以STSE教育理念，培养学生的化学核心素养

谢敏随

摘要：从STSE教育理念出发，以“碳”的历史发展为主线，以体验式探究活动为载体，以信息化技术为媒介，让学生在轻松愉悦的环境中感悟物质的“结构—性质—用途”之间的关系，充分体会化学的学科价值，提升民族自豪感。关键词：初中化学;核心素养;STSE教育;教学重构

文章编号：1008-0546（2022）10x-0034-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

《义务教育化学课程标准（2011年版）》指出：“义务教育阶段的化学教育要激发学生学习化学的好奇心，培养学生的实践能力，引导学生认识化学、技术、社会、环境的相互关系，形成化学的基本观念，提高学生的化学学科素养”。[1]基于这一认识，笔者在开设龙岗区公开课——“金刚石石墨C60（第一课时）”时，从学生熟悉的生活情境入手，以体验式探究活动为载体，以碳单质材料的发展为主线，对培养学生化学学科核心素养和STSE教育理念做了一些探索。

一、教学主题内容及现状分析

本节课是人教版初中化学第六单元课题1“金刚石石墨C60（第一课时）”的内容。教材紧密联系生活实际，先图文并茂介绍了金刚石和石墨的结构、物理性质和用途，随后又介绍了木炭、活性炭等含有碳单质的材料在生活中的广泛应用，安排了木炭吸附实验，启发学生感悟物质的性质和用途之间的关系;最后介绍新型碳单质材料C60的结构及应用前景，并利用资料卡片穿插前沿科技进展，使学生认识到，随着科技的不断发展，会有更多碳单质的新形态被发现和应用。

教材内容丰富，对知识点要求不高。但笔者认为存在三个值得研究的问题：

1.教材先介绍金刚石和石墨两种碳单质，再介绍生活中木炭、活性炭这些含有碳的单质，最后又介绍新型碳单质材料，按照这样的编排顺序开展教学不够连贯、顺畅;

2.教材直接呈现出金刚石、石墨的结构，再介绍它们的物理性质和用途，只安排了木炭或活性炭的吸附实验，缺乏必要的证据让学生多方位感悟物质结构、性质和用途之间的关系;

3.新型碳材料在生活中的应用已经逐渐普及，但教材没有及时更新，与时代脱轨。

目前，基于人教版教学内容进行优化的教学设计主要有：（1）增加实验探究内容丰富感性体验，如：将金刚石切割玻璃的实验进行演示;[2]（2）强化“结构决定性质”这一观念，如：图片或模型展示金刚石和石墨的微观结构，[3]启发学生思考两种结构有何不同;（3）链接前沿科技拓展视野，如：图片或视频展示新型碳单质材料的发展和应用。[4]笔者认为，演示实验无法让学生获得更深刻体会，对于“性质反映结构”这一思维的建立缺乏有效探索，在开阔学生眼界的同时还可以渗透德育精神和爱国情怀。

二、教学思想与创新设计

党的十九大提出学校教育要落实“立德树人”，要重视“学科素养”。围绕这一核心目标和STSE教育理念，笔者对本节课的教学内容进行以下改进：

1.对课本内容进行重构，体现学科特征

首先从熟悉的生活情境入手，让学生感受“碳”（木炭、活性炭、焦炭、炭黑等）在生活中的广泛应用，这些“炭”都是含有碳单质的材料，属于混合物，由此启发学生思考“是否存在只由碳元素组成的纯净物？”再引出金刚石和石墨，这样的设计更能体现化学的分类思想，也能帮助学生区别“碳”和“炭”的不同。前面这些物质都是天然存在的，对于新型碳单质材料的引入，笔者启发学生思考“能否将天然石墨轉变成金刚石？”带领学生进入到21世纪人工合成时代，让学生认识到化学学科的特征是不断研究和创造新物质，以满足人类生产、生活的需要。

2.采用体验式探究式活动，培养学科素养

笔者利用“快乐盲盒”让学生大胆猜想生活中碳单质材料的主要成分及其物理性质，再通过实验探究让学生充分感受活性炭的吸附性、金刚石的硬度、石墨的质地和导电性。随后通过小组合作探究拼装出金刚石可能存在的微观结构，最后利用模型、动图和类比等方法帮助学生建立思维模型，从而构建物质“结构—性质—用途”的关系。这样的设计能打破传统知识传授型教学，更加符合学生的认知发展规律。

3.巧用微课，构建高效课堂

为了展示金刚石的璀璨和坚硬，笔者精心制作微课向学生介绍金刚石的用途，利用高清视频让学生感受到化学之美;为了探究金刚石和石墨都由碳元素组成，笔者利用微课进行课堂演示，启发学生从宏观的角度认识物质的组成;为了充分挖掘教材中的人文价值，激发学生的民族自豪感，笔者利用微课向学生介绍我国新型碳单质材料的研究进展及目前在国际上取得的最新成就，充分展示化学对人类美好未来做出的巨大贡献，落实“立德树人”的教育功能。

三、教学流程

本课的教学流程如图1所示。

四、教学过程

[引入]教师左手举起一大块黑灰的木炭，右手举起一颗璀璨的“大钻戒”（道具）。

[提问]它们都是由什么元素组成的？

活动一：感受“碳”的丰富多彩

1.混合物——含碳单质的材料（木炭、活性炭、炭黑等）

[实物展示]学生展示课前收集的碳棒电池、不同型号铅笔芯、冰箱除味剂、墨水、眉笔、碳粉墨盒等，并介绍这些材料的用途。

[讨论]“碳”和“炭”的区别。

[点拨]我们常说的“炭”指的是具体的物质，比如：木炭、活性炭、炭黑。这些物质的主要成分为碳单质，它们通常含有其他杂质，属于混合物。

[思考]有没有由碳元素组成的纯净物？

2.纯净物——碳单质（金刚石、石墨）

[图片]金刚石和石墨。

[提问]老师举起装有石墨电极和“钻石”的盒子，并提问盒子里有一共有几种物质？有几种元素？由一种元素组成的物质一定是单质吗？

[化学与STSE]播放视频，介绍金刚石可作为钻石和切割工具，也可应用于地质钻探等。

设计意图：该环节紧密联系生活实际，采用自主学习的方法，课前让学生寻找生活中的碳单质材料，并在课堂上进行展示、介绍其用途，同时利用图片和视频，让学生感受“碳”的丰富及在生产实际中的广泛应用，激发学生学习化学的兴趣。将木炭、活性炭的介绍放在石墨和金刚石的前面，再利用问题串和真实情境启发学生感受物质世界的多样性，这样的设计更能体现化学分类思想和学科特点。

活动二：感知“碳”的物理性质和用途

[快乐盲盒]猜猜我是谁？盒子里面有“钻石”、碳棒电池、2B铅笔、简易净水器、锁芯润滑剂等，让学生抽取并说出主要成分及其利用的物理性质，答对即可获得该奖品。

[实验探究]学生进行实验探究石墨、活性炭、金刚石的物理性质：

1.用手触摸铅笔芯，再刮下少量粉末进行观察，并用铅笔完成实验表格，感受石墨的质地和滑腻感。

2.将石墨电极和铅笔芯分别连接在电路上，观察哪个灯泡更亮。

3.用玻璃刀头上镶着的金刚石切割玻璃（有痕迹即可），注意安全。

4.将一半红墨水倒入装有活性炭的注射器（底部塞有棉花）中，挤出液体对比颜色。

[汇报]学生汇报实验现象和结论。

[小结]物质的性质决定用途，用途反映性质。

设计意图：从熟悉的生活材料入手，营造轻松、有趣的教学情境，调动学生的积极性。通过物质的用途大胆猜想它们有哪些性质，再通过体验式探究活动验证自己的猜想，使学生在愉悦的氛围中获取知识，发展思维，建立物质的“性质—用途”关系。

活动三：感悟“碳”的结构和性质

[过渡]璀璨的钻石人人都想拥有，但在科学家的眼中，它们不过是一堆“碳”。

[播放视频]在纯氧中燃烧金刚石和石墨，产物都能使澄清石灰水变浑浊。

[思考]宏观上金刚石和石墨都是由碳元素组成的碳单质，微观上它们都是由碳原子构成的，为什么物理性质会有如此大的差异？

[组装模型]以金刚石为例，请同学们利用手中的碳原子模型，组装出金刚石可能存在的微观结构。

[交流分享]金刚石是自然界中硬度最大的物质，因此微观上碳原子的排列应该是立方体结构，从数学角度分析，这样的结构比较稳固。

[模型]展示金刚石的立体网状结构模型。

[动图]演示立体网状结构的牢固和片层状结构的滑动。

[思考]片层状的结构决定石墨具备怎样的物理性质？

[点拨]微观上石墨是以平面六边形为骨架无限延长形成片层状结构，层与层之间作用力较弱，就像两张纸一样会滑动（教师演示两张纸之间互相摩擦的动作），因此，宏观上石墨体现出来的物理性质是细鳞片状，有滑腻感。

[小结]物质的结构决性质，性质反映结构。

[思考]能否将2B铅笔芯转变成璀璨的钻石？这一过程属于什么变化？

[点拨]由于碳原子的排列方式不同，金刚石和石墨的性质有明显差异。我们可以改变碳原子的排列方式，将石墨转变成钻石，该过程属于化学变化。

[化学与STSE]出示资料卡片，介绍人造金刚石的发展。

设计意图：利用钻石和石墨燃烧的视频产生强烈的视觉效果吸引学生眼球，引导学生从宏观角度认识物质的组成（都由碳元素组成），再通过学生自己动手组装模型，并利用动图演示和两张纸的摩擦模拟片层状结构的滑动，启发学生从微观角度认识物质宏观现象的差异（碳原子排列方式不同），初步建立“宏观辨识和微观探析”的思维模型，建立“结构—性质”的化学思想。

活动四：感叹“碳”的神奇

[过渡]21世纪，人类已经进入到人工合成时代，科学家发现并合成出许多新型碳单质材料。

[模型]展示C60的結构模型。

[思考]C60的是一种灰黑色固体粉末，其微观结构有何特征？如何用化学式表示？

[点拨]金刚石、石墨由碳原子构成，C60是由分子构成的碳单质，一个分子中一共有60个碳原子，形似足球，也叫足球烯。

[化学与STSE]出示资料卡片，介绍C60中空笼状结构，它能解决氢气运输和储存的问题。

[模型]展示碳纳米管、石墨烯的结构模型。

[思考]碳纳米管和石墨烯为什么导电性能非常优异？

[点拨]教师举起碳纳米管和石墨烯的结构，用手指在上面来回滑动，模拟光、热、电可以在上面快速穿梭，几乎没有阻碍。因此，碳纳米管和石墨烯具备优异的导电性、导热性和透光性，未来有望替代传统芯片制造出超级计算机。

[化学与STSE]播放视频：介绍我国新型碳单质材料的最新研究进展：目前只有我国可以制造出70cm长度的碳纳米管分子;中国利用石墨烯制备出全球首款可弯曲智能手机等。

设计意图：利用问题驱动提升学生思维品质，结合形象直观的微观模型结构帮助学生建立物质“结构—性质—用途”三者之间关系的化学思维模型;通过链接前沿科技信息渗透STSE教育理念，让学生体会化学学科对社会发展做出的贡献，同时激发学生的民族自豪感，使学生在收获知识的同时，获得思维和情感的升华，体现初中化学“立德树人”的教育功能，实现核心素养落地。

五、教学反思

本节课紧密联系生产、生活和科技发展等化学问题，是培养学生核心素养的良好载体。笔者结合STSE教育理念，从学生熟悉的生活情境入手，借助快乐盲盒等活动营造轻松愉悦的课堂氛围，采用问题驱动的方式搭建学生的思维阶梯，通过丰富的实验探究和模型拼装等体验活动让学生自己动手实践，从中感悟物质“结构—性质—用途”三者之间关系，通过微课激发学生的爱国情怀和学科自豪感，让学生由衷赞赏化学对社会发展的重要性，实现核心素养落地。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]夏玥然，陈凯.从学科发展和生活应用的视角学习碳的单质——“金刚石、石墨和C60”（第1课时）教学设计[J].化学教育，2013（6）：22-26.

[3]张云书.金刚石、石墨和C60教学案例分析（第1课时）[J].化学教与学，2017（4）：46-47.

[4]王晓芳，谷晓凤，粟智.基于STSE教育理念的“金刚石、石墨、C60”教学设计[J].中学化学教学参考，2020（9）：46-47.