基于核心素養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科前沿知識融入高中化學(xué)教學(xué)實踐研究

趙大洲

（陜西學(xué)前師范學(xué)院，化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安，710100）

關(guān)鍵字：高中化學(xué)；前沿知識；核心素養(yǎng)；課程開發(fā)

0 引言

化學(xué)學(xué)科是一直不斷變化和發(fā)展的，高中化學(xué)不僅要求學(xué)生學(xué)習(xí)好基礎(chǔ)知識還必須融入前沿知識，但是當(dāng)前高中化學(xué)課程內(nèi)容滿足不了學(xué)生的需求，教材中缺乏化學(xué)前沿知識。將化學(xué)前沿知識融入高中化學(xué)教學(xué)過程中，能更好地豐富化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更廣泛地了解化學(xué)知識［1］?；瘜W(xué)前沿知識也可以向?qū)W生傳遞科研工作者的科學(xué)思想和科學(xué)精神，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

新時代的教育指導(dǎo)思想中提到要培養(yǎng)全面發(fā)展的人，與此同時要求進(jìn)一步加強(qiáng)對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。學(xué)生不僅要掌握新時代的基礎(chǔ)知識和技能，還要具有初步的創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)。中學(xué)教育是基礎(chǔ)教育階段之一，是樹立學(xué)生良好品德、發(fā)展學(xué)生綜合素養(yǎng)的關(guān)鍵。因此，最新《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確了化學(xué)教育的定位——“以人為本”，優(yōu)化了高中化學(xué)課程內(nèi)容，增強(qiáng)了知識的趣味性、邏輯性、選擇性。基于重視培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的前提，相關(guān)學(xué)科的教學(xué)過程中，教師需根據(jù)教學(xué)目標(biāo)將前沿知識融入相應(yīng)的教學(xué)過程，并且結(jié)合教材中的基礎(chǔ)知識，將前沿知識融會在學(xué)生的知識框架中，讓學(xué)生更好地適應(yīng)時代的發(fā)展。新課標(biāo)從化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中提取出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的五個維度，為核心素養(yǎng)的命題思路構(gòu)建框架，為高中化學(xué)學(xué)科的教學(xué)、課程開發(fā)指明方向。新課程積極踐行“教、學(xué)、評”三位一體，力求讓學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)得到提高，新形勢下化學(xué)教學(xué)需要符合新課標(biāo)的要求，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)［2］。

“雙減”政策將對課后服務(wù)的需求由社會的呼吁上升為國家意志，將校外培訓(xùn)治理由市場行業(yè)自律升級為國家政策規(guī)制，引發(fā)的教育變革也增加了教師課后延時服務(wù)、教學(xué)質(zhì)量提升、作業(yè)治理開展等工作的壓力和責(zé)任，對新時期教師素養(yǎng)提升和教學(xué)隊伍建設(shè)提出了新要求。因此，在“雙減”政策背景下，如何引導(dǎo)教師積極適應(yīng)新的外部政策環(huán)境變化，就成為新時代教師隊伍建設(shè)和教師專業(yè)發(fā)展領(lǐng)域不可回避的研究課題。

化學(xué)學(xué)科知識與我們的生活息息相關(guān)，僅僅掌握理論知識已經(jīng)不能夠滿足人才培養(yǎng)的需求，要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識自主解決實際生活問題的能力，化學(xué)前沿知識的集成更有利于拓寬學(xué)生視野，彌補(bǔ)了化學(xué)教材更新過慢的不足，而且化學(xué)學(xué)科教材的每個章節(jié)之間有一定的獨(dú)立性，前沿知識的融入使得章節(jié)間過渡變得更加自然，也便于學(xué)生對不同理論知識之間的關(guān)系進(jìn)行主動探究。教師通過了解科學(xué)研究的過程使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識中更好地感受知識的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提升學(xué)生的基本化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)?；瘜W(xué)前沿知識不僅使學(xué)生獲得豐富的科學(xué)知識，其探索的過程也有利于激發(fā)學(xué)生樹立科學(xué)態(tài)度和承擔(dān)社會責(zé)任，進(jìn)而樹立正確的人生觀和價值觀。

利用生物電催化技術(shù)將生物和電催化的優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合起來，可以提高產(chǎn)品附加值，產(chǎn)生清潔的生物燃料、可降解材料，并可以促進(jìn)生物電催化技術(shù)在蛋白質(zhì)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。微生物在酶催化、生物燃料電池等方面的應(yīng)用很廣泛。李美星［3］等人從三個角度分析了化學(xué)教學(xué)內(nèi)容與基本物質(zhì)、實驗、基本理論相關(guān)前沿知識的整合，提出要創(chuàng)設(shè) “理、趣、疑、情 ”的情境，聯(lián)系社會生活實際，重視科學(xué)思維和方法的滲透是一種有效的教學(xué)方法，并提出一線教師在將化學(xué)前沿知識融入課堂教學(xué)中存在的一些問題，同時針對問題給出相應(yīng)對策。趙麗娜［4］就如何將化學(xué)前沿知識與高中化學(xué)教學(xué)結(jié)合在一起提出了一些建議：遵循學(xué)生的思維方式和成長規(guī)律，要引導(dǎo)學(xué)生形成對科學(xué)發(fā)展規(guī)律的正確認(rèn)識；充分利用化學(xué)前沿知識創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，可以從基本概念和基本理論、元素化合物、化學(xué)計算、實驗教學(xué)等方面入手，通過具體的教學(xué)案例，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。何雯雯［5］提出了利用化學(xué)前沿知識創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境、習(xí)題情景和利用化學(xué)學(xué)科前沿知識設(shè)計解決問題的有效教學(xué)方案。

趙文舒［6］以石墨烯為基礎(chǔ)，結(jié)合石墨烯領(lǐng)域的最新研究成果，將碳納米管、石墨烯、可燃冰等與“材料”相關(guān)的前沿知識結(jié)合到教學(xué)案例中。陳凱［7］等人提出的四個教學(xué)案例，如納米材料、化學(xué)價定律的突破、元素周期表的更新、水的組成，可以使學(xué)生充分認(rèn)識到化學(xué)與社會、生活緊密相連的關(guān)系，提高他們的學(xué)習(xí)熱情。當(dāng)前化學(xué)前沿知識在課堂教學(xué)中的地位日益受到人們的關(guān)注，通過大量的研究，并通過具體的教學(xué)實例，使之與教學(xué)策略相適應(yīng)。然而，在化學(xué)核心素養(yǎng)的視野下，關(guān)于化學(xué)前沿知識融入化學(xué)教學(xué)的研究還很少。因此，本文基于核心素養(yǎng)對教育實習(xí)的學(xué)校師生進(jìn)行調(diào)查分析。研究發(fā)現(xiàn)，師生獲取前沿知識的途徑太少，學(xué)生只注重學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識。本文針對調(diào)查，分析化學(xué)前沿知識在教學(xué)過程中運(yùn)用不足的原因，以發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)，對課程開發(fā)進(jìn)行了初步探究，設(shè)計了具有基礎(chǔ)性的教學(xué)片段，為化學(xué)學(xué)科前沿知識有效融入教學(xué)過程提出切實可行的策略：在現(xiàn)行高中化學(xué)教學(xué)過程中提高教師科學(xué)研究素養(yǎng)；將前沿知識作為導(dǎo)入新課的素材，使得教學(xué)內(nèi)容的拓展素材不斷滲透化學(xué)前沿知識，為高中化學(xué)的教學(xué)與時俱進(jìn)確立良好基礎(chǔ)。

2 課程開發(fā)原則

2.1 實際性原則

學(xué)生的認(rèn)知水平有限，獲取化學(xué)前沿信息的渠道受阻。在課程開發(fā)中，教師應(yīng)認(rèn)真考慮學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)現(xiàn)狀來設(shè)計課程內(nèi)容。在實施課程開發(fā)時，教師要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃，合理地安排課程內(nèi)容［8］。高中階段融入化學(xué)前沿知識的主要目的是讓學(xué)生了解化學(xué)解決人類所面對的重大問題和當(dāng)前新能源、環(huán)境、材料、生命、醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互融合發(fā)展的形勢。

2.2 時代性原則

教育內(nèi)容并非一成不變，隨著政治、文化、經(jīng)濟(jì)、科技的飛速發(fā)展，以及信息時代的來臨，學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容也必須跟上時代的步伐。為了使學(xué)生更好地適應(yīng)社會的發(fā)展和變革，教師在課程開發(fā)中要注重時代前沿知識和社會熱點(diǎn)的融入。

2.3 實踐性原則

新課改背景下實現(xiàn)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)及可持續(xù)發(fā)展，是我國實施素質(zhì)教育的根本目的。在開發(fā)化學(xué)課程時，教師應(yīng)合理制訂教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計豐富的教學(xué)活動，讓學(xué)生融入教學(xué)過程，讓學(xué)生在自主實踐中獲得知識，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

3 課程開發(fā)教學(xué)設(shè)計

3.1 教學(xué)片段一：“可降解”塑料

創(chuàng)設(shè)情境：“白色垃圾”等污染的新聞視頻。

教師提問：傳統(tǒng)包裝材料的優(yōu)缺點(diǎn)？

學(xué)生活動：討論并回答。

教師講解：化學(xué)給人類社會生活帶來便利的同時，“白色垃圾”等污染也帶來了不少麻煩。目前世界上使用最廣泛的包裝材料是紙和泡沫板。但這些材料存在許多缺陷，如易吸濕、易揮發(fā)、不環(huán)保，容易產(chǎn)生白色污染等。傳統(tǒng)塑料是由高分子聚合物組成的，很難自然降解，污染環(huán)境。

展示材料：可降解塑料的降解過程材料展示。

組織討論：可降解塑料在生活中的應(yīng)用。

前沿導(dǎo)入：通過設(shè)計特定的單體，科學(xué)家們成功地合成了在一般環(huán)境中容易降解的塑料，這些塑料具有優(yōu)良的性能，可以通過熱解或化學(xué)電解轉(zhuǎn)化為原始單體，從而實現(xiàn)多次循環(huán)使用?？山到馑芰蠈Νh(huán)境友好，在自然環(huán)境中容易分解成對環(huán)境友好的小分子，被光、生物和其他因素完全降解?？山到馑芰蠐碛袕V泛的原材料，擺脫了普通塑料對化石資源的依賴，在農(nóng)業(yè)、包裝、汽車和醫(yī)療等方面占有重要地位。然而，可降解塑料的發(fā)展也存在很多問題，如耐熱性和機(jī)械性能比普通塑料差，價格也比傳統(tǒng)塑料高等。目前，可降解塑料仍處于發(fā)展階段。

設(shè)計意圖：該教學(xué)片段可以引入人教版高中化學(xué)必修二第八章第三節(jié)《環(huán)境保護(hù)與綠色化學(xué)》的教學(xué)過程，可降解塑料的應(yīng)用是控制“白色污染”的根本途徑，但在目前的發(fā)展中，可降解塑料由于自身的缺點(diǎn)，無法完全替代傳統(tǒng)塑料?？山到馑芰系囊肟梢栽鰪?qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任意識，可降解塑料的最新科研進(jìn)展可以拓展學(xué)生的視野，有效滲透“綠色化學(xué)”的概念。

3.2 教學(xué)片段二：催化劑的大有作為

創(chuàng)設(shè)情境：通過所學(xué)習(xí)的催化劑的知識概括催化劑的特點(diǎn)。

學(xué)生活動：小組討論交流總結(jié)催化劑的特點(diǎn)。

教師講解：催化劑具有能夠加速化學(xué)反應(yīng)速率的作用，其組成、化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量在反應(yīng)前后不發(fā)生變化，因此被人們廣泛應(yīng)用。

教師提問：我們通過之前做的過氧化氫在常溫下的分解實驗了解到二氧化錳是一種重要的催化劑，那么同學(xué)們還知道有哪些催化劑也存在著十分重要的作用嗎?

學(xué)生思考：討論并回答。

展示資料：甲烷高效制甲醇材料展示。

前沿導(dǎo)入：甲醇是基本的化學(xué)原料之一，甲烷在地球上的儲量極為豐富，但是如何將甲烷轉(zhuǎn)化成甲醇一直是困擾化學(xué)科研者的難題。而前不久，我國的科研團(tuán)隊設(shè)計出一種新型的催化劑，在低溫下甲烷可以高效轉(zhuǎn)化為甲醇，是目前轉(zhuǎn)化極限的重大突破。這種催化劑采用的是沸石分子篩材料，在材料內(nèi)部的小于1 納米的孔道里布滿具有催化活性的金鈀(Au-Pd)合金納米顆粒，它們能催化氧氣和氫氣形成雙氧水，也能催化雙氧水氧化甲烷生成甲醇。但是由于雙氧水的擴(kuò)散使得轉(zhuǎn)化效率并不是很高，團(tuán)隊設(shè)計出一種分子圍欄。分子篩的表面裝飾有一層分子厚度的疏水涂層，因此疏水的雙氧水分子被圍欄阻擋，但氧氣、氫氣和甲烷分子可以順利移動，這樣一來雙氧水就可以在反應(yīng)器中與甲烷充分接觸，甲醇就得以持續(xù)產(chǎn)生。目前，世界上的化石燃料消耗過大，這一研究成果能夠有效緩解煤和石油等化石燃料耗竭帶來的危機(jī)。

設(shè)計意圖：該教學(xué)片段可以引入人教版高中化學(xué)必修二第六章第二節(jié)《化學(xué)反應(yīng)速率與限度》的教學(xué)過程，學(xué)生對催化劑能夠有一定的認(rèn)知，教學(xué)片段中涉及的化學(xué)前沿知識展示了催化劑在促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速率方面所起的重要作用。在這個化學(xué)前沿知識中，學(xué)生還可以了解化學(xué)科研者如何解決在科研過程中遇到的阻礙以及學(xué)習(xí)在研究過程中的科學(xué)思維方法。

3.3 教學(xué)片段三:可穿戴的“智能”紡織材料

創(chuàng)設(shè)情境：同學(xué)們可能對可穿戴智能設(shè)備有一定的了解，比如智能類手表、運(yùn)動鞋以及谷歌眼鏡等，但是因可穿戴智能設(shè)備成本高，并且存在電池續(xù)航短以及有輻射、隱私、等一系列的問題，目前還沒有被普及。

教師提問：假如同學(xué)們是一名科研人員，你希望制造出什么樣的可穿戴設(shè)備呢?

學(xué)生活動：學(xué)生積極參與，小組討論交流。

教師講解：我們先來了解一款不同的可穿戴設(shè)備。某科研團(tuán)隊利用一種獨(dú)特的無機(jī)顏料納米顆粒，在不損害紅外特性的情況下實現(xiàn)對紅外透明聚乙烯紡織品進(jìn)行著色，彌補(bǔ)了該紡織品在可著色方面缺乏可調(diào)性的不足。

展示資料：這種紡織品的著色成分是紅外吸收可忽略的無機(jī)NPs，可以通過擴(kuò)展的混紡、擠出和編織工藝制成。這種紡織品不僅可以調(diào)節(jié)顏色還具有良好的耐洗滌穩(wěn)定性。這種簡便的著色方法將促進(jìn)輻射冷卻紡織品在可調(diào)節(jié)溫度的可穿戴應(yīng)用中的商業(yè)化。

前沿引入：心血管系統(tǒng)疾病是對人類健康和生命構(gòu)成威脅最大的一組疾病，能夠檢測出心血管疾病等健康問題的檢測設(shè)備也逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，一種用來檢測心血管疾病的基于花瓣結(jié)構(gòu)的織物壓力傳感器應(yīng)運(yùn)而生。該研制團(tuán)隊將穿戴衣服與美學(xué)設(shè)計相結(jié)合，其原理是采用摩擦納米發(fā)電機(jī)，利用金屬-聚合物混合導(dǎo)電紗線與鍍銀導(dǎo)電織物相結(jié)合，再將混合導(dǎo)電紗線以花瓣圖案與導(dǎo)電織物縫制在一起，當(dāng)織物傳感器貼附在人體動脈部位時，脈搏的周期性跳動壓力傳遞給花瓣結(jié)構(gòu)的摩擦材料層，使得金屬-聚合物混合紗線和鍍銀導(dǎo)電織物之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，電子通過外部電路進(jìn)行流動。脈搏周期性地跳動，通過傳感器就能產(chǎn)生周期性的電信號。該項可穿戴系統(tǒng)極大地改善了傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備龐大、佩戴不舒適、操作復(fù)雜等不足之處，也為人體脈搏監(jiān)測和睡眠呼吸綜合癥的診斷提供了一種新穎、經(jīng)濟(jì)、高效且方便使用者操作的可行方案。

設(shè)計意圖：該教學(xué)片段先向?qū)W生創(chuàng)設(shè)一個問題情境，可以引出人教版高中化學(xué)必修二第七章第二節(jié)《乙烯與有機(jī)高分子材料》的內(nèi)容學(xué)習(xí)，對于設(shè)計可穿戴設(shè)備每個學(xué)生都有自己獨(dú)特的想法，以這樣的問題作為導(dǎo)入不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還可以讓學(xué)生保持專注。再引出兩個化學(xué)前沿知識,通過這兩種可穿戴設(shè)備應(yīng)用和原理的不同。紅外透明聚乙烯紡織品是研究織物的著色性能和溫度調(diào)節(jié)性能，而可穿戴的“智能”織物是用于監(jiān)測心血管健康。但這兩個前沿知識都更貼近平時的生活實際，對學(xué)生將來職業(yè)的選擇起到一定的導(dǎo)向作用，該素材有助于促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)核心素養(yǎng)的提高。

4 結(jié)論

化學(xué)核心素養(yǎng)的各個組成部分是相互關(guān)聯(lián)的?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：學(xué)生要具備初步的實驗?zāi)芰?、觀察能力和思維能力、發(fā)展合作與交流等多方面的基本活動經(jīng)驗，學(xué)會學(xué)習(xí)是關(guān)鍵?！稗D(zhuǎn)變觀念，平衡思想”是認(rèn)識化學(xué)所需要的思維方式，“證據(jù)推理模型認(rèn)知”是實事求是的科學(xué)態(tài)度，體現(xiàn)了化學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，“科學(xué)態(tài)度探究，創(chuàng)新意識”是化學(xué)核心素養(yǎng)社會責(zé)任典型代表。

教師在課程開發(fā)過程中形成的教學(xué)計劃，可以在教學(xué)過程中實施、完善、反思和總結(jié)，可以逐步認(rèn)識到現(xiàn)代教育的本質(zhì)是實施全面發(fā)展，繼而推動素質(zhì)教育的實施。教師應(yīng)積極探索，自我反思，在實踐中主動了解教育發(fā)展的新動向。在高中化學(xué)教學(xué)過程中，向?qū)W生介紹化學(xué)前沿領(lǐng)域的最新成果、最新進(jìn)展和重要問題，可以有效幫助學(xué)生了解我國化學(xué)科學(xué)發(fā)展所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。