基于化学史料培养学科核心素养

孟素芹

摘要：化学的发展历史，充满了智慧的碰撞和激动人心的发现与发明。以“单质碳的化学性质”的教学设计为例，以单质碳发展的“历史线”、教学活动的“活动线”和化学学科的“素养线”作为本节课的主要路线，通过问题驱动、小组合作和探究验证等活动对“单质碳的化学性质”寻根問底，引导学生寻找知识点间的关系，建立系统的知识体系，拓展学生思维，发展学生的化学学科核心素养。

关键词：教学设计;学科核心素养;化学史;碳的化学性质

一、背景分析及问题提出

核心素养是学生能够适应社会及其终身发展需要的必备品格和关键能力[1]。《义务教育化学课程标准（2011年版）》指出，义务教育阶段的化学课程以提高学生的科学素养为主旨[2]。2018年出版的《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出了化学学科的“核心素养”，并强调了它具有重要的地位和作用[3]，同时也强调将化学史作为发展学生对科学本质理解的重要手段[4]。化学史是化学学科产生、形成、演变和发展的历史过程[5]。将化学史融入化学教学中，能够让学生了解所学化学知识的来源与发展，学习历史发展进程中的科学本质，提高学生的学科核心素养。法国著名的科学家郎之万提出，化学史教育和实验课教学被认为是克服在化学教学中向学生灌注科学知识的教条主义、实用主义教学方法的两种有效途径[6]。

笔者于2022年2月查阅中国知网期刊数据库，以“化学史”和“碳的性质”为篇名检索文献，发现没有将化学史应用于碳的性质进行教学设计的相关文献。从检索结果看，关于碳的化学史教育课例设计的研究十分必要。本文以九年级义务教育课本（试用本）（上海教育出版社出版）第一册第四章第二节《碳》的第二课时“单质碳的化学性质”[7]为例，融入化学史进行教学设计，为我国化学史教学提供参考和借鉴。

二、“单质碳的化学性质”的化学发展史中蕴含的化学核心素养

（一）初中阶段化学学科核心素养的内涵

由于初中与高中相比，涉及的化学知识的广度、难度和深度都不相同，现结合初中化学课程的性质以及化学学科核心素养的界定，对化学核心素养的五个维度进行细化和具体化，以适应初中化学的课程性质——基础性和启蒙性（见图1）。

（二）.“单质碳的化学性质”中的核心素养生成点

结合课标、教材、学生、教学基本要求和学科核心素养在初中学段的具体化和细化，可以提炼出“碳的化学性质”利用化学史进行教学中的素养生成点主要有：

（1）通过引入木炭作为燃料、涂料和冶金原料，被人类广泛使用的化学发展史，了解人类认识碳的过程，学生能认识到化学始于生产和生活，体验人类探究世界的过程，增强科学精神与社会责任。通过我国古代碳材料使用的历史，学生能了解我国古代科技发展的先进性，增强民族自信心和自豪感。

（2）通过木炭还原氧化铜的实验，初步感受“观察现象——收集证据——得到结论”的科学探究方法。通过分析木炭还原氧化铜制得金属铜，铜与氧气受热反应生成氧化铜;孔雀石（主要成分是碱式碳酸铜）与木炭一起加热火法炼铜，铜缓慢氧化可以生成铜绿（即碱式碳酸铜），这两个例子培养学生的平衡思想。

（3）通过木炭还原氧化铜的宏观实验，橡皮泥模拟木炭还原氧化铜的微观过程，学生学会从宏观现象到微观实质的探析，形成“宏观——微观——符号”三重表征的转化能力。

（4）通过木炭还原氧化铜的改进实验探究，让学生体验探究过程，培养学生科学探究的能力和创新意识。

（5）利用近代化学发展史中，科学家发现和合成碳单质材料的史实，发展学生的变化观念，增强学生科学探究的意识，发展科学探究精神，从而养成崇尚科学，尊重科学的态度。

三、教学实录

（一）教学设计思路

结合教材、学情和教学目标进行分析，本节课采用历史线、活动线和素养线相融合的教学流程。首先通过讲述历史事件（历史线），挖掘出关于单质碳的相关信息，展开教学活动（活动线），收集证据，解释事实，学习单质碳的化学性质，培养学生学科素养（素养线）。教学流程共四个环节（教学流程如图2所示），从历史事件与“单质碳”这一课题知识的关联点出发，通过重现历史事件，学生了解碳材料的历史发展的过程，从中学习碳的化学性质和用途。四个教学环节层层递进，逐步深化教学内容，引导学生进行思考，提高学生各方面的能力。本节课的学习，上可衔接氧气的性质，下可衔接碳的化合物的性质，为高中学习碳单质及其化合物的性质奠定基础。本教学设计所呈现的科学史在教材内容组织上起到承上启下的作用。

（二）教学过程

1.环节一：古时候人类使用木炭作燃料。

情境引入：播放2022年北京冬奥会中国礼仪服小视频。通过视频学生了解到中国航发针对本届冬奥会研发了第二代石墨烯发热材料，该材料可以快速升温，用它制作的中国礼仪服能帮助工作人员抵抗-40℃的严寒，并且非常的轻便。

（1）历史线索：人类初期认识碳主要是来源于生活中的木炭，它是古代人们的重要燃料。但由于当时科技发展水平的限制，还没有产生碳单质的概念。

教师活动：展示人类历史初期用炭火取暖和烤制食物的图片，引导学生思考回答问题。

主要问题：问题1. 人类历史初期冬天如何保暖？问题2. 结合历史资料，你能获得碳的什么性质？

（2）历史线索：在古希腊时代，哲学家亚里士多德曾记录了燃烧的煤炭散发有毒烟气的现象。执行死刑时将罪犯关在一间浴室，并在浴室内放置文火燃烧的煤炭，罪犯就会死亡。古希腊医生盖伦推测，由于浴室内空气的组成发生了变化，因此呼入后会对人体造成伤害。之后，比利时化学家海尔蒙特，曾在实验中发现由文火燃烧的木炭产生的一种有毒气体能危及自己的生命，并记述了一氧化碳中毒的症状 [8] 。

教师活动：展示历史线索中科学家的人物图像，介绍历史事件，引导学生思考回答问题。

主要问题：结合所给历史资料，你能得到什么结论？

设计意图：本节课通过冬奥会中国礼仪服小视频引入新课，唤醒同学们对碳单质相关知识的记忆，激发学生的学习兴趣，感受科技发展带来的便利。通过九年级义务教育课本（上海教育出版社出版）第一学期第二章第二节“氧气能跟很多物质发生反应”[7]的学习，学生对碳的可燃性已经非常熟悉，结合教师展示的图片和问题驱动，学生能轻松的总结碳的可燃性。在原有知识的基础上进一步学习新知识，层层递进，能提高学生的思维能力，以知识来丰富学生头脑。

通过碳不完全燃烧的历史资料，学生了解到科学发展不是一蹴而就，需要许多的科学家为之奉献。通过引入化学史介绍碳的不完全燃烧产物，而不是引用生活中一氧化碳中毒的实例，避免从负面的角度介绍化学变化，有利于培养学生的学科价值观。通过引导学生思考碳的不完全燃烧，渗透化学反应既决定于物质本身的性质，又决定于反应条件和反应物量的学科思想，使学生养成用辩证的眼光认识事物的态度。

2.环节二：古代人类用碳作记录。

历史线索：在文字发明前，人类就用木炭来作画。在欧洲的岩洞中仍然能看的到碳粉或者木炭所做的壁画。后来人们将碳加入墨中用于书写和绘画，作品历经百年依然彩色焕发。

教师活动：图片展示古代名人字画，引导学生思考回答问题。

主要问题：结合名人字画保存百年依然清晰如故，你能获得碳的什么性质？

设计意图：学习本节课之前，学生凭借生活经验和已有知识，对碳的物理性质已经有所了解，知道木炭的颜色、状态、硬度等性质，但对碳的化学性质缺乏系统的认知。通过化学史和名人字画展示，让学生体会碳在常温下的稳定性，让学生进一步体会化学反应取决于反应条件的学科思想。

3.环节三：古代用碳冶炼金属。

（1）历史线索：距今大约4000年前的新石器时代，我国古代人民已经能熟练地用木炭烧制陶器，并对木炭的性能比较熟悉。到新石器时代晚期，我国就有黄铜的使用记载了[9]，我国是世界上最早冶炼黄铜的国家。到了商周，人们广泛利用木炭来冶炼金属。从商周时期我国进入青铜时代，而青铜发展的基础是木炭的大量使用。在冶炼中木炭不仅是燃料，还充当还原剂。从此，人类由石器时代进入铜器时代，开启人类利用金属的起点。

教师活动：先播放视频介绍火法炼铜的过程。然后，根据教材内容教师演示“木炭还原氧化铜”的实验，引导学生观察实验现象，总结碳的性质。最后播放学生实验视频，通过与教师的演示实验对比，分析实验的优缺点，引导学生改进实验装置。

主要问题：问题1. 从古代铜的冶炼史，你能得到什么结论？问题2. 通过对比老师和同学的实验操作，你能总结出该实验装置的优缺点是什么吗？问题3. 如何改进此实验装置？

（2）历史线索：利用现代科学技术，模拟木炭还原氧化铜的微观过程。

教师活动：引导学生用橡皮泥模拟木炭还原氧化铜的微观过程。

问题线索：问题1. 通过高科技的设备，我们已经能够直观的看到木炭还原氧化铜的过程了，能描述你看到了什么吗？问题 2. 你能用橡皮泥模拟木炭还原氧化铜的微观过程吗？

（3）历史线索：春秋战国时代，人民利用木炭和铁矿石混合，放在炼炉中点火鼓风进行冶炼，木炭燃烧造成高温，生成还原氧化铁的一氧化碳，将铁矿石变成金属铁[10]。

教师活动：引导学生思考回答问题，得出结论。

主要问题：结合所给历史资料，你能得到什么结论？

设计意图：穿越历史长河，通过视频介绍“古代火法炼铜”的过程。通过化学史，学生认识到碳在促进社会文明进步、自然资源综合利用中的重要作用。观看视频能使学生初步感知从客观世界提取化学认识对象，感知人类探究世界的过程与方法，认识到化学与生产、生活和科技的密切联系，促进学生形成强烈的社会责任感。课堂教学中，教师有意思地渗透了民族精神教育，增强了学生对中国古代科技发展的认同感，增強了学生的民族自豪感，学科德育方面得到了充分体现。

教师借助电子白板的功能演示实验，学生能更直观的观察实验现象。观察是学生了解世界的基本能力，培养了观察能力，就启发了学生的求知欲。教师引导学生能根据实验现象辨识碳与氧化铜的反应，初步感受“观察现象→收集证据→得到结论”的科学探究方法。通过对宏观实验现象的观察和描述、不断地寻求证据、进行推理、获得结论，强化证据在推理过程中重要的作用，有利于学生真正进入深度学习，使学生形成化学元素观。

播放学生实验视频与教师演示实验进行对比分析，通过驱动性问题链设计以及师生的对话，总结实验的优缺点，培养学生养成规范操作的意识，同时也可以加强师生之间的交流与互动，使师生关系更加融洽。改进实验能培养学生的高阶思维，能强化学生的学习能力和促进思维发展，达到高效学习的目的。通过联系、组织和整合的整体化策略，可以帮助学生更好地完成知识的结构化，更好地将知识转化为素养。

由于微观结构无法直接观测，所以需要借助模型来认识，模型法是科学研究中常用的方法。模拟木炭还原氧化铜的微观过程的活动非常重要，能使学生的学习思维方式发生质的飞跃。本课中，教师提供脚手架，让学生能够跨越宏微观这个沟，引导学生用橡皮泥模拟木炭还原氧化铜的过程，一方面引领学生对物质的认识从宏观进入微观，同时继续让学生寻找证据与结论之间的逻辑关系，达到培养学生宏观辨识与微观探析的学科素养;另一方面实现宏观现象、微观实质和符号表达三重表征的统一性认识。此学生活动的设计具有交互性与趣味性，让学生对微观实质的探究非常感兴趣，促进学生对化学反应微观过程的理解。

4.环节四：拓展应用，体验学科价值。

历史线索：近代碳材料的发展史，利用流程图展现给学生（如图3所示）。

作业设计：今天同学们了解到的关于单质碳的史实，把碳的性质和用途联系起来，写写本节课的收获，谈谈自己对化学史的学习感受，下次课分享。预习二氧化碳和一氧化碳，收集与二氧化碳和一氧化碳有关的化学史。

设计意图：发展流程图具有直观、线索清晰、引导性强等特点，有助于学生理解。作业的布置紧扣历史线和知识线，加深学生对科学史学习的理解，分享自己的学习感受能提高学生的表达能力和总结能力，鼓励学生勇于展示自己。本节课的学习内容与下节课碳的氧化物关联性很强，预习任务在于让学生体会化学史学习化学的乐趣，体会科学家进行科学探究的精神和百折不挠的毅力。

四、结束语

本教学设计以真实情境中的应用实例作为引入，以碳的化学史作为线索贯穿始终，通过图片展示、演示实验、实验视频和学生动手活动等教学方法，结合问题驱动，学习单质碳的化学性质，将化学史与化学学科知识完美融合，还让学生形成思辨的意识，促进学生形成良好的科学品质。“碳”的发展史，让我们认识单质碳在促进社会文明进步、自然资源综合利用中的重要作用，无数科学家为了扩大知识的领域和开发新的材料，所做的艰苦卓绝的奋斗。将化学史引入教学中，不仅提高了学生的学习兴趣，激发了学生学习动力，还可以加深学生对基础知识的理解和记忆，启迪学生的学科思维，培养科学探究方法。化学史是一种生动的课程资源，化学教学中融入化学史，可以让学生了解到化学学科的价值以及渗透在化学史中的哲学思想，促进学生的化学学科核心素养的发展。

参考文献：

[1] 林崇德. 21世纪学生发展核心素养研究[M]. 北京： 北京师范大学出版社， 2016： 23.

[2] 教育部. 义务教育化学课程标准（2011版）[M]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012： 3.

[3] 教育部. 普通高中化学课程标准（2017版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 13.

[4] 严文法， 王小梅， 李彦花. 新课标视域下化学史的科学本质教育功能研究[J]. 化学教学， 2020（1）： 3-7.

[5] 吴伟， 张兆丽， 姜翠玉. 有机化学教学中實施化学史教育的必要性及其作用[J]. 化工高等教育， 2008， 6（104）： 21-23， 30.

[6] 张雪琳. 基于化学史教育的化学教学设计与研究实践[D]. 陕西：陕西师范大学，  2016： 6-9.

[7] 金德渊， 徐建飞. 九年级义务教育课本. 化学·第一学期（试用本）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2019： 7-1.

[8] 袁振东， 范美晨， 于夏颖， 葛丽丽. 一氧化碳的发现与燃素说的终结[J]. 化学教育， 2015（36）： 78-81.

[9] 半坡博物馆， 陕西省考古研究所， 临潼县博物馆. 《姜寨-新石器时代遗址发掘报告》[M]. 北京： 文物出版社， 1988： p148， p544-548.

[10] 韩汝玢， 柯俊《中国科学技术史矿冶卷》[M]. 北京： 北京科学出版社， 2007： p177， p182-183.