素养为本的元素化合物知识“主题情境”教学

徐惠

摘要：从元素化合物知识的价值出发，以“铝及铝合金”教学为例分析素养为本的元素化合物知识教学的主题情境构建、内容组织，以及活动实施的基本路径方法，提炼素养为本的元素化合物主题情境教学的基本范式模型。

关键词：元素化合物；主题情境；教学；新授课；铝

文章编号：1008-0546（2021）12-0002-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.001

*本文系江苏教育科学规划课题“基于真实问题的学生化学素养评价研究”（编号D/2016/02/24）及江苏省教育科学“十三五”立项课题“化学教师对模型的认识与应用研究”（项目编号：D/2018/02/09）的阶段性研究成果。

一、问题的提出

元素化合物知识约占中学化学教学内容的60%，是构成中学化学知识的基础和骨架，因为元素化合物知识的真实可感，与人们的日常生活密切相关，还被人称为是“真正意义上的化学”。在中学学习元素化合物知识可以促进学生的知識增长量，构建学生化学学科的知识体系[1]。然而，在素养为本的化学教学基本价值导向下，元素化合物知识的教学价值远非于此。元素化合物知识是化学与人类生活最密切联系的部分，科学、技术、社会、无不与元素化合物知识紧密相关，元素化合物知识的学习可以让学生感受化学到化学学科的价值，是提升学生“科学精神与社会责任”维度核心素养的最好载体。元素化合物性质背后的微观结构奥秘以及元素化合物相互转化过程所蕴藏的化学规律直接体现了化学学科“宏微观结合”“变化与平衡”等的学科观念，是培养学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”维度核心素养的直接素材。而在教学中研究和揭示上述化学学科的“奥秘”及“规律”的过程所采取的探究手段以及所经历的探究以及推理过程则是培养学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”维度核心素养的必由之路。

如何在教学中尽显元素化合物知识在学生化学核心素养培养方面的如许价值？《普通高中化学课程标准（2017版）》在其“教学与评价”中提出以素养为本的教学应“注重真实问题情境的创设、注重认识思路的结构化和显性化、注重基于‘学习任务’开展教学以及在教学中注重‘教学评的一体化”[2]。郑长龙等研究者认为内容（Content）、活动（Activity）、策略（Strategy）、评价（Evaluation）、情境（Situation）是化学课堂的核心构成5要素，将这5要素构建整体系统、发挥系统作用才能实现素养为本的整体目标（Target）。并提出了素养为本的课堂教学的CASES-T模型[3]。

无论是课程标准中所提的教学建议还是研究者提出的教学模型，素养为本的化学教学都十分强调教学情境的重要性。但元素化合物知识不同于其他知识，当前元素化合物知识最大的教学难点在于其大多属于事实性知识或陈述性知识，知识本身具有庞杂、琐碎的特点，需要记忆的内容较多[4]，且教材中更多重视元素化合物知识的应用[5]，使得元素化合物知识在知识的结构化方面以及知识呈现的逻辑性方面存在着一定不足，针对元素化合物知识的特点，该部分内容教学的教学情境创设应该做怎样的调整，教学情境与教学活动和教学评价方面又该如何整合才能更好地实现素养为本的教学目标？本文拟以“铝及铝合金”一课的教学为例探讨“主题情境式”教学在素养为本的元素化合物教学中的应用，并尝试提出素养为本的元素化合物主题情境教学的一般范式，以期对上述问题做出来自教学一线的实践回应，期待本研究能为教师开展相关教学提供一些有益的借鉴。

二、元素化合物教学中的主题情境构建

元素化合物知识的学习内容很丰富，从课程标准的“内容标准”来看通常包括物质的物理性质、物质的化学性质及其物质的应用等陈述性知识，这些知识条目化，零散化。为使得这些有关元素化合物的知识都在一定的情境下学习，教学者通常需要创设多个情境。不经整合的情境会使得即使关注了情境的创设，教学仍会呈现堆砌、散漫以及缺乏整体构建的态势，且情境和元素化合物知识混杂，还可能使得原本就显庞杂和琐碎的知识更显混乱。所以在元素化合物知识教学中，情境创设应不仅能将知识蕴含其中，还能将知识的内在逻辑，以及认知知识的路径方法清晰呈现。此时尝试将多个小情境进行综合归纳并寻找多个小情境之间可能的共性点，最终构划出可以统领多个小情境的整体主题情境，就可以实现上述目标。具体如图1所示。

当然，也可以一个分情境包含了多个知识点，但整个课程中的所选各个情境与所构成的主题情境之间一定是有密切的关系的，可以是多个分情境围绕主题的多个角度阐述如图2（Ⅰ）所示，也可以是多个情境之间有着自己的发展关系或是时间先后顺序或是逻辑推演顺序如图2（Ⅱ）所示。可见，通过主题情境的构建，零散的元素化合物知识可以在一种发散或者推演的逻辑中建立知识之间的关联，实现从零散到整体的整体建构，在主题情境下的学习可以促进学生知识的结构化。

如“铝与铝合金”的教学，涉及铝的物理性质、铝与氧气反应、铝与酸反应、铝与碱反应、铝与金属的置换等多个知识点。就可以构建如图3所示的主题情境。铝的不同性质，在不同的小情境中呈现，但这些情境被集中在与“美食”相关的生活化主题情境中，既切合了学生的认知基础，又激发了学生兴趣。主题情境使得一节课的教学内容形成了具有连续性、逻辑性以及结构性的整体。

三、元素化合物教学中的内容组织

在素养为本的元素化合物教学中知识有两重意义，一重是元素化合物知识本身，另一重是以元素化合物知识为载体所追寻的化学核心概念的构建。这些核心概念包括“氧化还原、离子反应、物质的类别、元素的价态转化、结构与性质的关系”等。在教学中只有将单纯的元素化合物知识与化学学科的大概念结构化、功能化，所教授的元素化合物知识才有其素养价值[6]。在教学情境中将知识问题化，是实现上述目的的有效途径。如在“铝及铝合金”的教学中每个教学情境中均可提炼出相关问题若干，从而实现在问题中激发学生的思维，提升知识的理解深度，促进学生化学学科概念的建立，如图4所示。

四、元素化合物教学中的活动实施

在主题教学情境中整合教学内容提炼出的数个核心教学问题形成了具有激发性和驱动力的问题驱动链。学生在问题的驱动下，在教师的引导下高效有序地在自主、合作、探究等活动中学习。这些活动可以包括实验探究、观察分析、分类表征、基于证据进行推理、相互交流与分享等，在这一系列的教学活动开展中，核心素养的培养也得以在课堂落地。“铝及铝合金”的教学中部分教学问题与教学活动如下图5所示，可见每一项教学活动的推进都是核心素养得以具体化的呈现。

五、“铝及铝合金”教学过程

【视频播放】播放制作色香味俱佳的“锡纸（铝箔）花甲”的视频，在学生被视频中美味食物制作方法吸引时，提出问题：“铝”的哪些性质使得人們在烹饪美食时如此受厚爱它？导出本节课主题——带着美食去“铝”行。

【学生】通过视频中，利用铝箔弯曲制作铝碗，在火上加热，汤液快速沸腾等现象归纳铝具有的物理性质：银白色、导热导电性能好、密度小、质地较软延展性好。

【教师】在学生归纳出的铝的物理性质基础上，提问从铝的物理性质出发，铝在生活中可能具有哪些用途？

【学生】列举生活中铝制品的应用：铝盆、铝锅、易拉罐、烧烤纸、铝导线、铝合金材料等。

设计意图：情境决定了学生学习的氛围，也是学生化学素养发展的平台。新课的开始，应用新颖的情境引入，激发学生的兴趣与学习的热情。且一节课的主题情境是整节课的流程发展线索，尽早呈现的主题情境为整节课的整体的顺利开展奠定基础。

【教师】呈现金属活动周期表，提出问题：根据金属活动性顺序表，我们知道铝比铁活泼，根据氧化还原反应判断方法，说明铝的还原性比铁强，但是火锅店除了不锈钢锅以外，却更多使用铝锅而不是铁锅，为什么呢？展示生锈的铁锅和经久耐用的铝锅。

【学生】提出铝与空气中的氧气反应生成致密的氧化膜

【教师】教师展示生锈的铁锅图片，提出铁锅也生锈生成氧化膜，为什么会不一样呢？

【学生】通过讨论指出同样都是氧化物，可能微观结构不一样。

【教师】追问：如何证实你的猜想？

【学生】交流讨论，提出可以收集氧化铝和氧化铁的微观图片。

【教师】赞赏学生的猜想，PPT呈现网络搜索的铁锈显微镜照片及氧化铝微观结构扫描图片，如图6、图7所示。

【教师】微观结构表明氧化铁具有疏松的结构而氧化铝却整齐而致密，正是因为结构的不同，使得氧化铁和氧化铝附着的铝和铁表现出了不一样的性质。

【教师】能不能通过简单的实验证明铝表面有致密氧化膜存在呢？

【资料卡】氧化铝熔点2000℃，铝熔点600℃

【学生】用坩埚钳夹住一小块铝箔，在酒精灯上加热至熔化，轻轻晃动，观察铝箔熔而不滴的现象。

【教师】通过上述的反应我们知道铝在空气中能形成致密的氧化膜，根据铝的这一性质，人们常通过一定的方法来增加铝表面氧化膜的厚度，以加强对铝的保护。例如iphone手机的背部就在铝合金的表面采用阳极氧化处理后生成的氧化铝膜，不仅具有很好的抗腐蚀能力，而且具有很高的硬度，不容易被尖锐的东西划伤，因此可以不使用手机套。更为有趣的是，这种氧化铝很容易着色，因此iphone不仅有银色的，还有大家都非常喜欢的土豪金和女生非常喜欢的玫瑰金。吃火锅、聚餐大家习惯拿出手机拍照发朋友圈，铝可也是和你亲密在一起的。

【过渡】铝箔在空气中不能燃烧，能不能说明铝就不能燃烧？

【学生】不能，应该在氧气中再试试。

【教师】增大铝和氧气的接触面积，可以使铝与氧气充分接触，充分接触的方法除了可以采取增大氧气浓度的方法外，还可以将铝片换成铝粉。

【演示实验】铝粉在氧气中燃烧。这是盛有二氧化锰的广口瓶，加适量的双氧水可产生氧气，用棉花包裹铝粉，点燃。

【教师】铝粉在氧气中剧烈燃烧，火星四射，发出耀眼白光，有白色固体Al2O3产生。

【应用】军事上利用铝在氧气中燃烧这个反应来制造信号弹、燃烧弹，同样铝与氧气的反应，不一样的条件就会生成不同聚集状态的物质，也会使得物质具有不同的应用。

设计意图：通过基于情境素材的问题驱动，使学生经历提出问题，收集证据，解决问题的过程，培养学生“科学探究和创新意识”“证据推理”“宏观辨析和微观探析”等素养；铝氧化膜手机外壳的额外拓展与主题情境素材密切相关，可以拓展学生视野，增强学生对于化学价值的理解，关有助于发展学生的“科学精神与社会责任”。

【过渡】虽说铝制品常用来制作炊具制作美食，但搜索购物网站却发现，家用调味盒，几乎没有“铝”制的，用来烘焙、烧烤的铝箔在说明书上还标有“长期包装碱性及酸性、腌制的食品可能变色或出现蜂孔”等字样。这些又可能是什么原因呢？

【学生】通过周期表中铝的位置，铝所属的物质类别，以及调味品成分分析提出，可能是因为铝与调味料中成分酸以及盐反应。

【教师】是否如此，能不能用实验证明？

【学生】在点滴板中完成铝与稀盐酸、浓硫酸、浓硝酸、CuSO4溶液的反应。观察现象，记录并汇报（表1）。

【学生】汇报铝与稀盐酸、浓硫酸、浓硝酸、硫酸铜溶液反应现象，书写铝与盐酸以及硫酸铜溶液反应方程式。

【教师】针对铝与浓硫酸与浓硝酸反应的异常现象做出解释：常温下，铝遇浓硝酸、浓硫酸时在表面生成致密的氧化膜而发生钝化，从而阻止了内部金属进一步发生反应。铝表面生成氧化膜，从铝的价态上分析，化合价升高了，说明铝被浓硫酸氧化了。浓硫酸、浓硝酸都是常见的强氧化剂。

设计意图：从金属活动性顺序表等化学基本工具以及物质类别角度思考物质的性质，提出猜想并通过实验加以证实是研究元素化合物性质的一般思路，强调化学学科中的认知思路方法，促进学生模型认知素养的发展。

【教师】利用合适的炊具烹制了合适的食物，一顿饕餮之后，难免经历清洗餐具的烦恼，食物残渣若堵塞了下下水道，就会引来一番麻烦，而市面上销售的固体管道通常能在关键时候拯救我们。管道通里还有哪些成分？为什么管道通能够通下水道呢？展示一盒管道通。

【资料卡】管道通使用说明书如图8

【教师】“管道通”内有一袋白色固体颗粒。NaOH和一袋银灰色铝粉。下水管道堵塞时因为其中存在油垢、毛发和残渣，NaOH的强碱性能够腐蚀油垢、毛发和残渣，既然NaOH本身已经能起到管道疏通的作用，为什么还要加铝粉呢？

【学生】完成点滴板上铝与氢氧化钠反应。

【教师】通过分组实验，大家观察到：铝不仅能与酸溶液反应，也能与强碱溶液产生气体。铝与氢氧化钠溶液、水反应，可生成一种钠盐，叫偏铝酸钠。反应中铝元素由0价升高到+3价，那产生的是什么气体呢？

【分组讨论】铝与氢氧化钠溶液反应产生的是什么气体？

【归纳总结】从元素守恒看，气体可能是氧气或氢气。从化合价看反应中铝元素的化合价升高了，必然有元素化合价降低，能降低的元素只能是氢元素，生成的是氢气。是否如此，请观察演示实验。

【演示实验】铝与氢氧化钠溶液反应并检测氢气。

【教师】从元素守恒和化合价升降两个角度分析反应可能的产物，以及会用实验的方法加以验证。以此在体现科学探究要素的同时，使学生掌握理论、实验、理论和实验相结合的科学探究方式，以及科学探究的基本方法。

【教师】请结合实验现象解释，为什么管道通能够疏通下水道？

【学生】加入铝粉，可以与氢氧化钠反应放出大量的热，可以加快反应速率。且此反应产生大量的气体，可以产生机械驱动力。

设计意图：从与主题相关的情境中引入铝与氢氧化钠的反应，依旧是问题驱动的探究实验，强化学生探究与科学创新素养的同时，引导学生从元素守恒和价态分析可能的反应，这是对化学核心观念的进一步强化。学生对于管道通疏通下水道原理的阐释，则是学以致用，可以提升学生对与化学价值的认同。

【过渡】美食总是让人垂涎，吃货在追求美食的道路上一路向前，展示网络流行的“吃货眼中的中国”一图，以及2020年中国铁路网建设图，四通八达的铁路让我们可以轻松到达全国各地吃上美食，你可知铁路的建设，也和铝密切相关呢。

【播放视频】铁路工人野外焊接铁轨视频

【提出问题】视频中焊接钢轨用到的那袋试剂是什么呢？就是铝粉和氧化铁的混合物。在焊接铁轨时，人们常将铝粉与氧化铁的混合物点燃，由于反应放出大量的热，置换出的铁以熔融态形式流出。让熔融的铁流入铁轨的裂缝，冷却后就将铁轨牢牢地黏结在一起。

【演示实验】利用铝热反应来焊接铁钉。在沙里埋两根铁钉，将它们相互靠近，再向试管中加入铝粉和氧化铁的混合物，加一定量氯酸钾，氯酸钾高温产生氧气，助燃。插上镁条，镁条燃烧可以产生反应需要的高温。如图9所示。

【教师】该反应温度高达3000℃，我们把这个反应叫作铝热反应，铁在这个温度下会“融化”。

設计意图：铝热反应的性质是铝独特的一条性质，如果未经情境化的整合，或者实验情境的强化，就会成为学生记忆的一条知识点，借用吃货地图将该内容整合进整体教学情境，通过情境的内在逻辑将原本零散的知识进行整合是发挥主题情境构建的优势，强化知识的结构化。且该情境的选择进一步增强了学生对于化学价值的认同，是“科学精神与社会责任”素养的进一步强化。

【教师】整合板书（图10），并小结：通过这节课的学习，我们知道铝能与非金属单质、某些金属氧化物、酸、碱、盐发生反应，其中铝与非金属单质、酸、盐的反应是金属一般具有的化学通性，而铝与强碱溶液反应、铝热反应则是铝的化学特性。反应中，铝元素均由0价升高到+3价，体现了较强的还原性。这是由它的结构决定的，铝原子容易失去最外层3个电子，失去电子而表现出还原性。认识物质要由表及里深入探究，认识一种物质也要从通性和特性两个方面了解。

【PPT呈现】美国北卡罗来纳大学化学系教授Daniel Rabinovich语录：“铝这个曾经被美国《国家地理》称为“神奇金属”的元素仍是科学家、工程师、甚至是艺术家和设计师的灵感来源。让我们在下一次使用铝箔纸包裹三明治或者从易拉罐里喝碳酸饮料时，铭记它丰富多彩的化学、迷人的历史和诸多的用途！”

设计意图：通过总结归纳，使得研究元素化合物的思路方法外显，回归有关铝的使用情境，进一步强化学生对于学科价值的理解。

六、素养为本的元素化合物主题情境教学的课堂构建模型

“铝及铝合金”一课的教学不难看出，精心创设的真实的主题情境可以统领零散的元素化合物知识，建立知识内在的逻辑意义，追寻素养为本的元素化合物教学情境创设是不可或缺的环节，而情境的创设依赖于对核心知识本身以及知识所对应的学科基本观念的整合，也只有从情境中生成出具有驱动力的教学问题才能对知识进行有效阐述，而教学问题的解决依赖具体的教学活动的实施，具有探究性、活动性、合作性、创新性、实验性的教学活动，是化学问题的解决的最佳途径，教学活动的实施本身就是核心素养落地的过程。所以鉴于此，素养为本的元素化合物教学课堂的构建应按照教学内容、教学情境、教学问题、教学活动四大部分来建构，具体构建模型如图11所示。

在上述的模型之下，可以搭建出素养为本的教学课堂的基本框架，但课堂是否真的高效，依赖于教师的对于教学内容的理解程度，依赖于情境的新颖性、趣味性、真实性，也依赖于所提炼教学问题的系统性、层次性、启发性、驱动性，最终教学活动的丰富性，探究性、实验性是决定化学核心素养的能否落地的关键。在情境中学，在问题中学，在探究中学，是素养为本的化学课堂的追求。

参考文献

[1][4]姜言霞，王磊，支瑶.元素化合物知识的教学价值分析及教学策略研究[J].课程·教材·教法，2012，32（9）：106-112

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[3]郑长龙，孙佳林.“素养为本”的化学课堂教学的设计与实施[J].课程·教材·教法，2018，38（4）：71-78

[5]白玥明，韩林延.元素化合物知识新授课的教学内容设计模型[J].化学教育，2016，37（7）：34-37

[6]王磊，魏锐.学科核心素养发展导向的高中化学课程内容和学业要求——《普通高中化学课程标准（2017年版）》解读[J].化学教育（中英文），2018，39（9）：48-53