研究新課標情境素材 培養學生科學思維

摘要： 科學思維是義務教育化學核心素養的重要內容。以落實和發展科學思維為導向，基于真實情境設計并實施課堂教學，體現了《義務教育化學課程標準（2022年版）》的要求。在實際教學中，教師應結合相應的教學內容，利用相關的化學實驗素材、化學史素材、生產生活應用素材、化學科技素材等創設情境，激發學生學習興趣，引導他們積極參與活動，在情境中學習化學知識，運用科學方法、依據事實進行證據推理，解決或解釋情境中的相關問題，發展科學思維能力。

關鍵詞： 課程標準； 科學思維； 情境素材； 核心素養

文章編號： 1005-6629（2023）04-0023-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

科學思維是義務教育化學核心素養的重要內容。以落實和發展科學思維為導向，基于真實情境設計并實施課堂教學，體現了《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的要求，是實現以核心素養為主旨的課程目標的必然選擇。立足于科學思維的培養，利用相應情境素材引導學生學習化學知識，應用學會的化學知識解決、解釋情境中的問題，已成為義務教育化學教學研究的熱點和重點問題。

1? 義務教育化學學科科學思維的基本要求

“科學”是指反映自然、社會、思維等的客觀規律的分科的知識體系；“思維”是指在表象、概念的基礎上進行分析、綜合、判斷、推理等認識活動的過程。思維是人類特有的一種精神活動，是從社會實踐中產生的［1］。關于化學學科的科學思維，新課標中明確指出，是在化學學習中基于事實與邏輯進行獨立思考和判斷，對不同信息、觀點和結論進行質疑與批判，提出創造性見解的能力；是從化學視角研究物質及其變化規律的思路與方法；是從宏觀、微觀、符號相結合的視角探究物質及其變化規律的認識方式［2］。在義務教育化學課程中培養科學思維素養，實質是引導學生在獲取證據的基礎上進行理性思考，以認識物質的性質及其變化，揭示化學反應規律。

化學科學思維主要包括：在解決化學問題中所運用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學方法，基于實驗事實進行證據推理、建構模型并推測物質及其變化的思維能力，在解決與化學相關的真實問題中形成的質疑能力、批判能力和創新意識［3］。科學思維不僅關乎學生對化學學科的理解，也影響著學生心理品質的形成。因此，培養初中學生的科學思維是核心素養培育不可或缺的重要內容。

2? 利用情境素材培養科學思維

2.1? 真實情境素材與科學思維

真實、生動、直觀且富有啟迪性的學習情境素材，能夠激發學習興趣，引發思考，幫助學生建構大概念和核心概念，促進其核心素養的發展［4］。真實情境素材是培養學生科學思維的重要載體。

（1） 真實情境素材有利于激發學生的科學思維。真實情境素材往往來自自然現象、化學實驗、生產生活實際、科技發展、化學史等，學生從生活、學習、新聞媒體等均可以了解，因熟悉而有親切感，有利于激發他們的科學思維。

（2） 真實情境素材有利于科學探究思路與方法的形成。問題是探究的源泉。有了問題，才能激發學生的探究欲望，促使其進行科學探究活動，并積極思維，在獲取證據的基礎上由表面到本質、由宏觀到微觀、由定性到定量，最終形成科學探究的思路與方法。借助真實情境素材產生的問題，對學生具有更大的吸引力。

（3） 真實情境素材有利于化學知識的應用。學習化學知識的目的是應用它們解決或解釋生產生活、科技、國防等領域中接觸到的實際問題。利用真實情境素材引導學生學習，使他們通過科學思維理解并掌握知識后，再次經過科學思維將化學知識與實踐中的具體問題結合，實現知識學習的真正價值。

真實情境素材對科學思維的培養具有極其重要的作用。在現行初中化學課堂中，教師利用真實情境素材實施教學的現狀如何呢？

2.2? 利用真實情境素材的現狀

（1） 對利用真實情境素材的認識不足。盡管歷年的課程標準中都明確了真實情境的重要意義，在每個學習主題中也列出了相關的情境素材建議，但是依然有一些教師認為，在教學時間非常緊張的情況下，應用情境素材設計并實施教學不僅會耽誤時間，而且將知識的學習放在情境中，反而影響了學生的理解，直接講解“干貨”省時省力，有利于學生快速掌握知識，正確解答練習題。鑒于此，這樣的教師在教學中基本放棄了情境創設。

（2） 難以找到合適的真實情境素材。一些教師知道真實情境創設的重要性，但是①沒有足夠的時間去查找素材；②視野有限，想不到在哪些方向上去搜索與教學內容相關的素材；③搜索的方向正確，而且搜索到了一些素材，但是不會進行取舍，從中合理選擇能真正應用于實際教學的素材。

（3） 不能合理使用真實情境素材。教師能搜索到與教學內容密切相關的真實情境素材，但是又苦于不能合理使用。如何基于學生的認知水平進行取舍、如何將其中的素材與教學目標的達成進行合理關聯，如何以該真實情境素材創設真正能統領課堂教學的線索，實現情境、知識、素養的融合發展，成了擺在教師面前的難題。

基于此，盡管大多數教師認為搜索情境素材、創設真實情境是必要且重要的，但是在實際教學中，利用真實情境素材深入開展教學的教師為數甚少，更多的教師將情境素材與課堂教學變成了“兩張皮”，為情境而情境的大有人在。

2.3? 新課標中的情境素材

在新課標五個學習主題中的“教學提示”部分，都給出了詳實的情境素材建議。這些情境素材建議包括自然現象類、化學實驗類、生產生活類、科技發展類、化學史類等，為教師創設真實教學情境設計教學、引領學生認識自然、提升應用化學知識解決問題，乃至提升核心素養提供了方便。

（1） 自然現象類情境素材。化學是一門自然科學，自然界本身就蘊含著豐富的情境素材。每個學習主題提出的自然現象類情境素材如下［5］：

主題1科學探究與化學實驗：鹽堿湖中的氯化鈉和碳酸鈉，貝殼（或雞蛋殼、大理石）中的碳酸鈣。

主題2物質的性質與應用：地球大氣成分的演變，自然界的碳氧平衡，溶洞等自然奇觀的形成，我國重要的金屬礦物資源及其分布，人體內幾種液體的正常的pH范圍，生活中常見物質的酸堿性，海鹽、巖鹽、湖鹽和井鹽。

主題3物質的組成與結構：布朗運動，地殼中元素的分布。

主題4物質的化學變化：石灰巖溶洞與鐘乳石的形成，呼吸作用。

主題5化學與社會·跨學科實踐：我國化石燃料的分布，溫室效應與全球變暖。

在教學中，如果教師能抓住這些素材，并運用圖片、實物、新聞報道、影像資料等給學生更加生動而豐富的感性認識，將有利于拉近學生與化學學科知識的距離，激發學生學習化學的興趣，為科學思維的培養奠定基礎。

（2） 化學實驗類情境素材。化學是一門以實驗為基礎的自然科學。實驗是人們獲取化學知識、認識和解釋化學現象的重要手段，也是人們創造物質、實現物質轉化的重要途徑。新課標中不僅規定了學生必做實驗，在每個學習主題中也給出了一些實驗類情境素材。

例如，主題1中久置氫氧化鈉溶液成分的探究、不同溶質質量分數的營養液對綠蘿生長狀況的影響、鹽堿湖中的氯化鈉和碳酸鈉的提取、貝殼（或雞蛋殼、大理石）中的碳酸鈣的含量的測定；主題4中用食醋清洗水壺中的水垢、火柴和酒精燈等燃燒的調控措施、銅片在空氣中灼燒前后固體質量的比較等。

這些實驗素材可以提供客觀而感性的證據。在教學中，教師可結合相應的教學內容提出有目的的觀察任務，帶領學生完成實驗，以直觀的現象引領學生深入思考，認識物質的性質及發生的變化，理解化學知識的應用，在證據推理中實現科學思維的培養。

（3） 生產生活類情境素材。化學知識與生產生活密切相關。將學習與生產生活有機聯系，引導學生結合實際問題學習知識，并運用知識解決實際問題，將有助于學生發展科學思維、形成科學態度與責任。五個學習主題分別提供了豐富的生產生活類情境素材，教學中應合理使用。

例如，在主題1中，結合公交車或火車車廂內空氣的成分認識我們周圍的空氣；結合暖貼或食品干燥劑等產品的說明書學習鐵、生石灰等物質的化學性質。在主題2中，結合宇航、潛水、醫療等領域的呼吸供氧學習氧氣的用途，結合魚池的缺氧和增氧方法學習過氧化氫分解制取氧氣；結合溶洞等自然景觀的形成學習碳酸鈣與二氧化碳、水的反應；結合身邊常見物質的酸堿性學習pH的相關知識；結合改良酸性或堿性土壤學習酸和堿的中和反應；結合生活中鐵制品的銹蝕學習防止金屬腐蝕的原理和條件等。在主題3中，結合藥品、食品標簽上相應物質的成分及含量來學習物質的組成；結合農作物生長必需的化學元素、人體必需的微量元素和常量元素來學習元素符號表征方式，了解元素符號的意義。在主題4中，結合用石灰石或貝殼燒制生石灰學習分解反應；結合酸性和堿性廢水的處理學習酸和堿的中和反應，認識中和反應的應用；結合即熱飯盒和自熱火鍋學習化學反應中的能量變化；結合各種燃燒和爆炸現象及滅火方法、家庭用電用氣及不同材料燃燒引起的火災與施救、面粉廠等的防燃、防爆措施等認識燃燒條件與滅火的方法，樹立生活中安全用火、用電的意識。在主題5中，結合污水處理與應用、空氣質量日報、溫室效應與全球變暖等，認識藍天、碧水、凈土的重要意義；結合均衡膳食結構圖及人每天攝入食物中所含的主要營養物質及其含量，了解營養物質的重要作用，養成合理膳食的良好習慣；結合常用藥品、家用洗滌劑及消毒劑的使用說明，關注生活中化學品的合理使用。

（4） 科技發展類情境素材。科技的發展、社會的進步離不開化學科學的發展。教學中可以化學學科前沿問題、化學在科技中的應用等為背景，選取真實情境素材，引導學生感悟化學發展方向，激發學習化學的興趣。同時，學生在這些具有挑戰性的情境中，可以梳理并整合知識，理解辨析相關概念，獲取證據進行分析推測、歸納論證，使科學思維水平不斷提升。

例如，在主題1中提到的改革開放以來，我國獲得國家科學技術獎的化學家及其在建設創新型國家方面所取得的成就，可以在進行新能源的開發與使用（能源）、現代交通及航天航空和國防事業的發展中用到的材料（金屬材料、有機材料）、藥物的研制（合理用藥）等教學時用于情境創設。在主題2中，利用數字化實驗儀器對空氣質量的監測，既讓學生了解了化學實驗儀器的發展，也以曲線圖的方式將空氣質量的變化直觀展現在學生面前，該素材可以在空氣的成分及保護大氣環境的教學中使用；我國超導材料的研發、石墨烯材料的特性和我國石墨烯產業的發展是學習碳單質的性質和用途的重要情境素材。掃描隧道顯微鏡與原子操縱技術，可以為主題3中分子、原子的教學，引導學生建構宏觀與微觀的聯系提供良好的素材。

（5） 化學史類情境素材。化學史是人類經過長時期的社會活動實踐過程，對大自然及其規律的化學知識的整體性的、系統的歷史的展現和敘述。因而化學史并不是純粹的自然的科學，而是自然科學和歷史科學相互交融的一種特殊專門的歷史科學［6］。化學史教育是中學化學教育的重要組成部分。在新課標各個主題中，均有對化學史類情境素材的教學建議。

主題1? 氧氣的發現；酸堿指示劑的發現；原子結構模型的建立和發展；質量守恒定律的發現；我國傳統化學工藝，如“濕法煉銅”，瓷器、銅器、鐵器制造等。

主題2? 《天工開物》中對我國古代金屬冶煉成就的描述；我國古代合金材料的制造；我國古代文獻中對制鹽方法的描述。

主題3? 科學家對分子、原子的認識歷程；盧瑟福α粒子散射實驗史實；科學家探究水的組成的歷史。

主題4? 《夢溪筆談》中關于“濕法煉銅”的描述；拉瓦錫與質量守恒定律的發現。

主題5? 我國古代黑火藥的發明與使用；從石器、青銅器、鐵器到高分子合成材料的變遷。

將這些化學史素材作為情境融入教學中，讓學生了解科學家的研究過程、感受科學家的思維方式，對于培養學生的科學思維會發揮重要的作用。

3? 在化學教學中利用真實情境素材促進科學思維發展

化學既然是一門自然科學，創設真實情境就要符合自然科學的客觀事實，選擇的情境素材要保證科學性、合理性與可操作性，要與教學內容緊密結合。下面結合具體的教學案例分析如何利用新課標中的真實情境促進科學思維發展。

3.1? 案例1：質量守恒定律

質量守恒定律是重要的化學原理知識，是所有化學反應都應遵循的基本規律，是工業生產中投入與產出、提高生產效益的重要依據。學生在此前已經學習了氧氣、水等具體物質的性質和用途（宏觀），認識了分子和原子等概念（微觀），知道了物質所發生的化合反應、分解反應（變化、定性）。質量守恒定律則是將學生對化學反應的認識由定性轉入定量，開始從研究化學變化中物質間的定量關系，并學會用化學方程式這一符號表示化學反應，進而認識化學反應的微觀本質，逐步建立宏觀與微觀相結合的思想［7］。

在質量守恒定律的教學中可以利用新課標主題4教學建議中的“拉瓦錫與質量守恒定律的發現”這一化學史情境素材，通過層層深入的教學活動帶領學生理解定律中的“密閉容器”“參加反應”這兩個難點，提升科學思維能力。

化學史情境：1673年，波義耳在敞口容器中加熱金屬，發現反應后金屬質量增加。1774年，拉瓦錫在密閉容器中研究氧化汞的分解與合成，發現反應前后各物質的總質量相等［8］。

情境運用意圖：利用兩位化學家在研究中得出的相反結果，使學生產生認知沖突，激發其探究欲望，并以此為線索，引導后續探究活動中，在解決問題的過程中發展學生的科學思維能力。

圍繞此化學史情境素材，教學活動設計如下。

環節1? 實驗研究，初步感知定量關系

活動內容：氫氧化鈉溶液分別與硫酸銅溶液、氯化鐵溶液、氯化鎂溶液反應，并分別稱量反應前后體系的質量。實驗中將學生分為三組，每組學生完成一個實驗。

思維發展意圖：（1）獲取直觀證據，讓學生初步感知化學反應前后物質質量的相等關系；（2）培養科學思維，滲透科學歸納法——每位學生雖然只完成一個實驗，但是呈現的實驗結果是基于三個不同的實驗歸納得出的。

環節2? 實驗設疑，認識容器“需要密閉”

活動內容：以碳酸鈉與鹽酸反應為載體，分別在密閉容器、敞口容器中進行實驗，測量反應前后的質量。

思維發展意圖：（1）針對出現的質量“等”與“不等”兩個相反的結果，引導學生積極思維尋找證據，突出在研究有氣體參加或生成的化學反應時密閉容器的重要性；（2）引導學生基于實驗事實進行證據推理，分析得出化學反應前后物質的質量相等的結論。

環節3? 建構模型，準確理解“參加反應”

活動內容：（1）在密閉容器中完成紅磷燃燒的反應，測量反應前后的質量；（2）建構數學分析模型，分析反應前后的體系的物體（物質）組成及其質量關系。

思維發展意圖：基于實驗事實，運用數學思維模型進行層層剝離，經比較、分析、歸納等科學方法，引導學生理解“參加反應”的含義，最終建構質量守恒定律，為進一步從微觀視角認識化學反應、用符號表征化學反應奠定基礎。

3.2??案例2：氧氣的實驗室制取

氧氣與人的生命活動、生產生活等密切相關。它是學生系統學習的第一種化學物質，在學習中，學生初步了解了研究物質的基本思路，即存在、物理性質、化學性質、用途。氧氣的實驗室制取既是研究物質思路中的一個重要方面，也是學生學習的第一種氣體制備，它承載著以下功能：（1）幫助學生形成較全面的研究物質的基本思路；（2）引導學生認識物質制備原理與制備裝置間的關系；（3）為學習完二氧化碳、氯氣、氨氣等氣體制備知識后，形成“依據反應物的狀態和反應條件選擇發生裝置”奠定基礎。

學生在學習中獲得的知識往往是碎片化的，教師在教學中應關注到這一點，努力引導學生將已經學習的氧氣的性質和用途與即將學習的制備原理建立聯系，形成系統化認識。基于對這個問題的思考，利用新課標中主題2教學建議中的“魚池的缺氧和增氧方法”這一情境素材，并適當進行補充，圍繞實驗室制取氧氣的原理設計教學過程如下本案例參考了北京市海淀區教師進修學校附屬實驗學校王嚴老師的教學設計。。

生活情境：增氧劑（過氧化氫）——緩解養魚塘缺氧問題，增氧時產物無殘留，且綠色環保（明確：分解產生氧氣和水；氧氣供給呼吸）；特種部隊30秒野外生活訓練——摩擦高錳酸鉀可產生氧氣，最終引燃柴草（明確：氧氣支持燃燒）。

情境運用意圖：利用兩個生活中的情境素材，引導學生建立物質性質與用途的關系；作為重要的證據，為學生探究實驗室中利用過氧化氫分解和高錳酸鉀分解制取氧氣的原理的可行性提供有力支撐，發展學生的證據意識；感受物質轉化的價值。

圍繞這兩個情境展開的活動分為教師引導探究和學生自主探究兩部分，突出實證意識的培養。

環節1? 教師引導下的過氧化氫分解制氧氣原理的可行性探究

探究內容：過氧化氫溶液能否用于實驗室制備氧氣？

問題引導：如何證明有氧氣生成？

尋找證據1（來自教材）：有氣泡冒出；帶火星的木條復燃（未出現預期現象）。

產生疑問：過氧化氫分解會不會無氧氣產生？

尋找證據2（來自情境）：過氧化氫用于魚塘增氧，確認過氧化氫分解有氧氣產生。

尋找證據3（來自網絡）：二氧化錳、氯化鐵、土豆塊等可以加快過氧化氫的分解。

尋找證據4（來自實驗）：向過氧化氫溶液中加入二氧化錳（有氣泡產生，帶火星的木條復燃）。

得出結論：過氧化氫分解可用于實驗室制氧氣。

思維發展意圖：（1）圍繞探究的問題，引導學生多角度獲取證據，基于各種事實進行證據推理，從而推測物質發生的變化；（2）培養分析、比較、歸納等科學方法；（3）初步建立觀點-證據-結論間的關系。

環節2? 學生自主探究高錳酸鉀分解制氧氣原理的可行性

圍繞“高錳酸鉀固體能否用于實驗室制備氧氣”，學生模仿剛剛完成的“過氧化氫分解制取氧氣的可行性”探究方式，主動提出問題，并從生活情境、實驗事實中尋找證據，分析推理得出高錳酸鉀受熱分解可用于實驗室制氧氣。

思維發展意圖：（1）進一步培養學生的實證意識；（2）培養學生類比、模仿、分析歸納等科學方法；（3）進一步完善觀點-證據-結論間的關系。

4? 結語

學生學習化學知識的過程，不只是對化學學科知識的理解與掌握，還是化學科學思維的發展過程。落實并發展學生的核心素養是化學的課程目標，而科學思維是化學學科核心素養之一，化學觀念的形成、科學探究與實踐能力的發展、科學態度與責任的形成都與科學思維有著密不可分的關系。因此，我們要高度關注科學思維的培養，結合教學內容努力創設真實而合理的情境，為激發學生的學習興趣、引領學生積極投身學習活動，從而培養學生的科學思維提供有力的保證。在教學中，教師還應合理地運用教學情境，抓住情境中有助于培養學生科學思維的每一個契機，采用多樣化的教學方法，引導學生掌握科學方法，促使其基于各種事實進行證據推理，多角度培養他們的科學思維，為核心素養的發展奠定基礎。

參考文獻：

［1］現代漢語詞典（第6版）［K］. 北京： 商務印書館， 2015.

［2］［3］［4］［5］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［6］洪曉楠. 科學文化哲學的向度分析［J］. 社會科學戰線， 2009， （11）： 52～59.

［7］［8］周業虹. 依托數字教材進行教學設計的實踐研究［J］. 中國現代教育裝備， 2019， （4）： 20～22.