研究新课标情境素材 培养学生科学思维

摘要： 科学思维是义务教育化学核心素养的重要内容。以落实和发展科学思维为导向，基于真实情境设计并实施课堂教学，体现了《义务教育化学课程标准（2022年版）》的要求。在实际教学中，教师应结合相应的教学内容，利用相关的化学实验素材、化学史素材、生产生活应用素材、化学科技素材等创设情境，激发学生学习兴趣，引导他们积极参与活动，在情境中学习化学知识，运用科学方法、依据事实进行证据推理，解决或解释情境中的相关问题，发展科学思维能力。

关键词： 课程标准； 科学思维； 情境素材； 核心素养

文章编号： 1005-6629（2023）04-0023-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

科学思维是义务教育化学核心素养的重要内容。以落实和发展科学思维为导向，基于真实情境设计并实施课堂教学，体现了《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的要求，是实现以核心素养为主旨的课程目标的必然选择。立足于科学思维的培养，利用相应情境素材引导学生学习化学知识，应用学会的化学知识解决、解释情境中的问题，已成为义务教育化学教学研究的热点和重点问题。

1  义务教育化学学科科学思维的基本要求

“科学”是指反映自然、社会、思维等的客观规律的分科的知识体系；“思维”是指在表象、概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程。思维是人类特有的一种精神活动，是从社会实践中产生的［1］。关于化学学科的科学思维，新课标中明确指出，是在化学学习中基于事实与逻辑进行独立思考和判断，对不同信息、观点和结论进行质疑与批判，提出创造性见解的能力；是从化学视角研究物质及其变化规律的思路与方法；是从宏观、微观、符号相结合的视角探究物质及其变化规律的认识方式［2］。在义务教育化学课程中培养科学思维素养，实质是引导学生在获取证据的基础上进行理性思考，以认识物质的性质及其变化，揭示化学反应规律。

化学科学思维主要包括：在解决化学问题中所运用的比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法，基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力，在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑能力、批判能力和创新意识［3］。科学思维不仅关乎学生对化学学科的理解，也影响着学生心理品质的形成。因此，培养初中学生的科学思维是核心素养培育不可或缺的重要内容。

2  利用情境素材培养科学思维

2.1  真实情境素材与科学思维

真实、生动、直观且富有启迪性的学习情境素材，能够激发学习兴趣，引发思考，帮助学生建构大概念和核心概念，促进其核心素养的发展［4］。真实情境素材是培养学生科学思维的重要载体。

（1） 真实情境素材有利于激发学生的科学思维。真实情境素材往往来自自然现象、化学实验、生产生活实际、科技发展、化学史等，学生从生活、学习、新闻媒体等均可以了解，因熟悉而有亲切感，有利于激发他们的科学思维。

（2） 真实情境素材有利于科学探究思路与方法的形成。问题是探究的源泉。有了问题，才能激发学生的探究欲望，促使其进行科学探究活动，并积极思维，在获取证据的基础上由表面到本质、由宏观到微观、由定性到定量，最终形成科学探究的思路与方法。借助真实情境素材产生的问题，对学生具有更大的吸引力。

（3） 真实情境素材有利于化学知识的应用。学习化学知识的目的是应用它们解决或解释生产生活、科技、国防等领域中接触到的实际问题。利用真实情境素材引导学生学习，使他们通过科学思维理解并掌握知识后，再次经过科学思维将化学知识与实践中的具体问题结合，实现知识学习的真正价值。

真实情境素材对科学思维的培养具有极其重要的作用。在现行初中化学课堂中，教师利用真实情境素材实施教学的现状如何呢？

2.2  利用真实情境素材的现状

（1） 对利用真实情境素材的认识不足。尽管历年的课程标准中都明确了真实情境的重要意义，在每个学习主题中也列出了相关的情境素材建议，但是依然有一些教师认为，在教学时间非常紧张的情况下，应用情境素材设计并实施教学不仅会耽误时间，而且将知识的学习放在情境中，反而影响了学生的理解，直接讲解“干货”省时省力，有利于学生快速掌握知识，正确解答练习题。鉴于此，这样的教师在教学中基本放弃了情境创设。

（2） 难以找到合适的真实情境素材。一些教师知道真实情境创设的重要性，但是①没有足够的时间去查找素材；②视野有限，想不到在哪些方向上去搜索与教学内容相关的素材；③搜索的方向正确，而且搜索到了一些素材，但是不会进行取舍，从中合理选擇能真正应用于实际教学的素材。

（3） 不能合理使用真实情境素材。教师能搜索到与教学内容密切相关的真实情境素材，但是又苦于不能合理使用。如何基于学生的认知水平进行取舍、如何将其中的素材与教学目标的达成进行合理关联，如何以该真实情境素材创设真正能统领课堂教学的线索，实现情境、知识、素养的融合发展，成了摆在教师面前的难题。

基于此，尽管大多数教师认为搜索情境素材、创设真实情境是必要且重要的，但是在实际教学中，利用真实情境素材深入开展教学的教师为数甚少，更多的教师将情境素材与课堂教学变成了“两张皮”，为情境而情境的大有人在。

2.3  新课标中的情境素材

在新课标五个学习主题中的“教学提示”部分，都给出了详实的情境素材建议。这些情境素材建议包括自然现象类、化学实验类、生产生活类、科技发展类、化学史类等，为教师创设真实教学情境设计教学、引领学生认识自然、提升应用化学知识解决问题，乃至提升核心素养提供了方便。

（1） 自然现象类情境素材。化学是一门自然科学，自然界本身就蕴含着丰富的情境素材。每个学习主题提出的自然现象类情境素材如下［5］：

主题1科学探究与化学实验：盐碱湖中的氯化钠和碳酸钠，贝壳（或鸡蛋壳、大理石）中的碳酸钙。

主题2物质的性质与应用：地球大气成分的演变，自然界的碳氧平衡，溶洞等自然奇观的形成，我国重要的金属矿物资源及其分布，人体内几种液体的正常的pH范围，生活中常见物质的酸碱性，海盐、岩盐、湖盐和井盐。

主题3物质的组成与结构：布朗运动，地壳中元素的分布。

主题4物质的化学变化：石灰岩溶洞与钟乳石的形成，呼吸作用。

主题5化学与社会·跨学科实践：我国化石燃料的分布，温室效应与全球变暖。

在教学中，如果教师能抓住这些素材，并运用图片、实物、新闻报道、影像资料等给学生更加生动而丰富的感性认识，将有利于拉近学生与化学学科知识的距离，激发学生学习化学的兴趣，为科学思维的培养奠定基础。

（2） 化学实验类情境素材。化学是一门以实验为基础的自然科学。实验是人们获取化学知识、认识和解释化学现象的重要手段，也是人们创造物质、实现物质转化的重要途径。新课标中不仅规定了学生必做实验，在每个学习主题中也给出了一些实验类情境素材。

例如，主题1中久置氢氧化钠溶液成分的探究、不同溶质质量分数的营养液对绿萝生长状况的影响、盐碱湖中的氯化钠和碳酸钠的提取、贝壳（或鸡蛋壳、大理石）中的碳酸钙的含量的测定；主题4中用食醋清洗水壶中的水垢、火柴和酒精灯等燃烧的调控措施、铜片在空气中灼烧前后固体质量的比较等。

这些实验素材可以提供客观而感性的证据。在教学中，教师可结合相应的教学内容提出有目的的观察任务，带领学生完成实验，以直观的现象引领学生深入思考，认识物质的性质及发生的变化，理解化学知识的应用，在证据推理中实现科学思维的培养。

（3） 生产生活类情境素材。化学知识与生产生活密切相关。将学习与生产生活有机联系，引导学生结合实际问题学习知识，并运用知识解决实际问题，将有助于学生发展科学思维、形成科学态度与责任。五个学习主题分别提供了丰富的生产生活类情境素材，教学中应合理使用。

例如，在主题1中，结合公交车或火车车厢内空气的成分认识我们周围的空气；结合暖贴或食品干燥剂等产品的说明书学习铁、生石灰等物质的化学性质。在主题2中，结合宇航、潜水、医疗等领域的呼吸供氧学习氧气的用途，结合鱼池的缺氧和增氧方法学习过氧化氢分解制取氧气；结合溶洞等自然景观的形成学习碳酸钙与二氧化碳、水的反应；结合身边常见物质的酸碱性学习pH的相关知识；结合改良酸性或碱性土壤学习酸和碱的中和反应；结合生活中铁制品的锈蚀学习防止金属腐蚀的原理和条件等。在主题3中，结合药品、食品标签上相应物质的成分及含量来学习物质的组成；结合农作物生长必需的化学元素、人体必需的微量元素和常量元素来学习元素符号表征方式，了解元素符号的意义。在主题4中，结合用石灰石或贝壳烧制生石灰学习分解反应；结合酸性和碱性废水的处理学习酸和碱的中和反应，认识中和反应的应用；结合即热饭盒和自热火锅学习化学反应中的能量变化；结合各种燃烧和爆炸现象及灭火方法、家庭用电用气及不同材料燃烧引起的火灾与施救、面粉厂等的防燃、防爆措施等认识燃烧条件与灭火的方法，树立生活中安全用火、用电的意识。在主题5中，结合污水处理与应用、空气质量日报、温室效应与全球变暖等，认识蓝天、碧水、净土的重要意义；结合均衡膳食结构图及人每天摄入食物中所含的主要营养物质及其含量，了解营养物质的重要作用，养成合理膳食的良好习惯；结合常用药品、家用洗涤剂及消毒剂的使用说明，关注生活中化学品的合理使用。

（4） 科技发展类情境素材。科技的发展、社会的进步离不开化学科学的发展。教学中可以化学学科前沿问题、化学在科技中的应用等为背景，选取真实情境素材，引导学生感悟化学发展方向，激发学习化学的兴趣。同时，学生在这些具有挑战性的情境中，可以梳理并整合知识，理解辨析相关概念，获取证据进行分析推测、归纳论证，使科学思维水平不断提升。

例如，在主题1中提到的改革开放以来，我国获得国家科学技术奖的化学家及其在建设创新型国家方面所取得的成就，可以在进行新能源的开发与使用（能源）、现代交通及航天航空和国防事业的发展中用到的材料（金属材料、有机材料）、药物的研制（合理用药）等教学时用于情境创设。在主题2中，利用数字化实验仪器对空气质量的监测，既让学生了解了化学实验仪器的发展，也以曲线图的方式将空气质量的变化直观展现在学生面前，该素材可以在空气的成分及保护大气环境的教学中使用；我国超导材料的研发、石墨烯材料的特性和我国石墨烯产业的发展是学习碳单质的性质和用途的重要情境素材。扫描隧道显微镜与原子操纵技术，可以为主题3中分子、原子的教学，引导学生建構宏观与微观的联系提供良好的素材。

（5） 化学史类情境素材。化学史是人类经过长时期的社会活动实践过程，对大自然及其规律的化学知识的整体性的、系统的历史的展现和叙述。因而化学史并不是纯粹的自然的科学，而是自然科学和历史科学相互交融的一种特殊专门的历史科学［6］。化学史教育是中学化学教育的重要组成部分。在新课标各个主题中，均有对化学史类情境素材的教学建议。

主题1  氧气的发现；酸碱指示剂的发现；原子结构模型的建立和发展；质量守恒定律的发现；我国传统化学工艺，如“湿法炼铜”，瓷器、铜器、铁器制造等。

主题2  《天工开物》中对我国古代金属冶炼成就的描述；我国古代合金材料的制造；我国古代文献中对制盐方法的描述。

主题3  科学家对分子、原子的认识历程；卢瑟福α粒子散射实验史实；科学家探究水的组成的历史。

主题4  《梦溪笔谈》中关于“湿法炼铜”的描述；拉瓦锡与质量守恒定律的发现。

主题5  我国古代黑火药的发明与使用；从石器、青铜器、铁器到高分子合成材料的变迁。

将这些化学史素材作为情境融入教学中，让学生了解科学家的研究过程、感受科学家的思维方式，对于培养学生的科学思维会发挥重要的作用。

3  在化学教学中利用真实情境素材促进科学思维发展

化学既然是一门自然科学，创设真实情境就要符合自然科学的客观事实，选择的情境素材要保证科学性、合理性与可操作性，要与教学内容紧密结合。下面结合具体的教学案例分析如何利用新课标中的真实情境促进科学思维发展。

3.1  案例1：质量守恒定律

质量守恒定律是重要的化学原理知识，是所有化学反应都应遵循的基本规律，是工业生产中投入与产出、提高生产效益的重要依据。学生在此前已经学习了氧气、水等具体物质的性质和用途（宏观），认识了分子和原子等概念（微观），知道了物质所发生的化合反应、分解反应（变化、定性）。质量守恒定律则是将学生对化学反应的认识由定性转入定量，开始从研究化学变化中物质间的定量关系，并学会用化学方程式这一符号表示化学反应，进而认识化学反应的微观本质，逐步建立宏观与微观相结合的思想［7］。

在质量守恒定律的教学中可以利用新课标主题4教学建议中的“拉瓦锡与质量守恒定律的发现”这一化学史情境素材，通过层层深入的教学活动带领学生理解定律中的“密闭容器”“参加反应”这两个难点，提升科学思维能力。

化学史情境：1673年，波义耳在敞口容器中加热金属，发现反应后金属质量增加。1774年，拉瓦锡在密闭容器中研究氧化汞的分解与合成，发现反应前后各物质的总质量相等［8］。

情境运用意图：利用两位化学家在研究中得出的相反结果，使学生产生认知冲突，激发其探究欲望，并以此为线索，引导后续探究活动中，在解决问题的过程中发展学生的科学思维能力。

围绕此化学史情境素材，教学活动设计如下。

环节1  实验研究，初步感知定量关系

活动内容：氢氧化钠溶液分别与硫酸铜溶液、氯化铁溶液、氯化镁溶液反应，并分别称量反应前后体系的质量。实验中将学生分为三组，每组学生完成一个实验。

思维发展意图：（1）获取直观证据，让学生初步感知化学反应前后物质质量的相等关系；（2）培养科学思维，渗透科学归纳法——每位学生虽然只完成一个实验，但是呈现的实验结果是基于三个不同的实验归纳得出的。

环节2  实验设疑，认识容器“需要密闭”

活动内容：以碳酸钠与盐酸反应为载体，分别在密闭容器、敞口容器中进行实验，测量反应前后的质量。

思维发展意图：（1）针对出现的质量“等”与“不等”两个相反的结果，引导学生积极思维寻找证据，突出在研究有气体参加或生成的化学反应时密闭容器的重要性；（2）引导学生基于实验事实进行证据推理，分析得出化学反应前后物质的质量相等的结论。

环节3  建构模型，准确理解“参加反应”

活动内容：（1）在密闭容器中完成红磷燃烧的反应，测量反应前后的质量；（2）建构数学分析模型，分析反应前后的体系的物体（物质）组成及其质量关系。

思维发展意图：基于实验事实，运用数学思维模型进行层层剥离，经比较、分析、归纳等科学方法，引导学生理解“参加反应”的含义，最终建构质量守恒定律，为进一步从微观视角认识化学反应、用符号表征化学反应奠定基础。

3.2  案例2：氧气的实验室制取

氧气与人的生命活动、生产生活等密切相关。它是学生系统学习的第一种化学物质，在学习中，学生初步了解了研究物质的基本思路，即存在、物理性质、化学性质、用途。氧气的实验室制取既是研究物质思路中的一个重要方面，也是学生学习的第一种气体制备，它承载着以下功能：（1）帮助学生形成较全面的研究物质的基本思路；（2）引导学生认识物质制备原理与制备装置间的关系；（3）为学习完二氧化碳、氯气、氨气等气体制备知识后，形成“依据反应物的状态和反应条件选择发生装置”奠定基础。

学生在学习中获得的知识往往是碎片化的，教师在教学中应关注到这一点，努力引导学生将已经学习的氧气的性质和用途与即将学习的制备原理建立联系，形成系统化认识。基于对这个问题的思考，利用新课标中主题2教学建议中的“鱼池的缺氧和增氧方法”这一情境素材，并适当进行补充，围绕实验室制取氧气的原理设计教学过程如下本案例参考了北京市海淀区教师进修学校附属实验学校王严老师的教学设计。。

生活情境：增氧剂（过氧化氢）——缓解养鱼塘缺氧问题，增氧时产物无残留，且绿色环保（明确：分解产生氧气和水；氧气供给呼吸）；特种部队30秒野外生活训练——摩擦高锰酸钾可产生氧气，最终引燃柴草（明确：氧气支持燃烧）。

情境运用意图：利用两个生活中的情境素材，引导学生建立物质性质与用途的关系；作为重要的证据，为学生探究實验室中利用过氧化氢分解和高锰酸钾分解制取氧气的原理的可行性提供有力支撑，发展学生的证据意识；感受物质转化的价值。

围绕这两个情境展开的活动分为教师引导探究和学生自主探究两部分，突出实证意识的培养。

环节1  教师引导下的过氧化氢分解制氧气原理的可行性探究

探究内容：过氧化氢溶液能否用于实验室制备氧气？

问题引导：如何证明有氧气生成？

寻找证据1（来自教材）：有气泡冒出；带火星的木条复燃（未出现预期现象）。

产生疑问：过氧化氢分解会不会无氧气产生？

寻找证据2（来自情境）：过氧化氢用于鱼塘增氧，确认过氧化氢分解有氧气产生。

寻找证据3（来自网络）：二氧化锰、氯化铁、土豆块等可以加快过氧化氢的分解。

寻找证据4（来自实验）：向过氧化氢溶液中加入二氧化锰（有气泡产生，带火星的木条复燃）。

得出结论：过氧化氢分解可用于实验室制氧气。

思维发展意图：（1）围绕探究的问题，引导学生多角度获取证据，基于各种事实进行证据推理，从而推测物质发生的变化；（2）培养分析、比较、归纳等科学方法；（3）初步建立观点-证据-结论间的关系。

环节2  学生自主探究高锰酸钾分解制氧气原理的可行性

围绕“高锰酸钾固体能否用于实验室制备氧气”，学生模仿刚刚完成的“过氧化氢分解制取氧气的可行性”探究方式，主动提出问题，并从生活情境、实验事实中寻找证据，分析推理得出高锰酸钾受热分解可用于实验室制氧气。

思维发展意图：（1）进一步培养学生的实证意识；（2）培养学生类比、模仿、分析归纳等科学方法；（3）进一步完善观点-证据-结论间的关系。

4  结语

学生学习化学知识的过程，不只是对化学学科知识的理解与掌握，还是化学科学思维的发展过程。落实并发展学生的核心素养是化学的课程目标，而科学思维是化学学科核心素养之一，化学观念的形成、科学探究与实践能力的发展、科学态度与责任的形成都与科学思维有着密不可分的关系。因此，我们要高度关注科学思维的培养，结合教学内容努力创设真实而合理的情境，为激发学生的学习兴趣、引领学生积极投身学习活动，从而培养学生的科学思维提供有力的保证。在教学中，教师还应合理地运用教学情境，抓住情境中有助于培养学生科学思维的每一个契机，采用多样化的教学方法，引导学生掌握科学方法，促使其基于各种事实进行证据推理，多角度培养他们的科学思维，为核心素养的发展奠定基础。

参考文献：

［1］现代汉语词典（第6版）［K］. 北京： 商务印书馆， 2015.

［2］［3］［4］［5］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［6］洪晓楠. 科学文化哲学的向度分析［J］. 社会科学战线， 2009， （11）： 52～59.

［7］［8］周业虹. 依托数字教材进行教学设计的实践研究［J］. 中国现代教育装备， 2019， （4）： 20～22.