關(guān)于高中化學(xué)“二氧化硅和硅酸”三個(gè)教學(xué)難點(diǎn)的研究述評(píng)

黃毓展+鄢錢揚(yáng)義+蔡立媚

摘要：硅元素及其化合物的教學(xué)是高中化學(xué)課程中的重要課題，分析探討課題的教學(xué)難點(diǎn)問題具有較高的研究?jī)r(jià)值。本研究首先從文獻(xiàn)研究入手，基于中國(guó)期刊網(wǎng)2000-2016年的49篇與高中化學(xué)“二氧化硅和硅酸”教學(xué)研究相關(guān)的文獻(xiàn)，對(duì)其研究概況中的研究趨勢(shì)以及研究?jī)?nèi)容分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)深圳市某中學(xué)高一年級(jí)兩個(gè)班級(jí)共88名學(xué)生進(jìn)行開放式問卷調(diào)查，確立學(xué)生在本課時(shí)學(xué)習(xí)中的三個(gè)難點(diǎn)問題，即二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)、二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)教學(xué)以及硅元素的應(yīng)用教學(xué)，著重分析其在教材和文獻(xiàn)中的教學(xué)方法，最后結(jié)合文獻(xiàn)分析對(duì)“二氧化硅和硅酸”中的三個(gè)教學(xué)重難點(diǎn)的突破提出建議。

關(guān)鍵詞：硅元素；結(jié)構(gòu)教學(xué)；性質(zhì)教學(xué)；應(yīng)用教學(xué)；教學(xué)綜述

文章編號(hào)：1008-0546（2017）08-0002-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.001

一、問題的提出

硅元素作為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代高速發(fā)展的決定性元素，作為無機(jī)非金屬材料的主角，是學(xué)生從學(xué)習(xí)金屬元素過渡到非金屬元素的開端，近年來在教材中的地位越發(fā)突出。本文以硅的相關(guān)教學(xué)研究論文作為對(duì)象，對(duì)其已有的教學(xué)研究概況進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)一線教師的訪談以及對(duì)學(xué)生的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在這節(jié)課的學(xué)習(xí)中普遍存在三個(gè)問題：

（1）對(duì)二氧化硅的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不到位，不理解為什么二氧化硅屬于原子晶體而不是分子晶體，且既然二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)為硅氧四面體結(jié)構(gòu)，但其硅氧原子的個(gè)數(shù)不是1∶4而是1∶2。

（2）關(guān)于二氧化硅和氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)問題，為什么盛放堿液的試劑瓶不能用玻璃塞，但試劑瓶本身卻是玻璃制品。

（3）硅元素各種化合物的應(yīng)用問題，學(xué)生非常容易混淆。針對(duì)這三個(gè)難點(diǎn)問題，本文對(duì)教材和已有文獻(xiàn)中采用的教學(xué)方法以及教學(xué)手段進(jìn)行歸納分析，結(jié)合已有的文獻(xiàn)，提出微教學(xué)設(shè)計(jì)的思路，以供教學(xué)參考。

二、無機(jī)非金屬材料的主角——“硅”的教學(xué)研究概況

1. 教學(xué)研究趨勢(shì)分析

本文從文獻(xiàn)研究入手，以“硅元素”、“二氧化硅”、“硅酸鹽”、“結(jié)構(gòu)”、“性質(zhì)”以及“應(yīng)用”等作為關(guān)鍵詞進(jìn)行組合，檢索2000 -2016這17年來中國(guó)期刊網(wǎng)上相關(guān)教學(xué)文獻(xiàn)，截止2016年9月，共搜得49篇文獻(xiàn)，其中包括期刊文獻(xiàn)44篇，碩士論文3篇，會(huì)議記錄2篇、博士論文0篇。以下是按年份對(duì)論文數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖1。

從圖1可以看出，在2000年至2015年16年間，有關(guān)硅的教學(xué)研究文獻(xiàn)數(shù)量總體趨勢(shì)是增長(zhǎng)的，說明了隨著硅及其相關(guān)化合物廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)及材料科學(xué)中，更多教學(xué)工作者對(duì)硅的教學(xué)也給予更多的關(guān)注。硅的教學(xué)研究文獻(xiàn)多發(fā)表于《化學(xué)教學(xué)》、《化學(xué)教育》、《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》 這種課程教學(xué)期刊上，2009年首次出現(xiàn)與硅相關(guān)的碩士論文，這是一個(gè)新的突破。然而，關(guān)于硅的教學(xué)研究論文，鮮有研究者對(duì)其進(jìn)行持續(xù)深入的研究，也沒有相關(guān)博士論文出現(xiàn)，這為以后其他研究者提供了一個(gè)方向。

2. 教學(xué)研究?jī)?nèi)容分布

在研讀以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納有關(guān)“硅”的教學(xué)研究文獻(xiàn)的內(nèi)容，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在49篇文獻(xiàn)中，主要分為四類，分別是：（1）硅及其化合物的結(jié)構(gòu)教學(xué)探討；（2）硅及其化合物的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)；（3）硅及其化合物的教與學(xué)設(shè)計(jì)；（4）硅及其化合物的教學(xué)理論反思，其分布趨勢(shì)如圖2。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在硅的教學(xué)研究相關(guān)文獻(xiàn)中，教與學(xué)的設(shè)計(jì)是教學(xué)工作者最多關(guān)注的部分，有22篇文獻(xiàn)，占總數(shù)的44.9%；其次是教學(xué)理論反思，有14篇文獻(xiàn)，占總數(shù)的28.6%。對(duì)于相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)研究，只有8篇文獻(xiàn)；而硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)研究，則更少人關(guān)注，僅找到5篇文獻(xiàn)。分析其原因是由于教材中對(duì)于二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)這兩方面涉及不多，課標(biāo)等的相關(guān)要求不高，導(dǎo)致教師們對(duì)于這兩方面的教學(xué)研究有所忽略。

三、教學(xué)難點(diǎn)問題的確立與分析

1. 教學(xué)難點(diǎn)問題的確立

（1）訪談高中一線化學(xué)教師

在對(duì)教學(xué)文獻(xiàn)進(jìn)行粗讀后，筆者針對(duì)此課例在實(shí)施過程中的教師發(fā)現(xiàn)的教學(xué)重難點(diǎn)問題，在廣東省2014年中小學(xué)骨干教師省級(jí)培訓(xùn)中學(xué)化學(xué)研修班項(xiàng)目中，對(duì)來自廣東省各地區(qū)不同層次高中的42名一線骨干教師進(jìn)行隨機(jī)訪談，訪談一線教師在本課例教學(xué)過程中認(rèn)為的難點(diǎn)問題以及解決方法。其中有37名教師提到關(guān)于二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)的問題：由于目前高一的學(xué)生沒學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，分不清什么是原子晶體、什么是分子晶體，對(duì)于為什么沒有SiO2分子以及SiO2是化學(xué)式，僅表示物質(zhì)組成，而不能表示分子組成，這些類似的問題，學(xué)生很難理解，高一的時(shí)候由于課程安排等原因，一般也不深入講解，就讓學(xué)生記住結(jié)論。另外，也有22名老師提到：學(xué)生在含硅元素的應(yīng)用上，經(jīng)?；煜?，特別是光纖和半導(dǎo)體材料的主要成分；而這一塊解決的方法主要以練習(xí)熟記為主。

（2）學(xué)生難點(diǎn)問題開放式調(diào)查

為了更準(zhǔn)確地確定學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，本研究課例采用了先學(xué)后教的教學(xué)方式。即在課前利用教師自制的教學(xué)視頻以及學(xué)案，由學(xué)生先進(jìn)行自學(xué)；并收集學(xué)生完成的學(xué)案，統(tǒng)計(jì)學(xué)生提出的問題。學(xué)案的最后，通過一個(gè)開放性的問題“關(guān)于本節(jié)課你還有什么疑問，提出來匯總到課代表處”，了解學(xué)生其他學(xué)困點(diǎn)，防止由于學(xué)案設(shè)計(jì)考慮不完整而影響對(duì)學(xué)生關(guān)于知識(shí)的掌握情況的判斷。研究對(duì)象為深圳市某市屬中學(xué)的高一理科學(xué)生，共兩個(gè)班88人，參與課堂人數(shù)為88人；學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過金屬及其化合物的知識(shí)，對(duì)學(xué)習(xí)元素化合物的方法有了一定基礎(chǔ)；由于該校較重視信息技術(shù)的課程，研究對(duì)象對(duì)利用電腦教學(xué)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)在技術(shù)上基本不存在問題；該校屬于深圳市屬的前列，學(xué)生自學(xué)能力較于其他同齡者屬于前列。

通過分析學(xué)生完成的學(xué)案，教學(xué)者收集并整理分析學(xué)案中學(xué)生比較集中的錯(cuò)誤；在本次研究中參與課前自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)者總?cè)藬?shù)是88人，上交的學(xué)案總共有88份，通過整理分析，學(xué)生的主要提問可以分為兩大類，第一類是二氧化硅的結(jié)構(gòu)問題：有31人提及：二氧化硅是原子晶體，二氧化碳是分子晶體，兩種晶體怎么判斷？有什么不同？而有44人提到：為什么硅氧四面體硅氧比是1∶4，但由硅氧四面體構(gòu)成的二氧化硅，硅氧比卻是1∶2？第二類是二氧化硅的性質(zhì)問題：有76人提及：盛放堿液的試劑瓶不能用玻璃塞，但試劑瓶本身就是玻璃制品，是不是矛盾了？類似的問題還有：硅的還原性要比碳強(qiáng)，但是卻能發(fā)生以下的反應(yīng)：2C+SiO2 Si+2CO，是不是也矛盾了？有18人提及，這些問題本質(zhì)上就是化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)條件的關(guān)系的問題。

根據(jù)教師訪談與學(xué)生提問統(tǒng)計(jì)，確立三個(gè)問題為本節(jié)課難點(diǎn)問題，對(duì)所查閱到的文獻(xiàn)中，針對(duì)這三個(gè)難點(diǎn)問題的教學(xué)情況進(jìn)行分析。

2. 教學(xué)難點(diǎn)問題的分析

（1）難點(diǎn)問題一：二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)狀況分析

關(guān)于二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)，人教版高中化學(xué)的教材中，首先在前言提及了硅元素的原子結(jié)構(gòu)，說明其與碳原子相似具有穩(wěn)定性；然后通過科學(xué)視野欄目介紹二氧化硅的硅氧四面體結(jié)構(gòu)，指出二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)是由Si和O按1∶2的比例所組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。學(xué)生在學(xué)習(xí)二氧化硅的結(jié)構(gòu)的時(shí)候，由于缺少必要的化學(xué)鍵和晶體方面的知識(shí)，對(duì)于二氧化硅為什么屬于原子晶體這一事實(shí)難以理解，特別是不理解為什么二氧化硅的基本結(jié)構(gòu)單位是硅氧四面體，但是硅氧個(gè)數(shù)比卻是1∶2。

在對(duì)期刊文獻(xiàn)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)后，有4篇文獻(xiàn)專門探討了硅及二氧化硅結(jié)構(gòu)教學(xué)，主要有兩種：第一是對(duì)比-聯(lián)想的方法[1-2]，由金剛石與二氧化硅的結(jié)構(gòu)對(duì)比講解；第二則是從晶體化學(xué)計(jì)算的角度去講解二氧化硅的硅氧原子個(gè)數(shù)比為1∶2的原因[3-4]。而在20篇教學(xué)案例文獻(xiàn)中，僅6篇教學(xué)設(shè)計(jì)涉及了二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)，其中謝意純、張艷艷[5-8]等老師是采用在課堂上展示硅氧四面體結(jié)構(gòu)的圖片，加以講解輔助教學(xué)，葉東輝老師[9]則采用了二氧化硅的結(jié)構(gòu)模型展示輔助教學(xué)，而南京的江敏老師[10]則通過對(duì)地球的各種元素之間的含量計(jì)算，以一個(gè)比較新穎的角度，去說明硅氧之間的比例關(guān)系。

總體來看二氧化硅結(jié)構(gòu)教學(xué)在這些案例中教師均是略作講解，把二氧化硅屬于原子晶體，以及硅氧個(gè)數(shù)比為1∶2這些知識(shí)點(diǎn)直接講授給學(xué)生，學(xué)生在教學(xué)過程中被動(dòng)地接受知識(shí)，至于硅氧四面體實(shí)際的晶體模型卻不甚了解。

（2）難點(diǎn)問題二：二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)教學(xué)情況分析

在二氧化硅的性質(zhì)教學(xué)中，主要涉及了二氧化硅作為酸性氧化物具有的性質(zhì)，包括共性（與強(qiáng)堿反應(yīng)，與堿性氧化物反應(yīng)）和特性（不與水反應(yīng)，會(huì)與氫氟酸反應(yīng)）。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了同主族碳的氧化物二氧化碳的性質(zhì)，具備了一定的有關(guān)酸性氧化物性質(zhì)的基礎(chǔ)知識(shí)，因此在學(xué)習(xí)二氧化硅的性質(zhì)時(shí)，通過聯(lián)想和對(duì)比，在方程式的書寫上掌握情況是比較好的。

然而通過訪談和學(xué)生問卷的結(jié)果顯示，學(xué)生在學(xué)習(xí)二氧化硅的性質(zhì)的時(shí)候，普遍都對(duì)二氧化硅與氫氧化鈉的反應(yīng)存在疑問。人教版教材中關(guān)于二氧化硅與氫氧化鈉的反應(yīng)，安排了一個(gè)圖片，設(shè)置了問題“為什么實(shí)驗(yàn)室盛放氫氧化鈉溶液的試劑瓶用橡膠塞而不用玻璃塞”，通過學(xué)習(xí)學(xué)生可以了解這是由于玻璃塞中二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)生成了硅酸鈉，會(huì)黏住瓶口，而學(xué)生的疑問是：試劑瓶本身也是玻璃制品，主要成分也是二氧化硅，為什么卻可以用來盛放氫氧化鈉溶液？類似的問題還有：硅的還原性要比碳強(qiáng)，但是卻能發(fā)生以下的反應(yīng)：2C+SiO2Si+2CO，是不是也矛盾了？實(shí)質(zhì)上也是化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生與條件的關(guān)系的問題，弄清這一點(diǎn)，對(duì)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的理解是有所幫助的。

這些看似矛盾的問題，教材并未對(duì)此進(jìn)行討論。在所查閱到的文獻(xiàn)，對(duì)于二氧化硅和氫氧化鈉的反應(yīng)，教師只強(qiáng)調(diào)了玻璃塞和橡膠塞的問題，對(duì)于試劑瓶的問題，沒有一篇教學(xué)案例設(shè)計(jì)文獻(xiàn)提及。

（3）難點(diǎn)問題三：硅元素的應(yīng)用教學(xué)情況分析

人教版必修一教材中，硅元素則作為非金屬元素學(xué)習(xí)的開端，由于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展以及材料科學(xué)的進(jìn)步，硅及其化合物在建筑、通訊、光電以及航空航天領(lǐng)域有著不可替代的作用，因此在教學(xué)過程中應(yīng)該更突出其非金屬材料的主角地位。

含硅元素應(yīng)用的講解，關(guān)于教學(xué)活動(dòng)安排上，大部分教師采用播放視頻的形式，讓學(xué)生了解硅元素的廣泛應(yīng)用，然后自行進(jìn)行復(fù)習(xí)歸納，加以練習(xí)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)；或者是在講解硅及其化合物的時(shí)候提及，學(xué)生課后自己練習(xí)鞏固的形式，學(xué)生在其中的參與度并不高。

其中劉煥琴老師[11]采用了布置任務(wù)，由學(xué)生在課前對(duì)硅及其化合物的應(yīng)用查閱相關(guān)資料，然后在課堂上分享交流參與討論，最后教師總結(jié)這種先學(xué)后教的設(shè)計(jì)，學(xué)生的參與度和自主度就得到了體現(xiàn)。另外南京的江敏老師[10]，通過對(duì)中國(guó)建筑歷史的追溯，在硅的教學(xué)上融合于社會(huì)生活；浙江的魏樟慶老師[12]，強(qiáng)調(diào)文化視角下關(guān)于硅元素的應(yīng)用如玻璃、陶瓷、水晶、光纖等等，看得出近年來教師們更加關(guān)注元素教學(xué)與社會(huì)生活的融合并進(jìn)，也側(cè)面凸顯了硅作為無機(jī)非金屬材料的主角地位。

雖然硅及其化合物的應(yīng)用廣泛，學(xué)生平日接觸的機(jī)會(huì)也多，如電腦芯片、光纖、太陽能電池等，但是這些物質(zhì)的主要成分學(xué)生卻經(jīng)常混淆，分不清什么物質(zhì)對(duì)應(yīng)含硅元素的什么化合物；這一方面是由于知識(shí)點(diǎn)本身較散亂，另一方面也是由于教師沒有在教學(xué)過程中很好地體現(xiàn)分類思想，幫助學(xué)生梳理和建立硅元素的應(yīng)用體系網(wǎng)絡(luò)。

四、教學(xué)微設(shè)計(jì)

在對(duì)所提的問題進(jìn)行分析后，我們針對(duì)這三個(gè)問題進(jìn)行微教學(xué)設(shè)計(jì)，為突破三個(gè)教學(xué)難點(diǎn)提供建議。

1. 教學(xué)微設(shè)計(jì)一：二氧化硅結(jié)構(gòu)教學(xué)

為了使學(xué)生更加直觀地觀察二氧化硅立體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，我們可以考慮在硅的教學(xué)中使用球棍模型進(jìn)行教學(xué)，由學(xué)生自行拼裝球棍分子模型，對(duì)比二氧化碳和二氧化硅的晶體模型的異同，從而突破分子晶體和原子晶體這一概念。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，學(xué)生自行收集資料，課上匯報(bào)結(jié)晶型和無定型二氧化硅材料的區(qū)別，從而加深學(xué)生對(duì)課本中“結(jié)晶型”和“無定型”的理解，見表1。

2. 對(duì)二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)教學(xué)的思考

在二氧化硅的性質(zhì)教學(xué)中，關(guān)于二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)教學(xué)，主要要解決為什么NaOH溶液可以用玻璃瓶裝，不能用玻璃塞蓋的問題，為此我們介紹高中化學(xué)中未學(xué)習(xí)的硅酸鹽檢測(cè)試劑——鉬酸銨，并進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究，從而引導(dǎo)學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生是受到條件的影響的，微設(shè)計(jì)如表2。

3. 對(duì)硅元素的應(yīng)用教學(xué)的思考

在進(jìn)行應(yīng)用教學(xué)時(shí)，除了盡可能擴(kuò)充介紹二氧化硅在材料科學(xué)和信息技術(shù)方面的應(yīng)用，也應(yīng)該注重化學(xué)學(xué)科的分類思想，著重對(duì)不同硅材料的不同應(yīng)用進(jìn)行分類總結(jié)，以解決學(xué)生在硅及其化合物的對(duì)應(yīng)用途的錯(cuò)誤認(rèn)知。因此我們?cè)诮虒W(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)上，建議將學(xué)生分三組課下查找對(duì)應(yīng)的資料，三組分別查找硅單質(zhì)、二氧化硅以及硅酸鹽的應(yīng)用，并自行制作5分鐘以內(nèi)的微視頻，視頻的形式可以是剪切或者自行拍攝，內(nèi)容為介紹硅或者其化合物的應(yīng)用，教師在整個(gè)過程中給予必要的指導(dǎo)和幫助。制作完成后，由學(xué)生們自行在課堂上進(jìn)行分享展示，在匯報(bào)時(shí)也可以結(jié)合PPT等多媒體進(jìn)行輔助，同學(xué)之間相互點(diǎn)評(píng)的形式，這樣讓學(xué)生通過查找資料的過程進(jìn)行梳理，從分類思想的角度對(duì)含硅元素的應(yīng)用進(jìn)行學(xué)習(xí)，充分體驗(yàn)硅元素作為無機(jī)非金屬材料的主角地位，也解決了“硅”元素的應(yīng)用混淆的問題。

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