基于化學(xué)核心素養(yǎng)的真實問題情境教學(xué)設(shè)計與實施
——以元素周期表的應(yīng)用為例

李 楠

（上海市七寶中學(xué) 上海 201101）

真實問題情境，是指為教學(xué)開展提供的一種有真實意義、能幫助學(xué)生在原初或相似的生活和生產(chǎn)情景中發(fā)現(xiàn)問題、探尋未知、解決問題，使得教與學(xué)圍繞社會問題順利展開的情境。［1］《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）明確指出，真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會。［2］

因此，創(chuàng)設(shè)真實且有意義的問題情境是以核心素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)的重要載體，這不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，還能讓學(xué)生在解析問題的過程中自主構(gòu)建學(xué)科知識，完善思維體系，進行知識內(nèi)化，加強對知識的理解、提升遷移應(yīng)用能力，體驗到知識的應(yīng)用價值和隱含著的文化精神，進而落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、基于化學(xué)核心素養(yǎng)的真實問題情境的設(shè)計

張小菊、王祖浩指出，一個優(yōu)質(zhì)的、結(jié)構(gòu)完整的化學(xué)課堂教學(xué)情境應(yīng)具備以下結(jié)構(gòu)特征：發(fā)生在一定的時空條件下，圍繞化學(xué)核心概念或科學(xué)方法而展開的具體事件；包含將要解決的化學(xué)學(xué)科的核心問題；建立在學(xué)生已有的化學(xué)知識基礎(chǔ)之上、為學(xué)生的交流和參與化學(xué)特定主題的學(xué)習(xí)提供框架；圍繞核心事件的素材、源于學(xué)生的日常生活或具有當(dāng)代社會發(fā)展意義的主題。［3］課堂教學(xué)中的情境素材不應(yīng)只是簡單情境資料的堆砌，有價值的教學(xué)情境一定是隱藏學(xué)科問題的真實情境。因此從精選情境素材到真實問題情境教學(xué)的轉(zhuǎn)化還需要教師的再創(chuàng)造。

王偉、王后雄提出從情境素材到生成課堂教學(xué)情境的邏輯路線，即教學(xué)目標(biāo)—情境素材—教學(xué)活動，認為三者是相互作用的統(tǒng)一體，情境素材的收集與使用受到教學(xué)目標(biāo)的制約，而基于情境素材設(shè)計的教學(xué)活動又可以服務(wù)于教學(xué)目標(biāo)的達成。［4］

結(jié)合上述觀點，根據(jù)筆者對新課標(biāo)的學(xué)習(xí)，基于化學(xué)核心素養(yǎng)的真實問題情境教學(xué)的設(shè)計可形成如圖1所示的流程圖。即基于學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，對教學(xué)內(nèi)容進行總體的審視與把握，明確素養(yǎng)導(dǎo)向下的核心知識以及課標(biāo)要求；根據(jù)核心知識合理選取素材，使精選素材真正服務(wù)于課堂教學(xué)；基于學(xué)生的認知規(guī)律分析各情境素材之間的邏輯連接關(guān)系，創(chuàng)設(shè)真實且有意義的問題情境；最后基于問題情境提煉出化學(xué)問題，設(shè)計教學(xué)活動，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，引導(dǎo)學(xué)生進行知識的建構(gòu)和學(xué)習(xí)的遷移，最終養(yǎng)成學(xué)科態(tài)度，提升學(xué)科素養(yǎng)。

圖1 基于化學(xué)核心素養(yǎng)的真實問題情境教學(xué)設(shè)計流程

二、基于化學(xué)核心素養(yǎng)的真實問題情境教學(xué)的具體案例

元素周期表是公認的學(xué)習(xí)和研究化學(xué)的有力工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的指導(dǎo)作用。周期表的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展史，更是培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”等學(xué)科核心素養(yǎng)的絕佳素材。然而現(xiàn)有的常態(tài)教學(xué)中往往是根據(jù)“位—構(gòu)—性”的關(guān)系，幫助學(xué)生建立元素推斷的思維模型，卻忽略了周期表在實際生活中的重要價值，教材中也只是通過幾段文字介紹周期表在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，顯然不能讓學(xué)生對門捷列夫編制元素周期表的革命性意義產(chǎn)生深刻認識，也無法切實體會到周期表與科學(xué)技術(shù)發(fā)展之間的重要關(guān)系，這些都有可能造成淺層學(xué)習(xí)，需要對教材進行二次開發(fā)。

1.核心知識提煉

“元素周期表的應(yīng)用”選自滬科版高二化學(xué)第九章第二節(jié)“元素周期表”第三課時的內(nèi)容，教材將其安排在高中階段元素化合物的學(xué)習(xí)之后，對原子結(jié)構(gòu)、周期表的結(jié)構(gòu)及元素周期律有了一定的理性認識的基礎(chǔ)上，其目的就是以此為知識載體使學(xué)生初步學(xué)會在元素周期律和元素周期表的指導(dǎo)下探究化學(xué)知識的學(xué)習(xí)方法，建立元素在周期表中“位置-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)”間的關(guān)系，并通過對一些特殊材料尋找的簡單介紹使學(xué)生感悟到周期表在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面所起的指導(dǎo)作用，深刻認識元素周期表是學(xué)習(xí)和研究化學(xué)的重要工具。新課標(biāo)對該課題的學(xué)習(xí)要求是“體會元素周期表在學(xué)習(xí)元素化合物知識與科學(xué)研究中的重要作用；能結(jié)合相關(guān)資料說明元素周期表對合成新物質(zhì)、制造新材料的指導(dǎo)作用”。

2.情境素材選擇

基于學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，從豐富的情境資料中選取了與本節(jié)課核心知識、核心思想及核心素養(yǎng)相關(guān)聯(lián)的素材，具體如表1：

表1 基于核心素養(yǎng)下的元素周期表應(yīng)用的情境素材選擇

3.真實問題情境創(chuàng)設(shè)

基于學(xué)生的認知發(fā)展順序編輯素材，分析各情境素材之間的邏輯連接關(guān)系，創(chuàng)設(shè)了以時間為橫軸，以化學(xué)史和科技發(fā)展史為縱軸的動態(tài)情境，從1869年門捷列夫編制第一張元素周期表開始，到2006年俄羅斯科學(xué)家宣布合成118號元素結(jié)束，在這橫跨100多年的歷史中，通過“初識元素周期表→再識元素周期表→深識元素周期表”三個教學(xué)環(huán)節(jié)，將元素周期表應(yīng)用中的知識方法主線和情感主線串聯(lián)起來，進而深刻認識到門捷列夫所編制的元素周期表給研究化學(xué)所帶來的革命性意義，體會到元素周期表在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的指導(dǎo)作用。具體問題情境見圖6。

4.教學(xué)活動設(shè)計

基于以上問題情境設(shè)計教學(xué)活動，將學(xué)生置身于一個高度情境化的真實場景中，通過“推斷未知元素的相關(guān)性質(zhì)”“查閱元素發(fā)現(xiàn)史”以及“三次尋找制冷材料”的任務(wù)活動，使學(xué)生體驗類似科學(xué)家進行科學(xué)探索的一般過程，在真實問題情境中逐步形成歸納、演繹等解決問題的方法。以“三次尋找制冷材料”為例，通過運用化學(xué)研究中“發(fā)現(xiàn)問題—理論預(yù)測—搜集證據(jù)—分析推理—得出結(jié)論”的科學(xué)方法，體會元素周期表在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的指導(dǎo)作用，感受化學(xué)在積極應(yīng)對能源消耗、環(huán)境污染等全球性問題上作出的貢獻，激發(fā)學(xué)生的愛國情感和社會責(zé)任感，落實化學(xué)核心素養(yǎng)，此部分的教學(xué)活動實錄如下。

【科研情境一】制冷與我們的生活息息相關(guān)，全球能源有近1/3用在制冷上。所以尋找一種節(jié)能環(huán)保的制冷方式意義重大。

【PPT】展示20世紀初的一些制冷劑（見表2），并指出早期制冷劑使用時存在的安全隱患。

表2 部分制冷劑的性質(zhì)

【學(xué)生活動】根據(jù)學(xué)案上信息及元素周期律的知識，試著尋找一種不易燃無毒安全的制冷劑，并將結(jié)果填寫在學(xué)案上（見表3）。

表3 部分氫化物的毒性和可燃性比較

【提問】根據(jù)比較結(jié)果，科學(xué)家找到兩種物質(zhì)CF4及CCl4，二者不易燃燒且毒性比較小。但相比于以前的制冷劑，CF4沸點-128℃，比較低、不容易液化，CCl4沸點76.8℃，比較高、不容易蒸發(fā)。能否找到一種制冷劑的沸點是介于兩者之間的呢？

【學(xué)生回答】例如CFCl3、CF2Cl2、CF3Cl等。

【數(shù)據(jù)支撐】CFCl3沸點：23.7℃，CF2Cl2沸點：-29.8℃，CF3Cl沸點：-81.3℃。

【過渡】以上這些物質(zhì)就是氟利昂，氟利昂通過元素周期表尋找出來之后在很長一段時間中都是制冷劑的代名詞，但由于它對環(huán)境的破壞性已經(jīng)在全球范圍內(nèi)被慢慢禁用了，那么是否能尋找到一種既環(huán)保又能起到制冷效果的制冷材料呢？

【科研情境二】20世紀60年代，半導(dǎo)體制冷片開始大規(guī)模應(yīng)用。半導(dǎo)體制冷是一種固體制冷方式，與傳統(tǒng)的壓縮機制冷系統(tǒng)相比，沒有機械轉(zhuǎn)動部分，無需制冷劑，無噪聲，無污染。

【教師】簡單講述半導(dǎo)體制冷器的工作原理，介紹半導(dǎo)體是常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。

【學(xué)生活動】根據(jù)半導(dǎo)體的性質(zhì)，在元素周期表中尋找適合作半導(dǎo)體材料的元素。（見圖2）

圖2 元素周期表

【繼續(xù)設(shè)疑】周期表中金屬元素與非金屬元素分界線附近的元素很多都是良好的半導(dǎo)體材料。據(jù)研究顯示，在同族元素或同種類型的化合物之間，制冷效果隨著平均原子量的增長呈上升趨勢，目前常常使用的有Sb2Se3，其他類似的還可以是什么？

【學(xué)生回答】根據(jù)同主族元素性質(zhì)相似，可以找到例如Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3等等。

【數(shù)據(jù)支撐】見資料卡片

【過渡】為提高制冷效果，所采用的高純稀有半導(dǎo)體制冷材料成本較高、能耗較大，嚴重地阻礙了半導(dǎo)體制冷器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，那么還能尋找到又環(huán)保又節(jié)能的制冷材料嗎？

【科研情境三】21世紀初，科學(xué)家開始轉(zhuǎn)向高性能的室溫磁制冷技術(shù)研究，室溫磁制冷技術(shù)具有零GWP（全球變暖潛能）、零ODP（臭氧消耗潛能）、高效、低噪音等特點，有望成為具有重要應(yīng)用前景的制冷技術(shù)之一。

【教師】介紹磁制冷技術(shù)，簡單講述其原理。

【提問】要實現(xiàn)這種技術(shù)的發(fā)展，歸根結(jié)底是磁性材料的尋找！目前我們所熟悉的磁性材料中以含F(xiàn)e元素居多，利用元素周期表，還能尋找到其他適合做磁性材料的元素嗎？

【學(xué)生回答】與鐵元素同屬于第Ⅷ族的Co、Ni等元素。（見圖3）。

圖3 第Ⅷ族元素

【PPT】展示部分磁性材料（見圖4）

圖4 部分磁性材料

【繼續(xù)提問】后來人們又發(fā)現(xiàn)Gd（釓元素）具有巨磁熱效應(yīng)，用來做室溫的磁制冷材料更好，要找到類似釓具有巨磁熱效應(yīng)的元素，你會把目光聚焦在元素周期表的哪塊區(qū)域呢？

【學(xué)生回答】周期表中釓（Gd）元素所在的鑭系元素或錒系元素。（見圖5）。

圖5 鑭系元素以及錒系元素

【教師】展望我國稀土磁制冷材料的發(fā)展前景。

【總結(jié)】翻開教材附錄中包含118種元素的周期表，這張元素周期表的價值，不僅僅局限于制冷材料的尋找，它在農(nóng)藥、催化劑、耐高溫的合金材料等等新型物質(zhì)的尋找上都發(fā)揮著它巨大的、不可被替代的指導(dǎo)作用！

5.教學(xué)設(shè)計思路圖

通過在素養(yǎng)導(dǎo)向下提煉核心知識，根據(jù)核心知識精選素材，并創(chuàng)設(shè)真實問題情境，基于問題情境設(shè)計教學(xué)活動最終形成如圖6所示的教學(xué)設(shè)計思路。

三、結(jié)語

真實具體的問題情境是化學(xué)核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，具體的實施策略則是以“學(xué)科核心素養(yǎng)”為主旨，以“學(xué)科知識”為中心，以“情真意切”為境界，以“教學(xué)活動”為途徑貫穿和落實，寓理于情、融情于境，將情境素材和教材知識密切結(jié)合。只有為學(xué)生創(chuàng)設(shè)“真情境”，引出“真問題”，實施“真活動”，才能讓學(xué)生習(xí)得“真知識”，生成“真智慧”，從而使相對枯燥的知識靈動飛揚起來，最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，使核心素養(yǎng)的培育真正落到實處，凸顯化學(xué)學(xué)科的育人功能。

圖6 元素周期表應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計流程圖