融合科技發展史促進學生核心素養發展的教學設計

摘要： 以碳在人類社會發展史中的重要作用作為課堂教學情境，以碳的化學性質為知識載體，在碳為觀“知”、碳為觀“值”、碳為觀“智”、碳為觀“志”四個教學環節中，通過梯度化的問題鏈和系列化的任務群，建立“情境-問題-任務-知識-素養”的關聯，構建“用途-性質-變化-因素”認知體系，發展學生核心素養，彰顯學科價值。

關鍵詞： 科技發展史； 核心素養； 學科價值； 碳的化學性質

文章編號： 1005-6629（2024）07-0036-06 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

科學技術發展史是人類認知和實踐的歷史，反映了人類對自然規律的探索和對技術應用不斷改進的過程。在這個過程中，人們不斷提出新的理論，創造新的技術，解決各種困難，積累了大量的理論知識和實踐經驗。當我們在探尋科學技術發展史時，實際上是在探索人類認知和實踐的進程。科學技術發展史承載著科學知識、科學方法、科學思維與科學精神的形成、發展及演變過程的史實，是兼具知識價值與素養價值的真實情境素材［1］。

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）在課程理念部分提出：“精心選擇促進學生核心素養發展的化學課程內容，注重結合學生已有的生活經驗，反映化學科學發展的新成就，體現化學課程內容的基礎性、時代性和實踐性……。［2］”化學教師將科學技術發展史與初中化學教學內容相融合，可以展現人類對物質世界的探索歷程，呈現探索知識的原始動態過程，有助于學生理解化學科學本質［3］，樹立科學發展觀，發展核心素養，彰顯學科價值。

本文以滬教版教材第四單元“燃料及其燃燒”第二節“碳”的第二課時課堂教學設計為例［4］，探究在教學設計中如何充分融入科技發展史，以實現課程標準中提出的核心素養培養目標。

1 教學主題內容

本節課的主要教學內容為“碳的化學性質”：常溫時的穩定性、點燃時的可燃性、高溫時的還原性。人們對碳的開發與利用貫穿了社會發展的各個時期（見圖1）：我國勞動人民在手工勞動時期就掌握了用碳單質制墨的方法，開啟了用碳單質書寫的篇章；工業革命時期碳作為燃料和冶金工業的重要原料，在推動工業化的進程中發揮了至關重要的作用；隨著科學技術的進步，石墨烯、碳量子點等碳納米材料正在引領科技革命，為電子、材料和生物技術等領域帶來了新的發展前景。

本節課充分挖掘教材蘊含的學科知識、學科方法和學科價值，落實核心素養。以碳單質對社會發展的推動作為貫穿整堂課的教學情境，承載碳的化學性質與用途，促進知識的形成，強化物質性質與用途的關系，初步形成化學反應調控觀；基于真實情境，開展實驗探究，提高科學探究能力；運用手持傳感器數字化助力實驗研究，提升“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征能力；感悟化學對社會的巨大推動作用，塑造積極的社會價值觀，培養責任擔當。

2 教學設計思想

2.1 融入科技發展史情境，教學設計結構化，知識關聯體系化

本節課設計了碳為觀“知”→碳為觀“值”→碳為觀“智”→碳為觀“志”四個教學環節。首先，從碳的基礎知識出發（“知”），建立學生對碳的化學性質的初步認識；接著，探索碳在生產和生活中的應用（“值”），加深學生對碳的價值的理解；然后，進入碳材料的創新和智慧開發（“智”），激發學生的創新思維；最后，展望碳基與硅基文明的未來（“志”），培養學生的責任擔當。教學設計遵循學生認知發展規律，通過設計梯度化的問題鏈，發布系列化的任務群，實現“情境-問題-任務-知識-素養”的關聯（見圖2），構建“用途-性質-變化-因素”認知體系（見圖3）。這一設計不僅涵蓋了科學知識的學習，還促進了科學探究、科學態度和科學思維的發展，全面提升學生的核心素養。

2.2 挖掘科技發展史中真實技術壁壘，開展實驗為主的探究式教學模式

“新課標”在教學策略中建議“注重運用現代化技術手段，加強探究活動中的科學思維，基于科學探究與實踐活動建構化學觀念，增進對化學科學及科學探究本質的理解，發展科學探究能力和創新意識”［5］。教學中挖掘碳在推動工業化進程中面臨的真實技術壁壘，針對碳在燃燒、冶金中是否會生成一氧化碳開展實驗探究。借助一氧化碳和二氧化碳手持傳感器測定碳在有限空間中的燃燒產物，建立化學反應的“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征，幫助學生更深刻地綜合認識化學反應的實質和過程。教材中碳還原氧化銅的實驗為驗證性實驗，為了發展學生在真實情境中創造性解決問題的能力，教學中將該實驗改為探究性實驗，引導學生設計實驗方案探究碳在還原氧化銅反應中的氣體產物，培養學生科學探究能力和創新意識。

3 課堂教學片段

3.1 碳為觀“知”

［教師提問1］社會的發展離不開記錄，同學們知道最初人們是如何書寫文字的嗎？

［學生］最初人們是把文字刻在龜甲獸骨、青銅器或竹簡上。

［教師提問2］這種方式書寫有什么特點？

［學生］費時、費力。

［教師提問3］后來人們又如何書寫？

［學生］用墨水在絲帛、紙張上書寫。

［教師講解］我國是世界上最早生產炭黑的國家。世界上第一部關于農業和手工業生產的綜合性著作《天工開物》就記載了我國古代人民手工制墨的方法。《本草綱目》等著作中留下了人們用墨書寫的痕跡。人們用碳單質書寫，使得資料能夠長久保存。

［教師提問4］這說明碳單質具有什么化學性質？

［學生］常溫下具有穩定性。

設計意圖：通過生活中的碳為觀“知”，感悟物質性質與用途的關系；通過了解古人對碳的性質與用途的探索，感受我國古人的智慧，增強對國家、民族的認同感，培養家國情懷。

3.2 碳為觀“值”

［教師提問1］隨著科學技術的進步，人們進入了工業革命時代。蒸汽機的發明和廣泛應用是第一次工業革命的重要標志之一，大家知道蒸汽機的動力從何而來嗎？

［學生］蒸汽機的動力來自煤炭的燃燒。

［教師提問2］煤的主要成分是碳，這說明碳具有什么化學性質？

［學生］加熱或點燃時，具有可燃性。

［教師提問3］碳單質既穩定，又不穩定，為什么會表現出如此大的差異呢？這說明反應能否發生與什么有關？

［學生］因為溫度不同，碳的化學性質也不同。這說明化學反應能否發生與溫度有關。

［教師提問4］在此之前，我們還學習了碳燃燒的哪些知識？碳在空氣中或在氧氣中燃燒的現象有何不同？為何不同？這說明還可以怎樣調控化學反應？

［學生］碳在空氣中燃燒發出紅光，在氧氣中燃燒發出白光。反應物的濃度不同，反應的劇烈程度也不同。我們可以通過改變反應物的濃度，調控化學反應的劇烈程度。

［教師提問5］在有限的空間中，碳燃燒的產物是什么呢？

［實驗展示］將點燃的木炭放入密閉的三頸燒瓶中，分別用一氧化碳和二氧化碳傳感器測定密閉容器中一氧化碳和二氧化碳的濃度（見圖4、圖5）。

［學生］碳燃燒的產物既有一氧化碳，又有二氧化碳。

［教師講解］由于第一次工業革命時期人們掌握的燃燒技術相對簡單，碳的燃燒往往是不充分的，既有二氧化碳生成，也有一氧化碳生成。

［教師提問6］人們是否希望生成一氧化碳？

［學生］一氧化碳有毒，會污染環境。一氧化碳燃燒也會放出熱量，造成能源的浪費。

［教師講解］隨著技術的發展，人們在第二次工業革命中開發出一系列先進的燃燒設備，改進了燃燒技術，實現煤的充分燃燒，使其燃燒產物為二氧化碳，不僅減少了廢氣排放，還提高了燃料的利用率。

［教師提問7］碳燃燒生成一氧化碳和二氧化碳的化學方程式應如何書寫？

［PPT展示］碳充分燃燒與不充分燃燒微觀圖示（見圖6）。

［教師提問8］對比碳燃燒生成一氧化碳和二氧化碳的化學反應，為什么碳與氧氣反應的產物會有不同？這說明我們還可以如何調控化學反應？

［學生］碳燃燒的產物不同，是因為參加反應的氧氣的量不同。可以通過調控參加反應的反應物的量，來調控反應的產物。

［教師提問9］在工業生產中，可以采取哪些措施促進煤的充分燃燒？

［學生］可鼓入足夠的空氣，可把煤磨碎。

［教師提問10］把煤磨碎是利用何種原理調控化學反應？

［學生］這是通過增大反應物的接觸面積來調控化學反應。

［教師講解］隨著工業化進程的推進，人們對金屬的需求量顯著增加，在第二次工業革命期間，金屬冶煉工藝也得到了顯著提高。人們以碳和氧化銅為原料，在高溫的條件下制取了銅。

［教師提問11］碳單質和氧化銅反應的產物除了有銅，還有什么呢？推測的依據是什么？

［學生］碳和氧化銅反應可能還會生成的物質有三種情況：①一氧化碳，②二氧化碳，③一氧化碳和二氧化碳。

［教師提問12］如果我們要設計一套裝置，用于碳和氧化銅反應并檢驗產物，該裝置應該包含哪些部分？

學生交流討論并回答。

［學生］反應裝置→檢驗裝置→尾氣處理裝置。

［教師提問13］同學們能否用提供的器材（見圖7），設計一套實驗裝置，用于檢驗碳和氧化銅反應的產物？（提示：氯化鈀和磷鉬酸的混合溶液遇一氧化碳變藍色，可用于一氧化碳的檢驗）

學生交流討論、開展實驗，教師巡視指導。

［教師提問14］實驗中同學們遇到了哪些問題？你推測是何種原因？如何解決？

學生分享實驗過程中遇到的問題，師生共同討論，總結實驗操作注意事項。

［教師提問15］實驗中出現哪些現象，可以得出什么結論？

［學生］澄清石灰水變渾濁、氯化鈀和磷鉬酸混合溶液變藍色，說明產物中既有一氧化碳，也有二氧化碳。

［教師提問16］我們是否希望生成一氧化碳？如果我們想減少一氧化碳的生成，大家覺得應該如何調控？

［PPT展示］碳與氧化銅反應生成的一氧化碳分子和二氧化碳分子的微觀圖示（見圖8）。

［學生］氧化銅的量會影響反應產物。

［教師提問17］請同學們寫出碳與氧化銅反應生成二氧化碳的化學方程式，并根據化學方程式計算：當氣體產物全為二氧化碳時，碳和氧化銅的質量比的范圍是多少？

［教師講解］碳奪取氧化銅中的氧元素，生成了二氧化碳。這種奪取氧元素的性質被稱為還原性，我們下節課繼續探討。

設計意圖：本環節旨在讓學生在第一次和第二次工業革命進程的情境中學習碳單質的化學性質，認識碳單質在社會發展進程中所起的推動作用，彰顯化學學科價值。學生通過對比碳在常溫下化學性質的穩定性和點燃時的可燃性、在空氣和氧氣中燃燒的劇烈程度不同以及碳與氧氣反應的產物也不同三個認知沖突中，建立化學反應調控意識［6］。進一步學以致用，分析工業中使煤充分燃燒的措施，探討調控碳與氧化銅反應的氣體產物為二氧化碳的措施。在討論過程中，通過手持傳感器繪制生成物一氧化碳和二氧化碳的濃度曲線、化學反應微觀圖示的表征、化學方程式的書寫，提升學生“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征能力。在經過碳與氧化銅反應的實驗猜想、實驗驗證、證據推理、得出結論的過程中，提高科學實驗探究能力。

3.3 碳為觀“智”

［PPT展示］第三次工業革命和石墨烯、第四次工業革命和碳量子點。

［教師講解］在第三次和第四次工業革命中，碳又如何改寫歷史呢？在第三次工業革命期間，一種單層碳材料從石墨中被分離出來，這就是石墨烯，1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。在第四次工業革命期間，科學家制備出了碳量子點。碳量子點也稱為碳點或碳納米點，直徑在2～10nm。在生物體內，石墨烯和碳量子點因其無毒、化學性質穩定，具有良好的生物相容性。科學家通過化學改性在石墨烯和碳量子點表面固定一些特定的分子或藥物，可以實現對生物分子進行選擇性檢測和藥物的高效運載。

設計意圖：通過介紹石墨烯和碳量子點的應用，引導學生意識到人們已經能夠從分子層面改變化學物質，進而調控化學反應。這樣的設計讓學生感悟到科技的迅猛發展，意識到科技創新的重要性，激發學生對人類智慧的贊嘆，促使他們深入思考科技發展對人類文明的意義和影響。

3.4 碳為觀“志”

［PPT展示］碳材料的開發利用史（見圖9）。

［教師講解］碳，是人類文明發展的基石。碳材料的開發和利用歷史，是人類智慧的體現，也是科技進步的縮影。隨著科技的發展，硅基文明的崛起開始引領新一輪的科技革命。硅半導體技術的發展推動了信息技術的飛速進步，硅基太陽能電池的應用則為可持續能源提供了新的方向……

碳基與硅基文明的較量，反映了人類對于利用自然資源和推動技術創新的雙重追求，更預示著人類社會發展的多樣可能性。在未來社會又將出現哪些具有革命性的新材料和新技術呢？作為未來的創新者和決策者，學生將承擔起運用所學知識，推動社會向著更加可持續和智能的方向發展的重任。讓我們以對知識的深刻理解和對未來的積極態度，共同迎接社會發展的挑戰和變革！

設計意圖：本環節旨在激勵學生去展望未來，鼓勵他們對未來的社會發展趨勢進行深入的思考和探討。這樣的思考和探討有助于培養學生的未來意識和創新意識，使他們能夠積極適應社會發展的變革和挑戰，意識到自己在塑造未來的過程中所能發揮的重要作用，成為具有遠見和擔當的社會發展的中堅力量。

4 教學效果與反思

4.1 教學效果

本節課學生的學習熱情和參與度顯著提高，對探究實驗表現出了濃厚的好奇心和探索欲。教師在課后對學生進行了隨機訪談，學生的感受主要體現為：（1）將化學知識與人類社會生產力發展史結合，深刻感受到了化學學科的魅力以及在推動社會進步中的重要價值。（2）小組合作開展探究實驗，提高了團隊協作能力，獲得了實驗成功的學習體驗。（3）小組討論環節，通過分享觀點，交換思想，深化了對知識的理解和運用。（4）通過微觀圖示，更加直觀理解化學反應的本質。由此可見，開展以化學實驗為主的多種探究活動，宏微結合，運用證據推理與模型認知的思維方式，有助于實現學生積極參與并解決綜合復雜的實際問題。教師通過“課堂反饋”對授課班級（40人）和另一平行班級（40人，采用常規教學）共80名學生進行測試，收回有效測試卷80份，測試內容覆蓋了碳的化學性質、化學反應調控、“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征能力、實驗探究、依據化學方程式進行定量計算等核心知識。測試結果表明：兩個班級所有學生均能夠根據碳的用途準確推斷碳的化學性質。在化學反應調控的理解上，授課班級學生表現出對反應發生、反應速率和反應結果三個關鍵維度有較深的理解，并能夠基于實驗事實作出準確的分析和判斷。尤其是授課班級在運用四重表征進行分析和依據化學方程式進行定量計算方面的能力更為突出，凸顯了教學策略在加深學生對化學本質理解、提升其分析與應用能力方面的顯著效果。

4.2 教學反思

4.2.1 教學拓展需關注學生的可接受性

在教學設計時，教師通過研讀教材和文獻，創設了承載碳化學性質的科技發展史情境，提煉出當前學生所能理解的“化學反應調控”的影響因素，促進學生認識條件對化學反應的重要性。然而，在實際生產與科研中可以調控化學反應的因素是多元和復雜的，教師在進行教學拓展時，需注意學生的已有認知基礎，在學生可理解的范圍內適當延伸。

4.2.2 從定量視角認識化學反應還需通過后續教學深化

“課堂反饋”發現，學生在運用化學方程式從定量角度解決實際問題時，授課班全對的人數為72.5%，平行班僅為47.5%。教師通過與學生深入溝通，了解到他們普遍認為此類問題難度較大，對思維能力要求較高。針對這一問題，教師在后續教學中應繼續強化微觀圖示與化學符號的關聯，借助微觀圖示輔助學生基于反應物和生成物的微觀構成從定量角度進一步理解化學反應的本質，從而提高實際應用和遷移能力。

參考文獻：

［1］劉貝貝， 嚴文法. 基于化學史學科核心素養培養價值的教學設計——以新人教版必修第一冊“電解質的電離”為例［J］. 化學教學， 2021， （9）： 51～55.

［2］［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： 北京師范大學出版集團， 2022： 5， 2， 16.

［3］嚴文法， 王小梅， 李彥花. 新課標視域下化學史的科學本質教育功能研究［J］. 化學教學， 2020， （1）： 3～7.

［4］王祖浩主編. 九年義務教育課本·化學·九年級第一學期（試用本）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2019： 111.

［6］何彩霞. 圍繞學科知識結構與思維方法組織教學——以初三“化學反應條件”為例［J］. 化學教學， 2017， （11）： 44～48.