培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科科學(xué)探究核心素養(yǎng)的路徑與實踐

摘要：在高中化學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)結(jié)合《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的要求，形成科學(xué)探究素養(yǎng)發(fā)展路徑，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，從創(chuàng)設(shè)真實情境，展現(xiàn)學(xué)生概念理解，發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；依據(jù)問題的假設(shè)出發(fā)，開展科學(xué)探究，獲取證據(jù)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神；合作交流，證據(jù)推理，深化概念理解，形成模型認(rèn)知；實踐應(yīng)用，訓(xùn)練高階思維，形成結(jié)構(gòu)化認(rèn)識，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等科學(xué)探究核心素養(yǎng)入手，探討培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究核心素養(yǎng)的實踐策略。關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；核心素養(yǎng)；高中化學(xué)；元素周期律《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下通稱“新課標(biāo)”）提出了“科學(xué)探究”的化學(xué)核心素養(yǎng)，具體要求是：能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能從問題的假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學(xué)實驗、調(diào)查等方法進行實驗探究。新課標(biāo)指出，科學(xué)探究有四要素，分別是“問題”“證據(jù)”“建模”“交流”?？茖W(xué)探究是指基于問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出模型認(rèn)知，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力。一、結(jié)合新課標(biāo)要求，形成發(fā)展路徑，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)筆者在教學(xué)實踐中整合新課標(biāo)對科學(xué)探究活動以及科學(xué)探究素養(yǎng)的論述，提出并踐行化學(xué)學(xué)科科學(xué)探究核心素養(yǎng)發(fā)展的路徑（見上頁圖1）。學(xué)生的科學(xué)探究核心素養(yǎng)是在包含上頁圖1中四個要素的科學(xué)探究活動中得到發(fā)展與診斷。合作交流與高階思維這個要素是從社會和認(rèn)知層面回應(yīng)科學(xué)探究核心素養(yǎng)發(fā)展過程中的科學(xué)思維、創(chuàng)新精神、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任，以及積極向上的科學(xué)精神。元素周期律是人教版高中化學(xué)教材必修第一冊第四章第二節(jié)的內(nèi)容，是對元素性質(zhì)呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律的揭示，是高中化學(xué)學(xué)習(xí)中重要而又基礎(chǔ)的核心概念，它對學(xué)生的元素性質(zhì)觀、原子結(jié)構(gòu)觀及周期性變化的認(rèn)識方式可以起到核心聯(lián)結(jié)和整合的作用。學(xué)生通過學(xué)習(xí)元素周期律，能加深對元素化合物性質(zhì)的理解與記憶，并將知識體系中零散、繁多的元素知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化，為后續(xù)物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)提供指導(dǎo)。課前，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了對比、分析、歸納等邏輯方法并能簡單應(yīng)用，也具備一定的實驗?zāi)芰?，但是本?jié)課知識容量大，對學(xué)生的應(yīng)用、分析、綜合、評價等能力要求較高。因此，根據(jù)新課標(biāo)中對元素周期律內(nèi)容與學(xué)業(yè)的要求，本課時學(xué)習(xí)目標(biāo)可設(shè)計如下：1.通過“數(shù)（據(jù)）、（圖）形”轉(zhuǎn)化認(rèn)識到原子核外電子排布、原子半徑和主要化合價隨著原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性的變化；以第三周期元素為代表，認(rèn)識到同周期元素的金屬性、非金屬性等隨元素原子序數(shù)遞增而呈周期性變化的規(guī)律，建構(gòu)元素周期律。2.通過探究第三周期元素性質(zhì)遞變，引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)的探究思路，掌握科學(xué)的探究方法，感受證據(jù)推理的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究核心素養(yǎng)。3.通過系列實驗探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的實驗觀察能力、設(shè)計能力、操作能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。那么，如何在“元素周期律”的教學(xué)中，既能達成上述學(xué)習(xí)目標(biāo)，又能落實科學(xué)探究素養(yǎng)呢？二、創(chuàng)設(shè)真實情境，展現(xiàn)已有認(rèn)知，生成高質(zhì)量問題學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展是建立在知識生長基礎(chǔ)上的。問題生成的質(zhì)量直接決定學(xué)生在課堂展現(xiàn)已有概念認(rèn)識。概念理解、形成概念結(jié)構(gòu)化認(rèn)識與模型認(rèn)知水平，影響學(xué)生高階思維訓(xùn)練的程度，以及問題解決的質(zhì)量。圖2是筆者由上頁圖1的科學(xué)探究核心素養(yǎng)發(fā)展路徑演繹出來的發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究核心素養(yǎng)的科學(xué)探究活動教學(xué)環(huán)節(jié)圖。由圖2可知，基于科學(xué)探究核心素養(yǎng)發(fā)展的科學(xué)探究活動，包含課堂上學(xué)生知識生長的三個過程：展現(xiàn)已有概念認(rèn)識、深化概念理解、新概念結(jié)構(gòu)化認(rèn)識與模型認(rèn)知。為生成高質(zhì)量的問題，筆者以元素周期律的發(fā)現(xiàn)史話為真實情境，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情基礎(chǔ)上，促進學(xué)生展現(xiàn)已有概念認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題。（一）科學(xué)史話，創(chuàng)設(shè)真實情境材料一：1875年，法國化學(xué)家布瓦博德朗在閃鋅礦中發(fā)現(xiàn)了新元素并命名為“鎵”，他測得鎵密度為4.7g/cm3。門捷列夫在得知這一發(fā)現(xiàn)后指出鎵正是他預(yù)言的“類鋁”，但他認(rèn)為鎵密度應(yīng)該是5.9g/cm3～6.0g/cm3，并致信布瓦博德朗。當(dāng)時布瓦博德朗認(rèn)為只有他本人才擁有鎵，門捷列夫怎么會知道這種金屬密度呢？他重新提純了鎵，最后測得鎵密度果然是5.94g/cm3，他大為驚訝，在自己的一篇論文中寫道：“我認(rèn)為沒有必要再來說明門捷列夫這一理論的巨大意義了?！辈牧隙赫故鹃T捷列夫按照相對原子質(zhì)量由小到大進行排列時，在鈣元素與鈦元素之間留下的空位周期表。門捷列夫?qū)⑵漕A(yù)言為“類硼”，其相對原子質(zhì)量應(yīng)該是45左右，并給出該元素部分物理、化學(xué)性質(zhì)。1879年，瑞典化學(xué)家尼爾森發(fā)現(xiàn)了該元素并將它命名為“鈧”，該元素相對原子質(zhì)量，單質(zhì)的密度、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)與門捷列夫的預(yù)言相符。門捷列夫還成功預(yù)言鍺（“類硅”）元素的存在及性質(zhì)?！締栴}1】門捷列夫預(yù)言這些元素的存在與性質(zhì)，依據(jù)是什么？【問題2】布瓦博德朗支持門捷列夫的元素周期律理論，認(rèn)為鎵元素應(yīng)該位于同族元素鋁的下面，你認(rèn)為他還需要提供哪些證據(jù)？【設(shè)計意圖】問題1利用科學(xué)史話“門捷列夫的預(yù)言”創(chuàng)設(shè)真實情境，讓學(xué)生感受到科學(xué)家求真、質(zhì)疑、開拓創(chuàng)新的科學(xué)精神，明確元素周期律的功能和價值，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情；問題2考查學(xué)生的演繹思維，要求學(xué)生模仿科學(xué)家的思維方式，根據(jù)同族元素的相似性和遞變性，尋找鎵與鋁相似的性質(zhì)，為學(xué)生探究物質(zhì)的性質(zhì)提供了方法導(dǎo)引。（二）數(shù)圖轉(zhuǎn)換，尋找規(guī)律，生成問題【任務(wù)1】請認(rèn)真閱讀教材中表4和表5的信息，在學(xué)案上繪制短周期元素原子的最外層電子數(shù)、原子半徑、主要化合價（最高正價與最低負(fù)價）隨原子序數(shù)變化的三張圖，并尋找變化規(guī)律。學(xué)生通過討論活動，繪制以下三張圖（見圖3、圖4、圖5）?！救蝿?wù)2】完成教材思考與討論欄目內(nèi)容?！締栴}1】主族元素（O、F除外）最高正價與族序數(shù)關(guān)系如何？最低化合價怎樣確定？【問題2】為何O、F沒有像第三周期的S和Cl那樣的最高正價？【設(shè)計意圖】通過繪制二維坐標(biāo)圖象，學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)元素的原子核外電子排布、原子半徑和主要化合價都隨著原子序數(shù)的遞增呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律，生成了本節(jié)課有探究價值的高質(zhì)量問題“探究第三周期元素性質(zhì)的變化規(guī)律”，同時幫助學(xué)生初步建立“位—構(gòu)—性”的思維模型。三、開展科學(xué)探究，進行證據(jù)推理，培養(yǎng)創(chuàng)新精神開展科學(xué)探究活動的目的不只是問題解決，更重要的是發(fā)展科學(xué)探究核心素養(yǎng)。因此，探究第三周期元素性質(zhì)的變化規(guī)律，教師需結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展情況，由學(xué)生做出猜想，明確實驗?zāi)康呐c實驗原理，開展實驗，獲取證據(jù)及查閱相關(guān)資料，并進行證據(jù)推理，進而形成同周期元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，發(fā)展創(chuàng)新意識和證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。具體設(shè)計如下：【任務(wù)1】預(yù)測和探究Na、Mg、Al的金屬性強弱?！締栴}1】結(jié)合原子核外電子排布規(guī)律，預(yù)測Na、Mg、Al的金屬性強弱?！締栴}2】比較元素金屬性強弱的實驗方法有哪些？【任務(wù)2】設(shè)計實驗探究Na、Mg、Al的金屬性強弱?！緦W(xué)生活動】學(xué)生按照實驗方案科學(xué)性、簡約性、可操作性以及需要控制的變量等角度設(shè)計方案，進行下列分組實驗?！緦W(xué)生實驗】（1）將除去氧化膜的Mg條、Al片分別投入2mL稀鹽酸中，觀察現(xiàn)象。（2）將除去氧化膜的Mg條、Al片分別投入2mol/L的NaOH溶液中，觀察現(xiàn)象。（3）向3毫升1mol/L的AlCl3溶液中滴加氨水，直到不再產(chǎn)生白色沉淀為止，將沉淀分裝在兩支試管中，分別滴加NaOH溶液和鹽酸，觀察現(xiàn)象。（4）用MgCl2溶液代替AlCl3溶液做上述實驗。（5）觀察現(xiàn)象，并進行比較。【問題1】比較NaOH、Mg（OH）2、Al（OH）3堿性強弱，什么叫“兩性氫氧化物”？【問題2】根據(jù)以上實驗結(jié)果，比較Na、Mg、Al的金屬性強弱?！締栴}3】從Na、Mg、Al這三種金屬原子的電子層結(jié)構(gòu)變化中解釋它們金屬性的遞變?！驹O(shè)計意圖】實證Na、Mg、Al元素金屬性的遞變規(guī)律，再用原子結(jié)構(gòu)解釋性質(zhì)遞變規(guī)律，增進學(xué)生對結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的本原性認(rèn)識，促進學(xué)生證據(jù)推理和創(chuàng)新精神的發(fā)展?！救蝿?wù)3】預(yù)測和探究Si、P、S、Cl非金屬性強弱?！締栴}1】結(jié)合原子核外電子排布規(guī)律，預(yù)測Si、P、S、Cl非金屬性強弱?！緦W(xué)生活動】學(xué)生閱教材中的“信息獲?。?）”——非金屬元素Si、P、S、Cl最高價含氧酸的酸性強弱比較表，發(fā)現(xiàn)元素非金屬性強弱遞變規(guī)律?！驹O(shè)計意圖】進一步收集證據(jù)，發(fā)現(xiàn)非金屬元素最高價氧化物對應(yīng)的水化物酸性的強弱，發(fā)現(xiàn)元素非金屬性的強弱遞變規(guī)律，引發(fā)學(xué)生進一步探究硅的性質(zhì)?！救蝿?wù)4】探究硅的金屬性與非金屬性?！具^渡】還有其他比較非金屬性強弱的方法嗎？你有哪些事實證據(jù)？【問題1】Al雖然是金屬，但是已經(jīng)表現(xiàn)出一定的非金屬性，而Si和Al是緊緊相近的元素，那么，Si又會表現(xiàn)出怎樣的性質(zhì)呢？有兩性嗎？【學(xué)生活動】教師展示Si固體單質(zhì)，并敲下一小塊Si，讓學(xué)生說一說Si的特征，如顏色，質(zhì)地，熔、沸點，導(dǎo)電能力，生活中用作半導(dǎo)體材料，常溫下性質(zhì)穩(wěn)定，等等?！締栴}2】從物理性質(zhì)看，Si是一種典型的非金屬嗎？Si單質(zhì)具有兩性嗎？【猜想】能否通過與HCl、NaOH溶液反應(yīng)去證明Si是否具有兩性？【實驗】取少量Si粉分別與水、2mol/L的HCl、2mol/L的NaOH作用，發(fā)現(xiàn)Si只與NaOH加熱后有氣泡，點燃?xì)怏w有爆鳴聲，說明是H2?！締栴}3】Si與NaOH溶液反應(yīng)與Al相似，Si的金屬性比Al強還是弱？【問題4】怎樣證明H2SiO3的酸性比H3PO4弱？請設(shè)計實驗證明?！緦嶒灐咳∩倭縎i與NaOH溶液反應(yīng)后的溶液于試管中，加H3PO4（磷酸），用激光筆照射可觀察到丁達爾現(xiàn)象，靜置后得到沉淀，該沉淀可溶于NaOH溶液?！驹O(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)展示了Si單質(zhì)的實物，提供了教材中沒有的Si單質(zhì)物理性質(zhì)等信息資料，豐富了學(xué)生的觀察和思考視角，豐富了證據(jù)。學(xué)生從Si的物理性質(zhì)可以初步推測它不是典型的金屬，也不是典型的非金屬，猜測Si可能具有兩性；根據(jù)Al、Si在周期表中的位置關(guān)系和提供的信息材料，引發(fā)學(xué)生分析、思考相關(guān)的問題，再通過相應(yīng)的實驗探究活動，尋找Al、Si元素性質(zhì)的相似性和遞變性的證據(jù)，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)，訓(xùn)練學(xué)生質(zhì)疑、猜想、設(shè)計等高階思維?！救蝿?wù)5】探究S和Cl的非金屬性強弱?！締栴}1】除了比較H2SO4與HClO4的酸性外，還有其他方法證明Cl的非金屬性比S強嗎？請設(shè)計實驗證明?！緦W(xué)生回答】可通過非金屬單質(zhì)之間能否發(fā)生置換反應(yīng)的實驗來證明?！痉纸M實驗】在少量新制氯水中滴加H2S溶液，發(fā)現(xiàn)有乳白色渾濁出現(xiàn)?！締栴}2】課后自己查閱資料：還有什么能證明P、S、Cl非金屬性強弱？【設(shè)計意圖】通過開展教材中沒有的實驗探究，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)S、Cl的非金屬強弱，證實同周期元素從左到右非金屬性的遞變規(guī)律；課后，讓學(xué)生查閱資料，拓寬學(xué)生視野，豐富元素非金屬性強弱的比較方式，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理能力與培養(yǎng)創(chuàng)新精神。四、多元合作交流，發(fā)展高階思維，逐步形成模型認(rèn)知開展科學(xué)探究，獲取證據(jù)之后，在形成第三周期元素周期律初步結(jié)論前，教師還需要引導(dǎo)學(xué)生開展合作交流，要求她們按照“猜想假設(shè)、實驗方案設(shè)計、證據(jù)收集”的順序撰寫科學(xué)探究報告。教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生不僅要寫出獲得的正確結(jié)論，還需應(yīng)用分析、綜合、比較、反思、論證、思辨、創(chuàng)新等高階思維活動，逐一對實驗獲得的宏觀辨識進行科學(xué)解釋，挖掘證據(jù)的邏輯本質(zhì)，實現(xiàn)對高階思維的訓(xùn)練，逐步形成模型認(rèn)知。例如，在探究元素周期律教學(xué)中，學(xué)生獲得第三周期元素性質(zhì)遞變的實驗證據(jù)后，教師可繼續(xù)生成如下問題并引導(dǎo)學(xué)開展合作交流和證據(jù)推理，逐步形成模型認(rèn)知?！締栴}1】結(jié)合上述探究，請你總結(jié)第三周期元素的金屬性、非金屬性遞變規(guī)律，并從原子結(jié)構(gòu)角度與原子得失電子能力角度解釋原因?！締栴}2】如果研究其他同周期元素性質(zhì)，會有怎樣的結(jié)論？【問題3】什么叫元素周期律？元素性質(zhì)呈周期性變化的本質(zhì)原因是什么？【設(shè)計意圖】依據(jù)上面科學(xué)探究活動所獲得的證據(jù)和其他事實材料，歸納總結(jié)第三周期元素性質(zhì)的遞變規(guī)律，理解元素周期律的實質(zhì)，使學(xué)生的思維走向深度，同時讓學(xué)生體驗到量變引起質(zhì)變的規(guī)律。五、回歸實踐應(yīng)用，形成結(jié)構(gòu)化認(rèn)識，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任當(dāng)學(xué)生獲得新知，形成認(rèn)知模型后，教師應(yīng)給予學(xué)生知識應(yīng)用與遷移的機會，開展模型認(rèn)知活動，進一步訓(xùn)練學(xué)生高階思維，使其強化概念理解，擴展概念體系內(nèi)涵。為此，教師可以通過再創(chuàng)設(shè)實踐情境，提出問題，鞏固深化學(xué)生對于概念的理解。例如，在探究元素周期律的教學(xué)中，教師可結(jié)合相關(guān)真實情境進一步引導(dǎo)學(xué)生開展遷移應(yīng)用?！締栴}1】根據(jù)元素周期表，請比較S和Se的性質(zhì)并判斷它們非金屬性的強弱，說出有哪些事實可以驗證你的預(yù)測？【問題2】觀察門捷列夫的第二張元素周期表，請回答：（1）你認(rèn)為門捷列夫把Ag與Zn分別放在第I族與第Ⅱ族的理由是什么？（2）當(dāng)時就有人認(rèn)為，元素周期表的對角線元素有相似性（如Li與Mg、Be和Al），你能用元素周期律予以解釋嗎？（3）門捷列夫還成功預(yù)言了“類硅”元素Ge的存在，請同學(xué)們課后查閱資料分析Ge及其常見化合物的性