在情境中建構知識體系
——以“碳和碳的氧化物”復習教學設計為例

吳 尚

一、概述

情境教學是以“情感”為教育理論的出發點和教學實踐的切入點，以學生為主體，根據教學需要創設或營造相關的場景或氛圍，引起學生產生情感共鳴[1]。在教師的指導、幫助下，通過對學習資源的主動應用，在自主探索和互動合作的過程中，不斷提出問題和解決問題，從而完成學習任務，并實現學科知識建構與素養的發展[2]。本文以“碳和碳的氧化物”復習教學設計為例，以“消失的珊瑚礁”這一教學情境貫穿始終，不斷引導學生遵循知識情境發展的主線進行科學探究，逐步學習和認識各部分內容之間的聯系。

從《義務教育化學課程標準》出發，本單元的內容有三個特點。第一，本單元涉及了豐富多元的內容，既為學生提供了學習、研究具體物質的事實性知識和過程性方法，為學生掌握基本概念奠定了感性基礎，又為學生提供了豐富的了解化學與社會生活、生產緊密聯系的情境素材。第二，本單元涉及了種類繁多的物質，它們屬于典型的元素化合物知識，具有生動、零散的特點，這些物質通過暗含的相互轉化關系體現出它們之間的關聯。第三，本單元涉及了多維度的化學學科觀念，包括體現對物質認識視角的“物質結構決定性質、性質影響用途”的結構觀、轉化觀，體現基本技能和方法的分類觀、實驗觀，體現情意價值的化學與可持續發展觀、綠色化學觀等，其中的化學學科核心概念是“物質”“結構”“變化”[3]。

碳是構成生命的基本元素，本節課以“碳”為核心，通過碳循環幫助學生認識碳及其化合物的重要作用，幫助學生建立碳及其化合物的知識網絡。在知識建構環節，筆者創設了“消失的珊瑚礁”這一真實的生活情境：以“珊瑚礁死亡”的相關新聞為切入點，引發學生對二氧化碳過量排放對環境的影響的關注；以“拯救珊瑚礁之我尋因”“拯救珊瑚礁之我行動”“拯救珊瑚礁之我暢想”為主要環節，引導學生梳理、分析、歸類以二氧化碳為中心的相關化學方程式，幫助學生明晰“碳”家族成員間的轉化關系[4]，建構有序的知識結構，認識知識間的相互聯系和變化規律，建立循環觀念。在梳理二氧化碳吸收和轉化的過程中，筆者又設計了數字化實驗情境，探究澄清的石灰水與氫氧化鈣溶液吸收二氧化碳的效果，學生可以依據曲線和數字的變化情況進行分析，收集證據得出結論，結合溶解度數據對結論進行解釋，將不同內容的知識進行縱橫關聯，為后續的學習提供保證。在實踐應用環節，展示二氧化碳利用和轉化的新科技、新研究，拓寬學生視野，將課本內的知識延伸至課外。在本單元的復習中，學生不僅能樹立物質的守恒觀、轉化觀、分類觀等基本化學觀念，提升綜合實驗探究能力，還能在深度思考的過程中，逐步發展辯證思維、逆向思維、實證意識、實驗探究、證據推理等系列關鍵能力，而且也能認識到化學學科知識的價值和意義。

二、教學目標

根據教學內容的選取、課程標準的相關解讀，設置本節課的教學目標。第一，了解二氧化碳的主要性質，認識二氧化碳對人類生活生產和環境的影響。第二，通過梳理二氧化碳產生和消耗的途徑來繪制以二氧化碳為中心的思維導圖，建構碳及其化合物之間的轉化關系；通過適當關聯溶解度、堿的化學性質、燃燒與滅火等內容，幫助學生進一步加深對物質性質與用途之間的關系的理解，建立起縱橫交錯的知識網絡，強化物質的轉化觀、分類觀及科學合理運用化學物質的思想。第三，通過數字化實驗探究不同物質吸收二氧化碳的效果，增強學生的實驗探究能力和證據意識，引導學生關注社會熱點和環境問題，提升學生的社會責任感。

三、教學過程

（一）拯救珊瑚礁之我尋因

情境展示1：隨著人類活動越來越頻繁，我們的自然環境受到了越來越嚴重的影響。科學家通過研究發現，珊瑚礁正在面臨大面積白化和死亡。

提問：珊瑚礁大面積死亡的原因是什么？

學生活動：閱讀手中導學案上的資料，觀看珊瑚礁消失的相關新聞。

學生1：海水酸化導致珊瑚礁等一些軟體動物外殼溶解，海水升溫導致珊瑚礁白化。

學生2：過量排放的二氧化碳一方面會與水反應生成碳酸，導致海水酸度增加；另一方面會造成溫室效應加劇，導致海水升溫。

情境展示2：大氣中的二氧化碳長期穩定在0.03%左右，但從2015年3月開始，大氣中的二氧化碳超過了0.04%。分析自然界、生產活動、家庭生活的哪些環節會產生二氧化碳，使空氣中二氧化碳含量增加。

學生活動：填寫調查表并匯報。

設計意圖：創設真實的生產環保情境，促進學生認識化學與人類生活的密切聯系，引導學生關注社會熱點，提升責任感與使命感，培養理解與辨析能力。

提問：如何以二氧化碳為中心，形成產生二氧化碳的轉化關系？

學生活動：繪制產生二氧化碳的思維導圖。

提問：同學們在思維導圖中均展示了利用碳酸鈉和稀鹽酸反應產生二氧化碳，為什么實驗室不利用它制二氧化碳？

學生3：碳酸鈉粉末與酸的接觸面積比較大，反應速率太快，人們不易收集產生的二氧化碳，而碳酸鈣為塊狀，與酸反應速率適中，比較適合制取二氧化碳。

提問：能否利用塊狀碳酸鈣與稀硫酸反應方法在實驗室制取二氧化碳？

學生4：不能，因為二者會產生微溶于水的硫酸鈣，它會覆蓋在塊狀碳酸鈣表面阻止二氧化碳進一步產生。

歸納總結：第一，二氧化碳的產生途徑；第二，實驗室制備氣體的一般原則是反應物容易獲得，反應條件容易達到，反應容易控制，生成的氣體容易分離。

設計意圖：基于已有的知識與特有的生活經驗，建構以二氧化碳為中心的物質轉化體系，樹立物質的轉化觀；深化學生對氣體制備規律的認識，培養其歸納與論證能力。

（二）拯救珊瑚礁之我行動

情境展示1：觀察大氣中二氧化碳濃度與地表溫度變化的關系圖，提取圖中的信息。

提問：如何認識降低大氣中二氧化碳含量的途徑和方法？

學生5：正常大氣中二氧化碳濃度約為300 ppm，現在大氣中二氧化碳濃度已增加過多，若不采取措施進行調控，很容易帶來一系列不良影響。

提問：如何以二氧化碳為中心，形成消耗二氧化碳的轉化關系？

學生活動：繪制消耗二氧化碳的思維導圖。

提問：思維導圖中均展示了利用氫氧化鈉和氫氧化鈣吸收二氧化碳的方法，哪種物質吸收二氧化碳的效果更好？

情境展示2：利用數字化實驗探究實驗室降低二氧化碳的方法。傳感器可以認為是人類五官的延長，能檢測到單靠人類五官無法觀察到的現象，它的靈敏度非常高，能檢測到非常微弱的變化。數字化實驗就是利用傳感器采集數據，并轉化為數字信號，以數值、圖形等形式輸出。

學生活動：觀察實驗現象并描述。

提問：根據教師提供的不同溫度下氫氧化鈣與氫氧化鈉的溶解度，思考為什么氫氧化鈉吸收二氧化碳的效果更好。

學生6：在相同條件下，氫氧化鈣微溶于水，而氫氧化鈉的溶解度更高，形成的飽和溶液濃度更高，故氫氧化鈉吸收二氧化碳的效果更好。

設計意圖：學以致用，根據物質的性質選擇合適的方案進行實踐操作，強化“性質用途”觀念的建立，樹立科學的物質觀、轉化觀以及合理使用物質的思想，培養探究與推理能力。

（三）拯救珊瑚礁之我暢想

情境展示：低碳生活逐漸成為一種流行的生活方式。據統計，我國共有3.7 億個家庭，每個家庭節約1 度電，全國將減少2.9 億千克碳排放；每人每年減少糧食浪費0.5 千克，可節約24.1 萬噸標準煤，減排二氧化碳約61.2 萬噸……

提問：請查找家庭低碳行動可以采取的方式，分析這些方式能夠降低大氣中二氧化碳含量的原因。

學生活動：填寫調查表并匯報。

知識拓展：展示將二氧化碳變廢為寶的新技術。第一，冰島碳循環國際公司可將二氧化碳轉化為合成氣，并最終轉化為甲醇燃料；第二，瑞士建立了空氣洗滌裝置，抽走大氣中的二氧化碳進行存儲，再利用管道將其輸送到大棚用于種植蔬菜等；第三，發明人工樹葉，既能吸收大氣中的二氧化碳，又能起到裝飾美觀的作用；第四，二氧化碳作為工業廢料，經過提純后即可當制冷劑使用，因此價格低廉，與常用的氟利昂之類的制冷劑有50 甚至100 倍的價格差距，且更加綠色、環保和安全，例如2022年北京冬奧會就采用了先進的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術，為運動員們高水平發揮提供了強有力的科技支撐。

總結：在控制大氣中的二氧化碳含量上，不僅要減少二氧化碳的排放，還要增加二氧化碳的吸收、轉化與利用率。值得一提的是，我國作為發展中國家，明確提出力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，為推動構建人類命運共同體作出應有貢獻。

設計意圖：了解發展新技術對解決環境問題的重要意義，促進學生建立綠色化學觀，培養創新與分析能力。

四、教學實踐反思

本節課以“消失的珊瑚礁”為主題，以建構有序的知識結構為過程，以對比歸納為方法，以“物質轉化”為核心概念，從“轉化”的整體關系上引導學生把握物質變化及其相互轉化的規律[5]。為了達成目標，本節課在設計過程中注重以情境為主線將知識串聯起來，將情境貫穿課堂教學全過程。

第一，聯系生活實際，創設“消失的珊瑚礁”真實情境，喚醒學生的最近發展區，引導學生將已有的知識遷移到新的情境和認知中，梳理二氧化碳的相關知識，進一步加深對碳循環的認識，建構碳及其化合物的轉化關系，從唯物辯證主義的視角建立物質觀、轉化觀等化學基本觀念和平衡思想。第二，運用手持技術，創設探究“比較氫氧化鈉和氫氧化鈣吸收二氧化碳的效果”實驗情境，拓展學生的已知區。采用數字化傳感器技術，引導學生根據實驗事實得出結論，拓寬學生的視野。提供真實可靠的數據資料，引導學生解釋結論背后的本質原因，強化學生基于證據進行分析推理的能力，幫助學生進一步理解性質與用途的關聯，為學生建立起縱橫交錯的知識網絡結構打下基礎。第三，追蹤社會熱點，創設“二氧化碳捕集和利用”新型科學技術的情境，引導學生利用新知識討論解決二氧化碳過量排放帶來的負面影響的問題，形成解決問題的一般思維方式，為構建學生的模型認知奠定基礎。

本節課基于真實情境引發的實際問題開展實驗探究、交流討論、反思評價等活動，引導學生從物質的性質與變化、應用與制備等角度來研究物質，感知價類二維圖，感受碳循環中碳及其化合物的相互轉化，感悟人與自然、社會的和諧、可持續發展[6]。