以STSE教育理念，培養學生的化學核心素養

謝敏隨

摘要：從STSE教育理念出發，以“碳”的歷史發展為主線，以體驗式探究活動為載體，以信息化技術為媒介，讓學生在輕松愉悅的環境中感悟物質的“結構—性質—用途”之間的關系，充分體會化學的學科價值，提升民族自豪感。關鍵詞：初中化學;核心素養;STSE教育;教學重構

文章編號：1008-0546（2022）10x-0034-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

《義務教育化學課程標準（2011年版）》指出：“義務教育階段的化學教育要激發學生學習化學的好奇心，培養學生的實踐能力，引導學生認識化學、技術、社會、環境的相互關系，形成化學的基本觀念，提高學生的化學學科素養”。[1]基于這一認識，筆者在開設龍崗區公開課——“金剛石石墨C60（第一課時）”時，從學生熟悉的生活情境入手，以體驗式探究活動為載體，以碳單質材料的發展為主線，對培養學生化學學科核心素養和STSE教育理念做了一些探索。

一、教學主題內容及現狀分析

本節課是人教版初中化學第六單元課題1“金剛石石墨C60（第一課時）”的內容。教材緊密聯系生活實際，先圖文并茂介紹了金剛石和石墨的結構、物理性質和用途，隨后又介紹了木炭、活性炭等含有碳單質的材料在生活中的廣泛應用，安排了木炭吸附實驗，啟發學生感悟物質的性質和用途之間的關系;最后介紹新型碳單質材料C60的結構及應用前景，并利用資料卡片穿插前沿科技進展，使學生認識到，隨著科技的不斷發展，會有更多碳單質的新形態被發現和應用。

教材內容豐富，對知識點要求不高。但筆者認為存在三個值得研究的問題：

1.教材先介紹金剛石和石墨兩種碳單質，再介紹生活中木炭、活性炭這些含有碳的單質，最后又介紹新型碳單質材料，按照這樣的編排順序開展教學不夠連貫、順暢;

2.教材直接呈現出金剛石、石墨的結構，再介紹它們的物理性質和用途，只安排了木炭或活性炭的吸附實驗，缺乏必要的證據讓學生多方位感悟物質結構、性質和用途之間的關系;

3.新型碳材料在生活中的應用已經逐漸普及，但教材沒有及時更新，與時代脫軌。

目前，基于人教版教學內容進行優化的教學設計主要有：（1）增加實驗探究內容豐富感性體驗，如：將金剛石切割玻璃的實驗進行演示;[2]（2）強化“結構決定性質”這一觀念，如：圖片或模型展示金剛石和石墨的微觀結構，[3]啟發學生思考兩種結構有何不同;（3）鏈接前沿科技拓展視野，如：圖片或視頻展示新型碳單質材料的發展和應用。[4]筆者認為，演示實驗無法讓學生獲得更深刻體會，對于“性質反映結構”這一思維的建立缺乏有效探索，在開闊學生眼界的同時還可以滲透德育精神和愛國情懷。

二、教學思想與創新設計

黨的十九大提出學校教育要落實“立德樹人”，要重視“學科素養”。圍繞這一核心目標和STSE教育理念，筆者對本節課的教學內容進行以下改進：

1.對課本內容進行重構，體現學科特征

首先從熟悉的生活情境入手，讓學生感受“碳”（木炭、活性炭、焦炭、炭黑等）在生活中的廣泛應用，這些“炭”都是含有碳單質的材料，屬于混合物，由此啟發學生思考“是否存在只由碳元素組成的純凈物？”再引出金剛石和石墨，這樣的設計更能體現化學的分類思想，也能幫助學生區別“碳”和“炭”的不同。前面這些物質都是天然存在的，對于新型碳單質材料的引入，筆者啟發學生思考“能否將天然石墨轉變成金剛石？”帶領學生進入到21世紀人工合成時代，讓學生認識到化學學科的特征是不斷研究和創造新物質，以滿足人類生產、生活的需要。

2.采用體驗式探究式活動，培養學科素養

筆者利用“快樂盲盒”讓學生大膽猜想生活中碳單質材料的主要成分及其物理性質，再通過實驗探究讓學生充分感受活性炭的吸附性、金剛石的硬度、石墨的質地和導電性。隨后通過小組合作探究拼裝出金剛石可能存在的微觀結構，最后利用模型、動圖和類比等方法幫助學生建立思維模型，從而構建物質“結構—性質—用途”的關系。這樣的設計能打破傳統知識傳授型教學，更加符合學生的認知發展規律。

3.巧用微課，構建高效課堂

為了展示金剛石的璀璨和堅硬，筆者精心制作微課向學生介紹金剛石的用途，利用高清視頻讓學生感受到化學之美;為了探究金剛石和石墨都由碳元素組成，筆者利用微課進行課堂演示，啟發學生從宏觀的角度認識物質的組成;為了充分挖掘教材中的人文價值，激發學生的民族自豪感，筆者利用微課向學生介紹我國新型碳單質材料的研究進展及目前在國際上取得的最新成就，充分展示化學對人類美好未來做出的巨大貢獻，落實“立德樹人”的教育功能。

三、教學流程

本課的教學流程如圖1所示。

四、教學過程

[引入]教師左手舉起一大塊黑灰的木炭，右手舉起一顆璀璨的“大鉆戒”（道具）。

[提問]它們都是由什么元素組成的？

活動一：感受“碳”的豐富多彩

1.混合物——含碳單質的材料（木炭、活性炭、炭黑等）

[實物展示]學生展示課前收集的碳棒電池、不同型號鉛筆芯、冰箱除味劑、墨水、眉筆、碳粉墨盒等，并介紹這些材料的用途。

[討論]“碳”和“炭”的區別。

[點撥]我們常說的“炭”指的是具體的物質，比如：木炭、活性炭、炭黑。這些物質的主要成分為碳單質，它們通常含有其他雜質，屬于混合物。

[思考]有沒有由碳元素組成的純凈物？

2.純凈物——碳單質（金剛石、石墨）

[圖片]金剛石和石墨。

[提問]老師舉起裝有石墨電極和“鉆石”的盒子，并提問盒子里有一共有幾種物質？有幾種元素？由一種元素組成的物質一定是單質嗎？

[化學與STSE]播放視頻，介紹金剛石可作為鉆石和切割工具，也可應用于地質鉆探等。

設計意圖：該環節緊密聯系生活實際，采用自主學習的方法，課前讓學生尋找生活中的碳單質材料，并在課堂上進行展示、介紹其用途，同時利用圖片和視頻，讓學生感受“碳”的豐富及在生產實際中的廣泛應用，激發學生學習化學的興趣。將木炭、活性炭的介紹放在石墨和金剛石的前面，再利用問題串和真實情境啟發學生感受物質世界的多樣性，這樣的設計更能體現化學分類思想和學科特點。

活動二：感知“碳”的物理性質和用途

[快樂盲盒]猜猜我是誰？盒子里面有“鉆石”、碳棒電池、2B鉛筆、簡易凈水器、鎖芯潤滑劑等，讓學生抽取并說出主要成分及其利用的物理性質，答對即可獲得該獎品。

[實驗探究]學生進行實驗探究石墨、活性炭、金剛石的物理性質：

1.用手觸摸鉛筆芯，再刮下少量粉末進行觀察，并用鉛筆完成實驗表格，感受石墨的質地和滑膩感。

2.將石墨電極和鉛筆芯分別連接在電路上，觀察哪個燈泡更亮。

3.用玻璃刀頭上鑲著的金剛石切割玻璃（有痕跡即可），注意安全。

4.將一半紅墨水倒入裝有活性炭的注射器（底部塞有棉花）中，擠出液體對比顏色。

[匯報]學生匯報實驗現象和結論。

[小結]物質的性質決定用途，用途反映性質。

設計意圖：從熟悉的生活材料入手，營造輕松、有趣的教學情境，調動學生的積極性。通過物質的用途大膽猜想它們有哪些性質，再通過體驗式探究活動驗證自己的猜想，使學生在愉悅的氛圍中獲取知識，發展思維，建立物質的“性質—用途”關系。

活動三：感悟“碳”的結構和性質

[過渡]璀璨的鉆石人人都想擁有，但在科學家的眼中，它們不過是一堆“碳”。

[播放視頻]在純氧中燃燒金剛石和石墨，產物都能使澄清石灰水變渾濁。

[思考]宏觀上金剛石和石墨都是由碳元素組成的碳單質，微觀上它們都是由碳原子構成的，為什么物理性質會有如此大的差異？

[組裝模型]以金剛石為例，請同學們利用手中的碳原子模型，組裝出金剛石可能存在的微觀結構。

[交流分享]金剛石是自然界中硬度最大的物質，因此微觀上碳原子的排列應該是立方體結構，從數學角度分析，這樣的結構比較穩固。

[模型]展示金剛石的立體網狀結構模型。

[動圖]演示立體網狀結構的牢固和片層狀結構的滑動。

[思考]片層狀的結構決定石墨具備怎樣的物理性質？

[點撥]微觀上石墨是以平面六邊形為骨架無限延長形成片層狀結構，層與層之間作用力較弱，就像兩張紙一樣會滑動（教師演示兩張紙之間互相摩擦的動作），因此，宏觀上石墨體現出來的物理性質是細鱗片狀，有滑膩感。

[小結]物質的結構決性質，性質反映結構。

[思考]能否將2B鉛筆芯轉變成璀璨的鉆石？這一過程屬于什么變化？

[點撥]由于碳原子的排列方式不同，金剛石和石墨的性質有明顯差異。我們可以改變碳原子的排列方式，將石墨轉變成鉆石，該過程屬于化學變化。

[化學與STSE]出示資料卡片，介紹人造金剛石的發展。

設計意圖：利用鉆石和石墨燃燒的視頻產生強烈的視覺效果吸引學生眼球，引導學生從宏觀角度認識物質的組成（都由碳元素組成），再通過學生自己動手組裝模型，并利用動圖演示和兩張紙的摩擦模擬片層狀結構的滑動，啟發學生從微觀角度認識物質宏觀現象的差異（碳原子排列方式不同），初步建立“宏觀辨識和微觀探析”的思維模型，建立“結構—性質”的化學思想。

活動四：感嘆“碳”的神奇

[過渡]21世紀，人類已經進入到人工合成時代，科學家發現并合成出許多新型碳單質材料。

[模型]展示C60的結構模型。

[思考]C60的是一種灰黑色固體粉末，其微觀結構有何特征？如何用化學式表示？

[點撥]金剛石、石墨由碳原子構成，C60是由分子構成的碳單質，一個分子中一共有60個碳原子，形似足球，也叫足球烯。

[化學與STSE]出示資料卡片，介紹C60中空籠狀結構，它能解決氫氣運輸和儲存的問題。

[模型]展示碳納米管、石墨烯的結構模型。

[思考]碳納米管和石墨烯為什么導電性能非常優異？

[點撥]教師舉起碳納米管和石墨烯的結構，用手指在上面來回滑動，模擬光、熱、電可以在上面快速穿梭，幾乎沒有阻礙。因此，碳納米管和石墨烯具備優異的導電性、導熱性和透光性，未來有望替代傳統芯片制造出超級計算機。

[化學與STSE]播放視頻：介紹我國新型碳單質材料的最新研究進展：目前只有我國可以制造出70cm長度的碳納米管分子;中國利用石墨烯制備出全球首款可彎曲智能手機等。

設計意圖：利用問題驅動提升學生思維品質，結合形象直觀的微觀模型結構幫助學生建立物質“結構—性質—用途”三者之間關系的化學思維模型;通過鏈接前沿科技信息滲透STSE教育理念，讓學生體會化學學科對社會發展做出的貢獻，同時激發學生的民族自豪感，使學生在收獲知識的同時，獲得思維和情感的升華，體現初中化學“立德樹人”的教育功能，實現核心素養落地。

五、教學反思

本節課緊密聯系生產、生活和科技發展等化學問題，是培養學生核心素養的良好載體。筆者結合STSE教育理念，從學生熟悉的生活情境入手，借助快樂盲盒等活動營造輕松愉悅的課堂氛圍，采用問題驅動的方式搭建學生的思維階梯，通過豐富的實驗探究和模型拼裝等體驗活動讓學生自己動手實踐，從中感悟物質“結構—性質—用途”三者之間關系，通過微課激發學生的愛國情懷和學科自豪感，讓學生由衷贊賞化學對社會發展的重要性，實現核心素養落地。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]夏玥然，陳凱.從學科發展和生活應用的視角學習碳的單質——“金剛石、石墨和C60”（第1課時）教學設計[J].化學教育，2013（6）：22-26.

[3]張云書.金剛石、石墨和C60教學案例分析（第1課時）[J].化學教與學，2017（4）：46-47.

[4]王曉芳，谷曉鳳，粟智.基于STSE教育理念的“金剛石、石墨、C60”教學設計[J].中學化學教學參考，2020（9）：46-47.