鲁科版高中化学教材“微项目”情境素材的教学研究

吴晗清 徐 甜

(1.首都师范大学教师教育学院，北京 100037；2.首都师范大学化学教育研究所，北京 100048)

知识与情境如同盐与水的关系，只有相互交融才能被主体吸收。除了知识，过程与方法、态度与情感、实践能力与创新意识，更是需要学生在一定情境中经历真实的探究才能濡染涵养。正如著名哲学家怀特海所言，教育只有一个主题，那就是五彩缤纷的生活世界。这里的生活世界，指向丰富多彩的教育情境。《普通高中化学课程标准》(2017年版，2020年修订)(以下简称“新课标”)是在落实立德树人、推进基础教育课程改革和实施新高考改革的大背景下出台的，体现了国家对普通高中课程的基本规范和质量要求。[1]新课标的新颖之处在于在必修和选择性必修课程的每个主题中都给出了“情境素材建议”，并在教学与评价建议中明确要求“创设真实且富有价值的问题情境”。课堂教学中融入各种情境素材，可以全方位、多角度让学生获得成长，不仅构建了自己独特的认知体系，还丰富了学生的化学情感、责任与担当，落实核心素养，体现化学学科的育人价值。

一、化学教学情境素材及其分类

新课标在“课程的基本理念”中明确指出，化学学习倡导真实情境的创设，结合学生已有的经验和将要经历的社会生活实际，引导学生关注人类面临的与化学有关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。化学教学应该以生活为素材，引导学生用化学解决生活问题，在生活中认识化学。[2]教学情境是把学科知识、认知逻辑、情感态度、实践行为、社会生活等综合起来的教与学的活动场域，具有社会性、文化性、科学性和实践性。通过相关文献研究，结合中学化学教学特征，本研究认为，化学情境素材有以下三种主要的构建视角。

1.以学科知识为主视角

从学科知识为主视角出发，可以将情境素材分为本学科类与跨学科类，分别包含两种类型的情境素材。一种是以所学新知识相关的旧知为载体，引导学生建立起新旧知识的联系，温故知新，增强认知的逻辑性和结构化。以“化学反应与能量”这一主题为例，在认识化学能与热能的关系时，结合具体实例如氢气与氧气反应生成气态水和液态水释放能量不同，激发学生认知冲突，基于内能及内能的变化认识物质所具有的能量和化学反应中能量变化的本质，体会引入焓变概念的价值，理解热化学方程式书写规则等。另一种是以科学史为素材，感受科学家筚路蓝缕的研究历程，培养学生勤于实践、敢于质疑、勇于创新的意识和习惯。如“原子结构与元素的性质”这一主题，从道尔顿的实心球模型，到汤姆森的葡萄干蛋糕模型，到波尔量子化理论以及海森堡和薛定谔提出的电子云模型，教师可以借助科学史的故事和素材多角度地展示人类对微观结构的认识过程，促进学生对科学本质的理解。

2.以社会生活为主视角

以社会生活为主视角的情境素材，可以将其分为社会类、生活类与自然情境类。首先是社会类，即以社会中的热点话题为载体，如环境保护、科技进步、社会发展等，旨在发展学生的可持续发展意识，培养社会责任感。以“化学与社会发展”主题为例，了解造成水体富营养化的原因以及应对措施，认识化学原理、化工技术对于节能环保、清洁生产、清洁能源等产业发展的重要性。树立“绿色化学”的观念，形成资源全面节约、物能循环利用的意识。其次是生活类，此类素材往往是贴近学生生活并与所学知识相关的事件、现象、物品、生活经验等，重在引导学生用化学知识解决生活问题，激发学习兴趣，认识化学与生活是密不可分的。[3]如“简单的有机化合物及其应用”这一主题，结合生活经验，认识食物中的糖类、蛋白质、油脂等生物大分子进入体内之后的机理与反应，知道此类有机物对于人体的健康有着不可或缺的重要性，引导学生树立正确的健康意识及审美观。再次是自然情境类，指与所学知识相关的自然界中的化学变化和现象，帮助学生了解物质世界的奥秘，学习化学物质的性质及其变化，用化学思想认识物质世界。[3]以“元素与物质分类”为例，以“清晨可以在密林中看到一缕缕光束”这一自然现象为情境，在熟悉的情境中开启对胶体从直观到深入的认知。

3.以科学探究为主视角

以科学探究为主视角，包括科研成果类素材与实践探索类情境素材两种。化学作为科学的重要分支，科研成果类素材在化学教学中起到至关重要的作用。以科学家在科研中取得的成果为载体，为学生认识科学技术的发展提供客观真实的背景资源，是学生认识科学、感受科学的有效途径。例如，通过介绍光伏材料、催化材料、纳米材料等新型材料的应用与发展，认识半导体光催化作为一种新兴技术，致力于将取之不竭的绿色太阳能转化成化学能、电能等，旨在解决全球能源危机、净化生态，实现社会的可持续发展。以探究实验、趣味实验等实践探索类素材为教学情境，能够极大地激发学生的学习兴趣，降低学生的畏难情绪，提高课堂的趣味性与学生的参与度，更加贴切新课程改革中“以人为本”的学生观。如在“常见的无机物及其应用”这一主题，通过菠菜中铁元素的检验，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。

二、鲁科版高中化学教材中“微项目”情境素材的结构分析

化学教材是承载科学知识、拓展科学视野的重要资源，为了让学生充分认识化学对社会发展的重要价值，新课标中给出了“情境素材建议”，引导师生在教学过程中注重化学知识与真实情境相结合，从学生已有的经验出发，发展学生自主探究与解决问题的能力。高中化学教材中的情境素材多来源于科学知识的发展史实、化学在生活、工业及其他领域的应用以及科学技术取得的成果等，涉及自然科学、社会科学及人文科学等领域，是培养学生科学观念、发展学生科学精神的有效素材。在鲁科版高中化学新教材中，微项目模块的设置是一大亮点。[4]通过微项目的学习，促进学生知识的建构、能力的发展及素养的生成。“微项目”根据新课标中提供的情境素材建议，合理选取相关内容，其中所涉及的知识、需要分析和解决的问题都符合新课标中的内容要求及学业要求。[5]

鲁科版高中教材共有15个微项目，均设置于每一章的最后。为了进一步分析情境素材的类别结构与教育功能，基于上文从三个视角对化学情境素材的划分，对鲁科版高中化学教材中微项目所涉及的情境素材进行深度剖析(如表1所示)。

表1 鲁科版高中化学教材“微项目”的类别结构

1.项目视角比较全面，但是均衡性有待加强

通过对所有微项目的结构化分析，发现教材编写对三个主视角及七个类别都作了全面的关注，尤其突出在重视学科知识的深度建构、紧密联系社会生活、注重科学探究和实践能力的培养等方面。

首先，全体微项目都关注了学科本体知识这一视角。以选择性必修三“改进手机电池中的离子导体材料”为例，主要通过改进电池中的有机溶剂，使其与锂盐复合在一起从而构成新型的手机电池离子导体材料，从而极大地避免传统锂离子电池易泄漏以及爆炸等安全性问题。此前，学生已经深度认识了化学能与电能之间的转化，构建了原电池的原理和装置模型，且能设计简单的原电池。此外，已经系统学习了烃及其衍生物的结构与组成，建立了“性质决定结构、结构决定用途”的基本理念，能够从官能团和碳骨架这两个角度设计有机合成的基本路线。因此，该微项目的学习是对前面所学的原电池及有机化合物基础知识的深度整合与灵活应用。以学生非常熟悉的锂电池为素材，探究如何通过改变溶剂来优化电池性能，即通过正逆两种路径合成丙烯酸丁酯和二缩三乙二醇二丙烯酸酯。此外，这是高中阶段的最后一个微项目，聚焦了大概念与学科核心素养，融合无机与有机、理论与实践，在知识、能力及素养上层层递进。

其次，微项目重视化学与社会生活的联系。如必修教材中的微项目“科学使用含氯消毒剂”，主要分为两个项目活动：一是从解读84消毒液的产品说明书开始，从物质类别、元素化合价的角度预测其主要成分及性质，并进行实验探究，再运用次氯酸钠的性质重新认识说明书；二是呈现里约热内卢奥运会期间室外游泳池中水变绿的新闻，进一步探究消毒剂的使用问题，最后制作含氯消毒剂使用手册并总结学习思路和方法。学生在预测性质、检验猜测、解释原因等一系列的活动中，既复习了本章研究物质的一般方法和氧化还原反应的相关知识，又促进了探究能力和安全意识的形成。学以致用，增强了化学学科的现实价值感，从而落实科学态度与社会责任等学科核心素养。

最后，微项目的实施非常强调实践探究。新课标在每个主题下都明确规定了教学活动建议及学生必做实验，这就意味着化学教学不再只是单纯地强调向学生输送基础知识、实践技巧，而是有意识地培养学生的探索精神。以必修“探秘膨松剂——体会研究物质性质的方法和程序的实用价值”为例，教师根据内容需求，结合学生已有认知，以蒸馒头这一熟悉的情境引导其发现和提出问题，即为什么要加碳酸氢钠，持续激发学生的探究欲望与学习兴趣。探究过程不仅能够深化对碳酸氢钠性质的认识，更重要的是拓展了科学合理设计实验方案所需的多元思维和创意想像。在实验操作层面，锻炼了学生的动手能力，逐步形成一丝不苟的严谨态度。合作交往方面，引导学生以共建学习型组织的方式达成深度学习。通过交流、评价、反思，不仅促进个体的学科认知，更重要的是社会性的生成。

上述微项目涵盖了所有的分析视角，但是出现的频率不够均衡。从表1可以看出，生活类和实践探究类等素材出现的频率较高，而自然情境类出现仅1次，社会类也只有2次。自然情境主要是所学知识相关的自然界中的化学变化和现象，有利于激发学生的探究兴趣，帮助了解自然界的奥秘。带领学生深入大自然中，让他们亲身感受大自然的神奇魅力，学会主动观察、主动思考，发挥想像力和创造力。涉及自然情境类素材的微项目仅有“海带提碘与海水提溴”一例，可以发掘更多的自然情境类素材。引入社会类素材，除了能使课堂学习内容鲜活起来，有效提高学生参与课堂的热情，提高学生对知识的掌握程度，还可以引导学生用化学知识解决社会问题。微项目中社会类的素材数量也较少。另外，将更多新的科研成果引入微项目，可以培养学生的科研兴趣，感悟科学对于人类社会进步的重要意义。

2.化学史资源较为丰富，微项目中可以进一步补充拓展

化学教学除了关注知识本身之外，更要关注知识生成与发展过程中所蕴含的科学思维、方法、思想等，促进学生的全面发展。[6]化学史蕴含着丰富的科学思想和人文精神，具有重要的教育价值。通过对微项目量化分析可知，有4个微项目涉及了科学史类素材。微项目能够体现中国科学家对化学发展的贡献，以及中国传统文化与科学技术的关系。例如，微项目自制米酒中介绍了“《齐民要术》与我国传统酿造工艺”，让学生在认识有机化合物的转化中，深度体验我国传统酿造工艺的魅力。再如“研究车用燃料及安全气囊”，讲述了汽车燃料从煤到燃油的变迁，时至今日，人们依然在探索、优化环保、高性能的车用燃料。“揭秘索尔维制碱法和侯氏制碱法”中，介绍了我国著名化学家侯德榜实现中国人自己制碱梦想的故事。“青蒿素分子的结构测定”中，介绍了科学家在测定物质结构中的思维发展过程，以及最终确定通过X射线，利用前人总结出的常见的化学键的键长，推断原子之间的成键方式，借助原子之间的成键规律等理论知识，最终确定晶体的结构。在这一过程中，学生能够认识到技术及理论的发展对于科学发展的重要推动作用，感受科学家在研究过程中严谨求实的科学态度，以及科学的发展为社会发展带来的重大贡献，进一步发展学生科学态度与社会责任的科学素养。

但是，相比教材中的其他部分，微项目中涉及科学史的素材略显单薄。教材中无论是在知识内容还是栏目中都呈现了大量的化学史内容，而且多以图文结合的形式呈现，其中包含了科学家背景、国籍、成就等。相比较而言，微项目是能够渗透科学史教育的重要资源，在微项目中融入科学史的教育，无论对于知识本身的学习，还是对科学本质的了解，都具有重要价值。以微项目“补铁剂中铁元素的检验”为例，教材中提到配位化学的发展推动了化学各分支学科的发展。但事实上，配位化合物的发现对医学的发展也具有巨大的贡献，教材中可以适当增添一些相关内容。例如，1965年Rosenberg首次发现顺铂具有强抗肿瘤活性，铂类药物具有效率高、广谱、副作用小、作用机制独特等特点，与非铂类药物联用可减少耐药性，临床应用范围广泛。第二代铂类药物的典型代表是卡铂，在顺铂结构基础上保留了两个NH3，以双羧酸基团螯合配位取代了之前的两个Cl；第三代铂类药物以奥沙利铂作为代表，于1996年注册上市，临床主要用于胃肠道肿瘤治疗。[7]诸如此类的科学史素材，可以带领学生从科学的源头上看待问题，看到化学为社会发展做出的贡献，进一步加深学生对化学与生活紧密联系的认知。

讲好化学的中国故事，能够激起学生的爱国热情和民族自豪感，能够增强学生对国家和民族的科技自信和文化自信。[3]50万年以前，“北京人”就已经开始使用火，火的使用使人类最后脱离“动物界”，是人类支配自然的伟大开端，同时也是古化学的开端。恩格斯说过，就世界性的解放作用而言，摩擦生火的意义还是超过蒸汽机，因为这是人类第一次支配自然的力量。继而石器、陶器、青铜等的使用，使人类对化学的认知和使用又达到了新的高度。因此，将化学发展史融入教材，可以培养学生学习化学的兴趣，加深对科学本质的了解。

3.项目设计意图良好，但是操作性需要加强

微项目的整体设计意图良好，除了全面深入蕴含化学学科核心素养之外，还体现在对化学与社会发展方面的深刻关注。首先，微项目对核心素养的浸润式渗透。以“海带提碘与海水提溴”为例，知识与技能方面，项目结合了元素周期律等相关知识，引导学生尝试从海带中提取碘单质，并进一步设计从海水中提取溴单质的工艺流程。思想与方法方面，温习了初中阶段的基本实验操作，用过滤的方法除去不溶性杂质；而对于可溶性杂质，学习新的萃取方法来分离。在感性知识与探究方法结合的基础之上，设计方案和流程。态度与精神方面，认识保护海洋生态环境的重要性，发展科学态度，感受化学学科的责任与担当。

其次，微项目对社会发展的深刻关注，重视培养学生的论证思维。以“论证重污染天气‘汽车限行’的合理性”为例，引导学生从经济、环境及社会等视角来分析汽车限行的利与弊。事实上，某一“社会”行为背后的影响因素十分复杂，并不是单纯的“科学”问题，因此要引导学生基于学科又跳出学科，从复杂科学的视角进行社会性科学议题的论证。这一过程需要学生通过查阅相关资料，加以分析和思考来提出一些观点，经过论证或辩驳，最后形成一定的观念或看法。因此，从化学本体出发，在更为复杂的社会背景中去分析问题，集自然科学、社会科学与人文科学为一体，极大地促进学生的全面成长。

但是，部分微项目的可操作性还有待进一步加强。以“模拟和表征有机化合物分子结构测定”为例，教材安排了“利用模型模拟有机物化合物分子的结构”“利用图谱表征有机化合物分子的结构”两个活动，模型相对而言较为容易获得或制作。虽然图谱分析法可以从更加微观的角度认识和分析有机化合物的结构以及组成，然而对于大多数学校来说，由于设备仪器等条件的限制，学生也许只能借助网络了解红外光谱、紫外光谱、核磁共振以及可见光谱等，使得教学活动与学生的感觉和触觉之间有了距离，教学目标的实现将难如人意。因此，微项目本身素材的选取要尽可能接近学校实际，使得项目可以正常开展，从而实现其重要的教育教学价值。

三、充分发挥“微项目”情境素材价值的教学建议

1.以跨学科视野整合相关主题，促进学生大观念的形成

随着社会和经济的发展，人类所面临包括资源、环境、健康、生命科学在内的问题已不是单纯的某个学科领域的问题，而是综合性、交叉性的问题，因此需要综合运用多个学科或专业才能解决。此外，新课标也明确提出“教师应重视跨学科内容主题的选择和组织，加强化学与物理学、生物学、地理学、材料科学等学科的联系，引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化的规律。”[2]其实，化学、物理、生物三门学科的核心素养都聚焦于科学思维、科学态度、科学探究和社会责任四个方面，体现的是综合的科学素养。可见，跨学科视野的主题教学，不仅可能而且十分必要。[8]

以微项目“甲醛的危害与去除”为例，教材从“解释甲醛危害原因”及“利用电负性预测反应活性”两个活动展开。教学实践中，可以进一步拓展学生对物质的辩证性认识。首先，初步认识甲醛的毒性及危害。甲醛是无色刺激性气体，通常可能经呼吸道、口腔和皮肤接触。室内装修常用的板材、油漆、地毯、壁纸等也多含有并释放甲醛。因此教学中可以紧密结合学生生活实际，创设与材料学、医学、生物学等学科相关的问题情境展开教学。其次，从甲醛的组成与结构入手，认识甲醛引发病变的机理。甲醛是一种原浆性毒物，即细胞原生质毒物，它可以与生物体内蛋白质与核酸的氨基和羟基结合，使其丧失生物活性。长期暴露于甲醛环境中，可降低机体的呼吸功能、神经系统的信息整合功能等。急性中毒表现为对皮肤、黏膜的刺激作用，吸入高浓度甲醛可导致呼吸道激惹症状，经消化道一次性大量摄入则可引起消化道及全身中毒性症状，甚至死亡。再次，开展活动对市面上的装修材料展开调查，测定其甲醛含量，综合考量价格、美观程度以及实用性等对材料进行评价，并讨论去除甲醛的可行性方法。最后，查阅资料全面认识甲醛，发现小小的甲醛竟然是极其重要的化工原料。如合成酚醛树脂、维纶、染料、农药、防腐剂、消毒剂等，甲醛都不可或缺。从而让学生辩证地全面认识化学物质，它既有毒，又为人类社会生活提供了极大的便利。正如科技是一把双刃剑，而人类的观念决定着如何使用这把剑。

2.以问题为导向，以活动为载体，落实实践能力和创新精神的培养

项目式学习需要通过小组合作的方式对复杂、真实的问题进行探究[9]，它强调学生的自主性、主动性和创造性，学习内容要融于真实的问题情境，以问题为导向，在探究活动中培养学生的高阶思维和合作意识，从而落实学生的核心素养。微项目作为项目式学习的微型化设计，在教材中以综合活动探究栏目呈现，要求学生在完整的微项目过程中实现相关知识建构、能力发展及态度形成。根据项目式学习的特点与微项目的教学功能，在教学过程中应该引导学生解构项目任务，设计一系列的探究问题，并将求解的过程融入实践活动中。

以“探秘神奇的医用胶”为例，医用胶属于生物医学上具有特殊功能性的胶粘剂，除了一般的胶接功能和力学功能外，最重要的是生物医学功能。可以将学科基础知识、能力和素养等方面的要求转化为几个核心问题。首先，根据医用胶的功能来讨论它必须具备的一些条件，以及这些条件与微观结构之间的可能关系；其次，以一种医用胶的主要成分α-氰基丙烯酸甲酯为例，进一步具体讨论结构与性质之间的关系，并猜测医用胶在分子结构上的共性；再次，查阅资料了解医用胶的发展历程及分类，并分析其中典型代表的结构和性质，感受化学对人类健康的重要意义。在此问题串的引导下，首先基于已有认知，从生活经验出发，分析医用胶应该具备的基本性能；引导学生阅读相关资料，分析医用胶的性能与合成医用胶的有机物结构之间应该存在的关联；接着，以具体的案例来强化物质的结构决定性质这一认识，并基于证据推论医用胶结构的共性；最后通过资料的整理、分析，不仅从微观的结构和化学反应的角度认识了众多的医用胶，还让学生深刻体悟化学学科的重要价值。另外，医用胶还存在许多的不足，有待于进一步的研究和完善，为学生留下了真实的需要创新的空间。

3.以教、学、评一体化为引导，落实立德树人的根本任务

新课标强调，在评价学生在不同学习阶段学科核心素养达成情况时，要积极倡导“教、学、评”一体化，让每一名学生都切实得到发展[2]，实现个体的“增值”。这要求我们在实践中要融合教学、学习与评价三重视域，顶层设计教什么、怎么教、为什么而教，把学习目标达成度的测评嵌入教学活动。在微项目实施中，核心素养无疑是教学的旨趣，也是学习的目标，还是评价的依据，三点一线形成合力，彼此督促、相互扶持。因而，教学既要关注学科，更要关注人。学习兴趣的激发、主体性的发挥、态度与品质、责任与精神，都是立德树人的关键。

以“设计载人航天器的化学电池”为例，需要引导学生在真实情境中感受能量转化与物质转化，将化学学科与航空航天相融合，感受化学对高端科技发展的促进作用。首先，以2021年发射的空间站核心舱为情境引入教学，激发学生思考“如何保证空间站核心舱在太空中持续飞行”；其次，引导学生探讨航天器中电池的重要性，以及根据所学知识，推测航天器可能使用的电池类型及化学原理；再次，学生尝试画出“阿波罗”11号太空飞船内部氢氧电池的构造图，提出该电池可能遇到的问题以及解决方案，然后进一步通过探究航天器电池的工作效率问题，培养学生的探究能力和创新意识；最后，也是最重要的，就是通过微项目的探索，感悟我国伟大的航天精神，即“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”，让杨利伟等航天员成为学生们的精神榜样。热爱祖国，自觉把个人理想与祖国命运紧密联系在一起；在成长中，要勤于探索、锲而不舍、严谨求实、勇于创新。一言以蔽之，立德树人不是一句空话，需要无数实实在在的教育教学活动合力支撑起这一根本任务。