以STSE教育理念，培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)

謝敏隨

摘要：從STSE教育理念出發(fā)，以“碳”的歷史發(fā)展為主線，以體驗式探究活動為載體，以信息化技術(shù)為媒介，讓學生在輕松愉悅的環(huán)境中感悟物質(zhì)的“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”之間的關(guān)系，充分體會化學的學科價值，提升民族自豪感。關(guān)鍵詞：初中化學;核心素養(yǎng);STSE教育;教學重構(gòu)

文章編號：1008-0546（2022）10x-0034-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

《義務(wù)教育化學課程標準（2011年版）》指出：“義務(wù)教育階段的化學教育要激發(fā)學生學習化學的好奇心，培養(yǎng)學生的實踐能力，引導學生認識化學、技術(shù)、社會、環(huán)境的相互關(guān)系，形成化學的基本觀念，提高學生的化學學科素養(yǎng)”。[1]基于這一認識，筆者在開設(shè)龍崗區(qū)公開課——“金剛石石墨C60（第一課時）”時，從學生熟悉的生活情境入手，以體驗式探究活動為載體，以碳單質(zhì)材料的發(fā)展為主線，對培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)和STSE教育理念做了一些探索。

一、教學主題內(nèi)容及現(xiàn)狀分析

本節(jié)課是人教版初中化學第六單元課題1“金剛石石墨C60（第一課時）”的內(nèi)容。教材緊密聯(lián)系生活實際，先圖文并茂介紹了金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和用途，隨后又介紹了木炭、活性炭等含有碳單質(zhì)的材料在生活中的廣泛應(yīng)用，安排了木炭吸附實驗，啟發(fā)學生感悟物質(zhì)的性質(zhì)和用途之間的關(guān)系;最后介紹新型碳單質(zhì)材料C60的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用前景，并利用資料卡片穿插前沿科技進展，使學生認識到，隨著科技的不斷發(fā)展，會有更多碳單質(zhì)的新形態(tài)被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。

教材內(nèi)容豐富，對知識點要求不高。但筆者認為存在三個值得研究的問題：

1.教材先介紹金剛石和石墨兩種碳單質(zhì)，再介紹生活中木炭、活性炭這些含有碳的單質(zhì)，最后又介紹新型碳單質(zhì)材料，按照這樣的編排順序開展教學不夠連貫、順暢;

2.教材直接呈現(xiàn)出金剛石、石墨的結(jié)構(gòu)，再介紹它們的物理性質(zhì)和用途，只安排了木炭或活性炭的吸附實驗，缺乏必要的證據(jù)讓學生多方位感悟物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途之間的關(guān)系;

3.新型碳材料在生活中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸普及，但教材沒有及時更新，與時代脫軌。

目前，基于人教版教學內(nèi)容進行優(yōu)化的教學設(shè)計主要有：（1）增加實驗探究內(nèi)容豐富感性體驗，如：將金剛石切割玻璃的實驗進行演示;[2]（2）強化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一觀念，如：圖片或模型展示金剛石和石墨的微觀結(jié)構(gòu)，[3]啟發(fā)學生思考兩種結(jié)構(gòu)有何不同;（3）鏈接前沿科技拓展視野，如：圖片或視頻展示新型碳單質(zhì)材料的發(fā)展和應(yīng)用。[4]筆者認為，演示實驗無法讓學生獲得更深刻體會，對于“性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”這一思維的建立缺乏有效探索，在開闊學生眼界的同時還可以滲透德育精神和愛國情懷。

二、教學思想與創(chuàng)新設(shè)計

黨的十九大提出學校教育要落實“立德樹人”，要重視“學科素養(yǎng)”。圍繞這一核心目標和STSE教育理念，筆者對本節(jié)課的教學內(nèi)容進行以下改進：

1.對課本內(nèi)容進行重構(gòu)，體現(xiàn)學科特征

首先從熟悉的生活情境入手，讓學生感受“碳”（木炭、活性炭、焦炭、炭黑等）在生活中的廣泛應(yīng)用，這些“炭”都是含有碳單質(zhì)的材料，屬于混合物，由此啟發(fā)學生思考“是否存在只由碳元素組成的純凈物？”再引出金剛石和石墨，這樣的設(shè)計更能體現(xiàn)化學的分類思想，也能幫助學生區(qū)別“碳”和“炭”的不同。前面這些物質(zhì)都是天然存在的，對于新型碳單質(zhì)材料的引入，筆者啟發(fā)學生思考“能否將天然石墨轉(zhuǎn)變成金剛石？”帶領(lǐng)學生進入到21世紀人工合成時代，讓學生認識到化學學科的特征是不斷研究和創(chuàng)造新物質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)、生活的需要。

2.采用體驗式探究式活動，培養(yǎng)學科素養(yǎng)

筆者利用“快樂盲盒”讓學生大膽猜想生活中碳單質(zhì)材料的主要成分及其物理性質(zhì)，再通過實驗探究讓學生充分感受活性炭的吸附性、金剛石的硬度、石墨的質(zhì)地和導電性。隨后通過小組合作探究拼裝出金剛石可能存在的微觀結(jié)構(gòu)，最后利用模型、動圖和類比等方法幫助學生建立思維模型，從而構(gòu)建物質(zhì)“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的關(guān)系。這樣的設(shè)計能打破傳統(tǒng)知識傳授型教學，更加符合學生的認知發(fā)展規(guī)律。

3.巧用微課，構(gòu)建高效課堂

為了展示金剛石的璀璨和堅硬，筆者精心制作微課向?qū)W生介紹金剛石的用途，利用高清視頻讓學生感受到化學之美;為了探究金剛石和石墨都由碳元素組成，筆者利用微課進行課堂演示，啟發(fā)學生從宏觀的角度認識物質(zhì)的組成;為了充分挖掘教材中的人文價值，激發(fā)學生的民族自豪感，筆者利用微課向?qū)W生介紹我國新型碳單質(zhì)材料的研究進展及目前在國際上取得的最新成就，充分展示化學對人類美好未來做出的巨大貢獻，落實“立德樹人”的教育功能。

三、教學流程

本課的教學流程如圖1所示。

四、教學過程

[引入]教師左手舉起一大塊黑灰的木炭，右手舉起一顆璀璨的“大鉆戒”（道具）。

[提問]它們都是由什么元素組成的？

活動一：感受“碳”的豐富多彩

1.混合物——含碳單質(zhì)的材料（木炭、活性炭、炭黑等）

[實物展示]學生展示課前收集的碳棒電池、不同型號鉛筆芯、冰箱除味劑、墨水、眉筆、碳粉墨盒等，并介紹這些材料的用途。

[討論]“碳”和“炭”的區(qū)別。

[點撥]我們常說的“炭”指的是具體的物質(zhì)，比如：木炭、活性炭、炭黑。這些物質(zhì)的主要成分為碳單質(zhì)，它們通常含有其他雜質(zhì)，屬于混合物。

[思考]有沒有由碳元素組成的純凈物？

2.純凈物——碳單質(zhì)（金剛石、石墨）

[圖片]金剛石和石墨。

[提問]老師舉起裝有石墨電極和“鉆石”的盒子，并提問盒子里有一共有幾種物質(zhì)？有幾種元素？由一種元素組成的物質(zhì)一定是單質(zhì)嗎？

[化學與STSE]播放視頻，介紹金剛石可作為鉆石和切割工具，也可應(yīng)用于地質(zhì)鉆探等。

設(shè)計意圖：該環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系生活實際，采用自主學習的方法，課前讓學生尋找生活中的碳單質(zhì)材料，并在課堂上進行展示、介紹其用途，同時利用圖片和視頻，讓學生感受“碳”的豐富及在生產(chǎn)實際中的廣泛應(yīng)用，激發(fā)學生學習化學的興趣。將木炭、活性炭的介紹放在石墨和金剛石的前面，再利用問題串和真實情境啟發(fā)學生感受物質(zhì)世界的多樣性，這樣的設(shè)計更能體現(xiàn)化學分類思想和學科特點。

活動二：感知“碳”的物理性質(zhì)和用途

[快樂盲盒]猜猜我是誰？盒子里面有“鉆石”、碳棒電池、2B鉛筆、簡易凈水器、鎖芯潤滑劑等，讓學生抽取并說出主要成分及其利用的物理性質(zhì)，答對即可獲得該獎品。

[實驗探究]學生進行實驗探究石墨、活性炭、金剛石的物理性質(zhì)：

1.用手觸摸鉛筆芯，再刮下少量粉末進行觀察，并用鉛筆完成實驗表格，感受石墨的質(zhì)地和滑膩感。

2.將石墨電極和鉛筆芯分別連接在電路上，觀察哪個燈泡更亮。

3.用玻璃刀頭上鑲著的金剛石切割玻璃（有痕跡即可），注意安全。

4.將一半紅墨水倒入裝有活性炭的注射器（底部塞有棉花）中，擠出液體對比顏色。

[匯報]學生匯報實驗現(xiàn)象和結(jié)論。

[小結(jié)]物質(zhì)的性質(zhì)決定用途，用途反映性質(zhì)。

設(shè)計意圖：從熟悉的生活材料入手，營造輕松、有趣的教學情境，調(diào)動學生的積極性。通過物質(zhì)的用途大膽猜想它們有哪些性質(zhì)，再通過體驗式探究活動驗證自己的猜想，使學生在愉悅的氛圍中獲取知識，發(fā)展思維，建立物質(zhì)的“性質(zhì)—用途”關(guān)系。

活動三：感悟“碳”的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

[過渡]璀璨的鉆石人人都想擁有，但在科學家的眼中，它們不過是一堆“碳”。

[播放視頻]在純氧中燃燒金剛石和石墨，產(chǎn)物都能使澄清石灰水變渾濁。

[思考]宏觀上金剛石和石墨都是由碳元素組成的碳單質(zhì)，微觀上它們都是由碳原子構(gòu)成的，為什么物理性質(zhì)會有如此大的差異？

[組裝模型]以金剛石為例，請同學們利用手中的碳原子模型，組裝出金剛石可能存在的微觀結(jié)構(gòu)。

[交流分享]金剛石是自然界中硬度最大的物質(zhì)，因此微觀上碳原子的排列應(yīng)該是立方體結(jié)構(gòu)，從數(shù)學角度分析，這樣的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)固。

[模型]展示金剛石的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型。

[動圖]演示立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的牢固和片層狀結(jié)構(gòu)的滑動。

[思考]片層狀的結(jié)構(gòu)決定石墨具備怎樣的物理性質(zhì)？

[點撥]微觀上石墨是以平面六邊形為骨架無限延長形成片層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間作用力較弱，就像兩張紙一樣會滑動（教師演示兩張紙之間互相摩擦的動作），因此，宏觀上石墨體現(xiàn)出來的物理性質(zhì)是細鱗片狀，有滑膩感。

[小結(jié)]物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)。

[思考]能否將2B鉛筆芯轉(zhuǎn)變成璀璨的鉆石？這一過程屬于什么變化？

[點撥]由于碳原子的排列方式不同，金剛石和石墨的性質(zhì)有明顯差異。我們可以改變碳原子的排列方式，將石墨轉(zhuǎn)變成鉆石，該過程屬于化學變化。

[化學與STSE]出示資料卡片，介紹人造金剛石的發(fā)展。

設(shè)計意圖：利用鉆石和石墨燃燒的視頻產(chǎn)生強烈的視覺效果吸引學生眼球，引導學生從宏觀角度認識物質(zhì)的組成（都由碳元素組成），再通過學生自己動手組裝模型，并利用動圖演示和兩張紙的摩擦模擬片層狀結(jié)構(gòu)的滑動，啟發(fā)學生從微觀角度認識物質(zhì)宏觀現(xiàn)象的差異（碳原子排列方式不同），初步建立“宏觀辨識和微觀探析”的思維模型，建立“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”的化學思想。

活動四：感嘆“碳”的神奇

[過渡]21世紀，人類已經(jīng)進入到人工合成時代，科學家發(fā)現(xiàn)并合成出許多新型碳單質(zhì)材料。

[模型]展示C60的結(jié)構(gòu)模型。

[思考]C60的是一種灰黑色固體粉末，其微觀結(jié)構(gòu)有何特征？如何用化學式表示？

[點撥]金剛石、石墨由碳原子構(gòu)成，C60是由分子構(gòu)成的碳單質(zhì)，一個分子中一共有60個碳原子，形似足球，也叫足球烯。

[化學與STSE]出示資料卡片，介紹C60中空籠狀結(jié)構(gòu)，它能解決氫氣運輸和儲存的問題。

[模型]展示碳納米管、石墨烯的結(jié)構(gòu)模型。

[思考]碳納米管和石墨烯為什么導電性能非常優(yōu)異？

[點撥]教師舉起碳納米管和石墨烯的結(jié)構(gòu)，用手指在上面來回滑動，模擬光、熱、電可以在上面快速穿梭，幾乎沒有阻礙。因此，碳納米管和石墨烯具備優(yōu)異的導電性、導熱性和透光性，未來有望替代傳統(tǒng)芯片制造出超級計算機。

[化學與STSE]播放視頻：介紹我國新型碳單質(zhì)材料的最新研究進展：目前只有我國可以制造出70cm長度的碳納米管分子;中國利用石墨烯制備出全球首款可彎曲智能手機等。

設(shè)計意圖：利用問題驅(qū)動提升學生思維品質(zhì)，結(jié)合形象直觀的微觀模型結(jié)構(gòu)幫助學生建立物質(zhì)“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”三者之間關(guān)系的化學思維模型;通過鏈接前沿科技信息滲透STSE教育理念，讓學生體會化學學科對社會發(fā)展做出的貢獻，同時激發(fā)學生的民族自豪感，使學生在收獲知識的同時，獲得思維和情感的升華，體現(xiàn)初中化學“立德樹人”的教育功能，實現(xiàn)核心素養(yǎng)落地。

五、教學反思

本節(jié)課緊密聯(lián)系生產(chǎn)、生活和科技發(fā)展等化學問題，是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的良好載體。筆者結(jié)合STSE教育理念，從學生熟悉的生活情境入手，借助快樂盲盒等活動營造輕松愉悅的課堂氛圍，采用問題驅(qū)動的方式搭建學生的思維階梯，通過豐富的實驗探究和模型拼裝等體驗活動讓學生自己動手實踐，從中感悟物質(zhì)“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”三者之間關(guān)系，通過微課激發(fā)學生的愛國情懷和學科自豪感，讓學生由衷贊賞化學對社會發(fā)展的重要性，實現(xiàn)核心素養(yǎng)落地。

參考文獻

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