中学化学教学设计方案

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：例如，核酸化学的研究促成了分子生物学的诞生。化学“已成为国民经济中的重要支柱”。[7]作为科学教育的重要组成部分，化学教育从19世纪末开始进入学校教育，如今已经成为世界各国中学教育中必设的一门基础课程。处于基础教育转型发展时期，面对社会对教育越来越高的期望，分析中学化学教学的独特功能，认识化学学科的核心素养，对做好教学设计、高效完成教学任务是极其重要的。中学化学教学承担传递化学知识、

科学是人类理解世界的一种特殊方式。科学知识是人们在长期探索世界的过程中积累而成的，是对现实世界中各种现象和客观规律的系统化认识和理论化总结，是人类宝贵的文化财富。

作为一门不可或缺的基础自然科学，化学历史源远流长。自远古时代到现代，化学科学体系的形成和发展经历了漫长的过程（如图1-1所示），人类从依靠自然观察和通过生活实践积累经验（化学知识），到在实验室中建立化学实验方法，并通过独立的化学实践活动以发展化学概念、定律和理论；从原始、朴素地探寻物质本源和物质转变，到元素概念的形成、原子—分子学说的建立、元素周期律的发现；从化学科学的初步形成到“由宏观向微观、由静态向动态、由定性向定量、由分化向交叉融合”的系统科学体系发展。人类对化学科学的认识经历了一个由外及里、由表观到本质的复杂曲折过程。^[2]

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图1-1　化学科学体系的形成和发展过程

许多化学家根据化学发展史、化学研究范畴和发展趋势，为化学下了不同的定义。例如，《中国大百科全书·化学》中写道：“化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。”徐光宪院士（2008年国家最高科学技术奖获得者）说：“化学是研究原子、分子、生物大分子和超分子及其凝聚态的组成、结构、性质、化学反应及其规律和应用的科学。”^[3]

作为物质科学的重要组成部分，化学的独特科学价值已被世人公认。化学不断创新知识。例如，1797年化学家确认晶态的碳单质只有金刚石和石墨，到1985年发现了富勒烯（C60），1991年又增添了富勒烯的新成员——碳纳米管；化学家发现了准晶体、超临界水，还实现了对化学反应从大量分子统计行为的研究到单分子操作等，都是很好的例证。

据科学家估计，由几十种常见元素组成的化合物的种类可能达到1014数量级的水平，而目前已知化合物的数目却尚未超过107数量级。

化学研究不仅着力于发现物质，而且致力于创造物质。人们不仅能根据需要从自然界中提取物质，而且能合成自然界中已有的单质和化合物，甚至设计具有特殊性质或功能的新分子，创造自然界中不存在的新分子。例如，20世纪70年代以中国中医科学院药理学家屠呦呦为首的科学工作者，从青蒿中发现并提取了抗疟疾的有效成分青蒿素（C15H22O5，结构如图1-2所示），并在此基础上开发了高效、速效、低毒、无抗药性的青蒿素类抗疟疾药物，我国第一个被国际公认的独创新药“在全球挽救了数百万人的生命”，屠呦呦因此荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。

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图1-2　青蒿素的结构

化学合成一直被认为是化学最独特之处。美国加州理工核酸化学家杰奎琳·巴顿（Jacqueline Barton）一再强调：“化学是唯一能够制备前所未有的物质的科学。”^[4]从无生命的无机物和有机物分子到有生物活性的生物大分子，从小分子到高分子，从分子到超分子等，化学合成已无禁区。1965年诺贝尔化学奖得主、曾令人瞩目地合成了许多结构复杂的天然化合物的美国有机化学家罗伯特·伯恩斯·伍德沃德（Robert Burns Woodward）说道：“在上帝创造的自然界的旁边，化学家又创造了另一个世界。”

化学虽然与物理学、生物学、天文学等其他学科的视角和研究方法不尽相同，然而科学其实是相通的，是化学促进了人们对物质世界形成和发展的认识，牵动其他科学向分子层面深入发展。例如，核酸化学的研究促成了分子生物学的诞生。1959年诺贝尔生理学或医学奖得主阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）说道：“如果用化学语言来表达，大多数生命现象都可以合理解释。化学语言能够说明我们是从哪里来的，我们是什么以及我们将要到哪里去。”地球、月球和其他天体成分中化学元素分布规律的研究以及星际空间简单化合物的发现，为地球化学和宇宙化学的诞生提供了坚实的基础^[5]……在缓解人类面临的一系列问题，如能源危机、环境污染、资源匿乏和粮食供应不足等方面，化学为人们提供新视角，作出积极贡献，展现其蓬勃发展的态势。

化学还具有无可替代的技术意义。人类的生存（如衣、食、住、用、行）、社会的发展（如工农业、国防、医药等行业无不以物质为基础，人类面临的日益严重的环境问题、资源问题、能源问题、健康问题等的解决都需要化学的积极贡献）、科技的进步（如现代科技的三大支柱——材料、信息、能源均以物质为支撑），都离不开化学。通过化工技术，化学源源不断地造福于人类，并为新技术的发展提供原理、物质、方法等诸方面有力支撑。化学“已成为国民经济中的重要支柱”。^[6]

中国科学院前院长卢嘉锡先生说：“化学发展到今天，已经成为人类认识物质自然界，改造物质自然界，并从物质和自然界的相互作用中得到自由的一种极为重要的武器。”而社会的进步、科技的发展又为化学科学的继续发展提供了极其有力的理论武器和实验技术。

科学家爱因斯坦（Albert Einstein）说过：“科学对人类事务的影响有两种方式，第一种方式是大家熟知的，科学直接地，并在更大程度上间接地生产出完全改变了人类生活的工具；第二种方式是教育的性质——它作用于心灵。”英国自然科学家、教育家赫胥黎（Thomas H.Huxley）曾明确指出：“科学教育的最大特点，就是使心智直接与事实联系，并且以最完善的归纳方法来训练心智。也就是说，从对自然界的直接观察而获知的一些个别事实中得出结论。由于科学教育具有这样重要的特点，其他任何教育是无法代替它的。”^[7]作为科学教育的重要组成部分，化学教育从19世纪末开始进入学校教育，如今已经成为世界各国中学教育中必设的一门基础课程。

人类以化学课程为载体，通过学生、教师、教学资源（含教材、教学媒体等）之间多向、多层面的相互作用，有目的、有计划地使学生获得发展，这种特殊的实践活动便是化学教学。它随着化学科学以及社会的发展而发展。处于基础教育转型发展时期，面对社会对教育越来越高的期望，分析中学化学教学的独特功能，认识化学学科的核心素养，对做好教学设计、高效完成教学任务是极其重要的。

化学是人类在与自然从较量到追求和谐共处的全部历史进程中的精神和精华的一种积淀，是人类文化的重要组成部分。中学化学教学承担传递化学知识、丰富人类文化、延续人类精神的重任。回顾化学科学艰难曲折的发展历程，每个进步都是人们在先进世界观和方法论指导下，用正确的思维方法和特有的行为方式，通过艰辛探究获取的成果，处处闪现人类的智慧和创造力，诉说着化学独有的育人价值。作为一门以实验为基础、以识别分子和创造分子为特征的学科，化学在培养学生的创新精神和实践能力、提升学生的科学素养方面具有独到的优势和“用武之地”。化学以与人类社会生活紧密相关的物质为主要研究对象，化学教学便于引导学生关注人类面临的与化学相关的种种社会问题，从而培养社会责任感、参与意识和决策能力……可见，中学化学教学必然承载另一个重任：以化学独有的视角培养学生对待物质世界独特而又通达的态度、观念和思想方法，促进学生科学素养和人文素养的提升，实现全面而多样化健康发展，为学生的终身发展打好重要基础。上海市教育委员会教学研究室在“中学化学学科育人价值研究报告”中提出的“中学化学学科育人价值框架”如图1-3所示：^[8]

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图1-3　中学化学学科的育人价值框架结构

当今社会，科学技术已经渗透到社会生活的方方面面，许多重大问题需要借助科学、汇集全球的聪明才智来解决，加强科学教育已经成为世界各国的共同需要。美国为了进一步提高国家科学教育水平，继1996年初推出其国家历史上第一部《国家科学教育标准》后，又于2013年推出了《下一代科学教育标准》，富有创意地确定了科学教育的三个维度——学科核心思想、跨学科概念以及科学与工程实践。随着科学教育的深入发展，化学教学的任务必将被赋予更加丰富的内涵和更高的要求。

我国在初中、高中两个学段设置中学化学课程，于九至十二年级四个年段分为连续的、不断深化的三个阶段：第一阶段是共同的启蒙教育（九年级化学义务教育）；第二阶段是共性的系统学习（高中必修课程模块）；第三阶段是个性化的发展与提高（高中选修课程模块）。

仔细阅读教育部和上海市中学化学课程标准，发现初中、高中两个学段化学课程的任务是有差异的，这是因为学生的年龄、心智特点、认知能力有落差，两个学段化学教学的特点不同，对学生学习的要求也不同。初中学段（九年级）是学生学习化学的起始年段，化学教学的主要任务是进行化学学科的启蒙教育。化学的研究对象、研究方法和学生已经学过的物理学、生物学、天文学、地理学都不同。例如，大家看到的是宏观现象，化学学科探究的却是看不见的微观变化；初中化学虽然涉及的化学知识和化学物质并不很多，但很难做到像初等物理学那样依据为数不多的基本定律就可以认识并探究大量相关的物理现象，学生容易感到困惑。因此，教学的首要任务是要让学生怀着对化学的喜爱步入新的科学殿堂，同时引导他们通过学习获得最基础的化学学科能力。初中学段化学的课堂教学一般容量小，大多数教学内容形象、生动。高中学段学生已经具备初步的化学学科能力，他们的化学学习进入系统学习阶段，学习内容涉及化学学科的核心领域，凸显化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的学科特征，理论性增强，综合性明显提高。着眼于学生未来的发展，课程内容除了充分体现基础性，还体现时代性和选择性。从高一年段开始，课堂教学的容量大大增加。学生不仅需要对化学科学有持续的兴趣，而且需要提高学习能力，逐步把握以化学思维方法和实验手段等来探究问题、认识问题、解决问题，学习要求也提高了不少。为此，本书在必要之处分别对初中、高中两个学段的化学教学设计的相关内容进行阐述或提供案例说明。

我国基础教育采用班级授课制，教学班人数众多。教学班中学生之间的差异是客观存在的。然而，学校教学的基本要求是由课程标准统一规定的，教学的时空是有限的。赫胥黎说过：“科学教育并不是指应当把一切科学知识都教给每位学生。那样去设想是非常荒唐的，那种企图是非常有害的。我指的是，无论是男孩还是女孩，在离开学校之前，都应当牢固地掌握科学的一般特点，并且在所有的科学方法上多少受到一点训练。”^[9]从事化学教学的每位教师都需要研究如何尊重教学班中学生之间客观存在的差异，通过科学的教学设计和有效的教学实施，努力缩小不该有的差异，充分发展学生良好的个性特长，为每位学生的终身发展打好基础。

中学化学教学设计方案

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