孟素芹

摘要：化學的發(fā)展歷史，充滿了智慧的碰撞和激動人心的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明。以“單質(zhì)碳的化學性質(zhì)”的教學設計為例，以單質(zhì)碳發(fā)展的“歷史線”、教學活動的“活動線”和化學學科的“素養(yǎng)線”作為本節(jié)課的主要路線，通過問題驅(qū)動、小組合作和探究驗證等活動對“單質(zhì)碳的化學性質(zhì)”尋根問底，引導學生尋找知識點間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的知識體系，拓展學生思維，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：教學設計;學科核心素養(yǎng);化學史;碳的化學性質(zhì)

一、背景分析及問題提出

核心素養(yǎng)是學生能夠適應社會及其終身發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1]?！读x務教育化學課程標準（2011年版）》指出，義務教育階段的化學課程以提高學生的科學素養(yǎng)為主旨[2]。2018年出版的《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出了化學學科的“核心素養(yǎng)”，并強調(diào)了它具有重要的地位和作用[3]，同時也強調(diào)將化學史作為發(fā)展學生對科學本質(zhì)理解的重要手段[4]。化學史是化學學科產(chǎn)生、形成、演變和發(fā)展的歷史過程[5]。將化學史融入化學教學中，能夠讓學生了解所學化學知識的來源與發(fā)展，學習歷史發(fā)展進程中的科學本質(zhì)，提高學生的學科核心素養(yǎng)。法國著名的科學家郎之萬提出，化學史教育和實驗課教學被認為是克服在化學教學中向?qū)W生灌注科學知識的教條主義、實用主義教學方法的兩種有效途徑[6]。

筆者于2022年2月查閱中國知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫，以“化學史”和“碳的性質(zhì)”為篇名檢索文獻，發(fā)現(xiàn)沒有將化學史應用于碳的性質(zhì)進行教學設計的相關(guān)文獻。從檢索結(jié)果看，關(guān)于碳的化學史教育課例設計的研究十分必要。本文以九年級義務教育課本（試用本）（上海教育出版社出版）第一冊第四章第二節(jié)《碳》的第二課時“單質(zhì)碳的化學性質(zhì)”[7]為例，融入化學史進行教學設計，為我國化學史教學提供參考和借鑒。

二、“單質(zhì)碳的化學性質(zhì)”的化學發(fā)展史中蘊含的化學核心素養(yǎng)

（一）初中階段化學學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

由于初中與高中相比，涉及的化學知識的廣度、難度和深度都不相同，現(xiàn)結(jié)合初中化學課程的性質(zhì)以及化學學科核心素養(yǎng)的界定，對化學核心素養(yǎng)的五個維度進行細化和具體化，以適應初中化學的課程性質(zhì)——基礎性和啟蒙性（見圖1）。

（二）.“單質(zhì)碳的化學性質(zhì)”中的核心素養(yǎng)生成點

結(jié)合課標、教材、學生、教學基本要求和學科核心素養(yǎng)在初中學段的具體化和細化，可以提煉出“碳的化學性質(zhì)”利用化學史進行教學中的素養(yǎng)生成點主要有：

（1）通過引入木炭作為燃料、涂料和冶金原料，被人類廣泛使用的化學發(fā)展史，了解人類認識碳的過程，學生能認識到化學始于生產(chǎn)和生活，體驗人類探究世界的過程，增強科學精神與社會責任。通過我國古代碳材料使用的歷史，學生能了解我國古代科技發(fā)展的先進性，增強民族自信心和自豪感。

（2）通過木炭還原氧化銅的實驗，初步感受“觀察現(xiàn)象——收集證據(jù)——得到結(jié)論”的科學探究方法。通過分析木炭還原氧化銅制得金屬銅，銅與氧氣受熱反應生成氧化銅;孔雀石（主要成分是堿式碳酸銅）與木炭一起加熱火法煉銅，銅緩慢氧化可以生成銅綠（即堿式碳酸銅），這兩個例子培養(yǎng)學生的平衡思想。

（3）通過木炭還原氧化銅的宏觀實驗，橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的微觀過程，學生學會從宏觀現(xiàn)象到微觀實質(zhì)的探析，形成“宏觀——微觀——符號”三重表征的轉(zhuǎn)化能力。

（4）通過木炭還原氧化銅的改進實驗探究，讓學生體驗探究過程，培養(yǎng)學生科學探究的能力和創(chuàng)新意識。

（5）利用近代化學發(fā)展史中，科學家發(fā)現(xiàn)和合成碳單質(zhì)材料的史實，發(fā)展學生的變化觀念，增強學生科學探究的意識，發(fā)展科學探究精神，從而養(yǎng)成崇尚科學，尊重科學的態(tài)度。

三、教學實錄

（一）教學設計思路

結(jié)合教材、學情和教學目標進行分析，本節(jié)課采用歷史線、活動線和素養(yǎng)線相融合的教學流程。首先通過講述歷史事件（歷史線），挖掘出關(guān)于單質(zhì)碳的相關(guān)信息，展開教學活動（活動線），收集證據(jù)，解釋事實，學習單質(zhì)碳的化學性質(zhì)，培養(yǎng)學生學科素養(yǎng)（素養(yǎng)線）。教學流程共四個環(huán)節(jié)（教學流程如圖2所示），從歷史事件與“單質(zhì)碳”這一課題知識的關(guān)聯(lián)點出發(fā)，通過重現(xiàn)歷史事件，學生了解碳材料的歷史發(fā)展的過程，從中學習碳的化學性質(zhì)和用途。四個教學環(huán)節(jié)層層遞進，逐步深化教學內(nèi)容，引導學生進行思考，提高學生各方面的能力。本節(jié)課的學習，上可銜接氧氣的性質(zhì)，下可銜接碳的化合物的性質(zhì)，為高中學習碳單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)奠定基礎。本教學設計所呈現(xiàn)的科學史在教材內(nèi)容組織上起到承上啟下的作用。

（二）教學過程

1.環(huán)節(jié)一：古時候人類使用木炭作燃料。

情境引入：播放2022年北京冬奧會中國禮儀服小視頻。通過視頻學生了解到中國航發(fā)針對本屆冬奧會研發(fā)了第二代石墨烯發(fā)熱材料，該材料可以快速升溫，用它制作的中國禮儀服能幫助工作人員抵抗-40℃的嚴寒，并且非常的輕便。

（1）歷史線索：人類初期認識碳主要是來源于生活中的木炭，它是古代人們的重要燃料。但由于當時科技發(fā)展水平的限制，還沒有產(chǎn)生碳單質(zhì)的概念。

教師活動：展示人類歷史初期用炭火取暖和烤制食物的圖片，引導學生思考回答問題。

主要問題：問題1. 人類歷史初期冬天如何保暖？問題2. 結(jié)合歷史資料，你能獲得碳的什么性質(zhì)？

（2）歷史線索：在古希臘時代，哲學家亞里士多德曾記錄了燃燒的煤炭散發(fā)有毒煙氣的現(xiàn)象。執(zhí)行死刑時將罪犯關(guān)在一間浴室，并在浴室內(nèi)放置文火燃燒的煤炭，罪犯就會死亡。古希臘醫(yī)生蓋倫推測，由于浴室內(nèi)空氣的組成發(fā)生了變化，因此呼入后會對人體造成傷害。之后，比利時化學家海爾蒙特，曾在實驗中發(fā)現(xiàn)由文火燃燒的木炭產(chǎn)生的一種有毒氣體能危及自己的生命，并記述了一氧化碳中毒的癥狀 [8] 。

教師活動：展示歷史線索中科學家的人物圖像，介紹歷史事件，引導學生思考回答問題。

主要問題：結(jié)合所給歷史資料，你能得到什么結(jié)論？

設計意圖：本節(jié)課通過冬奧會中國禮儀服小視頻引入新課，喚醒同學們對碳單質(zhì)相關(guān)知識的記憶，激發(fā)學生的學習興趣，感受科技發(fā)展帶來的便利。通過九年級義務教育課本（上海教育出版社出版）第一學期第二章第二節(jié)“氧氣能跟很多物質(zhì)發(fā)生反應”[7]的學習，學生對碳的可燃性已經(jīng)非常熟悉，結(jié)合教師展示的圖片和問題驅(qū)動，學生能輕松的總結(jié)碳的可燃性。在原有知識的基礎上進一步學習新知識，層層遞進，能提高學生的思維能力，以知識來豐富學生頭腦。

通過碳不完全燃燒的歷史資料，學生了解到科學發(fā)展不是一蹴而就，需要許多的科學家為之奉獻。通過引入化學史介紹碳的不完全燃燒產(chǎn)物，而不是引用生活中一氧化碳中毒的實例，避免從負面的角度介紹化學變化，有利于培養(yǎng)學生的學科價值觀。通過引導學生思考碳的不完全燃燒，滲透化學反應既決定于物質(zhì)本身的性質(zhì)，又決定于反應條件和反應物量的學科思想，使學生養(yǎng)成用辯證的眼光認識事物的態(tài)度。

2.環(huán)節(jié)二：古代人類用碳作記錄。

歷史線索：在文字發(fā)明前，人類就用木炭來作畫。在歐洲的巖洞中仍然能看的到碳粉或者木炭所做的壁畫。后來人們將碳加入墨中用于書寫和繪畫，作品歷經(jīng)百年依然彩色煥發(fā)。

教師活動：圖片展示古代名人字畫，引導學生思考回答問題。

主要問題：結(jié)合名人字畫保存百年依然清晰如故，你能獲得碳的什么性質(zhì)？

設計意圖：學習本節(jié)課之前，學生憑借生活經(jīng)驗和已有知識，對碳的物理性質(zhì)已經(jīng)有所了解，知道木炭的顏色、狀態(tài)、硬度等性質(zhì)，但對碳的化學性質(zhì)缺乏系統(tǒng)的認知。通過化學史和名人字畫展示，讓學生體會碳在常溫下的穩(wěn)定性，讓學生進一步體會化學反應取決于反應條件的學科思想。

3.環(huán)節(jié)三：古代用碳冶煉金屬。

（1）歷史線索：距今大約4000年前的新石器時代，我國古代人民已經(jīng)能熟練地用木炭燒制陶器，并對木炭的性能比較熟悉。到新石器時代晚期，我國就有黃銅的使用記載了[9]，我國是世界上最早冶煉黃銅的國家。到了商周，人們廣泛利用木炭來冶煉金屬。從商周時期我國進入青銅時代，而青銅發(fā)展的基礎是木炭的大量使用。在冶煉中木炭不僅是燃料，還充當還原劑。從此，人類由石器時代進入銅器時代，開啟人類利用金屬的起點。

教師活動：先播放視頻介紹火法煉銅的過程。然后，根據(jù)教材內(nèi)容教師演示“木炭還原氧化銅”的實驗，引導學生觀察實驗現(xiàn)象，總結(jié)碳的性質(zhì)。最后播放學生實驗視頻，通過與教師的演示實驗對比，分析實驗的優(yōu)缺點，引導學生改進實驗裝置。

主要問題：問題1. 從古代銅的冶煉史，你能得到什么結(jié)論？問題2. 通過對比老師和同學的實驗操作，你能總結(jié)出該實驗裝置的優(yōu)缺點是什么嗎？問題3. 如何改進此實驗裝置？

（2）歷史線索：利用現(xiàn)代科學技術(shù)，模擬木炭還原氧化銅的微觀過程。

教師活動：引導學生用橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的微觀過程。

問題線索：問題1. 通過高科技的設備，我們已經(jīng)能夠直觀的看到木炭還原氧化銅的過程了，能描述你看到了什么嗎？問題 2. 你能用橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的微觀過程嗎？

（3）歷史線索：春秋戰(zhàn)國時代，人民利用木炭和鐵礦石混合，放在煉爐中點火鼓風進行冶煉，木炭燃燒造成高溫，生成還原氧化鐵的一氧化碳，將鐵礦石變成金屬鐵[10]。

教師活動：引導學生思考回答問題，得出結(jié)論。

主要問題：結(jié)合所給歷史資料，你能得到什么結(jié)論？

設計意圖：穿越歷史長河，通過視頻介紹“古代火法煉銅”的過程。通過化學史，學生認識到碳在促進社會文明進步、自然資源綜合利用中的重要作用。觀看視頻能使學生初步感知從客觀世界提取化學認識對象，感知人類探究世界的過程與方法，認識到化學與生產(chǎn)、生活和科技的密切聯(lián)系，促進學生形成強烈的社會責任感。課堂教學中，教師有意思地滲透了民族精神教育，增強了學生對中國古代科技發(fā)展的認同感，增強了學生的民族自豪感，學科德育方面得到了充分體現(xiàn)。

教師借助電子白板的功能演示實驗，學生能更直觀的觀察實驗現(xiàn)象。觀察是學生了解世界的基本能力，培養(yǎng)了觀察能力，就啟發(fā)了學生的求知欲。教師引導學生能根據(jù)實驗現(xiàn)象辨識碳與氧化銅的反應，初步感受“觀察現(xiàn)象→收集證據(jù)→得到結(jié)論”的科學探究方法。通過對宏觀實驗現(xiàn)象的觀察和描述、不斷地尋求證據(jù)、進行推理、獲得結(jié)論，強化證據(jù)在推理過程中重要的作用，有利于學生真正進入深度學習，使學生形成化學元素觀。

播放學生實驗視頻與教師演示實驗進行對比分析，通過驅(qū)動性問題鏈設計以及師生的對話，總結(jié)實驗的優(yōu)缺點，培養(yǎng)學生養(yǎng)成規(guī)范操作的意識，同時也可以加強師生之間的交流與互動，使師生關(guān)系更加融洽。改進實驗能培養(yǎng)學生的高階思維，能強化學生的學習能力和促進思維發(fā)展，達到高效學習的目的。通過聯(lián)系、組織和整合的整體化策略，可以幫助學生更好地完成知識的結(jié)構(gòu)化，更好地將知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)。

由于微觀結(jié)構(gòu)無法直接觀測，所以需要借助模型來認識，模型法是科學研究中常用的方法。模擬木炭還原氧化銅的微觀過程的活動非常重要，能使學生的學習思維方式發(fā)生質(zhì)的飛躍。本課中，教師提供腳手架，讓學生能夠跨越宏微觀這個溝，引導學生用橡皮泥模擬木炭還原氧化銅的過程，一方面引領學生對物質(zhì)的認識從宏觀進入微觀，同時繼續(xù)讓學生尋找證據(jù)與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，達到培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析的學科素養(yǎng);另一方面實現(xiàn)宏觀現(xiàn)象、微觀實質(zhì)和符號表達三重表征的統(tǒng)一性認識。此學生活動的設計具有交互性與趣味性，讓學生對微觀實質(zhì)的探究非常感興趣，促進學生對化學反應微觀過程的理解。

4.環(huán)節(jié)四：拓展應用，體驗學科價值。

歷史線索：近代碳材料的發(fā)展史，利用流程圖展現(xiàn)給學生（如圖3所示）。

作業(yè)設計：今天同學們了解到的關(guān)于單質(zhì)碳的史實，把碳的性質(zhì)和用途聯(lián)系起來，寫寫本節(jié)課的收獲，談談自己對化學史的學習感受，下次課分享。預習二氧化碳和一氧化碳，收集與二氧化碳和一氧化碳有關(guān)的化學史。

設計意圖：發(fā)展流程圖具有直觀、線索清晰、引導性強等特點，有助于學生理解。作業(yè)的布置緊扣歷史線和知識線，加深學生對科學史學習的理解，分享自己的學習感受能提高學生的表達能力和總結(jié)能力，鼓勵學生勇于展示自己。本節(jié)課的學習內(nèi)容與下節(jié)課碳的氧化物關(guān)聯(lián)性很強，預習任務在于讓學生體會化學史學習化學的樂趣，體會科學家進行科學探究的精神和百折不撓的毅力。

四、結(jié)束語

本教學設計以真實情境中的應用實例作為引入，以碳的化學史作為線索貫穿始終，通過圖片展示、演示實驗、實驗視頻和學生動手活動等教學方法，結(jié)合問題驅(qū)動，學習單質(zhì)碳的化學性質(zhì)，將化學史與化學學科知識完美融合，還讓學生形成思辨的意識，促進學生形成良好的科學品質(zhì)。“碳”的發(fā)展史，讓我們認識單質(zhì)碳在促進社會文明進步、自然資源綜合利用中的重要作用，無數(shù)科學家為了擴大知識的領域和開發(fā)新的材料，所做的艱苦卓絕的奮斗。將化學史引入教學中，不僅提高了學生的學習興趣，激發(fā)了學生學習動力，還可以加深學生對基礎知識的理解和記憶，啟迪學生的學科思維，培養(yǎng)科學探究方法?；瘜W史是一種生動的課程資源，化學教學中融入化學史，可以讓學生了解到化學學科的價值以及滲透在化學史中的哲學思想，促進學生的化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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