“三位一体”涵养化学科学素养

胡永红 张晨 金靖雯 陈曦

摘要：聚焦日常生活中最普通却又不可或缺的物质“氧气”，依据内容、方法与评价“三位一体”的基本原则，即内容的广博性与前沿性、方法的先进性与严谨性、评价的即时性与人文性，融合创新设计化学科普课程。以此激活青少年客观理性的好奇心，培育一定的科学研究方法意识，涵养化学科学素养，助益青少年化学探究内驱力的生成。

关键词：化学科学素养; 三位一体; 青少年科普; 氧气

文章编号：1005-6629（2021）08-0032-06

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

化学科普教育不仅包括传授化学科学常识，还包括培育化学科学素养。2016年《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）》明确将实施青少年科学素质行动纳入“十三五”重点任务。化学变化普遍存在于日常生活，如何活用普通的日常物质或现象，探索以化学科学为基础的科普教育，涵养青少年的化学科学素养？本团队依托大学师资，围绕“氧气”这一重要的常见物质，遵循内容、方法与评价“三位一体”的基本原则，创新设计化学科普课程。内容上力求日常性、专业性与前沿性;方法上力求精心设计丰富多彩、層层递进、逻辑严密的实验;评价上力求即时性，并融汇人文社会科学的柔性评价方式。通过内容、方法与评价的创新融合设计，激活青少年对客观现象的好奇心，引导青少年体悟化学研究所需的科学思维，循序渐进培养科学研究意识与合作探究精神，帮助青少年涵养自主深入探索化学世界的内驱力。

1 课程对象与教学目标

学校是青少年化学科普教育的主阵地，但是，受限于传统教学模式的固定思维与应试压力，学校的化学科普教育缺乏与青少年生活经验、个体体验的深层互动，由此带来青少年的思考维度依然停留于单线平面式，缺乏横纵贯通的立体式思考力，更缺乏理论知识、科学实验与实践应用可多向度融合的意识。有鉴于此，本课程以化学知识零基础的初一学生为授课对象，由化学教学经验丰富、科研积淀厚实的大学教授、博士生导师带领研究团队共同设计并亲自主讲。授课采用“内容介绍、实验演示和学生参与实验”三结合的形式。演示实验中，基于“周边常见，听众熟悉;易于操作、安全无毒且符合绿色化学要求”的原则，选定“氧气”为化学反应物质。在环环相扣的实验与深入浅出的讲解中，围绕化学知识与技能、化学过程与方法、化学情感态度价值观三个维度，通往涵养学生的化学科学素养的目标（见表1）。

2 课程的设计原则

依据内容、方法与评价“三位一体”的原则，凸显内容的广博性与前沿性、方法的先进性与严谨性、评价的即时性与人文性。知识内容方面，围绕氧气这一物质，不仅介绍氧气的基本性质、氧传感的重要性、国内外有关氧传感研究的进展，也展示氧传感研究成果与产品应用情况;教学方法方面，依托实验载体，层层递进设计逻辑严密的实验，结合现场实验演示和视频，从定性描述的实验到具有严格控制且定量的科学化实验、从探索性感知到验证性检测，将通过实验观察研究物质变化特性的化学教育本质融于其中;课程评价方面，通过小组合作梳理思维导图，依托即时性问卷调查，将沟通力、思考力与表现力的培养浸润其间。

3 课程内容、方法与评价“三位一体”的创新设计

本课程是一棵树，内容为根系，方法为主干，评价为枝叶。丰富的内容与方法带来枝繁叶茂，多元评价让内容与方法的有效性得到验证，三者横纵交织、相互作用服务于同一教学目标。

3.1 巧设课程内容

初一学生具有天然的创造力与自我驱动力，本课程以丰富的设问架起沟通的桥梁。课程初始实施开放式问卷，聚焦五个问题“化学是什么？氧气可见吗？氧气可燃吗？氧气从哪儿来？氧气有何用？”限时回答。梳理问卷答案，发现听课前学生的思考相对浅层，限定在“化学是科学、变化、元素;氧气看不见，但可以呼吸感觉;氧气应该不能燃烧;氧气从空气中来;氧气是维持生命的元素”等一般日常性层面。为引导深层学习，我们将与氧气相关的历史源流与原理背景、氧气的应用成果融汇到课程中，逐级揭开氧气的神秘面纱。

3.1.1 燃烧现象里引出“氧气”

让学生点燃火柴，从最易被感知的火柴燃烧、火箭升天、自然火灾等现象切入，在互动中启迪学生思考燃烧现象发生的必需要素——氧气，让氧气的“助燃性”在碰撞中推导、铺展于眼前。

3.1.2 以历史视角讲述“氧气的故事”

按照时间序列，简单讲述17世纪德国化学家贝歇尔的“燃素说”、18世纪化学家普利斯特里第一次成功制得氧气、拉瓦锡的“氧化学说”等历史故事，传递出“历史的温情”与科学研究必需的历史性视角与必备的严谨精神。

3.1.3 从国外到国内的研究扫描

科学研究需要具备广阔的视野，既要面向世界也要关照本国。因此，课程简单提及我国关于氧气的相关研究，如1981年上海化工学院研究了需氧发酵过程中溶解氧水平的检测[1];氧气的科学应用方面，1989年，中国科学技术大学等使用电子顺磁共振（ESR）直接检测心肌再灌注产生的氧自由基，开启了我国氧气的应用研究[2];2008年，作者研究团队在国内首次提出氧气的可视化传感研究等。在世界视域下传输“中国的发展离不开世界，世界也需要中国”的博大理念。

3.1.4 从理论研究到实际应用

融入作者研究团队以研究成果对接社会实际需求、服务社会的应用成果，如氧荧光传感膜、海洋浮标中溶氧传感器等产品的运用与推广，将研究成果与实际应用、“书架”与“货架”之间的关系讲深讲透。一位学生在作文中写道：“书架就是说我们要有学习欲望，有学习成果;货架就是说要做一个能服务大众的人。我愿我能成为那样的人，也能有一番建树。”

3.1.5 以“南极臭氧洞”引出绿色化学理念

氧气相关研究成果的展示激发了学生的思考，一位学生提出：“我们听到的都是氧气好的方面，是否也有不好的方面呢？”紧跟这个质疑，我们顺水推舟引出1985年英国科学家法尔曼（Farmen）等人首提的“南极臭氧洞”问题[3]，将“臭氧层是地球的一道天然屏障”之理念植入学生内心，这是对绿色化学科普教育的践行。

3.2 精挑科学方法

方法设计兼具先进性与严谨性。从感知到实践，从定性到定量、由近及远又及近、由易而难、由简单到复杂、由直观到抽象，剥笋般层层递进，逐层演绎实验，调动学生感官的多元感知，揭开现象里潜藏的本质。

3.2.1 感性直观，初试氧气

氧气看不见摸不着，为强化直接体验，实施“三瓶子实验”：学生手执燃烧木条，分别放入装有氮气、空气和氧气的瓶子中，共同细致观察并分别描述燃烧情况的差别，各抒己见与相互启迪中得出“氧气具有助燃性”的结论;利用憋气比赛（安全起见，1分钟为限），让学生感知氧气对维持生命体的重要性。

3.2.2 水电解实验，初识化学式

为揭示氧气从何而来，让学生参与水电解实验。学生在此起彼伏的气泡中感受水分解的奥秘，在成功分离出氢和氧两种气体后，学生第一次接触氧气和水的化学表达方式，也第一次知道了水分解的化学方程式：2H2O电解2H2↑+O2↑，了解到水中氢、氧两种元素的原子个数比为2∶1。

3.2.3 定性感知，引出定量滴定

氧化也是一种变化，苹果氧化变色、铁制品生锈、生命体新陈代谢等现象逐一呈现，在多样化的氧化情境中辨析物理变化与化学变化的紧密关系。定性感知氧气存在后，通过水产养殖的图片案例，进一步阐明氧含量定量化的重要性，推出经典的Winkle方法进行氧定量滴定的原理[4]。

3.2.4 定量检测，原位传感

为引导学生感受科学实验的严谨规范，提出实际应用中经典滴定方法对现场氧气的定量检测具有一定不适合性，从而推出基于电化学和荧光原理的氧传感器[5，6]。通过动态演示颜色随着氧气含量的变化而变化的过程，激发学生思考氧气的可视化问题。

3.2.5 活用成果，直观可视

宏观辨识结合微观层面的实验展示有利于激活思考，挖掘表象下潜藏的内在原理和规律，产生辨析内在根源的动力。已有商品化的氧传感器无法应用在细胞等微区的溶氧检测中，借助物理学三原色原理的氧可视化传感检测，利用实际的实验视频，让学生直观了解氧气的可视化传感[7]，让无色无味、看不见摸不着又充满我们周边的氧气，成为可直观观察的可视化元素，并实现细胞分裂中氧气的动态可视观察[8]。可观可感中，引出化学是研究物质变化的科学，变化是绝对的，静止是相对的;理解“化学是当代科学技术和人类物质文明迅速发展的基础和动力，在改善人民生活方面是最有成效、最实用的学科之一”[9]。

3.2.6 成果应用，学以致用

作者团队的研究成果应用于电化学/荧光传感器、水产养殖、环境检测与保护（地表水、海洋环境）、工业生产质量控制（发酵）等领域。例如，氧气的可视化材料可以成为感知周边空气中氧含量微小变化的“氧气标签”，应用在衣服上，为救火战士或矿井工人提供实时的氧含量变化情况[10];也可以作为食品包装中的智能标签[11]，实时显示食品包装的完整性和食品的新鲜度。通过多样化的应用表达将抽象的氧气功能直观化、具体化，在解决具有实际价值的日常真实问题中，达到微观生动与抽象思维的交融，科研价值与社会价值的互补，促进学生对实物本质与科研社会责任的认知，为形成科学概念、科学思维方式、科学研究伦理提供可能。

3.3 细选评价机制

评价机制是检验教学内容与方法设计成效的关键点，评价设计紧扣“涵养化学科学素养”的教学目标，将化学知识与技能的传递、化学过程与方法的体悟、化学情感态度价值观的培养融入开放式与非开放式问卷;遵循青少年“很强的模仿性、易感性和可塑性”[12]的身心特点，引导学生分组制作并讲述所授内容的思维导图，凸显自然科学与人文社会科学的评价机制相互交融的特点。

3.3.1 分组梳理思维导图，检测学生“化学知识技能方法”的吸收

思维导图是构建自我知识脉络的有益工具，有助于突破单线的思考模式，由博返约、触类旁通培养辐射性思考力，推动直观感性到客观理性的质变，是学生巩固知识、教师评价教学成果完善课程设计的契机。五位参与课程的初一学生在课后回忆、碰撞、交流合作，梳理出思维导图（见图1）。

3.3.2 实施问卷调查，检验学生“化学情感态度价值观”的涵养

为进一步跟踪学习成效获得完善课程所需数据，课程伊始与课程结束时，我们对参与课程的24位初一学生实施开放式与非开放式相结合的问卷调查。开放式问卷结果显示：通过参与课程，学生对化学学科的认知由浅入深，认识到“化学是对生活的正确解释，文理结合兼有理科的严谨与历史的浪漫，也是充满变化的学科;氧气不可见但是可以通过电解水的实验提取;氧气不仅是维系生命的必需要素，也可以应用在传感、医学、工业等领域”。表2是一位初一学生填写的开放问卷，展示了授课前后的认知差异。

非开放式问卷调查的结果显示：100%的参与者都认可课程设计的创新性与趣味性，提高了对化学科普的兴趣;70%意识到氧气的学问不简单，形成了对氧气的基本认知，意识到生活中处处有化学，认可思维导图梳理模式的优点;90%深刻感受到了科学实验的严谨规范性，认识到化学学习研究不仅跨学科还需要团队协作;80%表达了高考中选择化学学科作为专攻方向的较强意愿（见表3）。

4 总结

综上所述，涵养青少年的化学科学素养是贯穿教学全程的主脉，内容、方法与评价三位一体，助益青少年吸收化学科学知识技能，探知化学科学方法，塑造化学科学精神品格。（1）吸收化学科学知识技能。通过观察氧气的形态与结构变化，宏觀辨识结合微观探析，形成一定的“结构决定性质”的观念;通过水电解实验，认识化学变化生成新物质中伴随能量转化的本质，形成“动态变化”的化学观念。（2）探知化学科学方法。通过定性定量结合、分析推理并举的方法，培养有理有据辨析表象下潜藏的内在原理与规律的方法意识;通过小组合作梳理思维导图，打通自然科学与人文社会科学领域，培育合作探究、交叉学习的方法意识，理解“各种学科与化学学科之间的交叉、渗透是现代学科深入发展的趋势”[13]。（3）塑造化学科学精神品格。通过对氧气相关科研成果的实际应用分析，形成“科学研究与实际应用相辅相成”的观念;在世界的研究背景下渗透中国化学相关研究元素，培育“客观理性认知他人以确立自我”的主体意识;涵养日常生活中的科学观察探究意识以及绿色化学科学意识。大学研究团队支持下的青少年化学科普课程设计在内容深度、方法多样化与评价多元性等方面都颇具特色，帮助青少年更深刻地感悟有价值的化学科普学习——化学科学知识碎片不断结构化，化学科学思维模式与探究能力不断成形，品格、价值观不断成熟。

参考文献：

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