基于化學史料培養學科核心素養

孟素芹

摘要：化學的發展歷史，充滿了智慧的碰撞和激動人心的發現與發明。以“單質碳的化學性質”的教學設計為例，以單質碳發展的“歷史線”、教學活動的“活動線”和化學學科的“素養線”作為本節課的主要路線，通過問題驅動、小組合作和探究驗證等活動對“單質碳的化學性質”尋根問底，引導學生尋找知識點間的關系，建立系統的知識體系，拓展學生思維，發展學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：教學設計;學科核心素養;化學史;碳的化學性質

一、背景分析及問題提出

核心素養是學生能夠適應社會及其終身發展需要的必備品格和關鍵能力[1]。《義務教育化學課程標準（2011年版）》指出，義務教育階段的化學課程以提高學生的科學素養為主旨[2]。2018年出版的《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出了化學學科的“核心素養”，并強調了它具有重要的地位和作用[3]，同時也強調將化學史作為發展學生對科學本質理解的重要手段[4]。化學史是化學學科產生、形成、演變和發展的歷史過程[5]。將化學史融入化學教學中，能夠讓學生了解所學化學知識的來源與發展，學習歷史發展進程中的科學本質，提高學生的學科核心素養。法國著名的科學家郎之萬提出，化學史教育和實驗課教學被認為是克服在化學教學中向學生灌注科學知識的教條主義、實用主義教學方法的兩種有效途徑[6]。

筆者于2022年2月查閱中國知網期刊數據庫，以“化學史”和“碳的性質”為篇名檢索文獻，發現沒有將化學史應用于碳的性質進行教學設計的相關文獻。從檢索結果看，關于碳的化學史教育課例設計的研究十分必要。本文以九年級義務教育課本（試用本）（上海教育出版社出版）第一冊第四章第二節《碳》的第二課時“單質碳的化學性質”[7]為例，融入化學史進行教學設計，為我國化學史教學提供參考和借鑒。

二、“單質碳的化學性質”的化學發展史中蘊含的化學核心素養

（一）初中階段化學學科核心素養的內涵

由于初中與高中相比，涉及的化學知識的廣度、難度和深度都不相同，現結合初中化學課程的性質以及化學學科核心素養的界定，對化學核心素養的五個維度進行細化和具體化，以適應初中化學的課程性質——基礎性和啟蒙性（見圖1）。

（二）.“單質碳的化學性質”中的核心素養生成點

結合課標、教材、學生、教學基本要求和學科核心素養在初中學段的具體化和細化，可以提煉出“碳的化學性質”利用化學史進行教學中的素養生成點主要有：

（1）通過引入木炭作為燃料、涂料和冶金原料，被人類廣泛使用的化學發展史，了解人類認識碳的過程，學生能認識到化學始于生產和生活，體驗人類探究世界的過程，增強科學精神與社會責任。通過我國古代碳材料使用的歷史，學生能了解我國古代科技發展的先進性，增強民族自信心和自豪感。

（2）通過木炭還原氧化銅的實驗，初步感受“觀察現象——收集證據——得到結論”的科學探究方法。通過分析木炭還原氧化銅制得金屬銅，銅與氧氣受熱反應生成氧化銅;孔雀石（主要成分是堿式碳酸銅）與木炭一起加熱火法煉銅，銅緩慢氧化可以生成銅綠（即堿式碳酸銅），這兩個例子培養學生的平衡思想。

（3）通過木炭還原氧化銅的宏觀實驗，橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的微觀過程，學生學會從宏觀現象到微觀實質的探析，形成“宏觀——微觀——符號”三重表征的轉化能力。

（4）通過木炭還原氧化銅的改進實驗探究，讓學生體驗探究過程，培養學生科學探究的能力和創新意識。

（5）利用近代化學發展史中，科學家發現和合成碳單質材料的史實，發展學生的變化觀念，增強學生科學探究的意識，發展科學探究精神，從而養成崇尚科學，尊重科學的態度。

三、教學實錄

（一）教學設計思路

結合教材、學情和教學目標進行分析，本節課采用歷史線、活動線和素養線相融合的教學流程。首先通過講述歷史事件（歷史線），挖掘出關于單質碳的相關信息，展開教學活動（活動線），收集證據，解釋事實，學習單質碳的化學性質，培養學生學科素養（素養線）。教學流程共四個環節（教學流程如圖2所示），從歷史事件與“單質碳”這一課題知識的關聯點出發，通過重現歷史事件，學生了解碳材料的歷史發展的過程，從中學習碳的化學性質和用途。四個教學環節層層遞進，逐步深化教學內容，引導學生進行思考，提高學生各方面的能力。本節課的學習，上可銜接氧氣的性質，下可銜接碳的化合物的性質，為高中學習碳單質及其化合物的性質奠定基礎。本教學設計所呈現的科學史在教材內容組織上起到承上啟下的作用。

（二）教學過程

1.環節一：古時候人類使用木炭作燃料。

情境引入：播放2022年北京冬奧會中國禮儀服小視頻。通過視頻學生了解到中國航發針對本屆冬奧會研發了第二代石墨烯發熱材料，該材料可以快速升溫，用它制作的中國禮儀服能幫助工作人員抵抗-40℃的嚴寒，并且非常的輕便。

（1）歷史線索：人類初期認識碳主要是來源于生活中的木炭，它是古代人們的重要燃料。但由于當時科技發展水平的限制，還沒有產生碳單質的概念。

教師活動：展示人類歷史初期用炭火取暖和烤制食物的圖片，引導學生思考回答問題。

主要問題：問題1. 人類歷史初期冬天如何保暖？問題2. 結合歷史資料，你能獲得碳的什么性質？

（2）歷史線索：在古希臘時代，哲學家亞里士多德曾記錄了燃燒的煤炭散發有毒煙氣的現象。執行死刑時將罪犯關在一間浴室，并在浴室內放置文火燃燒的煤炭，罪犯就會死亡。古希臘醫生蓋倫推測，由于浴室內空氣的組成發生了變化，因此呼入后會對人體造成傷害。之后，比利時化學家海爾蒙特，曾在實驗中發現由文火燃燒的木炭產生的一種有毒氣體能危及自己的生命，并記述了一氧化碳中毒的癥狀 [8] 。

教師活動：展示歷史線索中科學家的人物圖像，介紹歷史事件，引導學生思考回答問題。

主要問題：結合所給歷史資料，你能得到什么結論？

設計意圖：本節課通過冬奧會中國禮儀服小視頻引入新課，喚醒同學們對碳單質相關知識的記憶，激發學生的學習興趣，感受科技發展帶來的便利。通過九年級義務教育課本（上海教育出版社出版）第一學期第二章第二節“氧氣能跟很多物質發生反應”[7]的學習，學生對碳的可燃性已經非常熟悉，結合教師展示的圖片和問題驅動，學生能輕松的總結碳的可燃性。在原有知識的基礎上進一步學習新知識，層層遞進，能提高學生的思維能力，以知識來豐富學生頭腦。

通過碳不完全燃燒的歷史資料，學生了解到科學發展不是一蹴而就，需要許多的科學家為之奉獻。通過引入化學史介紹碳的不完全燃燒產物，而不是引用生活中一氧化碳中毒的實例，避免從負面的角度介紹化學變化，有利于培養學生的學科價值觀。通過引導學生思考碳的不完全燃燒，滲透化學反應既決定于物質本身的性質，又決定于反應條件和反應物量的學科思想，使學生養成用辯證的眼光認識事物的態度。

2.環節二：古代人類用碳作記錄。

歷史線索：在文字發明前，人類就用木炭來作畫。在歐洲的巖洞中仍然能看的到碳粉或者木炭所做的壁畫。后來人們將碳加入墨中用于書寫和繪畫，作品歷經百年依然彩色煥發。

教師活動：圖片展示古代名人字畫，引導學生思考回答問題。

主要問題：結合名人字畫保存百年依然清晰如故，你能獲得碳的什么性質？

設計意圖：學習本節課之前，學生憑借生活經驗和已有知識，對碳的物理性質已經有所了解，知道木炭的顏色、狀態、硬度等性質，但對碳的化學性質缺乏系統的認知。通過化學史和名人字畫展示，讓學生體會碳在常溫下的穩定性，讓學生進一步體會化學反應取決于反應條件的學科思想。

3.環節三：古代用碳冶煉金屬。

（1）歷史線索：距今大約4000年前的新石器時代，我國古代人民已經能熟練地用木炭燒制陶器，并對木炭的性能比較熟悉。到新石器時代晚期，我國就有黃銅的使用記載了[9]，我國是世界上最早冶煉黃銅的國家。到了商周，人們廣泛利用木炭來冶煉金屬。從商周時期我國進入青銅時代，而青銅發展的基礎是木炭的大量使用。在冶煉中木炭不僅是燃料，還充當還原劑。從此，人類由石器時代進入銅器時代，開啟人類利用金屬的起點。

教師活動：先播放視頻介紹火法煉銅的過程。然后，根據教材內容教師演示“木炭還原氧化銅”的實驗，引導學生觀察實驗現象，總結碳的性質。最后播放學生實驗視頻，通過與教師的演示實驗對比，分析實驗的優缺點，引導學生改進實驗裝置。

主要問題：問題1. 從古代銅的冶煉史，你能得到什么結論？問題2. 通過對比老師和同學的實驗操作，你能總結出該實驗裝置的優缺點是什么嗎？問題3. 如何改進此實驗裝置？

（2）歷史線索：利用現代科學技術，模擬木炭還原氧化銅的微觀過程。

教師活動：引導學生用橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的微觀過程。

問題線索：問題1. 通過高科技的設備，我們已經能夠直觀的看到木炭還原氧化銅的過程了，能描述你看到了什么嗎？問題 2. 你能用橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的微觀過程嗎？

（3）歷史線索：春秋戰國時代，人民利用木炭和鐵礦石混合，放在煉爐中點火鼓風進行冶煉，木炭燃燒造成高溫，生成還原氧化鐵的一氧化碳，將鐵礦石變成金屬鐵[10]。

教師活動：引導學生思考回答問題，得出結論。

主要問題：結合所給歷史資料，你能得到什么結論？

設計意圖：穿越歷史長河，通過視頻介紹“古代火法煉銅”的過程。通過化學史，學生認識到碳在促進社會文明進步、自然資源綜合利用中的重要作用。觀看視頻能使學生初步感知從客觀世界提取化學認識對象，感知人類探究世界的過程與方法，認識到化學與生產、生活和科技的密切聯系，促進學生形成強烈的社會責任感。課堂教學中，教師有意思地滲透了民族精神教育，增強了學生對中國古代科技發展的認同感，增強了學生的民族自豪感，學科德育方面得到了充分體現。

教師借助電子白板的功能演示實驗，學生能更直觀的觀察實驗現象。觀察是學生了解世界的基本能力，培養了觀察能力，就啟發了學生的求知欲。教師引導學生能根據實驗現象辨識碳與氧化銅的反應，初步感受“觀察現象→收集證據→得到結論”的科學探究方法。通過對宏觀實驗現象的觀察和描述、不斷地尋求證據、進行推理、獲得結論，強化證據在推理過程中重要的作用，有利于學生真正進入深度學習，使學生形成化學元素觀。

播放學生實驗視頻與教師演示實驗進行對比分析，通過驅動性問題鏈設計以及師生的對話，總結實驗的優缺點，培養學生養成規范操作的意識，同時也可以加強師生之間的交流與互動，使師生關系更加融洽。改進實驗能培養學生的高階思維，能強化學生的學習能力和促進思維發展，達到高效學習的目的。通過聯系、組織和整合的整體化策略，可以幫助學生更好地完成知識的結構化，更好地將知識轉化為素養。

由于微觀結構無法直接觀測，所以需要借助模型來認識，模型法是科學研究中常用的方法。模擬木炭還原氧化銅的微觀過程的活動非常重要，能使學生的學習思維方式發生質的飛躍。本課中，教師提供腳手架，讓學生能夠跨越宏微觀這個溝，引導學生用橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的過程，一方面引領學生對物質的認識從宏觀進入微觀，同時繼續讓學生尋找證據與結論之間的邏輯關系，達到培養學生宏觀辨識與微觀探析的學科素養;另一方面實現宏觀現象、微觀實質和符號表達三重表征的統一性認識。此學生活動的設計具有交互性與趣味性，讓學生對微觀實質的探究非常感興趣，促進學生對化學反應微觀過程的理解。

4.環節四：拓展應用，體驗學科價值。

歷史線索：近代碳材料的發展史，利用流程圖展現給學生（如圖3所示）。

作業設計：今天同學們了解到的關于單質碳的史實，把碳的性質和用途聯系起來，寫寫本節課的收獲，談談自己對化學史的學習感受，下次課分享。預習二氧化碳和一氧化碳，收集與二氧化碳和一氧化碳有關的化學史。

設計意圖：發展流程圖具有直觀、線索清晰、引導性強等特點，有助于學生理解。作業的布置緊扣歷史線和知識線，加深學生對科學史學習的理解，分享自己的學習感受能提高學生的表達能力和總結能力，鼓勵學生勇于展示自己。本節課的學習內容與下節課碳的氧化物關聯性很強，預習任務在于讓學生體會化學史學習化學的樂趣，體會科學家進行科學探究的精神和百折不撓的毅力。

四、結束語

本教學設計以真實情境中的應用實例作為引入，以碳的化學史作為線索貫穿始終，通過圖片展示、演示實驗、實驗視頻和學生動手活動等教學方法，結合問題驅動，學習單質碳的化學性質，將化學史與化學學科知識完美融合，還讓學生形成思辨的意識，促進學生形成良好的科學品質。“碳”的發展史，讓我們認識單質碳在促進社會文明進步、自然資源綜合利用中的重要作用，無數科學家為了擴大知識的領域和開發新的材料，所做的艱苦卓絕的奮斗。將化學史引入教學中，不僅提高了學生的學習興趣，激發了學生學習動力，還可以加深學生對基礎知識的理解和記憶，啟迪學生的學科思維，培養科學探究方法。化學史是一種生動的課程資源，化學教學中融入化學史，可以讓學生了解到化學學科的價值以及滲透在化學史中的哲學思想，促進學生的化學學科核心素養的發展。

參考文獻：

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[10] 韓汝玢， 柯俊《中國科學技術史礦冶卷》[M]. 北京： 北京科學出版社， 2007： p177， p182-183.