基于人文背景融合学科核心素养的化学教学设计与实践

邵传强

摘要： 基于硅及其化合物在人类文明演进过程中发挥的巨大作用，以人类文明演进为主线，构建基于人文背景融合学科核心素养的硅及其化合物教学方案。在分析学情和教学价值的基础上设定教学及评价目标，呈现课堂设计思路、主要过程和设计意图。结合教学实践，从元素化合物教学中人文与科学融合的价值、高一教学与后续知识的衔接、评价性问题的设置三个方面进行了反思。

关键词： 人文背景; 学科核心素养; 硅及其化合物; 化学教学设计

文章编号： 10056629（2020）12004106

中图分类号： G6338

文献标识码： B

高中化学中涉及硅及其化合物的知识内容较为简单，在各级各类考试中出现的频次也不高，因此在有些教师心目中其学习地位较低，在教学研究中也容易被边缘化。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，化学不仅与经济发展、社会文明的关系密切，也是材料科学、生命科学、环境科学、能源科学和信息科学等现代科学技术的重要基础，化学在促进人类文明可持续发展中发挥着日益重要的作用[1]。《普通高中化学课程标准（实验）》提出，要在人类文化背景下构建高中化学课程体系。因此，在化学课堂教学中，构建基于人文背景的教学场景，挖掘化学知识、化学技术与社会文明的关系，将人文与科学有机融合，对于推动化学学科核心素养落地具有重要意义。人类文明发展与含硅材料的应用有着紧密的联系，对含硅材料的研究与利用贯穿人类文明进步的全过程。因此，苏教版《化学1（必修）》专题三第三单元“含硅矿物与信息材料”[2]教学主题是承载这一理念的理想载体。

1学情分析、目标设定及教学功能

1.1学情分析

高一学生在学习“含硅矿物与信息材料”这一教学主题前，已经学习了根据物质类别和元素价态认识物质性质的方法，能从类别迁移和氧化还原两个角度认识实现物质转化的规律，形成基于物质的性质差异寻求物质分离、提纯的基本思路。因此，具备了自主探究元素化合物性质和转化的基本能力。

通过课前调查，学生的主要疑惑点是： 含硅矿物的外观与其结构究竟有怎样的关联？硅酸钠溶液为什么是黏稠的？其粘合、阻燃功能的原理是什么？可见，学生的困惑焦点是含硅矿物的宏观性质与其微观结构之间存在怎样的内在联系。此外，对于元素化合物及其转化在促进社会文明进步、自然资源的综合利用中的重要价值缺乏丰富、真切的体悟。

1.2目标设定与教学功能

（1） 通过探究含硅矿物宏观性质与微观结构的关联，诊断并发展学生宏观辨识与微观探析的能力。

（2） 通过实验探究硅酸凝胶制备、阻燃性能，理论探究粗硅提纯实验方案，巩固物质性质、物质转化的认知模型，诊断并发展学生基于物质类别、价态实现物质转化的变化观念。

（3） 通过系统体悟含硅材料在人类文明发展历程中的重要作用，彰显化学物质、化学技术在生产生活中的重大贡献，诊断并发展学生对化学价值的认识水平。

（4） 通过古代繁荣的陶瓷文化与信息时代我国核心科技不足的对比，激励学生既要从传统繁荣文化中建立自信，又要面对现代核心科技缺失负有社会责任感。

（5） 通过科幻电影中对星际空间硅基生命的探索，引导学生反思碳、硅元素及化合物性质的差异，从化学视角推测硅基生命存在与否的理论依据，诊断并发展学生的创新意识。

2教学设计思路

以人类文明发展的进程为轴线，创设与之契合的教学情境，通过探究活动，落实硅及其化合物基础知识和实验探究基本技能，发展学生的学科核心素养。具体教学设计思路可简略归纳为如图1所示。

3主要教学过程

3.1片段1认识自然界的含硅物质

[創设情境，提出问题]时间轴公元前300万年—公元前5000年，展示原始人使用的天然石器和打制石器图片（图2）。

问题1： 古人在制造石器时根据其功能会选择不同材质的岩石，自然界的岩石其纹理、硬度等均存在巨大差异，推测其原因是什么？

[学生探讨，交流想法]学生能基于已有的经验——结构决定性质做出推测，宏观性质的差异源自构成岩石微粒微观结构的差别。

[提供支撑，逐步深入]展示闪石矿、云母、水晶的图片（图3），构成含硅岩石的基本结构基元SiO4-4微观结构模型图（图4）。

问题2： 你能想象闪石矿、云母、水晶其微观结构基元间的连接方式吗？

展示岩石中SiO4-4结构基元三种不同的连接方式（图5）[3]。

问题3： 你能将闪石矿、云母、水晶与上述三种微观结构进行匹配吗？说明匹配的依据。

[学生探讨，交流想法]学生尽管尚不具备晶体中微粒堆积方式的知识基础，但基于宏观特征，能精准推测闪石矿具有链状结构、云母具有层状结构、水晶具有空间立体网状结构的微观结构特点。

设计意图： 将教学素材置于历史人文场景中，渲染学科教学的文化价值。从具有历史感的石器到现代化学研究中的物质结构，从实际问题到化学问题，从宏观现象到微观结构，形成和发展学生的化学想象力，建立宏微关联分析的具体思路。通过“内在微观结构与外在宏观现象”的关联，深化“结构决定性质”的学科观念，诊断并发展学生宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

3.2片段2认识硅酸钠的结构、性质与应用

[创设情境，提出问题]展示最简单的硅酸盐——硅酸钠的水溶液，用玻璃棒蘸取，观察。

问题4： 硅酸钠溶液为什么呈黏稠状？你能猜测其微观结构吗？说明依据。

[学生探讨，交流想法]学生从生活经验知道，硅酸钠溶液外观与蛋清溶液相似，玻璃棒蘸取时容易形成丝状，推测其可能具有蛋白质分子类似的长链结构[4]。

[创设情境，提出问题]古籍《列子书》记载：“火浣之布，浣之必投于火，布则火色，垢则布色。出火而振之，皓然疑乎雪。”

问题5： 火浣布具有怎样的性能？常见化学物质中哪些具有类似的功能？

[实验探究]对比实验： （1）普通纱布于硅酸钠溶液中浸泡，空气中晾干;（2）分别取普通纱布、浸泡过硅酸钠溶液的纱布，传给学生观察、触摸;（3）将两种纱布同时在两盏酒精灯火焰上点燃，观察现象。

[学生探讨，交流结果]浸泡过硅酸钠溶液的纱布柔韧性变差，且不容易燃烧（对于阻燃的物质是硅酸钠还是其他物质难以确定，需要教师提供支撑）。

问题6： 浸有硅酸钠溶液的纱布在空气中是否会发生变化？推测的依据是什么？你能设计实验证实你的推测吗？

[学生探讨，设计方案]根据硅酸钠的物质类别，推测与空气中的CO2发生反应生成了硅酸。可向硅酸钠溶液中充入CO2进行验证。

[实验实证]在充满CO2的矿泉水瓶（500mL）中注入约10mL饱和硅酸钠溶液，拧紧瓶盖，迅速振荡，观察现象。

[描述解释，符号表征]塑料瓶迅速变瘪，澄清溶液变透明凝胶状，硅酸钠转化成了硅酸凝胶，证实推测合理。书写反应的离子方程式： SiO2-3+H2O+CO2CO2-3+H2SiO3↓。

[释疑解惑]硅酸钠本身阻燃，转化成硅酸凝胶后会堵塞材料的毛细孔，并在材料表面形成连续的封闭膜，硅酸在高温下分解生成熔点更高的SiO2亦具有阻燃性能。古代的火浣布材质其实就是硅酸盐材料——石棉纤维纺织而成，利用了硅酸盐良好的耐高温性能。

设计意图： 通过古籍中的火浣布创设情境，设置悬疑，诱发好奇心，渗透古代化学史知识;通过对硅酸钠形态、性质的研究，基于物質分类进行有依据的预测，设计实验进行有目的的验证;运用物质转化的原理进行分析，运用化学用语表征物质的变化实质。依托该片段，诊断并发展学生的科学探究素养。

3.3片段3认识生产生活中的无机非金属材料——玻璃、水泥、陶瓷

[创设情境，设置任务]时间轴公元前4500年——近代，展示半坡人面鱼纹彩陶盆、古埃及玻璃鱼、现代建筑用水泥图片（图6）。阅读课本，找出制陶瓷、玻璃和水泥的原料、工艺设备及产物成分。

[学生阅读，获取信息]通过阅读文本，梳理出生产陶瓷、玻璃、水泥所需的原料、设备、化学成分等信息。

设计意图： 在历史背景中，设计阅读、讨论活动，引导学生体会化学与生产、生活的关联，体会化学对改善人类生活条件、推进文化繁荣、促进社会发展的贡献，激发学生对化学学科巨大社会价值的认同感。

问题7： 结合原料和玻璃成分分析，烧制玻璃时发生了怎样的反应？尝试写出反应的化学方程式。

设计意图： 能从化学视角，结合物质类别，分析物质转化的规律，解决生产实际问题，诊断并发展学生的变化观念核心素养。

[创设情境，孕育情怀]图片展示海上丝绸之路，我国古代海上贸易将瓷器和辉煌的中华文化传播到世界各地。

设计意图： 通过陶瓷和文化的融合，展现我国古代科技、文化的辉煌，激发学生的民族自豪感，树立文化自信。

3.4片段4认识信息时代的含硅物质——单晶硅与光导纤维

[创设情境，引发思考]时间轴1956年，美国工程师基尔比发明第一块单晶硅为基材的集成电路、单晶硅切片、华为麒麟980芯片、1970年诞生的光导纤维（图7），展示信息革命时代含硅材料的核心地位。

问题8： 结合硅元素在自然界存在形式，从元素价态角度分析，工业上如何获取Si单质？结合铁、铜的冶炼谈谈你的依据。

[学生交流，初探方案]基于已有的物质转化经验，可判断以自然界的石英为原料，选择合适的还原剂，采用热还原法将化合态的硅转变为游离态硅，但具体流程尚不明确。

[信息支撑，完善方案]信息： （1）焦炭还原后的粗硅中还含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质;（2）Si、杂质分别形成的氯化物沸点差异较大。请据此进一步细化提取流程。经探讨得到如图8所示流程，归纳得到如图9所示物质制备认知模型。

[符号表征]学生书写粗硅提纯涉及的反应的化学方程式，认识物质转化的规律。

设计意图： 引导学生学会从金属冶炼的经验进行迁移，从价态角度结合氧化还原原理，解决生产实际问题。通过问题的解答和探讨，建构物质制备的认知模型，诊断并发展学生物质制备的模型建构、模型运用能力。

[创设情境，激发责任意识]链接三则新闻资料： （1）我国高性能集成电路用硅严重依赖进口;（2）美国限制对华为芯片相关技术的出口;（3）日韩贸易摩擦，日本限制高纯HF出口，对韩国半导体产业影响巨大。

问题9： 高纯度的HF在半导体加工过程中的作用是什么？请用化学方程式表述原理。

[符号表征]学生书写硅与HF反应的化学方程式，认识硅单质性质的特殊性。

问题10： 对于上述三则新闻资料你有何感想？化学技术在信息产业中扮演了怎样的角色？

设计意图： 通过新闻资料解读，引起学生反思，我国在信息技术领域落后的现状，与古代灿烂文明形成的强烈反差，激发学生对信息时代我国核心技术缺失的忧虑，增强社会责任意识。

3.5片段5从碳基生命到硅基生命——畅想星际空间、人工智能时代含硅物质的深层价值

[创设情境，引发畅想]播放科幻电影《星际迷航》片段，引发学生畅想。

问题11： 碳与硅的原子结构相似，地球上以碳元素为基础形成了丰富多彩的生命世界，星际空间是否存在以硅元素为基础形成的硅基生命呢？如若存在，其客观环境应该满足怎样的要求？结合硅及其化合物的性质说明你推测的依据（图10）。

设计意图： 通过科幻影片，引发学生产生与化学相关的更多的想象空间，在展现化学学科独特魅力过程中让学生体验化学学科的社会发展价值，引发对生命世界的畅想和反思。

4教学反思

4.1元素化合物教学要注重科学与人文的有机融合

文化基础是中国学生发展核心素养的根基。刘庆昌教授认为，人文底蕴是文明人的基本标识，科学精神是现代人的基本品格。把这两者打通，“文化基础”所指向的，其实就是培养“文明现代人”或“现代文明人”的教育[5]。化学发展史与人类文明进步史休戚与共，依托元素化合物在人类文明进步中的作用构建元素化合物教学背景，有利于将人文素养与科学素养的培育融为一体，发挥两者育人功能的互补作用。本节课展开的过程，师生始终处于人文磁场的吸引中，课堂轻松愉悦，思绪自然交织、碰撞。丰富的人文情境，营造了富有人文情怀的课堂氛围，有利于激发学生探索自然的欲望;化学技术进步推动人类文明前行的历史事实，让学生真切体悟科技发展对人类生活的巨大贡献，增强对学科价值、社会價值的认同。

4.2元素化合物教学要为化学反应原理教学预留接口

鉴于现行的教材编排体系，化学反应原理知识滞后于元素化合物教学，教师在进行元素化合物教学时，对于部分物质的“反常规”转化其背后的热力学原理还不能做出有效的阐释，需要为原理的教学预留接口。硅及其化合物的诸多性质有其特殊性，如： 粗硅与焦炭反应为何生成CO而不是CO2？SiO2为何能在高温下与碳酸盐反应生成CO2？Si和SiO2为何能与HF反应？面对这些疑惑，教师既需要做出契合学生当时认知水平的合理解释，又要为今后从热力学角度解释预留空间，促进学生的认知水平的螺旋上升。

4.3促进提问的诱导功能与评价功能相融合

元素化合物教学中，创设情境的目的是为了引发实际问题，设置问题的价值不仅是为问题解决进行诱导铺成，更在于对学生的思维水平和思维质量进行度量。教、学、评一致的教学设计与实施，评价是检测教学目标达成程度的指示剂。课堂中多次采用“你能说出……吗？并说明理由”“请设计……并说明设计依据”等评价性提问，避免了学生在课堂进行随机性无依据的低效思考。指向评价的问题，不仅为了引导、拓展学生思考学科核心知识，更能显性地评价学生学科核心素养水平。因此，变诱导性提问为评价性提问，对于推进教、学、评一致性的课堂或许是一种有益的尝试。

致谢： 本课题在教学设计阶段、教后反思阶段、教学案例书写阶段，得到了杭州市基础教育研究室教研员、浙江省特级教师陈进前老师的悉心指导，在此致以深深的谢意！

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1.

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2014： 78～82.

[3][4]张青莲. 无机化学丛书（第三卷）[M]. 北京： 科学出版社， 1998： 212～220.

[5]刘庆昌. 人文底蕴与科学精神——基于《中国学生发展核心素养》的思考[J]. 教育发展研究， 2017， （4）： 35～41.