关于高中化学《二氧化硅和硅酸》三个教学难点的研究述评？鄢

黄毓展++钱扬义++蔡立媚

摘要：硅元素及其化合物的教學是高中化学课程中的重要课题，分析探讨课题的教学难点问题具有较高的研究价值。本研究首先从文献研究入手，基于中国期刊网2000-2016年的49篇与高中化学《二氧化硅和硅酸》教学研究相关的文献，对其研究概况中的研究趋势以及研究内容分布进行统计分析，并在此基础上，结合对深圳市某中学高一年级两个班级共88名学生进行开放式问卷调查，确立学生在本课时学习中的三个难点问题，即二氧化硅的结构教学、二氧化硅与氢氧化钠反应的性质教学以及硅元素的应用教学，着重分析其在教材和文献中的教学方法，最后结合文献分析对《二氧化硅和硅酸》中的三个教学重难点的突破提出建议。

关键词：硅元素；结构教学；性质教学；应用教学；教学综述

文章编号：1008-0546（2017）07-0000-00 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.000

一、问题的提出

硅元素作为当今互联网时代高速发展的决定性元素，作为无机非金属材料的主角，是学生从学习金属元素过渡到非金属元素的开端，近年来在教材中的地位越发突出。本文以硅的相关教学研究论文作为对象，对其已有的教学研究概况进行简要概述。在此基础上，结合对一线教师的访谈记录以及对学生的问卷调查，发现学生在这节课的学习中普遍存在三个问题：（1）对二氧化硅的结构认识不到位，不理解为什么二氧化硅属于原子晶体而不是分子晶体，且既然二氧化硅晶体结构为硅氧四面体结构，但其硅氧原子的个数不是1∶4而是1∶2；（2）关于二氧化硅和氢氧化钠反应的性质问题，为什么盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，但试剂瓶本身却是玻璃制品；（3）硅元素各种化合物的应用问题，学生非常容易混淆。针对这三个难点问题，本文对教材和已有文献中采用的教学方法以及教学手段进行归纳分析，结合已有的文献，提出微教学设计的思路，以供教学参考。

二、无机非金属材料的主角——硅》的教学研究概况

1. 教学研究趋势分析

本文从文献研究入手，以“硅元素”、“二氧化硅”、“硅酸盐”、“结构”、“性质”以及“应用”等作为关键词进行组合，检索2000 -2016年17年来中国期刊网上相关教学文献，截止2016年9月，共搜得49篇文献，其中包括期刊文献44篇，硕士论文3篇，会议记录2篇、博士论文0篇。以下是按年份对论文数量进行统计，见图1。

从图1可以看出，在2000年至2015年16年间，有关硅的教学研究文献数量总体趋势是增长的，说明了随着硅及其相关化合物广泛应用于信息技术及材料科学中，更多教学工作者对硅的教学也给予更多的关注。硅的教学研究文献多发表于《化学教学》、《化学教育》、《中学化学教学参考》这种的课程教学期刊上，2009年首次出现与硅相关的硕士论文，这是一个新的突破。然而，关于硅的教学研究论文，鲜有研究者对其进行持续深入的研究，也没有相关博士论文出现，这为以后其他研究者提供一个方向。

2. 教学研究内容分布

在研读以上文献的基础上，总结归纳有关“硅”的教学研究文献的内容，统计发现，在49篇文献中，主要分为四类，分别是：（1）、硅及其化合物的结构教学探讨；（2）、硅及其化合物的相关实验教学改进；（3）、硅及其化合物的教与学设计；（4）、硅及其化合物的教学理论反思，其分布趋势如图2。

通过统计在硅的教学研究相关文献中，教与学的设计是最多教学工作者关注的一部分，有22篇文献，占总数的44.9%；其次是教学理论反思，有14篇文献，占总数的31.1%。对于相关实验教学改进研究，只有8篇文献；而硅的结构教学研究，则更少人关注，仅找到5篇文献。分析其原因是由于教材中对于二氧化硅的结构教学以及实验教学这两方面涉及不多，课标等的相关要求不高，导致教师们对于这两方面的教学研究有所忽略。

三、教学难点问题的确立与分析

1. 教学难点问题的确立

（1）访谈高中一线化学教师

在对教学文献进行粗读后，笔者针对此课例在实施过程中的教师发现的教学重难点问题，在广东省2014年中小学骨干教师省级培训中学化学研修班项目中，对来自广东省各地区不同层次高中的42名一线骨干教师进行随机访谈，访谈一线教师在本课例教学过程中认为的难点问题以及解决方法。其中有37名教师提到关于二氧化硅的结构教学的问题，由于目前高一的学生没学习物质结构，分不清什么是原子晶体、什么是分子晶体，对于为什么没有SiO2分子以及SiO2是化学式，仅表示物质组成，而不能表示分子组成，这些类似的问题，学生很难理解，高一的时候由于课程安排等原因，一般也不深入讲解，就让学生记住结论。另外，也有22名老师提到，学生在含硅元素的应用上，经常混淆，特别是光纤和半导体材料的主要成分；而这一块解决的方法主要以练习熟记为主。

（2）学生难点问题开放式调查

为了更准确地确定学生的学习难点，本研究课例采用了先学后教的教学方式。即在课前利用教师自制的教学视频以及学案，由学生先进行自学；并收集学生完成的学案，统计学生提出的问题。学案的最后通过一个开放性的问题“关于本节课你还有什么疑问，提出来汇总到课代表处”，了解学生其他学困点，防止由于学案设计考虑不完整而影响对学生关于知识的掌握请况的判断。研究对象为深圳市某市属中学的高一级理科学生，共两个班88人，参与课堂人数为88人；学生已经学习过金属及其化合物的知识，对学习元素化合物的方法有了一定基础；由于该校较重视信息技术的课程，研究对象对利用电脑教学视频进行学习在技术上基本不存在问题；该校属于深圳市属的前列，学生自学能力较于其他同龄者属于前列。

通过分析学生完成的学案，教学者收集并整理分析学案中学生比较集中的错误；在本次研究中参与课前自主学习的学习者总人数是88人，上交的学案总共有88份，通过整理分析，学生的主要提问可以分为两大类，第一类是二氧化硅的结构问题：有31人提及二氧化硅是原子晶体，二氧化碳是分子晶体，两种晶体怎么判断？有什么不同？而有44人提到为什么硅氧四面体硅氧比是1∶4，但由硅氧四面体构成的二氧化硅，硅氧比却是1∶2？第二类是二氧化硅的性质问题：有76人提及，盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，但试剂瓶本身就是玻璃制品，是不是矛盾了？类似的问题还有，硅的还原性要比碳强，但是却能发生以下的反应：2C+SiO2 =Si+2CO（高温），是不是也矛盾了？有18人提及，这些问题本质上就是化学反应与反应条件的关系的问题。

根据教师访谈与学生提问统计，确立以下三个问题为本节课难点问题，对所查阅到的文献中，针对这三个难点问题的教学情况进行分析。

2. 教学难点问题的分析

（1）难点问题一：二氧化硅的结构教学状况分析

关于二氧化硅的结构教学，人教版高中化学的教材中，首先在前言提及了硅元素的原子结构，说明其与碳原子相似具有稳定性；然后通过科学视野栏目介绍二氧化硅的硅氧四面体结构，指出二氧化硅晶体结构是由Si和O按1∶2的比例所组成的立体网状结构。学生在学习二氧化硅的结构的时候，由于缺少必要的化学键和晶体方面的知识，对于二氧化硅为什么属于原子晶体这一事实难以理解，特别是不理解为什么二氧化硅的基本结构单位是硅氧四面体，但是硅氧个数比却是1∶2。

在对期刊文献进行分析统计后，有4篇文献专门探讨了硅及二氧化硅结构教学，主要有两种：第一是对比-联想的方法[1-2]，由金刚石与二氧化硅的结构对比讲解；第二则是从晶体化学计算的角度去讲解二氧化硅的硅氧原子个数比为1∶2的原因[3-4]。而在20篇教学案例文献中，仅6篇教学设计涉及了二氧化硅的结构教学，其中谢意纯、张艳艳[5-8]等老师是采用在课堂上展示硅氧四面体结构的图片，加以讲解辅助教学，叶东辉老师[9]则采用了二氧化硅的结构模型展示辅助教学，而南京的江敏老师[10]，则通过对地球的各种元素之间的含量计算，以一个比较新颖的角度，去说明硅氧之间的比例关系。

总体来看二氧化硅结构教学在这些案例中教师均是略作讲解，把二氧化硅属于原子晶体，以及硅氧个数比为1：2这些知识点直接讲授给学生，学生在教学过程中被动地接受知识，至于硅氧四面体实际的晶体模型却不甚了解。

（2）难点问题二：二氧化硅与氢氧化钠反应的性质教学情况分析

在二氧化硅的性质教学中，主要涉及了二氧化硅作为酸性氧化物具有的性质，包括共性（与强碱反应，与碱性氧化物反应）和特性（不与水反应，会与氢氟酸反应）。学生已经学习了同主族碳的氧化物二氧化碳的性质，具备了一定的有关酸性氧化物性质的基础知识，因此在学习二氧化硅的性质时，通过联想和对比，在方程式上的书写掌握情况是比较好的。

然而通过访谈和学生问卷的结果显示，学生在学习二氧化硅的性质的时候，普遍都对二氧化硅与氢氧化钠的反应存在疑问。人教版教材中关于二氧化硅与氢氧化钠的反应，安排了一个图片，设置了问题“为什么实验室盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞”，通过学习学生可以了解这是由于玻璃塞中二氧化硅与氢氧化钠反应生成了硅酸钠，会黏住瓶口，而学生的疑問是：试剂瓶本身也是玻璃制品，主要成分也是二氧化硅，为什么却可以用来盛放氢氧化钠溶液？类似的问题还有，硅的还原性要比碳强，但是却能发生以下的反应：2C+SiO2 =Si+2CO（高温），是不是也矛盾了？实质上也是化学反应的发生与条件的关系的问题，弄清这一点，对学生对化学反应原理的理解是有所帮助的。

这些看似矛盾的问题，教材并未对此进行讨论。在所查阅到的文献，对于二氧化硅和氢氧化钠的反应，教师只强调了玻璃塞和橡胶塞的问题，对于试剂瓶的问题，没有一篇教学案例设计文献提及。

（3）难点问题三：硅元素的应用教学情况分析

人教版必修一教材中，硅元素则作为非金属元素学习的开端，由于互联网信息技术的发展以及材料科学的进步，硅及其化合物在建筑、通讯、光电以及航空航天领域有着不可替代的作用，因此在教学过程中应该更突出其非金属材料的主角其地位更加凸显。

在含硅元素应用的讲解，关于教学活动安排上，大部分教师采用播放视频的形式，让学生了解硅元素的广泛应用，然后自行进行复习归纳，加以练习的方式进行学习；或者是在讲解硅及其化合物的时候提及，学生课后自己练习巩固的形式，学生在其中的参与度并不高。

其中刘焕琴老师[11]，采用了布置任务，由学生在课前对硅及其化合物的应用查阅相关资料，然后在课堂上分享交流参与讨论，最后教师总结这种先学后教的设计，学生的参与度和自主度就得到了体现。另外南京的江敏老师[10]，通过对中国建筑历史的追溯，在硅的教学上融合于社会生活；浙江的魏樟庆老师[12]，强调文化视角下关于硅元素的应用如玻璃、陶瓷、水晶、光纤等等的教学上，看得出近年来教师们更加关注元素教学与社会生活的融合并进，也侧面凸显了硅作为无机非金属材料的主角地位。

虽然硅及其化合物的应用广泛，学生平日接触的机会也多，如电脑芯片、光线、太阳能电池等，但是这些物质的主要成分学生却经常混淆，分不清什么物质对应含硅元素的什么化合物；这一方面是由于知识点本身较散乱，另一方面也是由于教师没有在教学过程中很好地体现分类思想，帮助学生梳理和建立硅元素的应用体系网络。

四、教学微设计

在对所提的问题进行分析后，我们针对这三个问题进行微教学设计，为突破三个教学难点提供建议。

1. 教学微设计一：二氧化硅结构教学

为了使学生更加直观地观察二氧化硅立体空间网状结构，我们可以考虑在硅的教学中使用球棍模型进行教学，由学生自行拼装球棍分子模型，对比二氧化碳和二氧化硅的晶体模型的异同，从而突破分子晶体和原子晶体这一概念。通过任务驱动，学生自行收集资料，课上汇报结晶型和无定型二氧化硅材料的区别，从而加深学生对课本中“结晶型”和“无定型”的理解，见表3。

2. 对二氧化硅与氢氧化钠反应教学的思考

在二氧化硅的性质教学中，关于二氧化硅与氢氧化钠反应的性质教学，主要要解决为什么NaOH溶液可以用玻璃瓶装，不能用玻璃塞盖的问题，为此我们介绍高中化学中未学习硅酸盐检测试剂——钼酸铵，并进行设计实验探究，从而引导学生理解化学反应的发生是受到条件的影响的，微设计如表4。

3. 对硅元素的应用教学的思考

在进行应用教学时，除了尽可能扩充介绍二氧化硅作在材料科学和信息技术方面的应用，也应该注重化学学科的分类思想，着重对不同硅材料的不同应用进行分类总结，以解决学生在硅及其化合物上对应用途的错误认知。因此我们在教学活动的设计上，建议将学生分三组课下查找对应的资料，三组分别查找硅单质、二氧化硅以及硅酸盐的应用，并自行制作5分钟以内的微视频，视频的形式可以是剪切或者自行拍摄，内容为介绍硅或者其化合物的应用，教师在整个过程中给予必要的指导和帮助。制作完成后，由学生们自行在课堂上进行分享展示，在汇报时也可以结合PPT等多媒体进行辅助，同学之间相互点评的形式，这样让学生通过查找资料的过程进行梳理，从分类思想的角度对含硅元素的应用进行学习，充分体验硅元素作为无机非金属材料的主角地位，也解决了“硅”元素的应用混淆的问题。

参考文献

[1] 易宗孝.从晶体硅和二氧化硅的教学谈起[J].化学教育，2000：13-14

[2] 王中清，认识四面体结构[J].化学教学，2005（6）：61-62

[3] 史法章，王刚.二氧化硅晶体两个问题的探讨[J].中学化学教学参考，2000：21

[4] 唐美清.关于金刚石、晶体硅、二氧化硅晶体空间结构的思考[J].实验教学与仪器，2003：36

[5] 谢意纯，张志欣，赖鹤鋆.“无机非金属材料的主角——硅”的教学设计[J].中学化学教学参考，2015：41-43

[6] 张艳艳.“无机非金属材料的主角——硅”的教学设计及反思[J].中学化学教学参考，2015：32-33

[7] 席宗超.无机非金属材料“硅”的教学设计[J]. 化学教学，2011（09）：26-29

[8] 李俊生.对金刚石、二氧化硅、石墨晶体结构模型教学的建议[J]. 考试（教研版），2007：75

[9] 叶东辉.《无机非金属材料的主角——硅》教学设计[J].新课程（中旬），2013：98-99

[10] 江敏.《学科思维与社会生活的融合——“硅和硅的化合物”教学实践与思考》[J].中学化学教学参考，2016：1-2

[11] 劉焕琴.《无机非金属材料》教与学设计[J].中学化学教学参考，2005：14-15

[12] 魏樟庆.《文化视角下对化学教学的反思——以“硅酸盐矿物和硅酸盐产品”为例》[J].中学化学教学参考，2016：9