“三位一體”涵養(yǎng)化學科學素養(yǎng)

胡永紅 張晨 金靖雯 陳曦

摘要：聚焦日常生活中最普通卻又不可或缺的物質“氧氣”，依據(jù)內容、方法與評價“三位一體”的基本原則，即內容的廣博性與前沿性、方法的先進性與嚴謹性、評價的即時性與人文性，融合創(chuàng)新設計化學科普課程。以此激活青少年客觀理性的好奇心，培育一定的科學研究方法意識，涵養(yǎng)化學科學素養(yǎng)，助益青少年化學探究內驅力的生成。

關鍵詞：化學科學素養(yǎng); 三位一體; 青少年科普; 氧氣

文章編號：1005-6629（2021）08-0032-06

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

化學科普教育不僅包括傳授化學科學常識，還包括培育化學科學素養(yǎng)。2016年《全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016—2020年）》明確將實施青少年科學素質行動納入“十三五”重點任務。化學變化普遍存在于日常生活，如何活用普通的日常物質或現(xiàn)象，探索以化學科學為基礎的科普教育，涵養(yǎng)青少年的化學科學素養(yǎng)？本團隊依托大學師資，圍繞“氧氣”這一重要的常見物質，遵循內容、方法與評價“三位一體”的基本原則，創(chuàng)新設計化學科普課程。內容上力求日常性、專業(yè)性與前沿性;方法上力求精心設計豐富多彩、層層遞進、邏輯嚴密的實驗;評價上力求即時性，并融匯人文社會科學的柔性評價方式。通過內容、方法與評價的創(chuàng)新融合設計，激活青少年對客觀現(xiàn)象的好奇心，引導青少年體悟化學研究所需的科學思維，循序漸進培養(yǎng)科學研究意識與合作探究精神，幫助青少年涵養(yǎng)自主深入探索化學世界的內驅力。

1 課程對象與教學目標

學校是青少年化學科普教育的主陣地，但是，受限于傳統(tǒng)教學模式的固定思維與應試壓力，學校的化學科普教育缺乏與青少年生活經(jīng)驗、個體體驗的深層互動，由此帶來青少年的思考維度依然停留于單線平面式，缺乏橫縱貫通的立體式思考力，更缺乏理論知識、科學實驗與實踐應用可多向度融合的意識。有鑒于此，本課程以化學知識零基礎的初一學生為授課對象，由化學教學經(jīng)驗豐富、科研積淀厚實的大學教授、博士生導師帶領研究團隊共同設計并親自主講。授課采用“內容介紹、實驗演示和學生參與實驗”三結合的形式。演示實驗中，基于“周邊常見，聽眾熟悉;易于操作、安全無毒且符合綠色化學要求”的原則，選定“氧氣”為化學反應物質。在環(huán)環(huán)相扣的實驗與深入淺出的講解中，圍繞化學知識與技能、化學過程與方法、化學情感態(tài)度價值觀三個維度，通往涵養(yǎng)學生的化學科學素養(yǎng)的目標（見表1）。

2 課程的設計原則

依據(jù)內容、方法與評價“三位一體”的原則，凸顯內容的廣博性與前沿性、方法的先進性與嚴謹性、評價的即時性與人文性。知識內容方面，圍繞氧氣這一物質，不僅介紹氧氣的基本性質、氧傳感的重要性、國內外有關氧傳感研究的進展，也展示氧傳感研究成果與產品應用情況;教學方法方面，依托實驗載體，層層遞進設計邏輯嚴密的實驗，結合現(xiàn)場實驗演示和視頻，從定性描述的實驗到具有嚴格控制且定量的科學化實驗、從探索性感知到驗證性檢測，將通過實驗觀察研究物質變化特性的化學教育本質融于其中;課程評價方面，通過小組合作梳理思維導圖，依托即時性問卷調查，將溝通力、思考力與表現(xiàn)力的培養(yǎng)浸潤其間。

3 課程內容、方法與評價“三位一體”的創(chuàng)新設計

本課程是一棵樹，內容為根系，方法為主干，評價為枝葉。豐富的內容與方法帶來枝繁葉茂，多元評價讓內容與方法的有效性得到驗證，三者橫縱交織、相互作用服務于同一教學目標。

3.1 巧設課程內容

初一學生具有天然的創(chuàng)造力與自我驅動力，本課程以豐富的設問架起溝通的橋梁。課程初始實施開放式問卷，聚焦五個問題“化學是什么？氧氣可見嗎？氧氣可燃嗎？氧氣從哪兒來？氧氣有何用？”限時回答。梳理問卷答案，發(fā)現(xiàn)聽課前學生的思考相對淺層，限定在“化學是科學、變化、元素;氧氣看不見，但可以呼吸感覺;氧氣應該不能燃燒;氧氣從空氣中來;氧氣是維持生命的元素”等一般日常性層面。為引導深層學習，我們將與氧氣相關的歷史源流與原理背景、氧氣的應用成果融匯到課程中，逐級揭開氧氣的神秘面紗。

3.1.1 燃燒現(xiàn)象里引出“氧氣”

讓學生點燃火柴，從最易被感知的火柴燃燒、火箭升天、自然火災等現(xiàn)象切入，在互動中啟迪學生思考燃燒現(xiàn)象發(fā)生的必需要素——氧氣，讓氧氣的“助燃性”在碰撞中推導、鋪展于眼前。

3.1.2 以歷史視角講述“氧氣的故事”

按照時間序列，簡單講述17世紀德國化學家貝歇爾的“燃素說”、18世紀化學家普利斯特里第一次成功制得氧氣、拉瓦錫的“氧化學說”等歷史故事，傳遞出“歷史的溫情”與科學研究必需的歷史性視角與必備的嚴謹精神。

3.1.3 從國外到國內的研究掃描

科學研究需要具備廣闊的視野，既要面向世界也要關照本國。因此，課程簡單提及我國關于氧氣的相關研究，如1981年上?；W院研究了需氧發(fā)酵過程中溶解氧水平的檢測[1];氧氣的科學應用方面，1989年，中國科學技術大學等使用電子順磁共振（ESR）直接檢測心肌再灌注產生的氧自由基，開啟了我國氧氣的應用研究[2];2008年，作者研究團隊在國內首次提出氧氣的可視化傳感研究等。在世界視域下傳輸“中國的發(fā)展離不開世界，世界也需要中國”的博大理念。

3.1.4 從理論研究到實際應用

融入作者研究團隊以研究成果對接社會實際需求、服務社會的應用成果，如氧熒光傳感膜、海洋浮標中溶氧傳感器等產品的運用與推廣，將研究成果與實際應用、“書架”與“貨架”之間的關系講深講透。一位學生在作文中寫道：“書架就是說我們要有學習欲望，有學習成果;貨架就是說要做一個能服務大眾的人。我愿我能成為那樣的人，也能有一番建樹?！?/p>

3.1.5 以“南極臭氧洞”引出綠色化學理念

氧氣相關研究成果的展示激發(fā)了學生的思考，一位學生提出：“我們聽到的都是氧氣好的方面，是否也有不好的方面呢？”緊跟這個質疑，我們順水推舟引出1985年英國科學家法爾曼（Farmen）等人首提的“南極臭氧洞”問題[3]，將“臭氧層是地球的一道天然屏障”之理念植入學生內心，這是對綠色化學科普教育的踐行。

3.2 精挑科學方法

方法設計兼具先進性與嚴謹性。從感知到實踐，從定性到定量、由近及遠又及近、由易而難、由簡單到復雜、由直觀到抽象，剝筍般層層遞進，逐層演繹實驗，調動學生感官的多元感知，揭開現(xiàn)象里潛藏的本質。

3.2.1 感性直觀，初試氧氣

氧氣看不見摸不著，為強化直接體驗，實施“三瓶子實驗”：學生手執(zhí)燃燒木條，分別放入裝有氮氣、空氣和氧氣的瓶子中，共同細致觀察并分別描述燃燒情況的差別，各抒己見與相互啟迪中得出“氧氣具有助燃性”的結論;利用憋氣比賽（安全起見，1分鐘為限），讓學生感知氧氣對維持生命體的重要性。

3.2.2 水電解實驗，初識化學式

為揭示氧氣從何而來，讓學生參與水電解實驗。學生在此起彼伏的氣泡中感受水分解的奧秘，在成功分離出氫和氧兩種氣體后，學生第一次接觸氧氣和水的化學表達方式，也第一次知道了水分解的化學方程式：2H2O電解2H2↑+O2↑，了解到水中氫、氧兩種元素的原子個數(shù)比為2∶1。

3.2.3 定性感知，引出定量滴定

氧化也是一種變化，蘋果氧化變色、鐵制品生銹、生命體新陳代謝等現(xiàn)象逐一呈現(xiàn)，在多樣化的氧化情境中辨析物理變化與化學變化的緊密關系。定性感知氧氣存在后，通過水產養(yǎng)殖的圖片案例，進一步闡明氧含量定量化的重要性，推出經(jīng)典的Winkle方法進行氧定量滴定的原理[4]。

3.2.4 定量檢測，原位傳感

為引導學生感受科學實驗的嚴謹規(guī)范，提出實際應用中經(jīng)典滴定方法對現(xiàn)場氧氣的定量檢測具有一定不適合性，從而推出基于電化學和熒光原理的氧傳感器[5，6]。通過動態(tài)演示顏色隨著氧氣含量的變化而變化的過程，激發(fā)學生思考氧氣的可視化問題。

3.2.5 活用成果，直觀可視

宏觀辨識結合微觀層面的實驗展示有利于激活思考，挖掘表象下潛藏的內在原理和規(guī)律，產生辨析內在根源的動力。已有商品化的氧傳感器無法應用在細胞等微區(qū)的溶氧檢測中，借助物理學三原色原理的氧可視化傳感檢測，利用實際的實驗視頻，讓學生直觀了解氧氣的可視化傳感[7]，讓無色無味、看不見摸不著又充滿我們周邊的氧氣，成為可直觀觀察的可視化元素，并實現(xiàn)細胞分裂中氧氣的動態(tài)可視觀察[8]?？捎^可感中，引出化學是研究物質變化的科學，變化是絕對的，靜止是相對的;理解“化學是當代科學技術和人類物質文明迅速發(fā)展的基礎和動力，在改善人民生活方面是最有成效、最實用的學科之一”[9]。

3.2.6 成果應用，學以致用

作者團隊的研究成果應用于電化學/熒光傳感器、水產養(yǎng)殖、環(huán)境檢測與保護（地表水、海洋環(huán)境）、工業(yè)生產質量控制（發(fā)酵）等領域。例如，氧氣的可視化材料可以成為感知周邊空氣中氧含量微小變化的“氧氣標簽”，應用在衣服上，為救火戰(zhàn)士或礦井工人提供實時的氧含量變化情況[10];也可以作為食品包裝中的智能標簽[11]，實時顯示食品包裝的完整性和食品的新鮮度。通過多樣化的應用表達將抽象的氧氣功能直觀化、具體化，在解決具有實際價值的日常真實問題中，達到微觀生動與抽象思維的交融，科研價值與社會價值的互補，促進學生對實物本質與科研社會責任的認知，為形成科學概念、科學思維方式、科學研究倫理提供可能。

3.3 細選評價機制

評價機制是檢驗教學內容與方法設計成效的關鍵點，評價設計緊扣“涵養(yǎng)化學科學素養(yǎng)”的教學目標，將化學知識與技能的傳遞、化學過程與方法的體悟、化學情感態(tài)度價值觀的培養(yǎng)融入開放式與非開放式問卷;遵循青少年“很強的模仿性、易感性和可塑性”[12]的身心特點，引導學生分組制作并講述所授內容的思維導圖，凸顯自然科學與人文社會科學的評價機制相互交融的特點。

3.3.1 分組梳理思維導圖，檢測學生“化學知識技能方法”的吸收

思維導圖是構建自我知識脈絡的有益工具，有助于突破單線的思考模式，由博返約、觸類旁通培養(yǎng)輻射性思考力，推動直觀感性到客觀理性的質變，是學生鞏固知識、教師評價教學成果完善課程設計的契機。五位參與課程的初一學生在課后回憶、碰撞、交流合作，梳理出思維導圖（見圖1）。

3.3.2 實施問卷調查，檢驗學生“化學情感態(tài)度價值觀”的涵養(yǎng)

為進一步跟蹤學習成效獲得完善課程所需數(shù)據(jù)，課程伊始與課程結束時，我們對參與課程的24位初一學生實施開放式與非開放式相結合的問卷調查。開放式問卷結果顯示：通過參與課程，學生對化學學科的認知由淺入深，認識到“化學是對生活的正確解釋，文理結合兼有理科的嚴謹與歷史的浪漫，也是充滿變化的學科;氧氣不可見但是可以通過電解水的實驗提取;氧氣不僅是維系生命的必需要素，也可以應用在傳感、醫(yī)學、工業(yè)等領域”。表2是一位初一學生填寫的開放問卷，展示了授課前后的認知差異。

非開放式問卷調查的結果顯示：100%的參與者都認可課程設計的創(chuàng)新性與趣味性，提高了對化學科普的興趣;70%意識到氧氣的學問不簡單，形成了對氧氣的基本認知，意識到生活中處處有化學，認可思維導圖梳理模式的優(yōu)點;90%深刻感受到了科學實驗的嚴謹規(guī)范性，認識到化學學習研究不僅跨學科還需要團隊協(xié)作;80%表達了高考中選擇化學學科作為專攻方向的較強意愿（見表3）。

4 總結

綜上所述，涵養(yǎng)青少年的化學科學素養(yǎng)是貫穿教學全程的主脈，內容、方法與評價三位一體，助益青少年吸收化學科學知識技能，探知化學科學方法，塑造化學科學精神品格。（1）吸收化學科學知識技能。通過觀察氧氣的形態(tài)與結構變化，宏觀辨識結合微觀探析，形成一定的“結構決定性質”的觀念;通過水電解實驗，認識化學變化生成新物質中伴隨能量轉化的本質，形成“動態(tài)變化”的化學觀念。（2）探知化學科學方法。通過定性定量結合、分析推理并舉的方法，培養(yǎng)有理有據(jù)辨析表象下潛藏的內在原理與規(guī)律的方法意識;通過小組合作梳理思維導圖，打通自然科學與人文社會科學領域，培育合作探究、交叉學習的方法意識，理解“各種學科與化學學科之間的交叉、滲透是現(xiàn)代學科深入發(fā)展的趨勢”[13]。（3）塑造化學科學精神品格。通過對氧氣相關科研成果的實際應用分析，形成“科學研究與實際應用相輔相成”的觀念;在世界的研究背景下滲透中國化學相關研究元素，培育“客觀理性認知他人以確立自我”的主體意識;涵養(yǎng)日常生活中的科學觀察探究意識以及綠色化學科學意識。大學研究團隊支持下的青少年化學科普課程設計在內容深度、方法多樣化與評價多元性等方面都頗具特色，幫助青少年更深刻地感悟有價值的化學科普學習——化學科學知識碎片不斷結構化，化學科學思維模式與探究能力不斷成形，品格、價值觀不斷成熟。

參考文獻：

[1]李友榮，金青萍，顧璆等. 需氧發(fā)酵過程中溶解氧水平的檢測[J]. 抗生素，1981，（4）：16～22.

[2]楊衛(wèi)東，朱鴻良，趙保路等. 電子順磁共振直接檢測心肌再灌注產生的氧自由基[J]. 中華心血管病雜志，1989，（3）：178～180+190.

[3]Farman J C，Gardiner B G，Shanklin G D. Large Losses of Total Ozone in Antarctica Reveal Seasonal ClOx/NOx Interaction [J]. Nature，1985，315（16）：207～210.

[4]水和廢水監(jiān)測分析方法編委會水和廢水監(jiān)測分析方法（增補版）（第4版）[M]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2002.

[5]Shim Y B，Stilwell D E，Park S M，et al. Electrochemistry of Conductive Polymers-x-polyaniline-based Potentiometric Sensor for Dissolved-oxygen [J]. Electroanalysis，1991，（1）：31～36.

[6]Trettnak W，Grube W，Reininger F，et al. New Instrumentation for Optical Measuring of Oxygen in Gas or Dissolved in Liquids [J]. Advances in Space Research，1996，（18）：139～148.

[7]Wang X D，Chen X，Xie Z X，et al. Reversible Optical Sensor Strip for Oxygen [J]. Angewandte Chemie International Edition，2008，（47）：7450～7453.

[8]Lu S S，Xu W，Zhang J L，et al. Facile Synthesis of a Ratiometric Oxygen Nanosensor for Cellular Imaging [J]. Biosensors and Bioelectronics，2016，（86）：176～184.

[9]馬富，趙紅建. 綠色化學教學研究[M]. 長春：東北師范大學出版社，2018：1.

[10]Wang X D，Zhou T Y，Song X H，et al. Chameleon Clothes for Quantitative Oxygen Imaging [J]. Journal of Materials Chemistry，2011，21（44）：17651～17653.

[11]Lu S S，Xu W，Chen Y Y，et al. Soft Template Synthesis of Honeycomb-like Ratiometric Oxygen Sensitive Polystyrene Nanospheres and Their Application in Anti-counterfeit Authentication and Food Packaging Dynamic Indication [J]. Sensors and Actuators B：Chemical，2016，（232）：585～594.

[12]素麗芳，王守蘭. 化學教學與創(chuàng)新模式[M]. 汕頭：汕頭大學出版社，2019：9.

[13]黃梅. 化學教育研究方法[M]. 北京：科學出版社，2018：9.