摘 要：基礎(chǔ)教育階段化學拔尖創(chuàng)新人才的選拔方式偏重學科測試而忽視學生對化學學科的全面感知。為改變初中生對化學是“背誦記憶”學科的片面認識，本文重新設計了初、高中化學銜接導引課教學。為發(fā)揮銜接導引課“激趣”“激志”及其讓學生形成化學學科全景觀認知圖示的價值，選擇化學學科發(fā)展史上對人類作出重大貢獻的成就作為素材，設置挑戰(zhàn)性任務，在學生認知水平范圍內(nèi)調(diào)用學科核心知識解決真實問題、發(fā)展學科思維、形成創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：拔尖創(chuàng)新人才；化學學科；銜接性教學

文章編號：1008-0546（2024）11-0066-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、教學背景

黨的二十大報告指出，要堅持教育優(yōu)先發(fā)展、科技自立自強、人才引領(lǐng)驅(qū)動，加快建設教育強國、科技強國、人才強國，著力造就拔尖創(chuàng)新人才。高中階段是創(chuàng)新思維開發(fā)訓練的黃金時期，為響應國家對拔尖創(chuàng)新人才的需求，廈門市教育局自2022年起，在全市初三年級中選拔一批對基礎(chǔ)學科（數(shù)學、物理、化學、生物等）有強烈興趣的學生，委托部分市重點高中制定培養(yǎng)計劃進行提前培養(yǎng)。

在選拔過程中，為吸引學生興趣，被委托學校的學科導師會基于本學科的內(nèi)容以初、高中銜接導引課的形式，讓學生初步從整體上認識學科的基本結(jié)構(gòu)。這樣的機制對化學學科選拔不利，因為與其他學科相比，初三學生剛剛開始接觸化學，對化學學科的認識停留在背、記元素符號和簡單的基于實驗記憶物質(zhì)性質(zhì)和變化的階段，認為化學知識的規(guī)律性差，從而選擇其他更熟悉、規(guī)律性更強的學科。

通過檢索文獻發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于基礎(chǔ)教育階段拔尖創(chuàng)新人才選拔的研究主要集中于如何通過智力測試或基于課內(nèi)學科成績的優(yōu)異來提前識別潛力人才［1，2］，針對選拔過程中如何通過學科教學吸引更多有興趣、有志向的學生參與進來的課例研究幾乎未見報道。對于化學拔尖創(chuàng)新人才而言，真正吸引其投入并為之奮斗的，除了化學實驗帶來的新奇，更重要的是被化學學科的內(nèi)在邏輯及其在真實世界中展現(xiàn)的學科價值和社會價值所吸引。因此，在導引課中如何基于化學學科的內(nèi)容邏輯，設置一節(jié)既能“激趣”又能“激志”的課例尤為重要。

二、教學內(nèi)容

本節(jié)課是拔尖創(chuàng)新人才選拔背景下的一節(jié)初、高中銜接導引課，承載著讓學生形成化學學科全景觀認知圖示的價值?；诨瘜W學科的育人價值，導引課既要體現(xiàn)化學學科的本質(zhì)特征（認識物質(zhì)與創(chuàng)造物質(zhì)），又要體現(xiàn)其學科價值（解釋與預測）和社會價值（創(chuàng)造與應用），還要展現(xiàn)化學學科的思維方式（宏觀與微觀、證據(jù)與模型）和實踐方法（實驗與探究）。［3］另外，導引課不是講座式的科普課，而是通過創(chuàng)設真實情境和挑戰(zhàn)性學習任務，在潛移默化中讓學生認識到化學學科的規(guī)律性、價值性和創(chuàng)造性。為選擇適切學生認知發(fā)展水平的教學內(nèi)容，筆者參考了人教版高中化學必修第一冊“緒言”［4］和魯科版高中化學必修第一冊“走進化學科學”［5］的內(nèi)容，但是導引課并不主張以化學史為內(nèi)容組織教學，化學史更應該結(jié)合具體學科內(nèi)容發(fā)揮其認知維度的價值。基于導引課的功能并結(jié)合兩版教材呈現(xiàn)的線索和史實素材，筆者將教學內(nèi)容確定為以下幾點：①化學讓人類戰(zhàn)勝饑餓——工業(yè)合成氨及其威望；②化學讓人類戰(zhàn)勝疾病——青蒿素的發(fā)現(xiàn)、研究與應用；③化學讓人類生活更精彩——新材料的發(fā)明與應用。每一部分既直接外顯了化學學科的價值，又在具體內(nèi)容的展開過程中覆蓋了化學學科的思維方式和方法。

三、教學可行性

銜接導引課基于真實問題的解決展開，由于初中生知識水平有限，在解決問題過程中必然需要引入一些新知識使任務活動正常推進。為保證銜接導引課學生的參與性和可接受性，導引課教學必須考慮學生已有知識經(jīng)驗和新知識之間的關(guān)聯(lián)性，在學生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)設置問題活動，并結(jié)合教學內(nèi)容合理匹配教學策略，降低學生對新知識的理解難度。本節(jié)課在任務推進過程中，所涉及的新知識與學生的已有知識之間的關(guān)聯(lián)及其選擇的教學策略如表1所示。

四、教學目標

本節(jié)課的教學目標如下。

（1）通過工業(yè)合成氨的發(fā)展歷程，建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)之間的聯(lián)系，初步認識實際工業(yè)生產(chǎn)中對化學反應進行調(diào)控的思路和方法，體會從理論走向?qū)嶋H的科學家智慧。

（2）通過青蒿素的發(fā)現(xiàn)、研究與應用，能基于物質(zhì)性質(zhì)選擇合適的分離提純方法，并能基于現(xiàn)實需求對物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行改造和優(yōu)化，體會科學研究的一般流程。

（3）通過純金屬與合金性質(zhì)的差異及系列新材料的發(fā)明與應用，進一步認識到物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)，體會化學學科在豐富人類物質(zhì)世界方面的巨大貢獻。

（4）通過化學學科在不同領(lǐng)域的發(fā)展，認識到化學學科的核心任務是在分子層面認識物質(zhì)、改造物質(zhì)與創(chuàng)造物質(zhì)，通過化學學科在不同領(lǐng)域的貢獻，感受化學學科的價值與魅力，激發(fā)學習動機和志向。

五、教學流程

1. 板塊1 化學讓人類戰(zhàn)勝饑餓

（1）學習任務1：工業(yè)合成氨的提出。

［資料卡片］化學學科的發(fā)展為人類生存作出了巨大貢獻?！凹Z食問題”一直與民生密切相關(guān)，隨著世界人口激增，如何實現(xiàn)糧食增產(chǎn)是科學家關(guān)注的熱點問題。氮元素是植物生長的必要元素，雖然空氣中氮氣含量豐富，但大多數(shù)植物只能吸收化合態(tài)的氮。依靠農(nóng)家肥已經(jīng)難以滿足糧食增長的需求。1898年，英國化學家威廉·克魯克斯率先發(fā)出為使子孫后代免于饑餓“利用空氣中的氮氣分子（N2）”的號召。

［教師］討論如何基于化學視角實現(xiàn)“利用空氣中的氮氣分子（N2）”？

［學生］化學反應可以實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，因此可以通過化學反應將氮氣轉(zhuǎn)化為含氮化合物。

［教師］請基于元素守恒的視角，設計合適的反應制備含氮化合物。

［學生］交流討論，并考慮反應物是否易得、反應條件是否困難等，最終確定了反應Ⅰ：N2＋3H22NH3和反應Ⅱ：N2＋O22NO（基于學生的認知水平，對于反應條件及產(chǎn)物是NO還是NO2不作刻意要求）。

（2）學習任務2：工業(yè)合成氨的實現(xiàn)。

［教師］上述兩個反應都可以實現(xiàn)由氮氣到含氮化合物的轉(zhuǎn)化，其中反應Ⅰ每生成17g NH3，會釋放46.1kJ的能量，反應Ⅱ每生成30g NO會吸收90.3kJ的能量，從能量變化的角度應如何選擇反應？

［學生］應選擇放出能量的反應Ⅰ，因為耗能少，放出的能量還可以留作它用。

［教師］反應Ⅰ在工業(yè)上稱為合成氨的反應，對人類社會的影響極為深遠。以合成氨為基礎(chǔ)的化肥工業(yè)對糧食增產(chǎn)的貢獻率占50%左右，使人類免受饑餓之苦。

要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化，還需考慮哪些問題？

［學生］原料來源、原料利用、能量利用、氨氣生產(chǎn)效率等。

［師生互動］根據(jù)學生提出的上述四個方面，依次討論合成氨的工業(yè)化。原料來源方面，學生提出可通過液化空氣的方法獲取氮氣，氫氣可通過電解水或制備水煤氣的反應獲得；原料利用方面，學生雖然沒有可逆反應的概念，但從原料能否充分反應的角度提出未充分反應的氮氣和氫氣可以循環(huán)利用；能量利用方面，學生提出合成氨放出的能量可用于電解水或水煤氣反應；氨氣生產(chǎn)效率方面，學生提出應盡可能加快合成氨的速率，可通過提高反應溫度、增大氮氣和氫氣的壓強、使用高效催化劑等，提高氨氣單位時間的產(chǎn)量。

［教師］大家非常全面地討論了實際工業(yè)生產(chǎn)要考慮的問題，特別是在反應速率方面，如果沒有催化劑，即使采用高溫、高壓的條件，生成氨氣的速率也很慢，從微觀反應實質(zhì)的角度討論合成氨存在困難的原因。

［學生］化學反應的實質(zhì)是分子拆分，原子重新組合，合成氨反應的速率很慢，可能與氮氣分子或者氫氣分子中原子間相互作用力很大有關(guān)，“拆開”分子很困難。

［教師］如何表征分子“拆分”的難易？如何理解合成氨反應不加催化劑速率很慢？

［資料卡片］原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的，原子核帶正電，核外電子帶負電，正是由于原子核和核外電子之間存在電性作用，使得原子在形成分子的過程中釋放出能量，分子變得更穩(wěn)定，可通過短線來表示分子中原子間的相互作用。N2和H2的結(jié)構(gòu)如圖1所示，將一個N2分子拆成兩個N原子消耗的能量約為將一個H2分子拆成兩個H原子消耗能量的2.27倍。

［學生］從結(jié)構(gòu)的角度看，合成氨速率慢的根本原因在于N2比H2的原子間相互作用力強，發(fā)生化學反應時消耗的能量更多，加入催化劑能加快反應速率，可能是催化劑可以在一定程度上削弱N原子之間的相互作用力。

［教師］綜合考慮原料來源、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品產(chǎn)量等因素，設計合成氨工藝流程。已知，合成氨工藝的反應壓力一般在1×107Pa以上，此壓力下氨氣的沸點高于121℃，催化劑適宜的催化溫度在400～500℃左右。

［學生活動］討論并改進，最終確定工藝流程（見圖2）。

（3）學習任務3：工業(yè)合成氨的展望。

［教師活動］介紹合成氨三次獲得諾貝爾獎的歷史事件，追問未來合成氨的研究方向。

［學生活動］已有工藝流程的缺點在于能耗大，反應條件苛刻，提出能否開發(fā)常溫、常壓就能發(fā)揮高性能的催化劑；也有學生創(chuàng)造性地提出直接改變研究思路，尋找其他條件（溫和、能耗低）的合成氨方法。

［設計意圖］通過整合“物質(zhì)變化與能量變化”“反應與調(diào)控”“結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”等化學研究的核心內(nèi)容，讓學生感悟化學學科的特點與價值。

2. 板塊2 化學讓人類戰(zhàn)勝疾病

（1）學習任務1：青蒿素的實驗室提取。

［資料卡片］受古籍中“青蒿一握，以水兩升漬，絞取汁，盡服之”的啟發(fā)，屠呦呦團隊改用乙醚（一種有機溶劑）在較低溫度下提取青蒿的有效成分，成功獲得了抗瘧有效單體——青蒿素。團隊完成樣品純化后，通過元素分析、光譜測定、質(zhì)譜及旋光分析等技術(shù)手段，測定其相對分子質(zhì)量為282，得到了青蒿素的化學式，并在1975年通過X射線衍射法確定了青蒿素是含有過氧基的新型倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，從1978年到1984年歷時5年實現(xiàn)了青蒿素的人工合成。［6］

［教師］根據(jù)資料，談談屠呦呦團隊相比于傳統(tǒng)提取青蒿素方法的創(chuàng)新之處。

［學生］傳統(tǒng)中藥提取一般是在高溫條件下水煎。從青蒿素的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，其含有過氧基，受熱不穩(wěn)定，因此在高溫條件下破壞了其結(jié)構(gòu)。青蒿素是一種有機物，在水中的溶解度可能比較小，因此提取的有效成分少，抗瘧效果差。而屠呦呦團隊采用乙醚在低溫條件下提取，既避免了其結(jié)構(gòu)被破壞又能增大青蒿素的溶解度（相似相溶）。

［教師］大家結(jié)合青蒿素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析了屠呦呦團隊的創(chuàng)新之處，這種利用乙醚溶劑來富集青蒿素的方法在化學上稱為萃取。這種物質(zhì)分離提純的方法在生活中也很常見，比如家里做西紅柿蛋花湯時，我們會發(fā)現(xiàn)上層的油層顏色更深，原因是什么？能否舉出類似萃取的例子？

［學生］西紅柿中的色素在油中的溶解度比水中大，大部分色素被富集到油層。家里泡藥酒也可以看成萃取，藥材中的一些成分在酒精中的溶解度比水中大。

［教師］結(jié)合物質(zhì)分離提純的方法，設計從黃花蒿全草中獲得青蒿素晶體的方案，并用框圖表示。已知，25℃時，青蒿素在水、乙醚和乙醇中的溶解度分別為0.07mg、26.5mg和32.2mg，且青蒿素在乙醇中的溶解度隨溫度升高顯著升高，常壓下乙醚、乙醇的沸點分別為35℃、78℃。

［學生活動］討論、設計方案，并結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)重點研討流程中蒸餾、結(jié)晶等操作的注意事項（見圖3）。

（2）學習任務2：青蒿素結(jié)構(gòu)與改性。

［教師］科學家在青蒿素的臨床研究中發(fā)現(xiàn)，由于青蒿素的水溶性較差，一定程度上限制了其抗瘧效果，分析青蒿素水溶性差的原因。

［學生］青蒿素是有機物，根據(jù)“相似相溶”原理可知其水溶性差。

［教師］乙醇也是有機物，為什么極易溶于水？如何從微粒間相互作用的角度理解“相似相溶”？

［資料卡片］由于水分子中氧原子的核電荷數(shù)更多，所以氫的電子在一定程度上也會偏向氧，使得水分子中氫帶部分正電荷，氧帶部分負電荷，從而使水分子之間存在一定程度的電性作用，同樣乙醇中也存在“—OH”結(jié)構(gòu)，乙醇分子與水分子之間也存在電性作用，相當于乙醇被“拉”入水中，增大了乙醇在水中的溶解度。

［教師］如何從結(jié)構(gòu)的角度提高青蒿素的水溶性？

［學生］可以改變青蒿素的結(jié)構(gòu)，比如通過化學反應讓青蒿素分子上多幾個“—OH”結(jié)構(gòu)，但是要重新測試新分子的抗瘧效果，結(jié)構(gòu)改變有可能導致抗瘧效果發(fā)生變化。

［教師］大家的想法與屠呦呦團隊不謀而合，在一定條件下通過硼氫化鈉將青蒿素選擇性地還原成雙氫青蒿素［7］（見圖4），大大增強了藥物的水溶性，經(jīng)測試，其抗瘧效果更好。

［教師］通過上述科學家對青蒿素的研究歷程，簡要梳理化學家進行科學研究的思路和方法。

［學生活動］交流討論，繪制科學研究的歷程示意圖（見圖5）。

（3）學習任務3：青蒿素緩釋藥物的設計。

［教師］為進一步提高雙氫青蒿素的生物利用度，延長其在胃部的作用時間，在不改變分子結(jié)構(gòu)的前提下你能想到哪些方法？

［資料卡片］常見的“水寶寶”是一種膠丸大小的彩色小珠子，屬于吸水性樹脂，一般是用淀粉混合丙烯腈或丙烯酸酯制成的，放在水里浸泡后，很快變大。

［學生］可以設計藥物載體，利用類似“水寶寶”的特殊材料將藥物包裝在其中，服用藥物后材料吸水膨脹，進而把藥物一點點推出，藥物推出的量和作用時間可通過釋放藥物的孔徑大小來控制。

［教師活動］展示常見緩釋藥物包裝材料的設計，肯定學生想法，進一步贊賞化學材料在人類生活中的重要價值。

［設計意圖］呈現(xiàn)真實的化學科學及科學家的研究樣態(tài)，贊揚我國科學家為人類生存作出的巨大貢獻。

3. 板塊3 化學讓人類生活更精彩

（1）學習任務1：金屬的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)。

［教師］化學材料不僅在藥物研發(fā)領(lǐng)域價值巨大，在社會的各個領(lǐng)域都可以發(fā)現(xiàn)性能各異的化學材料讓生活更精彩。如制造飛機的材料中，金屬鋁占比很大，為什么會選擇鋁作為飛機的主要結(jié)構(gòu)材料？

［學生］金屬鋁密度小、延展性好、耐腐蝕、易加工且價格便宜。

［教師］金屬鋁是一種活潑金屬，易被酸、堿等腐蝕，另外金屬鋁質(zhì)地很軟，能作飛機結(jié)構(gòu)材料嗎？

［學生］鋁在空氣中和氧氣反應生成致密的氧化膜，可以阻止鋁進一步被腐蝕。

［教師］致密氧化膜的生成確實是鋁耐腐蝕的重要原因，但制造飛機需要硬度大、不易變形的材料，應該如何改良鋁的強度？

［學生］可以做成合金，初中學過合金的強度優(yōu)于成分金屬。

（2）學習任務2：純鋁與鋁合金的性能差異。

［教師］為什么鋁合金的強度會比純金屬鋁更大？

［資料卡片］純金屬和合金的結(jié)構(gòu)（見圖6）。

［學生］鋁原子的大小和形狀相同，金屬內(nèi)部原子排列十分整齊，容易發(fā)生滑動變形，加入其他元素的原子后，改變了金屬原子有規(guī)則的層狀排列，使原子層之間的相對滑動變得困難，合金硬度變大。

（3）學習任務3：性能各異的新型材料。

［教師］“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”是化學學科的核心觀念，正是在這一觀念的指引下，化學家們通過改變結(jié)構(gòu)獲得了一系列滿足人類需求的新材料，豐富了人們的物質(zhì)生活。未來希望大家在化學領(lǐng)域能進一步認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系，更好地調(diào)boBOo+hhll4YEusg0rmMvnsXdtsw9Wqdp5EQYBXoKYY=控結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出更為優(yōu)異的新材料。

［設計意圖］通過對熟悉的金屬材料和各類新型材料的認識與探究，進一步發(fā)展“構(gòu)性相關(guān)”的觀念，體會化學在豐富人類物質(zhì)生活上的價值。

六、教學反思

夸美紐斯提出，一切知識可以教給一切人，這明確了學科的基本結(jié)構(gòu)可通過選擇合適的教學策略向不同階段學生傳授，關(guān)鍵是如何“高品位、低門檻”傳達。所謂“高品位”就是要體現(xiàn)學科的內(nèi)涵，“低門檻”就是基于學生的認知水平做鋪設［8］，兩者結(jié)合要求教學既要通俗易懂又要在學科邏輯上無可挑剔。本節(jié)課緊緊圍繞化學學科的核心觀念“結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“反應與制備”“實驗與操作”等展開教學，雖然隱含了一些陌生概念和前沿技術(shù)，如化學鍵、氫鍵、活化能、青蒿素改性、金屬改性等，但教學中并不專門細微剖析這些內(nèi)容，而是通過大概念“微粒間相互作用”“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”進行統(tǒng)攝，把握概念的進階水平，使得課堂教學順利推進。此外，針對抽象概念或前沿知識如“萃取”“吸水樹脂材料”等也不是直接呈現(xiàn)資料信息，而是借助生活中的“西紅柿湯”“水寶寶”等類比，使學生能夠通過形象具體的類比來感知和理解這些概念。課下和部分學生交流，有學生提到“原來化學也是可以解釋、預測和調(diào)控的，并不是只有記記背背”，說明本次教學確實改變了學生認為化學規(guī)律性差、只是記記背背的片面認識。

本節(jié)課教學中也存在一些值得改進的地方。由于內(nèi)容多時間緊，一些實踐性內(nèi)容在課堂上沒有進行，如萃取實驗、鋁與鋁合金性質(zhì)差異實驗等。如果能讓學生真實體驗，效果更佳。此外，在未來的實踐中可以進一步擴大該課例的應用面，除了作為拔尖創(chuàng)新人才選拔的導引課，還可以結(jié)合學校實際，配合實驗操作改造成初中化學系列校本課程、高中化學開學第一課、化學競賽教學的導引課等。

參考文獻

［1］朱永新，褚宏啟.發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才研究［J］.寧波大學學報（教育科學版），2021（6）：2-7，1．

［2］朱華偉.拔尖創(chuàng)新人才早期發(fā)現(xiàn)和選拔培養(yǎng)機制探索［J］.創(chuàng)新人才教育，2022（4）：39-43．

［3］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［4］王晶，鄭長龍.普通高中教科書 化學 必修 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019．

［5］王磊，陳光巨.普通高中教科書 化學 必修 第一冊［M］.濟南：山東科學技術(shù)出版社，2019：2-4．

［6］屠呦呦.諾貝爾獎演講全文（青蒿素—中醫(yī)藥給世界的一份禮物）［J］.中國中醫(yī)藥年鑒，2016：244-247．

［7］龍威，黃銀飛.密度泛函方法研究雙氫青蒿素的分子光譜與藥物活性［J］.首都師范大學學報（自然科學版），2017（1）：39-48.

［8］鄭胤飛.文化有根，課堂有魂——鄭胤飛化學教學設計集［M］.上海：上海教育出版社，2017．

*基金項目：本文系全國教育科學規(guī)劃教育部重點課題“導向深度學習的知識結(jié)構(gòu)化循證課例及行動路徑研究”（DHA220503）、廈門市第六批基礎(chǔ)教育課程改革課題“基于化學學科理解的課堂教學模式構(gòu)建與實施研究”（Z619）的階段性研究成果。