青少年的化學科學素養是貫穿教學全程的主脈，內容、方法與評價三位一體，助益青少年吸收化學科學知識技能，探知化學科學方法，塑造化學科學精神品格。（1）吸收化學科學知識技能。通過觀察氧氣的形態與結構變化，宏觀辨識結合微觀探析，形成一定的“結構決定性質”的觀念;通過水電解實驗，認識化學變化生成新物質中伴隨能量轉化的本質，形成“動態變化”的化學觀念。（2）探知化學科學方法。通過定性定量結合、分析推理并舉的方法，培養有理有據辨析表象下潛藏的內在原理與規律的方法意識;通過小組合作梳理思維導圖，打通自然科學與人文社會科學領域，培育合作探究、交叉學習的方法意識，理解“各種學科與化學學科之間的交叉、滲透是現代學科深入發展的趨勢”[13]。（3）塑造化學科學精神品格。通過對氧氣相關科研成果的實際應用分析，形成“科學研究與實際應用相輔相成”的觀念;在世界的研究背景下滲透中國化學相關研究元素，培育“客觀理性認知他人以確立自我”的主體意識;涵養日常生活中的科學觀察探究意識以及綠色化學科學意識。大學研究團隊支持下的青少年化學科普課程設計在內容深度、方法多樣化與評價多元性等方面都頗具特色，幫助青少年更深刻地感悟有價值的化學科普學習——化學科學知識碎片不斷結構化，化學科學思維模式與探究能力不斷成形，品格、價值觀不斷成熟。

參考文獻：

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