學(xué)科能力導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘" 要：" 依托學(xué)科能力理論，循著“目標(biāo)制定-策略選擇-情境創(chuàng)設(shè)-活動(dòng)設(shè)計(jì)”的流程，圍繞“我愛我家——建造理想之家”進(jìn)行“無機(jī)非金屬材料”的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐。通過“建造傳統(tǒng)之家”“建造環(huán)保之家”“建造智能之家”和“建造宇宙之家”四個(gè)教學(xué)任務(wù)發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科能力，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和社會(huì)責(zé)任感，也為類似的科普性內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考思路。

關(guān)鍵詞：" 中學(xué)化學(xué)； 學(xué)科能力； 學(xué)科價(jià)值； 真實(shí)情境； 無機(jī)非金屬材料

文章編號(hào)： 1005-6629（2025）01-0038-06

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1" 教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

本課時(shí)為人教版高中化學(xué)必修教材（2019年版）第五章第三節(jié)“無機(jī)非金屬材料”的新授課［1］。作為人教版新教材的特色內(nèi)容，教材從硅酸鹽結(jié)構(gòu)和性能入手，首先介紹傳統(tǒng)的硅酸鹽材料，幫助學(xué)生初步形成“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-應(yīng)用”的認(rèn)識(shí)思路，而后介紹新型無機(jī)非金屬材料，進(jìn)一步深化認(rèn)知。教材通過大量文字和圖片素材，讓學(xué)生在感知材料世界的豐富多彩的同時(shí)感受化學(xué)學(xué)科對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［2］。

“無機(jī)非金屬材料”雖以科普性內(nèi)容為主，但與生活、生產(chǎn)緊密相關(guān)，具有重要的學(xué)科能力培養(yǎng)價(jià)值和育人價(jià)值。經(jīng)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于這一主題的教學(xué)設(shè)計(jì)類文獻(xiàn)較少，主要集中于以人文背景為情境主題，以及針對(duì)硅和硅酸鹽的教學(xué)設(shè)計(jì)［3］。在教學(xué)實(shí)踐中，教師通常會(huì)以簡單的閱讀課形式或傳統(tǒng)的硅元素知識(shí)傳授形式展開教學(xué)。至于如何圍繞真實(shí)情境進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)并發(fā)揮其學(xué)科能力培養(yǎng)價(jià)值和育人價(jià)值值得探討。

2" 設(shè)計(jì)思路

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，其核心是基于學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐和創(chuàng)新遷移的學(xué)科能力［4，5］。本課例以王磊教授關(guān)于學(xué)科能力構(gòu)成模型為依據(jù)，通過制定指向3×3學(xué)科能力要素的教學(xué)目標(biāo)，選擇合適的教學(xué)策略并創(chuàng)設(shè)承載能力活動(dòng)的真實(shí)情境展開教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在發(fā)展學(xué)生的學(xué)科能力并有效落實(shí)教學(xué)內(nèi)容的育人價(jià)值［6］。

2.1" 制定學(xué)科能力導(dǎo)向的教學(xué)目標(biāo)

本課例依據(jù)學(xué)科能力構(gòu)成模型，首先通過課標(biāo)研讀和教材分析，明確研究對(duì)象和化學(xué)問題、學(xué)科認(rèn)識(shí)方式、知識(shí)基礎(chǔ)及教材不同內(nèi)容側(cè)重發(fā)展的能力點(diǎn)（見圖1）。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)情制定指向3×3學(xué)科能力要素的教學(xué)目標(biāo)（見表1）。

2.2" 選擇促進(jìn)能力發(fā)展的教學(xué)策略

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，選擇合適的教學(xué)策略。針對(duì)傳統(tǒng)硅酸鹽內(nèi)容（側(cè)重發(fā)展學(xué)習(xí)理解能力），采取情境創(chuàng)設(shè)、列表對(duì)比、概括關(guān)聯(lián)等教學(xué)策略，例如通過列表，對(duì)比三種硅酸鹽的組成、性能和應(yīng)用，建立“組成（結(jié)構(gòu)）-性質(zhì)-應(yīng)用”之間的關(guān)聯(lián)；針對(duì)新型無機(jī)非金屬材料內(nèi)容（側(cè)重發(fā)展應(yīng)用實(shí)踐和遷移創(chuàng)新能力），采取推論預(yù)測、簡單設(shè)計(jì)、自主合作、展示交流等教學(xué)策略，例如通過信息預(yù)測新型材料性能，根據(jù)需求選擇或設(shè)計(jì)材料并展示交流，深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的認(rèn)知（詳見圖2）。

2.3" 創(chuàng)設(shè)承載能力活動(dòng)的真實(shí)情境

基于以上分析，本課例創(chuàng)設(shè)了“我愛我家——建造理想之家”這一情境主題，主要原因有：（1）體現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值：這一主題既貼近真實(shí)生活又能融合最新科技，也可由家引申為國，激發(fā)學(xué)生愛國熱情；（2）串聯(lián)教學(xué)相關(guān)內(nèi)容：通過對(duì)家裝材料的學(xué)習(xí)和討論，可以串聯(lián)無機(jī)非金屬材料相關(guān)教學(xué)內(nèi)容；（3）承載學(xué)科能力活動(dòng)：在“建造傳統(tǒng)之家”“建造環(huán)保之家”“建造智能之家”“建造宇宙之家”四個(gè)教學(xué)任務(wù)中可以參考教學(xué)策略，設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向教學(xué)目標(biāo)的具體能力活動(dòng)。例如，在“建造傳統(tǒng)之家”環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生列表對(duì)比三種傳統(tǒng)的硅酸鹽材料，從而發(fā)展學(xué)習(xí)理解能力（詳見圖2）。

3" 教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖2所示。

4" 教學(xué)實(shí)錄

［引入］此心安處是吾家。家不僅是棲身之地，更是心的港灣。房子是家的實(shí)體。你理想中的房子是怎樣的？請(qǐng)你用幾個(gè)形容詞描述。

［學(xué)生討論］安全，牢固，美觀，溫馨，通透，節(jié)能，環(huán)保，智能等。

［教師］今天我們就一起來建造理想之家。

4.1" 任務(wù)一：建造傳統(tǒng)之家

［教師］安全、牢固、通透和一定程度的美觀等是傳統(tǒng)的家的基本需求。水泥、陶瓷、玻璃這三種傳統(tǒng)硅酸鹽材料能否實(shí)現(xiàn)你對(duì)房子的基本需求？請(qǐng)你結(jié)合教材信息和日常生活經(jīng)驗(yàn)完成學(xué)習(xí)任務(wù)單上的表格（表2，其中楷體部分由學(xué)生填寫完成）。

［學(xué)生活動(dòng)］討論并完成表2，匯報(bào)分享。

［教師］水泥可以將磚瓦粘接在一起，這是由于水泥的水硬性。水泥的硬化速率可以通過在制造過程中加入適量石膏進(jìn)行調(diào)節(jié)。老師給大家準(zhǔn)備了速干水泥粉，請(qǐng)將袋子中的水泥粉全部倒入紙杯中，用筷子攪拌后靜置觀察，感受水硬性。

［學(xué)生實(shí)驗(yàn)］水泥的水硬性實(shí)驗(yàn)。

［教師］你觀察到了怎樣的現(xiàn)象？

［學(xué)生1］放熱，逐漸變硬。

［教師］水泥、玻璃和陶瓷有何共同的特性？你能猜測其中原因嗎？

［學(xué)生2］質(zhì)地堅(jiān)硬，性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫等。它們都是硅酸鹽材料，可能是由于硅酸鹽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

［小結(jié)］很好。在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體，四面體可以相互連接成鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)（見圖3）。四面體是比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多數(shù)具有硬度高、耐高溫、耐腐蝕、難溶于水等特點(diǎn)，這也是水泥、玻璃、陶瓷的共同點(diǎn)所在。可見物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定應(yīng)用。

［教師］你知道玻璃的主要組成成分是什么嗎？

［學(xué)生3］硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅。

［教師］玻璃是由純堿、石灰石和石英砂（二氧化硅）制得，你能書寫制造玻璃的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式嗎？

［學(xué)生書寫］Na2CO3+SiO2高溫Na2SiO3+CO2↑；

CaCO3+SiO2高溫CaSiO3+CO2↑。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生自由描繪的“理想之家”引入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。通過尋找傳統(tǒng)材料滿足基本需求的任務(wù)，要求學(xué)生列表對(duì)比三種傳統(tǒng)硅酸鹽材料，從而引出硅酸鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，幫助學(xué)生初步形成“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-應(yīng)用”的認(rèn)識(shí)思路，發(fā)展學(xué)科能力（A1、 A2、 A3和B1）。

4.2" 任務(wù)二：建造環(huán)保之家

"［教師］傳統(tǒng)的家可以滿足人類的基本需求，而人類需要與大自然和諧相處。如何優(yōu)化傳統(tǒng)硅酸鹽材料，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的需求呢？請(qǐng)你結(jié)合信息說明。

［展示信息］不同材料的優(yōu)化方法。

信息1：

發(fā)泡陶瓷：發(fā)泡陶瓷材料可由粉煤灰為原料，通過添加不同發(fā)泡劑（如氮化硅、碳酸鈣、硅酸鈉及碳化硅等）制備而成。發(fā)泡陶瓷材料因大量封閉氣孔的存在而具有熱傳導(dǎo)率低、抗熱震性能優(yōu)良等特性，是一種理想的保溫、隔熱材料［7］。

信息2：

自潔玻璃：自潔玻璃的表面浸涂了一層納米TiO2-SiO2。該涂層能夠在光催化下有效去除有機(jī)污染物。自潔玻璃可用于制作太陽能電池板、建筑玻璃和光學(xué)器件等［8］。

信息3：

“生態(tài)”水泥：生態(tài)水泥是以城市垃圾焚燒灰、工業(yè)廢料、廢渣、尾礦以及污泥等各種廢棄物為主要原料，經(jīng)過處理、配料，通過嚴(yán)格生產(chǎn)管理制成的水泥。該方法可降低水泥生產(chǎn)的能耗［9］。

［學(xué)生］可以改變材料結(jié)構(gòu)達(dá)到隔熱效果，降低能耗；在玻璃表層涂納米TiO2-SiO2涂層分解污染物；利用廢棄物制造水泥等。

［追問］那么你能歸納材料優(yōu)化的方法嗎？

［學(xué)生4］可以從原料優(yōu)化，也可以從組成結(jié)構(gòu)上改變，還可以對(duì)其表面進(jìn)行改造。

設(shè)計(jì)意圖：圍繞“建造環(huán)保之家”的任務(wù)，要求學(xué)生分析信息，總結(jié)學(xué)習(xí)優(yōu)化材料的方式，從而培養(yǎng)學(xué)生綠色環(huán)保意識(shí)，形成“需求-選擇-優(yōu)化-創(chuàng)造”的認(rèn)識(shí)思路，發(fā)展學(xué)科能力（A3、 B1、 B3）。

4.3" 任務(wù)三：建造智能之家

［教師］步入信息時(shí)代，就像之前同學(xué)提到的，很多人希望能夠建造智能之家。你理想的智能之家是怎樣的？需要哪些材料打造呢？

［學(xué)生討論］需要有網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人……

［教師］智能之家需要聯(lián)網(wǎng)，寬帶通信需要什么材料呢？

［學(xué)生5］光導(dǎo)纖維。

［追問］它通常由什么制造？具有怎樣的性能？

［學(xué)生6］二氧化硅，抗干擾性好，能夠有效提高通信效率。

［演示］可見光信號(hào)可以高效地傳輸?shù)焦鈱?dǎo)纖維的另一端。

［教師］大家剛才也提到了半導(dǎo)體材料。單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料，但自然界的硅主要以硅酸鹽或硅的氧化物形式存在。如何得到單質(zhì)硅呢？請(qǐng)結(jié)合信息書寫反應(yīng)的化學(xué)方程式。

［學(xué)生書寫］2C+SiO2高溫Si+2CO↑。

［追問］但這樣得到的硅單質(zhì)可以直接做半導(dǎo)體材料嗎？請(qǐng)結(jié)合信息猜測。

"［學(xué)生7］不可以，含有雜質(zhì)。

［過渡］這樣只能得到粗硅，我們需要進(jìn)一步提純，例如，將粗硅轉(zhuǎn)化為三氯硅烷，再經(jīng)過氫氣還原可以得到高純硅。

［教師］硅是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，但研究表明，當(dāng)硅芯片制程達(dá)到5nm時(shí)，出現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)使得電子不受控制［10］。我們需要尋找新的半導(dǎo)體材料。C和Si原子結(jié)構(gòu)相近，能否用C來替代Si？導(dǎo)電的碳材料讓你想到了什么？

［學(xué)生8］石墨。

［教師］很好，石墨是層狀結(jié)構(gòu)的，其水平方向具有良好的導(dǎo)電性，但它的宏觀尺寸太大，科學(xué)家用膠帶撕下薄薄的一層，得到了石墨烯（模型），這是一種良好的導(dǎo)體材料［11］。如何降低其導(dǎo)電性，變成半導(dǎo)體呢？我們可以將石墨烯卷起來，結(jié)構(gòu)的卷曲改變了導(dǎo)電性，這就是碳納米管（模型和實(shí)物展示），可作為半導(dǎo)體材料。再進(jìn)一步卷曲可以得到富勒烯，例如C60，富勒烯具有特殊的光電性能，可以用來制作太陽能電池等。這些都屬于碳納米材料，是一類備受關(guān)注的新型無機(jī)非金屬材料（見圖4）。可見我們可以通過制造新材料來滿足新需求。

設(shè)計(jì)意圖：圍繞“建造智能之家”的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)硅和二氧化硅相關(guān)知識(shí)。而后提出硅尺寸限制問題，啟發(fā)學(xué)生尋找替代材料，引入碳納米材料相關(guān)內(nèi)容，以模型和實(shí)物展開講解，進(jìn)一步深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的學(xué)科思想，并完善“需求-選擇-優(yōu)化-創(chuàng)造”的認(rèn)識(shí)思路，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，發(fā)展學(xué)科能力（B1、 B2、 B3）。

4.4" 任務(wù)四：建造宇宙之家

［教師］碳納米管不僅有良好的電學(xué)性能，而且強(qiáng)度高，科學(xué)家設(shè)想用它來制造太空電梯。太空電梯可以讓人類離開地球，走向宇宙。如何在宇宙中安家？你會(huì)有怎樣的需求，又要用到具有怎樣性能的材料？聯(lián)系宇宙環(huán)境，請(qǐng)大家展開討論，提出設(shè)想，繪制示意圖。

［學(xué)生展示］在宇宙中建房子需要高強(qiáng)度的材料，可以用碳納米管建造房子的主體；也需要耐極端溫度的材料，可以用碳化硅包裹在房子墻外……

［小結(jié)］碳化硅是新型陶瓷材料的一種，新型陶瓷已經(jīng)不局限于傳統(tǒng)硅酸鹽材料，因其組成結(jié)構(gòu)不同，擁有很多不同的性能。大家已經(jīng)可以根據(jù)需求來選擇、優(yōu)化甚至設(shè)計(jì)研制材料了。感興趣的同學(xué)可以課后進(jìn)一步調(diào)研討論，設(shè)計(jì)你理想的宇宙之家。

設(shè)計(jì)意圖：圍繞“建造宇宙之家”的任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生通過合作，結(jié)合教材信息，提出需求并選擇或設(shè)想合適材料，完成宇宙之家的設(shè)計(jì)方案并展示交流。在此過程中引入新型陶瓷等內(nèi)容，幫助學(xué)生深化“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-應(yīng)用”和“需求-選擇-優(yōu)化-創(chuàng)造”的認(rèn)識(shí)思路，引導(dǎo)學(xué)生感受化學(xué)學(xué)科價(jià)值，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，激發(fā)愛國熱情，并發(fā)展學(xué)科能力（B3、 C3）。

［總結(jié)］今天，我們從需求出發(fā)，從選擇到優(yōu)化再到創(chuàng)造，用傳統(tǒng)和新型的無機(jī)非金屬材料建造理想的家。家是最小國，國是千萬家，我愛我的國，我愛我的家，今天的學(xué)習(xí)是為了打好地基（提示學(xué)生觀察已經(jīng)硬化的水泥），相信未來你的手能撐起小家，而你的心能永遠(yuǎn)裝著大家。

5" 教學(xué)反思

本課例依據(jù)學(xué)科能力理論，通過“目標(biāo)制定-策略選擇-情境創(chuàng)設(shè)-活動(dòng)設(shè)計(jì)”的流程展開教學(xué)設(shè)計(jì)。圍繞“建造理想之家”的情境主題，遵循“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-應(yīng)用”的思路，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需求選擇材料、學(xué)習(xí)優(yōu)化和創(chuàng)造材料的方法，不僅落實(shí)了本節(jié)的知識(shí)學(xué)習(xí)，提升了學(xué)科能力，加深了對(duì)化學(xué)學(xué)科價(jià)值的理解，而且激發(fā)了學(xué)生的愛國熱情，發(fā)展了科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

本課例的設(shè)計(jì)思路對(duì)相似主題的教學(xué)，如“金屬材料”“高分子材料”“化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展”等，具有一定的參考價(jià)值。教師可以在充分挖掘教學(xué)內(nèi)容的能力培養(yǎng)和育人價(jià)值的基礎(chǔ)上，通過制定學(xué)科能力導(dǎo)向的教學(xué)目標(biāo)，選擇合適的教學(xué)策略（例如列表對(duì)比、自主合作等），創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境（例如“冶金工業(yè)的發(fā)展史”“尋找理想航天材料”等），設(shè)計(jì)豐富的能力活動(dòng)（例如方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究等）進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。在本節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對(duì)于家裝材料比較陌生，建議教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮當(dāng)代學(xué)生的特點(diǎn)，可以適當(dāng)布置課前任務(wù)、準(zhǔn)備豐富的實(shí)物或模型，以增強(qiáng)學(xué)生體驗(yàn)感并保證課堂教學(xué)順利進(jìn)行。此外，學(xué)生對(duì)前沿科技興趣濃厚，建議教師可以補(bǔ)充相關(guān)素材、設(shè)計(jì)課后拓展任務(wù)，進(jìn)一步挖掘并延伸該主題的能力培養(yǎng)價(jià)值。

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