基于化學核心素養的真實問題情境教學設計與實施
——以元素周期表的應用為例

李 楠

（上海市七寶中學 上海 201101）

真實問題情境，是指為教學開展提供的一種有真實意義、能幫助學生在原初或相似的生活和生產情景中發現問題、探尋未知、解決問題，使得教與學圍繞社會問題順利展開的情境。［1］《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）明確指出，真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會。［2］

因此，創設真實且有意義的問題情境是以核心素養為本的課堂教學的重要載體，這不僅能激發學生的學習興趣，提高學習的內驅力，還能讓學生在解析問題的過程中自主構建學科知識，完善思維體系，進行知識內化，加強對知識的理解、提升遷移應用能力，體驗到知識的應用價值和隱含著的文化精神，進而落實化學學科核心素養。

一、基于化學核心素養的真實問題情境的設計

張小菊、王祖浩指出，一個優質的、結構完整的化學課堂教學情境應具備以下結構特征：發生在一定的時空條件下，圍繞化學核心概念或科學方法而展開的具體事件；包含將要解決的化學學科的核心問題；建立在學生已有的化學知識基礎之上、為學生的交流和參與化學特定主題的學習提供框架；圍繞核心事件的素材、源于學生的日常生活或具有當代社會發展意義的主題。［3］課堂教學中的情境素材不應只是簡單情境資料的堆砌，有價值的教學情境一定是隱藏學科問題的真實情境。因此從精選情境素材到真實問題情境教學的轉化還需要教師的再創造。

王偉、王后雄提出從情境素材到生成課堂教學情境的邏輯路線，即教學目標—情境素材—教學活動，認為三者是相互作用的統一體，情境素材的收集與使用受到教學目標的制約，而基于情境素材設計的教學活動又可以服務于教學目標的達成。［4］

結合上述觀點，根據筆者對新課標的學習，基于化學核心素養的真實問題情境教學的設計可形成如圖1所示的流程圖。即基于學科核心素養的要求，對教學內容進行總體的審視與把握，明確素養導向下的核心知識以及課標要求；根據核心知識合理選取素材，使精選素材真正服務于課堂教學；基于學生的認知規律分析各情境素材之間的邏輯連接關系，創設真實且有意義的問題情境；最后基于問題情境提煉出化學問題，設計教學活動，引發學生的認知沖突，引導學生進行知識的建構和學習的遷移，最終養成學科態度，提升學科素養。

圖1 基于化學核心素養的真實問題情境教學設計流程

二、基于化學核心素養的真實問題情境教學的具體案例

元素周期表是公認的學習和研究化學的有力工具，在工農業生產中發揮著不可替代的指導作用。周期表的發現及發展史，更是培養學生“證據推理與模型認知”“科學精神與社會責任”等學科核心素養的絕佳素材。然而現有的常態教學中往往是根據“位—構—性”的關系，幫助學生建立元素推斷的思維模型，卻忽略了周期表在實際生活中的重要價值，教材中也只是通過幾段文字介紹周期表在生產生活中的應用，顯然不能讓學生對門捷列夫編制元素周期表的革命性意義產生深刻認識，也無法切實體會到周期表與科學技術發展之間的重要關系，這些都有可能造成淺層學習，需要對教材進行二次開發。

1.核心知識提煉

“元素周期表的應用”選自滬科版高二化學第九章第二節“元素周期表”第三課時的內容，教材將其安排在高中階段元素化合物的學習之后，對原子結構、周期表的結構及元素周期律有了一定的理性認識的基礎上，其目的就是以此為知識載體使學生初步學會在元素周期律和元素周期表的指導下探究化學知識的學習方法，建立元素在周期表中“位置-結構-性質”間的關系，并通過對一些特殊材料尋找的簡單介紹使學生感悟到周期表在工農業生產方面所起的指導作用，深刻認識元素周期表是學習和研究化學的重要工具。新課標對該課題的學習要求是“體會元素周期表在學習元素化合物知識與科學研究中的重要作用；能結合相關資料說明元素周期表對合成新物質、制造新材料的指導作用”。

2.情境素材選擇

基于學科核心素養的要求，從豐富的情境資料中選取了與本節課核心知識、核心思想及核心素養相關聯的素材，具體如表1：

表1 基于核心素養下的元素周期表應用的情境素材選擇

3.真實問題情境創設

基于學生的認知發展順序編輯素材，分析各情境素材之間的邏輯連接關系，創設了以時間為橫軸，以化學史和科技發展史為縱軸的動態情境，從1869年門捷列夫編制第一張元素周期表開始，到2006年俄羅斯科學家宣布合成118號元素結束，在這橫跨100多年的歷史中，通過“初識元素周期表→再識元素周期表→深識元素周期表”三個教學環節，將元素周期表應用中的知識方法主線和情感主線串聯起來，進而深刻認識到門捷列夫所編制的元素周期表給研究化學所帶來的革命性意義，體會到元素周期表在工農業生產中的指導作用。具體問題情境見圖6。

4.教學活動設計

基于以上問題情境設計教學活動，將學生置身于一個高度情境化的真實場景中，通過“推斷未知元素的相關性質”“查閱元素發現史”以及“三次尋找制冷材料”的任務活動，使學生體驗類似科學家進行科學探索的一般過程，在真實問題情境中逐步形成歸納、演繹等解決問題的方法。以“三次尋找制冷材料”為例，通過運用化學研究中“發現問題—理論預測—搜集證據—分析推理—得出結論”的科學方法，體會元素周期表在工農業生產中重要的指導作用，感受化學在積極應對能源消耗、環境污染等全球性問題上作出的貢獻，激發學生的愛國情感和社會責任感，落實化學核心素養，此部分的教學活動實錄如下。

【科研情境一】制冷與我們的生活息息相關，全球能源有近1/3用在制冷上。所以尋找一種節能環保的制冷方式意義重大。

【PPT】展示20世紀初的一些制冷劑（見表2），并指出早期制冷劑使用時存在的安全隱患。

表2 部分制冷劑的性質

【學生活動】根據學案上信息及元素周期律的知識，試著尋找一種不易燃無毒安全的制冷劑，并將結果填寫在學案上（見表3）。

表3 部分氫化物的毒性和可燃性比較

【提問】根據比較結果，科學家找到兩種物質CF4及CCl4，二者不易燃燒且毒性比較小。但相比于以前的制冷劑，CF4沸點-128℃，比較低、不容易液化，CCl4沸點76.8℃，比較高、不容易蒸發。能否找到一種制冷劑的沸點是介于兩者之間的呢？

【學生回答】例如CFCl3、CF2Cl2、CF3Cl等。

【數據支撐】CFCl3沸點：23.7℃，CF2Cl2沸點：-29.8℃，CF3Cl沸點：-81.3℃。

【過渡】以上這些物質就是氟利昂，氟利昂通過元素周期表尋找出來之后在很長一段時間中都是制冷劑的代名詞，但由于它對環境的破壞性已經在全球范圍內被慢慢禁用了，那么是否能尋找到一種既環保又能起到制冷效果的制冷材料呢？

【科研情境二】20世紀60年代，半導體制冷片開始大規模應用。半導體制冷是一種固體制冷方式，與傳統的壓縮機制冷系統相比，沒有機械轉動部分，無需制冷劑，無噪聲，無污染。

【教師】簡單講述半導體制冷器的工作原理，介紹半導體是常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。

【學生活動】根據半導體的性質，在元素周期表中尋找適合作半導體材料的元素。（見圖2）

圖2 元素周期表

【繼續設疑】周期表中金屬元素與非金屬元素分界線附近的元素很多都是良好的半導體材料。據研究顯示，在同族元素或同種類型的化合物之間，制冷效果隨著平均原子量的增長呈上升趨勢，目前常常使用的有Sb2Se3，其他類似的還可以是什么？

【學生回答】根據同主族元素性質相似，可以找到例如Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3等等。

【數據支撐】見資料卡片

【過渡】為提高制冷效果，所采用的高純稀有半導體制冷材料成本較高、能耗較大，嚴重地阻礙了半導體制冷器的產業化發展，那么還能尋找到又環保又節能的制冷材料嗎？

【科研情境三】21世紀初，科學家開始轉向高性能的室溫磁制冷技術研究，室溫磁制冷技術具有零GWP（全球變暖潛能）、零ODP（臭氧消耗潛能）、高效、低噪音等特點，有望成為具有重要應用前景的制冷技術之一。

【教師】介紹磁制冷技術，簡單講述其原理。

【提問】要實現這種技術的發展，歸根結底是磁性材料的尋找！目前我們所熟悉的磁性材料中以含Fe元素居多，利用元素周期表，還能尋找到其他適合做磁性材料的元素嗎？

【學生回答】與鐵元素同屬于第Ⅷ族的Co、Ni等元素。（見圖3）。

圖3 第Ⅷ族元素

【PPT】展示部分磁性材料（見圖4）

圖4 部分磁性材料

【繼續提問】后來人們又發現Gd（釓元素）具有巨磁熱效應，用來做室溫的磁制冷材料更好，要找到類似釓具有巨磁熱效應的元素，你會把目光聚焦在元素周期表的哪塊區域呢？

【學生回答】周期表中釓（Gd）元素所在的鑭系元素或錒系元素。（見圖5）。

圖5 鑭系元素以及錒系元素

【教師】展望我國稀土磁制冷材料的發展前景。

【總結】翻開教材附錄中包含118種元素的周期表，這張元素周期表的價值，不僅僅局限于制冷材料的尋找，它在農藥、催化劑、耐高溫的合金材料等等新型物質的尋找上都發揮著它巨大的、不可被替代的指導作用！

5.教學設計思路圖

通過在素養導向下提煉核心知識，根據核心知識精選素材，并創設真實問題情境，基于問題情境設計教學活動最終形成如圖6所示的教學設計思路。

三、結語

真實具體的問題情境是化學核心素養形成和發展的重要平臺，具體的實施策略則是以“學科核心素養”為主旨，以“學科知識”為中心，以“情真意切”為境界，以“教學活動”為途徑貫穿和落實，寓理于情、融情于境，將情境素材和教材知識密切結合。只有為學生創設“真情境”，引出“真問題”，實施“真活動”，才能讓學生習得“真知識”，生成“真智慧”，從而使相對枯燥的知識靈動飛揚起來，最大限度地激發學生學習化學的興趣，使核心素養的培育真正落到實處，凸顯化學學科的育人功能。

圖6 元素周期表應用的教學設計流程圖