基于化学核心素养的真实问题情境教学设计与实施——以元素周期表的应用为例

李 楠

（上海市七宝中学 上海 201101）

真实问题情境，是指为教学开展提供的一种有真实意义、能帮助学生在原初或相似的生活和生产情景中发现问题、探寻未知、解决问题，使得教与学围绕社会问题顺利展开的情境。［1］《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）明确指出，真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。［2］

因此，创设真实且有意义的问题情境是以核心素养为本的课堂教学的重要载体，这不仅能激发学生的学习兴趣，提高学习的内驱力，还能让学生在解析问题的过程中自主构建学科知识，完善思维体系，进行知识内化，加强对知识的理解、提升迁移应用能力，体验到知识的应用价值和隐含着的文化精神，进而落实化学学科核心素养。

一、基于化学核心素养的真实问题情境的设计

张小菊、王祖浩指出，一个优质的、结构完整的化学课堂教学情境应具备以下结构特征：发生在一定的时空条件下，围绕化学核心概念或科学方法而展开的具体事件；包含将要解决的化学学科的核心问题；建立在学生已有的化学知识基础之上、为学生的交流和参与化学特定主题的学习提供框架；围绕核心事件的素材、源于学生的日常生活或具有当代社会发展意义的主题。［3］课堂教学中的情境素材不应只是简单情境资料的堆砌，有价值的教学情境一定是隐藏学科问题的真实情境。因此从精选情境素材到真实问题情境教学的转化还需要教师的再创造。

王伟、王后雄提出从情境素材到生成课堂教学情境的逻辑路线，即教学目标—情境素材—教学活动，认为三者是相互作用的统一体，情境素材的收集与使用受到教学目标的制约，而基于情境素材设计的教学活动又可以服务于教学目标的达成。［4］

结合上述观点，根据笔者对新课标的学习，基于化学核心素养的真实问题情境教学的设计可形成如图1所示的流程图。即基于学科核心素养的要求，对教学内容进行总体的审视与把握，明确素养导向下的核心知识以及课标要求；根据核心知识合理选取素材，使精选素材真正服务于课堂教学；基于学生的认知规律分析各情境素材之间的逻辑连接关系，创设真实且有意义的问题情境；最后基于问题情境提炼出化学问题，设计教学活动，引发学生的认知冲突，引导学生进行知识的建构和学习的迁移，最终养成学科态度，提升学科素养。

图1 基于化学核心素养的真实问题情境教学设计流程

二、基于化学核心素养的真实问题情境教学的具体案例

元素周期表是公认的学习和研究化学的有力工具，在工农业生产中发挥着不可替代的指导作用。周期表的发现及发展史，更是培养学生“证据推理与模型认知”“科学精神与社会责任”等学科核心素养的绝佳素材。然而现有的常态教学中往往是根据“位—构—性”的关系，帮助学生建立元素推断的思维模型，却忽略了周期表在实际生活中的重要价值，教材中也只是通过几段文字介绍周期表在生产生活中的应用，显然不能让学生对门捷列夫编制元素周期表的革命性意义产生深刻认识，也无法切实体会到周期表与科学技术发展之间的重要关系，这些都有可能造成浅层学习，需要对教材进行二次开发。

1.核心知识提炼

“元素周期表的应用”选自沪科版高二化学第九章第二节“元素周期表”第三课时的内容，教材将其安排在高中阶段元素化合物的学习之后，对原子结构、周期表的结构及元素周期律有了一定的理性认识的基础上，其目的就是以此为知识载体使学生初步学会在元素周期律和元素周期表的指导下探究化学知识的学习方法，建立元素在周期表中“位置-结构-性质”间的关系，并通过对一些特殊材料寻找的简单介绍使学生感悟到周期表在工农业生产方面所起的指导作用，深刻认识元素周期表是学习和研究化学的重要工具。新课标对该课题的学习要求是“体会元素周期表在学习元素化合物知识与科学研究中的重要作用；能结合相关资料说明元素周期表对合成新物质、制造新材料的指导作用”。

2.情境素材选择

基于学科核心素养的要求，从丰富的情境资料中选取了与本节课核心知识、核心思想及核心素养相关联的素材，具体如表1：

表1 基于核心素养下的元素周期表应用的情境素材选择

3.真实问题情境创设

基于学生的认知发展顺序编辑素材，分析各情境素材之间的逻辑连接关系，创设了以时间为横轴，以化学史和科技发展史为纵轴的动态情境，从1869年门捷列夫编制第一张元素周期表开始，到2006年俄罗斯科学家宣布合成118号元素结束，在这横跨100多年的历史中，通过“初识元素周期表→再识元素周期表→深识元素周期表”三个教学环节，将元素周期表应用中的知识方法主线和情感主线串联起来，进而深刻认识到门捷列夫所编制的元素周期表给研究化学所带来的革命性意义，体会到元素周期表在工农业生产中的指导作用。具体问题情境见图6。

4.教学活动设计

基于以上问题情境设计教学活动，将学生置身于一个高度情境化的真实场景中，通过“推断未知元素的相关性质”“查阅元素发现史”以及“三次寻找制冷材料”的任务活动，使学生体验类似科学家进行科学探索的一般过程，在真实问题情境中逐步形成归纳、演绎等解决问题的方法。以“三次寻找制冷材料”为例，通过运用化学研究中“发现问题—理论预测—搜集证据—分析推理—得出结论”的科学方法，体会元素周期表在工农业生产中重要的指导作用，感受化学在积极应对能源消耗、环境污染等全球性问题上作出的贡献，激发学生的爱国情感和社会责任感，落实化学核心素养，此部分的教学活动实录如下。

【科研情境一】制冷与我们的生活息息相关，全球能源有近1/3用在制冷上。所以寻找一种节能环保的制冷方式意义重大。

【PPT】展示20世纪初的一些制冷剂（见表2），并指出早期制冷剂使用时存在的安全隐患。

表2 部分制冷剂的性质

【学生活动】根据学案上信息及元素周期律的知识，试着寻找一种不易燃无毒安全的制冷剂，并将结果填写在学案上（见表3）。

表3 部分氢化物的毒性和可燃性比较

【提问】根据比较结果，科学家找到两种物质CF4及CCl4，二者不易燃烧且毒性比较小。但相比于以前的制冷剂，CF4沸点-128℃，比较低、不容易液化，CCl4沸点76.8℃，比较高、不容易蒸发。能否找到一种制冷剂的沸点是介于两者之间的呢？

【学生回答】例如CFCl3、CF2Cl2、CF3Cl等。

【数据支撑】CFCl3沸点：23.7℃，CF2Cl2沸点：-29.8℃，CF3Cl沸点：-81.3℃。

【过渡】以上这些物质就是氟利昂，氟利昂通过元素周期表寻找出来之后在很长一段时间中都是制冷剂的代名词，但由于它对环境的破坏性已经在全球范围内被慢慢禁用了，那么是否能寻找到一种既环保又能起到制冷效果的制冷材料呢？

【科研情境二】20世纪60年代，半导体制冷片开始大规模应用。半导体制冷是一种固体制冷方式，与传统的压缩机制冷系统相比，没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪声，无污染。

【教师】简单讲述半导体制冷器的工作原理，介绍半导体是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

【学生活动】根据半导体的性质，在元素周期表中寻找适合作半导体材料的元素。（见图2）

图2 元素周期表

【继续设疑】周期表中金属元素与非金属元素分界线附近的元素很多都是良好的半导体材料。据研究显示，在同族元素或同种类型的化合物之间，制冷效果随着平均原子量的增长呈上升趋势，目前常常使用的有Sb2Se3，其他类似的还可以是什么？

【学生回答】根据同主族元素性质相似，可以找到例如Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3等等。

【数据支撑】见资料卡片

【过渡】为提高制冷效果，所采用的高纯稀有半导体制冷材料成本较高、能耗较大，严重地阻碍了半导体制冷器的产业化发展，那么还能寻找到又环保又节能的制冷材料吗？

【科研情境三】21世纪初，科学家开始转向高性能的室温磁制冷技术研究，室温磁制冷技术具有零GWP（全球变暖潜能）、零ODP（臭氧消耗潜能）、高效、低噪音等特点，有望成为具有重要应用前景的制冷技术之一。

【教师】介绍磁制冷技术，简单讲述其原理。

【提问】要实现这种技术的发展，归根结底是磁性材料的寻找！目前我们所熟悉的磁性材料中以含Fe元素居多，利用元素周期表，还能寻找到其他适合做磁性材料的元素吗？

【学生回答】与铁元素同属于第Ⅷ族的Co、Ni等元素。（见图3）。

图3 第Ⅷ族元素

【PPT】展示部分磁性材料（见图4）

图4 部分磁性材料

【继续提问】后来人们又发现Gd（钆元素）具有巨磁热效应，用来做室温的磁制冷材料更好，要找到类似钆具有巨磁热效应的元素，你会把目光聚焦在元素周期表的哪块区域呢？

【学生回答】周期表中钆（Gd）元素所在的镧系元素或锕系元素。（见图5）。

图5 镧系元素以及锕系元素

【教师】展望我国稀土磁制冷材料的发展前景。

【总结】翻开教材附录中包含118种元素的周期表，这张元素周期表的价值，不仅仅局限于制冷材料的寻找，它在农药、催化剂、耐高温的合金材料等等新型物质的寻找上都发挥着它巨大的、不可被替代的指导作用！

5.教学设计思路图

通过在素养导向下提炼核心知识，根据核心知识精选素材，并创设真实问题情境，基于问题情境设计教学活动最终形成如图6所示的教学设计思路。

三、结语

真实具体的问题情境是化学核心素养形成和发展的重要平台，具体的实施策略则是以“学科核心素养”为主旨，以“学科知识”为中心，以“情真意切”为境界，以“教学活动”为途径贯穿和落实，寓理于情、融情于境，将情境素材和教材知识密切结合。只有为学生创设“真情境”，引出“真问题”，实施“真活动”，才能让学生习得“真知识”，生成“真智慧”，从而使相对枯燥的知识灵动飞扬起来，最大限度地激发学生学习化学的兴趣，使核心素养的培育真正落到实处，凸显化学学科的育人功能。

图6 元素周期表应用的教学设计流程图