基于核心素养的化学学科前沿知识融入高中化学教学实践研究

赵大洲

（陕西学前师范学院，化学化工学院，陕西西安，710100）

关键字：高中化学；前沿知识；核心素养；课程开发

0 引言

化学学科是一直不断变化和发展的，高中化学不仅要求学生学习好基础知识还必须融入前沿知识，但是当前高中化学课程内容满足不了学生的需求，教材中缺乏化学前沿知识。将化学前沿知识融入高中化学教学过程中，能更好地丰富化学教学内容，激发学生学习兴趣，帮助学生更广泛地了解化学知识［1］。化学前沿知识也可以向学生传递科研工作者的科学思想和科学精神，有利于学生核心素养的培养。

新时代的教育指导思想中提到要培养全面发展的人，与此同时要求进一步加强对学生核心素养的培养。学生不仅要掌握新时代的基础知识和技能，还要具有初步的创新精神和科学素养。中学教育是基础教育阶段之一，是树立学生良好品德、发展学生综合素养的关键。因此，最新《高中化学课程标准》明确了化学教育的定位——“以人为本”，优化了高中化学课程内容，增强了知识的趣味性、逻辑性、选择性。基于重视培养学生核心素养的前提，相关学科的教学过程中，教师需根据教学目标将前沿知识融入相应的教学过程，并且结合教材中的基础知识，将前沿知识融会在学生的知识框架中，让学生更好地适应时代的发展。新课标从化学课程标准中提取出化学学科核心素养的五个维度，为核心素养的命题思路构建框架，为高中化学学科的教学、课程开发指明方向。新课程积极践行“教、学、评”三位一体，力求让学生的化学素养得到提高，新形势下化学教学需要符合新课标的要求，提升学生的学科核心素养［2］。

“双减”政策将对课后服务的需求由社会的呼吁上升为国家意志，将校外培训治理由市场行业自律升级为国家政策规制，引发的教育变革也增加了教师课后延时服务、教学质量提升、作业治理开展等工作的压力和责任，对新时期教师素养提升和教学队伍建设提出了新要求。因此，在“双减”政策背景下，如何引导教师积极适应新的外部政策环境变化，就成为新时代教师队伍建设和教师专业发展领域不可回避的研究课题。

化学学科知识与我们的生活息息相关，仅仅掌握理论知识已经不能够满足人才培养的需求，要培养学生运用化学知识自主解决实际生活问题的能力，化学前沿知识的集成更有利于拓宽学生视野，弥补了化学教材更新过慢的不足，而且化学学科教材的每个章节之间有一定的独立性，前沿知识的融入使得章节间过渡变得更加自然，也便于学生对不同理论知识之间的关系进行主动探究。教师通过了解科学研究的过程使学生在学习知识中更好地感受知识的产生和发展，从而提升学生的基本化学科学素养。化学前沿知识不仅使学生获得丰富的科学知识，其探索的过程也有利于激发学生树立科学态度和承担社会责任，进而树立正确的人生观和价值观。

利用生物电催化技术将生物和电催化的优势有机结合起来，可以提高产品附加值，产生清洁的生物燃料、可降解材料，并可以促进生物电催化技术在蛋白质工程领域的应用。微生物在酶催化、生物燃料电池等方面的应用很广泛。李美星［3］等人从三个角度分析了化学教学内容与基本物质、实验、基本理论相关前沿知识的整合，提出要创设 “理、趣、疑、情 ”的情境，联系社会生活实际，重视科学思维和方法的渗透是一种有效的教学方法，并提出一线教师在将化学前沿知识融入课堂教学中存在的一些问题，同时针对问题给出相应对策。赵丽娜［4］就如何将化学前沿知识与高中化学教学结合在一起提出了一些建议：遵循学生的思维方式和成长规律，要引导学生形成对科学发展规律的正确认识；充分利用化学前沿知识创设教学情境，可以从基本概念和基本理论、元素化合物、化学计算、实验教学等方面入手，通过具体的教学案例，创设教学情境。何雯雯［5］提出了利用化学前沿知识创设教学情境、习题情景和利用化学学科前沿知识设计解决问题的有效教学方案。

赵文舒［6］以石墨烯为基础，结合石墨烯领域的最新研究成果，将碳纳米管、石墨烯、可燃冰等与“材料”相关的前沿知识结合到教学案例中。陈凯［7］等人提出的四个教学案例，如纳米材料、化学价定律的突破、元素周期表的更新、水的组成，可以使学生充分认识到化学与社会、生活紧密相连的关系，提高他们的学习热情。当前化学前沿知识在课堂教学中的地位日益受到人们的关注，通过大量的研究，并通过具体的教学实例，使之与教学策略相适应。然而，在化学核心素养的视野下，关于化学前沿知识融入化学教学的研究还很少。因此，本文基于核心素养对教育实习的学校师生进行调查分析。研究发现，师生获取前沿知识的途径太少，学生只注重学习基础知识。本文针对调查，分析化学前沿知识在教学过程中运用不足的原因，以发展学生化学核心素养为基础，对课程开发进行了初步探究，设计了具有基础性的教学片段，为化学学科前沿知识有效融入教学过程提出切实可行的策略：在现行高中化学教学过程中提高教师科学研究素养；将前沿知识作为导入新课的素材，使得教学内容的拓展素材不断渗透化学前沿知识，为高中化学的教学与时俱进确立良好基础。

2 课程开发原则

2.1 实际性原则

学生的认知水平有限，获取化学前沿信息的渠道受阻。在课程开发中，教师应认真考虑学生的兴趣和学习现状来设计课程内容。在实施课程开发时，教师要对教学内容进行规划，合理地安排课程内容［8］。高中阶段融入化学前沿知识的主要目的是让学生了解化学解决人类所面对的重大问题和当前新能源、环境、材料、生命、医学等学科相互融合发展的形势。

2.2 时代性原则

教育内容并非一成不变，随着政治、文化、经济、科技的飞速发展，以及信息时代的来临，学科的教学内容也必须跟上时代的步伐。为了使学生更好地适应社会的发展和变革，教师在课程开发中要注重时代前沿知识和社会热点的融入。

2.3 实践性原则

新课改背景下实现学生实践能力的培养及可持续发展，是我国实施素质教育的根本目的。在开发化学课程时，教师应合理制订教学内容，设计丰富的教学活动，让学生融入教学过程，让学生在自主实践中获得知识，培养核心素养。

3 课程开发教学设计

3.1 教学片段一：“可降解”塑料

创设情境：“白色垃圾”等污染的新闻视频。

教师提问：传统包装材料的优缺点？

学生活动：讨论并回答。

教师讲解：化学给人类社会生活带来便利的同时，“白色垃圾”等污染也带来了不少麻烦。目前世界上使用最广泛的包装材料是纸和泡沫板。但这些材料存在许多缺陷，如易吸湿、易挥发、不环保，容易产生白色污染等。传统塑料是由高分子聚合物组成的，很难自然降解，污染环境。

展示材料：可降解塑料的降解过程材料展示。

组织讨论：可降解塑料在生活中的应用。

前沿导入：通过设计特定的单体，科学家们成功地合成了在一般环境中容易降解的塑料，这些塑料具有优良的性能，可以通过热解或化学电解转化为原始单体，从而实现多次循环使用。可降解塑料对环境友好，在自然环境中容易分解成对环境友好的小分子，被光、生物和其他因素完全降解。可降解塑料拥有广泛的原材料，摆脱了普通塑料对化石资源的依赖，在农业、包装、汽车和医疗等方面占有重要地位。然而，可降解塑料的发展也存在很多问题，如耐热性和机械性能比普通塑料差，价格也比传统塑料高等。目前，可降解塑料仍处于发展阶段。

设计意图：该教学片段可以引入人教版高中化学必修二第八章第三节《环境保护与绿色化学》的教学过程，可降解塑料的应用是控制“白色污染”的根本途径，但在目前的发展中，可降解塑料由于自身的缺点，无法完全替代传统塑料。可降解塑料的引入可以增强学生的环保意识，培养学生的社会责任意识，可降解塑料的最新科研进展可以拓展学生的视野，有效渗透“绿色化学”的概念。

3.2 教学片段二：催化剂的大有作为

创设情境：通过所学习的催化剂的知识概括催化剂的特点。

学生活动：小组讨论交流总结催化剂的特点。

教师讲解：催化剂具有能够加速化学反应速率的作用，其组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化，因此被人们广泛应用。

教师提问：我们通过之前做的过氧化氢在常温下的分解实验了解到二氧化锰是一种重要的催化剂，那么同学们还知道有哪些催化剂也存在着十分重要的作用吗?

学生思考：讨论并回答。

展示资料：甲烷高效制甲醇材料展示。

前沿导入：甲醇是基本的化学原料之一，甲烷在地球上的储量极为丰富，但是如何将甲烷转化成甲醇一直是困扰化学科研者的难题。而前不久，我国的科研团队设计出一种新型的催化剂，在低温下甲烷可以高效转化为甲醇，是目前转化极限的重大突破。这种催化剂采用的是沸石分子筛材料，在材料内部的小于1 纳米的孔道里布满具有催化活性的金钯(Au-Pd)合金纳米颗粒，它们能催化氧气和氢气形成双氧水，也能催化双氧水氧化甲烷生成甲醇。但是由于双氧水的扩散使得转化效率并不是很高，团队设计出一种分子围栏。分子筛的表面装饰有一层分子厚度的疏水涂层，因此疏水的双氧水分子被围栏阻挡，但氧气、氢气和甲烷分子可以顺利移动，这样一来双氧水就可以在反应器中与甲烷充分接触，甲醇就得以持续产生。目前，世界上的化石燃料消耗过大，这一研究成果能够有效缓解煤和石油等化石燃料耗竭带来的危机。

设计意图：该教学片段可以引入人教版高中化学必修二第六章第二节《化学反应速率与限度》的教学过程，学生对催化剂能够有一定的认知，教学片段中涉及的化学前沿知识展示了催化剂在促进化学反应速率方面所起的重要作用。在这个化学前沿知识中，学生还可以了解化学科研者如何解决在科研过程中遇到的阻碍以及学习在研究过程中的科学思维方法。

3.3 教学片段三:可穿戴的“智能”纺织材料

创设情境：同学们可能对可穿戴智能设备有一定的了解，比如智能类手表、运动鞋以及谷歌眼镜等，但是因可穿戴智能设备成本高，并且存在电池续航短以及有辐射、隐私、等一系列的问题，目前还没有被普及。

教师提问：假如同学们是一名科研人员，你希望制造出什么样的可穿戴设备呢?

学生活动：学生积极参与，小组讨论交流。

教师讲解：我们先来了解一款不同的可穿戴设备。某科研团队利用一种独特的无机颜料纳米颗粒，在不损害红外特性的情况下实现对红外透明聚乙烯纺织品进行着色，弥补了该纺织品在可着色方面缺乏可调性的不足。

展示资料：这种纺织品的着色成分是红外吸收可忽略的无机NPs，可以通过扩展的混纺、挤出和编织工艺制成。这种纺织品不仅可以调节颜色还具有良好的耐洗涤稳定性。这种简便的着色方法将促进辐射冷却纺织品在可调节温度的可穿戴应用中的商业化。

前沿引入：心血管系统疾病是对人类健康和生命构成威胁最大的一组疾病，能够检测出心血管疾病等健康问题的检测设备也逐渐成为人们关注的热点，一种用来检测心血管疾病的基于花瓣结构的织物压力传感器应运而生。该研制团队将穿戴衣服与美学设计相结合，其原理是采用摩擦纳米发电机，利用金属-聚合物混合导电纱线与镀银导电织物相结合，再将混合导电纱线以花瓣图案与导电织物缝制在一起，当织物传感器贴附在人体动脉部位时，脉搏的周期性跳动压力传递给花瓣结构的摩擦材料层，使得金属-聚合物混合纱线和镀银导电织物之间产生相对运动，电子通过外部电路进行流动。脉搏周期性地跳动，通过传感器就能产生周期性的电信号。该项可穿戴系统极大地改善了传统医疗设备庞大、佩戴不舒适、操作复杂等不足之处，也为人体脉搏监测和睡眠呼吸综合症的诊断提供了一种新颖、经济、高效且方便使用者操作的可行方案。

设计意图：该教学片段先向学生创设一个问题情境，可以引出人教版高中化学必修二第七章第二节《乙烯与有机高分子材料》的内容学习，对于设计可穿戴设备每个学生都有自己独特的想法，以这样的问题作为导入不仅可以激发学生学习兴趣，还可以让学生保持专注。再引出两个化学前沿知识,通过这两种可穿戴设备应用和原理的不同。红外透明聚乙烯纺织品是研究织物的着色性能和温度调节性能，而可穿戴的“智能”织物是用于监测心血管健康。但这两个前沿知识都更贴近平时的生活实际，对学生将来职业的选择起到一定的导向作用，该素材有助于促进学生“科学探究与创新意识”的化学核心素养的提高。

4 结论

化学核心素养的各个组成部分是相互关联的。《义务教育化学课程标准》明确指出：学生要具备初步的实验能力、观察能力和思维能力、发展合作与交流等多方面的基本活动经验，学会学习是关键。“转变观念，平衡思想”是认识化学所需要的思维方式，“证据推理模型认知”是实事求是的科学态度，体现了化学的严谨性，“科学态度探究，创新意识”是化学核心素养社会责任典型代表。

教师在课程开发过程中形成的教学计划，可以在教学过程中实施、完善、反思和总结，可以逐步认识到现代教育的本质是实施全面发展，继而推动素质教育的实施。教师应积极探索，自我反思，在实践中主动了解教育发展的新动向。在高中化学教学过程中，向学生介绍化学前沿领域的最新成果、最新进展和重要问题，可以有效帮助学生了解我国化学科学发展所面临的机遇和挑战。