高中化学教材中的情境素材分析及教学建议--以“人教版高中化学必修教材”为例

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高中化学教材中的情境素材分析及教学建议
以 人教版高中化学必修教材 为例
ʌ作者简介ɔ吴晗清ꎬ教育学博士ꎬ心理学博士后ꎬ副教授(教授岗)ꎬ北京师范大学教育学部兼职教授ꎬ研究方向:化学课程与教
学论ꎻ李敏ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向:化学教育ꎮ
吴晗清１ꎬ２ꎬ李㊀敏１
(１.首都师范大学教师教育学院ꎬ北京㊀１０００３７ꎻ
２.首都师范大学化学教育研究所ꎬ北京㊀１０００４８)
ʌ摘㊀要ɔ情境素材及其教学具有很强的实践价值ꎬ当前情境教学的困境主要存在于素材的选取与组织ꎮ新教材中创设了丰富的情境ꎬ结合新版人教版高中化学教材ꎬ以 化工生产中的重要非金属元素 这一章中出现的情境素材为例ꎬ分析了教材中情境素材的呈现方式与内容类型ꎬ并构建了整合性的情境素材分析框架ꎬ为实践提供了一定的可操作性方法与策略ꎮʌ关键词ɔ情境素材ꎻ化学教学ꎻ教材分析ʌ中图分类号ɔＧ６３３.８
ʌ文献标识码ɔＡ㊀
㊀ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－１０５８.２０２１.０５.０１６㊀㊀«普通高中化学课程标准(２０１７年版)»提出了五个方面的学科核心素养ꎬ重视 素养为本 的教学ꎬ精选化学学科内容ꎬ以大概念为核心ꎬ使课程内容结构化ꎬ以主题知识为引领ꎬ使课程情境化ꎬ促进核心素养的落实[１]ꎮ其中使课程内容情境化有利于激发学生的学习兴趣ꎬ便于核心素养的落实ꎮ为此课程标准还在每个知识主题下新增了 情境素材建议 这一内容ꎬ在教学中引入相关的情境素材的重要性显而易见ꎮ
一㊁情境素材研究与教学实践的困境
情境教学可以为学生提供包含认知和行为的综合体验ꎬ帮助学生完成理论知识学习的同时ꎬ也提升了他们的实践能力ꎮ虽然新课标在每个主题下新增了 情境素材建议 ꎬ但由于对情境素材的表述比较简单ꎬ往往是一些孤立事件的堆砌ꎬ因而教师难以很好地综合驾驭ꎮ
实践中存在许多相关的困境或者误区ꎬ主要体现在几个方面:一是素材与学科内容的脱离ꎮ即素材仅仅作为引发学生的兴趣ꎬ或者为了表明化学与社会生活的所谓紧密关系ꎬ并没有深度揭示学科核
心内容ꎬ以致素材与学科内容两张皮ꎮ正如有研究指出ꎬ要选取与学科概念紧密相关的情境素材ꎬ将化学核心知识置于真实情境中ꎬ从而体现素材的学科价值[２]ꎮ二是素材与实践活动脱离ꎮ化学与社会㊁生活休戚相关ꎬ天然地为教学提供了丰富的情境素材ꎬ但是在选择时需要进行综合设计ꎬ不宜将素材仅仅作为知识展示的载体ꎬ更要融合学生的实践活动ꎬ做到手脑并用[３]ꎮ三是素材与素材之间缺乏相互关联ꎬ没有融成有机的情境ꎮ即学习某一系列的知识而使用许多没有关联的素材ꎬ因而这些素材难以体现学科内在逻辑ꎬ而是为了素材而素材[４]ꎮ上述分析表明ꎬ情境素材的合理选取与有效组织是问题的关键ꎮ
二㊁高中化学教材中情境素材的类型与功能分析(一)高中化学教材中情境素材的类型分析化学教材中的情境是学科知识产生和发展的时空背景ꎬ与知识内容本身紧密相连ꎬ难以割裂ꎮ不同学者根据不同分类标准对情境进行了相应的划分ꎬ如划分为生活经验㊁科学史实㊁实验探究㊁生产应用情境和模拟情境五类[５]ꎮ但是针对教材中
情境素材的整合性深度分析ꎬ并没有得到应有的关注ꎮ教材中的情境素材可以从形式与内容两个方面进行分类ꎮ情境素材形式上的划分主要指的是素材的呈现方式ꎬ而内容指的是蕴涵化学知识㊁概念原理等的背景事件ꎮ
呈现方式主要有静态的呈现方式和动态的呈现方式两种ꎬ静态的呈现方式即为素材内容的表达形式ꎬ如文字㊁图表等ꎬ而动态的呈现方式主要是情境素材创设的活动和任务ꎬ如实验㊁交流思考㊁探究ꎮ在内容上ꎬ可以从时间和空间两个维度来分析ꎮ从时间轴来看ꎬ主要是化学史上发生过的重大事件ꎬ主要有三个方面ꎬ即化学家的故事㊁理论模型发展的史实㊁物质的发现ꎮ时间轴上的情境主要与学生的间接经验联系ꎬ因此主要是创设的㊁虚拟的㊁模仿的ꎮ从空间轴来看ꎬ主要是指化学与人类所在生存空间的关系ꎬ主要可以分成四个方面ꎬ即化学与生活㊁化学与生命㊁化学与环境㊁化学与工业技术ꎮ空间轴上的情境主要与学生的直接经验发生联系ꎬ学生大多能够通过亲身经历去感受和体验ꎮ这种分类方式有利于教师对教材中的情境体系进行整体的把握ꎬ从而帮助学生构建学习的意义背景ꎬ促进学生深度的化学学习ꎬ切实达成化学学科核心素养ꎮ从价值和意义的角度来分析ꎬ不同的情境素材对学生具有不同指向的功能(参见表１)ꎬ主要有激发学习动机㊁促进知识理解㊁引导知识应用㊁陶冶情感价值等ꎮ
表１　教材中情境素材的类型分类及功能
二级维度具体内容具体示例功㊀能
呈现方式
表达形式(静态)
任务及活动(动态)
文字自然界中硫的转换应用
图表硅氧四面体的结构理解
实验实验室制备硝酸理解㊁应用
交流思考工业制取硝酸过程中的反应理解㊁应用
探究测定雨水中的ｐＨ值动机㊁理解㊁应用㊁情感
内
容
指
向
时间轴(科学史)
空间轴(化学与人类)
化学家的故事哈伯与合成氨情感
理论模型发展史原子结构发展史情感
物质的发现工业合成ＮＨ３动机㊁理解㊁情感化学与生活二氧化硫做食品添加剂动机㊁理解
化学与生命氮存在于动植物体中动机㊁理解
化学与环境酸雨的治理动机㊁理解㊁应用㊁情感化学与工业技术工业制备硫酸动机㊁理解㊁情感
㊀㊀(二)情境素材的呈现方式及案例分析
呈现方式主要是静态的文字㊁图表ꎬ以及动态的实验㊁交流思考㊁探究等ꎮ静态呈现方面ꎬ不同类型的情境素材都借助大量生动活泼的文字㊁绚丽多彩的图片ꎬ刺激学生的感官体验ꎬ从而激发学生的学习热情ꎮ教材在 化工生产中的重要非金属元素 这一章中ꎬ文字资料出现２８次㊁图表２５次ꎬ分别占比４５.１６％㊁４０.３２％ꎬ两者合计８５.４８％ꎬ占据绝大部分ꎮ这种静态的文字㊁图表的呈现方式ꎬ直观且简明扼要ꎬ科学性强ꎮ在介绍物质的物理性质和原子的微观结构时ꎬ教材倾向于采用描述性的文字和图片等方式辅助ꎬ如教材在介绍硅酸盐材料时引入了硅氧四面体的结构ꎬ利用硅氧四面体结构的特殊性引出硅酸盐材料具有硬度高㊁难溶于水ꎬ化学性质稳定的特点ꎬ由此说明硅酸盐材料在日常生活中的广泛用途ꎮ教师在教学时应该充分利用此素材ꎬ发挥最大的教学价值ꎮ
由教材中创设的情境而引发学生主动参与的一系列活动和任务的动态呈现方式(实验㊁交流思考㊁探究等)占比较少ꎬ共有９处ꎬ约占全部呈现方
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式的１４.５２％ꎮ在对教材中的动态呈现方式进行研究时ꎬ教材中设置实验探究本身不包括在内ꎮ因为教材中的实验探究本身是去情境化的学科操作性知识和技能ꎬ而由情境引发的实验探究才被本研究视为动态的情境ꎮ在涉及物质性质㊁用途和物质制备㊁转化等知识时ꎬ教材倾向于采用动态的呈现方式ꎮ如教材中模拟工业制硝酸的实验ꎬ并设置交流思考让学生思考此实验对工业制取硝酸的启示ꎮ学生在教材创设的真实的情境中完成有关物质制备的实验ꎬ通过学生自主设计实验和完成实验操作并得出结论ꎬ培养学生的实验操作技能和科学素养ꎮ同时发展了学生迁移运用的能力ꎬ从实验室制取硝酸迁移到工业制取硝酸ꎮ在实验㊁交流思考㊁探究三种动态方式中ꎬ交流思考相对较多ꎮ可能是相对于实验和自主探究而言ꎬ交流思考更便于操作ꎬ同时言语表达也是思维外显ꎬ教师能够及时得到有效的反馈ꎮ
不论教材中利用何种呈现方式类型ꎬ其目的都是激发学生学习的热情和兴趣ꎬ帮助学生架构知识产生的背景㊁促进知识的迁移ꎬ实现认知发展ꎬ发展学生的各项技能ꎬ最终落实学生的核心素养ꎮ应该说各种类型的呈现方式不存在好坏优劣的区分ꎬ实际教学需要进行优势互补ꎬ整合运用ꎮ如静态方面ꎬ图片一般比单纯的文字显得更加活泼ꎬ色彩鲜艳㊁形象直观ꎮ但是文字相对单调ꎬ却蕴含了内在的知识逻辑ꎮ动态方面ꎬ动手操作㊁动脑思考㊁动嘴交流ꎬ对于学生综合能力的培养都是必不可少的ꎮ教学应根据具体的情况灵活整合ꎬ动静相生ꎬ尽力发挥每一项素材的积极意义ꎮ
(三)情境素材的内容分析与案例探讨
根据上面素材分析的框架ꎬ继续对 化工生产中的重要非金属元素 这一章中的素材从内容类型上进行统计分析ꎬ并将不同内容类型的情境素材在教材中的具体事例及其功能列于表２中ꎮ
表２　内容类型在 化工生产中的重要非金属元素 中的具体事例及功能内容类型教材中的具体示例功能
化学家的故事哈伯合成氨ꎻ博施合成氨情感
理论模型发展史
物质的发现氨的发现㊁半导体材料的发现动机
化学与生活二氧化硫可用于杀菌消毒ꎻ二氧化硫是食品添加剂应用㊁理解化学与生命石膏用作各种模型和医用绷带ꎻ硫酸钡在医疗上作钡餐ꎻ动植物体中的蛋白质ꎻ豆科植物固氮应用㊁理解化学与环境自然界中硫的存在与转化ꎻ空气中氮的存在形式ꎻ土壤和海洋里的硝酸盐和铵盐ꎻ雷雨发庄稼应用㊁理解
化学与工业技术工业上用二氧化硫漂白纸浆㊁毛㊁丝等ꎻ硫酸用于生产化肥㊁农药㊁炸弹和盐ꎻ工业用含硫矿
物制备硫酸ꎻ金属冶炼的废气制备硫酸ꎻ工业上石膏被用来调节水泥硬化速度ꎻ胆矾合成波
尔多液ꎻ人工固氮ꎻ工业固氮ꎻ氮是重要的化工品原料ꎻ工业制取硝酸ꎻ液氨做制冷剂ꎻ铵盐
作肥料ꎻ工业废气的排放ꎻ新石器时期的陶瓷制作工艺ꎻ玻璃作为生产建筑的材料ꎻ水泥的
生产ꎻ现代信息技术的基础材料ꎻ工业制取粗硅ꎻ工业制备高纯硅的原理ꎻ碳纳米管
动机
应用
理解
情感
㊀㊀１.时间轴维度上的分析
时间维度主要包含化学家的故事㊁理论模型发展史㊁物质的发现三个方面ꎬ这些情境内容主要是与化学发展史相关ꎮ在这一章中主要涉及化学家的故事和化学物质发现的历史ꎬ共有４个约占比为７.７０％ꎬ关于理论模型发展的历史在本章中没有涉及ꎮ如教材在介绍合成氨的工业生产时ꎬ引入了时间轴上的情境素材ꎬ带领学生回顾合成氨走向工业生产的艰难过程ꎮ首先ꎬ介绍了由于氮气的性质很不活泼ꎬ以它和氢气为原料合成氨曾是困扰人类许久的难题ꎻ其次ꎬ介绍了两位科学家哈伯㊁博施发明的合成氨的方法并因此获得诺贝尔奖的历史故事ꎻ再次ꎬ从实验室合成氨到工业生产的技术发展ꎬ促使人们深入认识化学平衡㊁催化剂等ꎮ这一系列的素材揭示了化学对于人类社会进步的巨大作用ꎬ对培养学生的科学态度与社会责任至关重要ꎮ教学
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实践中需要对素材进行二次发掘ꎬ深挖历史故事中的科学思想和方法ꎬ科学态度和精神ꎬ启迪学生的思考ꎬ落实立德树人根本任务ꎮ
２.空间轴维度上的分析
与时间维度相比ꎬ这一章内容在空间维度上的素材明显多得多ꎮ在所有空间维度的素材上ꎬ化学与工业技术类最多ꎬ共有２２处占比为４２.３１％ꎬ如表２所示ꎮ其原因是这一章主要涉及 非金属元素 在化工生产中的应用ꎬ与工业技术和实际生产联系密切ꎮ通过素材先获得感性上的认识ꎬ再上升到理性的思考ꎬ知道所学的知识从何处来最后又要到哪里去ꎬ学以致用ꎬ提高分析和解决实际问题的能力ꎮ例如教材在介绍硫酸的性质和用途的时候ꎬ创设了 工业制备硫酸的原理示意图 这一情境ꎬ将化学知识与具体的生产情境紧密结合ꎬ并具体介绍了工业制备硫酸的原料ꎬ反应发生的条件ꎬ中间产物ꎬ以及生产过程中的 废料 如何处理ꎬ这一生产情境的创设为学生学习硫酸的性质和用途找到了现实支撑ꎮ
其次占比较大的是化学与生活这一类型的情境ꎬ共１７处ꎬ占比约３２.６９％ꎮ因为元素化合物部分的学习ꎬ要求学生能认识典型代表物的性质及其用途ꎬ并建立物质结构 性质 用途之间的关系ꎮ学生应从生活经验出发ꎬ基于直接经验和感性认识ꎬ观察生活中的宏观现象ꎬ了解到物质在实际生活中的用途ꎮ通过驱动性问题ꎬ引发认知冲突ꎬ构建从性质的角度认识物质的用途ꎬ并进入微观世界对性质做出合理的解释ꎬ发展学生宏观辨识与微观辨析的学科核心素养ꎮ如在介绍二氧化硫时ꎬ以 葡萄酒中添加二氧化硫起到杀菌㊁抗氧化和防腐的作用 为例ꎬ创设与生活经验紧密联系的情境ꎮ从二氧化硫在生活中的用途入手ꎬ分析二氧化硫中硫的原子结构和得失电子的情况ꎬ知道二氧化硫中硫元素为＋４价ꎬ处于中间价态ꎬ这一结构特点决定了二氧化硫既具有氧化性也具有还原性ꎬ具有还原性说明其能被当作食品添加剂用来抗氧化ꎮ这一素材ꎬ有利于学生系统思维和辩证观念的发展ꎮ教材中创设的化学与生命有关的情境共５处ꎬ约为全部情境的９.６２％ꎬ而化学与环境相关的情境共有４处约占情境的３.８５％ꎬ这类学习情境的创设能够让学生在进行知识学习的同时受到情感态度与价值观方面的教育ꎮ如教材将 酸雨与防治 作为单独的一节ꎬ并创设了化学与生命㊁环境等相关的素材ꎬ警示学生科技是把双刃剑ꎮ化学能给人类带来生活福祉的同时应该妥善处理好与环境的关系ꎮ可以通过 酸雨与防治 的专题研讨活动ꎬ培养学生的信息能力ꎬ通过基于证据的推理和判断ꎬ认识到合理运用化学知识的重要性ꎬ从而树立资源意识和可持续发展的观念ꎮ
３. 氮及其化合物 的案例分析
以 化工生产中的重要非金属元素 一章中的 氮及其化合物 为例进行案例分析ꎬ探讨各种素材与知识点之间的对应情况ꎬ发现一共涉及１０个知识点ꎮ根据元素化合物学习的一般规律将它们分成物质类别㊁物质结构㊁物质性质㊁物质的制备㊁物质用途㊁物质转化等六个类别ꎬ每个类别下对应的知识点的个数和具体的内容如表３所示ꎮ
可见ꎬ教材中的情境素材十分丰富ꎬ涉及物质性质的方方面面ꎮ通过这一具体的案例分析ꎬ再次表明了素材本身没有优劣好坏之分ꎬ通过分析和比较发现ꎬ并没有一种类型的素材能够涵盖所有的知识点ꎮ因此针对不同的教学内容ꎬ创设的情境类型和数量也不尽相同ꎬ具体情况需要考虑学生的经验㊁知识本身的特点与社会发展的需求等综合性因素ꎮ值得注意的是ꎬ教材在介绍氮及其化合物的结构部分知识时ꎬ并未创设相应的情境帮助学生理解知识ꎬ这部分知识仅用简单的文字素材来描述物质的微观结构ꎬ对于学生而言还比较抽象ꎮ可以考虑创设有关氮元素在形成不同化合物时的成键特点或者物质结构相关的图片或其他素材ꎬ帮助学生更好地理解 结构 性质 用途 之间的关系ꎮ
三、情境素材的教学建议
(一)动静相生:静态素材在实践活动中彰显生命力
从上面的分析可以看出ꎬ教材中提供的多数素材是静态的文本素材ꎬ而实验探究或其他活动性的动态素材较少ꎮ为了发挥静态素材的教学价值ꎬ必须让其 动起来 ꎮ也就是在实际教学中将这些静态的图片或文字融进一些实践活动中ꎬ让学生在积极思考或动手操作中ꎬ主动去应用这些静态素材ꎬ理解其学科意义和与社会生活的关联ꎬ让它们在实践活动中凸显生命的张力ꎮ
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表３㊀ 氮及其化合物 中情境素材对应的知识点
知识类别个数知识点具体内容
物质类别１氮元素的存在状态氮气㊁氮的氧化物㊁氮的氢化物㊁硝酸㊁硝酸盐㊁铵盐
物质结构１氮原子结构㊁在元素周期
表中的位置㊁元素的性质
氮位于周期表第二周期第五主族ꎬ最外层有５个电子ꎬ既不容易失
电子也不易得电子
物质性质４
氮气
物理性质:颜色㊁状态㊁溶解性
化学性质:与金属Ｍｇꎬ非金属Ｈ２㊁Ｎ２㊁Ｏ２的反应
氮的氧化物性质
物理性质:颜色㊁状态㊁溶解度ꎻ化学性质:ＮＯ具有还原性能与氧气
反应ꎻＮＯ２是酸性氧化物与水反应
氨和铵盐的性质
氨的物理性质:颜色㊁状态㊁溶解度ꎻ化学性质:氨气溶于水显碱性㊁
氨与酸的反应㊁氨的催化氧化ꎻ铵盐的化学性质:受热易分解㊁与碱
反应放出氢气
硝酸的性质
物理性质:颜色㊁状态ꎻ化学性质:硝酸受热易分解㊁硝酸的强氧化
性㊁不同浓度的硝酸与金属的反应
物质制备２人工合成氨气
经研究发现ꎬ在５００~６００ħ/１７.５~２０ＭＰａ和锇为催化剂的条件
下ꎬ反应后氨的含量可达６％以上
工业制硝酸将氨经过一系列的反应得到硝酸
物质用途１酸雨的防治二氧化硫㊁氮氧化合物以及他们在大气中发生化学反应后的生成物溶于水形成酸雨
物质转化１氮及其化合物的转化不同价态的含氮物质的相互转化
㊀㊀以无机非金属材料硅的教学为例ꎬ利用静态和动态素材设计综合性实践活动ꎬ来探究 硅元素家族 的奥秘(如表４所示)ꎮ如二氧化硅与强酸㊁强碱的实验探究ꎬ结合氢氟酸刻画玻璃的图片来深度认识二氧化硅的相关性质ꎮ又如由食品中常用的硅胶干燥剂的图片到自主设计实验制取硅胶ꎬ也是静态素材转化为动态素材的运用ꎮ动静结合㊁相互促进ꎬ让情境素材真正融合为水乳交融的教学情境ꎮ
表４㊀探究 硅元素家族 奥秘的综合实践活动对应的情境素材
情境素材探究问题学生活动学科知识素材引入意图
陶瓷㊁玻璃㊁砖瓦ꎬ硅太阳能电池㊁光导纤维㊁计算机芯片等含硅的无机材料的图片主要成分ꎬ如
何分类
硅单质㊁二氧化
硅㊁硅酸盐分类
硅㊁二氧化硅㊁
硅酸盐
引发学生对玻璃分类的认知
冲突ꎬ是二氧化硅还是硅酸盐
火山爆发使沙子变成熔岩冷却后形成玻璃ꎻ工业生产中加入Ｎａ２ＣＯ３降
低熔点ꎬ加入ＣａＯ使玻璃不溶于水玻璃与二氧
化硅的关系
重新思考玻璃
的分类
二氧化硅与碳
酸钠㊁氧化钙的
反应
展示玻璃的发现以及工业制
法ꎬ解决学生的认知冲突
氢氟酸刻画玻璃的图片二氧化硅与
硫酸㊁盐酸的
反应
设计实验进行
探究
与常见强酸不
反应ꎬ与氢氟酸
反应
通过图片到实验ꎬ深度认识二
氧化硅与酸的反应
食品中常用硅胶干燥剂的图片干燥剂的主
要成分ꎬ制取
硅胶
设计制取硅胶
的实验方案
二氧化硅与氢
氧化钠反应ꎬ硅
酸钠与盐酸反应
静态图片转向动态实验ꎬ交流
思考ꎬ从感性到理性ꎬ从知识
到能力ꎬ从散点到结构
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㊀
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㊀㊀(二)按图索骥:主体构建学科知识的意义地图
教学情境的学科属性是体现学科特点的基本
保证ꎬ是培养学生独特品格与关键能力的载体ꎬ也是本学科的教学情境区别其他学科教学情境的基本指标[６]ꎬ情境素材体现的学科意义决定了其能否被运用到实际的教学中ꎮ那么教师应该如何帮助学生构建学科知识的意义地图呢?首先ꎬ需要根据课标与教材结合学情分析ꎬ拟定适恰的教学
目标ꎻ其次ꎬ依据教学目标分解教学内容中蕴含的学科知识ꎬ包括挖掘事实性㊁程序性及策略性知识等ꎬ并且深度厘清它们之间的内在关联
ꎻ再次ꎬ根据学科知识点去寻求适当的情境素材ꎬ根据知识点之间的联系和学生认知顺序去嫁接情境素材ꎬ整合成水乳交融㊁有血有肉的教学情境ꎮ以 自然界中硫的存在与转化 这一情境为例ꎬ具体如图１所示ꎮ
图１　含硫物质存在与转化的学科意义地图
㊀㊀硫及其化合物在自然界中的分布非常广泛ꎬ可以引领学生依据硫元素的价态将其编织成有意义的网络ꎬ完成元素化合价 物质 转化的系统认知ꎬ实现宏观 微观 符号三者之间的自由转化[７]ꎮ在教学时ꎬ要引导学生从学科知识本身的逻辑线路如物质存在的形态㊁结构与性质ꎬ以及化学与社会生产生活如工农业㊁环境等密切的关联这两条线路出发ꎬ在实践活动中自发地探索和思考ꎬ建构属于自己的具有独特意义的学科地图ꎮ总之ꎬ通过学科逻辑和社会生活两条主线的相互交织ꎬ将各种素材有机融合成有意义的学习情境ꎬ不仅有利于学生获得系统的学科认知ꎬ还水到渠成地落实了核心素养ꎮһ
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