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基于科学精神和社会责任的主题式教学*——以“一氧化碳的科学风险”为例

更新时间:2009-03-28

“科学精神和社会责任”是高中化学核心素养之一[1],从高中化学和初中化学作为自然科学的共同点,及学生发展核心素养的角度看,这个维度也应该是初中化学核心素养之一。其内涵主要有:具有严谨求实的科学态度,具有探索未知、崇尚真理的意识;赞赏化学对社会发展的重大贡献,具有可持续发展意识和绿色化学观念,能对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断。科学风险是指因“科学知识不确定性、科学应用反映延缓、不按科学规律办事和科学伦理失范所带来的灾害,通过采取渗透绿色理念、建构科学伦理等相关措施积极探索培养中学生科学风险认知和相应的决策能力,对于实现化学教育的价值具有重要的意义”[2],可以看出,两者在培养学生发展核心素养的总目标上是高度契合的[3],因此我们认为开展“科学风险认知与决策能力”教育是培养学生增强社会责任和应对风险能力的重要途径之一,在教学中逐渐形成的科学风险素养也是个体生存所必须具备的[4]

一氧化碳的教学是初中化学的重要内容之一,但是因教材呈现方式的限制,加之应试压力和功利导向,教学中往往存在一些不良状态:一氧化碳的产生途径认识畸形(比如不完全燃烧就是指白瓷板压在蜡烛火焰上的燃烧);一氧化碳的用途片面模糊(比如只提到用作燃料);一氧化碳与人体健康的关系有害无利(比如只讲煤气中毒)等,这些都与培养科学精神和社会责任、与增强科学风险认知和决策能力的方向背道而驰。为了更好地凸显科学风险的教育效果,我们采用了主题式教学模式[5],对教学内容进行了重组和开发,并开设了市级公开课,引发了同行的热烈讨论。

一、教学主线与流程

我们为这节课设计了三条主线,一条是“风险种类”的认知;另一条是“风险大小”评估,再有一条是“风险决策”的培养。三条线横向推进、纵向关联、全面发展。具体见图1:

  

图1 教学主线与流程示意图

二、教学设计与意图

  

环节教学内容新课导入 从定(情景)苏州市某天实时的空气质量报告(手机截图)(展示)汽车尾气引发的“光化学污染”(视频)(讨论)课本下册p108图9-21没有一氧化碳?苏州市以前也不报告,为什么现在要报呢?这些一氧化碳主要是从哪里来的呢?资料卡1对人体的影响眼花、恶心、痉挛、2~3小时内死亡头痛、眼花、恶心,1小时内死亡失去知觉,1~3分钟内死亡资料卡2 可以救命的一氧化碳量的角度重新认识一氧化碳的毒性CO的体积分数0.08%0.16%1.28%20世纪60年代人们在研究发现人体生理防御反应时会产生微量的一氧化碳。2001年底,美国的大卫·平斯基的实验表明,微量的一氧化碳对肺移植手术也大有帮助。目前也有一些医生把一氧化碳用于临床手术中,取得了一定效果。火焰可燃性烟气先在纸筒下端点纸筒上半截外表面用水润湿纸筒下半截保持干燥资料卡3纸张的成分和可能的燃烧产物质疑“纸筒实验”,科学探究“不完全燃烧”纸张含有丰富的碳氢元素,当它们燃烧时都会产生二氧化碳、水、一氧化碳、多种复杂的碳氢化合物(均可燃烧)和微小的炭黑等;严格讲,“纸烟筒”尾端冒出的烟雾,并不是简单的气体,此烟雾中含有的成分相当复杂。(阅读)资料卡1(评估)对比课本上册p45表2-3二氧化碳对人体的影响,一氧化碳对健康影响风险等级有多高?(老师指导,同学分组讨论,每组给出一个等级,在小白板上写出。风险等级从低到高依次为:低→中→较高→高,下同。)(阅读)资料卡2(讨论)对于这项科学新发现及其应用,你怎么看?一氧化碳对人体健康真的是一无是处吗?(决策)结合卡1、卡2,每组派代表汇报,老师汇总指导,形成统一的新观点。(展示)经典的“纸筒实验”(视频)(讨论)这种燃烧是不是类似教材上册p94图4-3不完全燃烧?看到火焰是否能确认是一氧化碳在燃烧?(阅读)资料卡3(评估)这种验证实验存在多大的认知风险?(评估方式同上)(展示)一氧化碳产生的数字化实验(视频)设计意图借助空气质量报告这种铺垫,话题引出自然。通过观看相关视频和小组讨论让学生意识到,一氧化碳在空气中的存在是一种实实在在的健康风险。风险意识的警觉会促动他们认真思考:人类生活方式的改进必然伴随生态的变化,主动限制机动车的使用,改用清洁能源或油电混动车是一种必然的选择!保护大气,从我做起:这不仅仅是一种口号,更是一种责任与担当!同时也为下面的学习埋下了伏笔:为什么汽车尾气中会有那么多的一氧化碳?由于《小学健康教育》、《初中生物》等科普性教育,一氧化碳早已被贴好了有害无利的标签,学生听到一氧化碳的感觉就是怕怕怕、躲躲躲。遗憾的是现行的《初中化学》教学也没有扭转这一局面:不仅课本上不讲一氧化碳含量与人体健康的关系,使得学生误认为只要空气中有一氧化碳就不行,而且教师授课时用夸张的“小白鼠被毒死”视频或“煤气中毒”事件来渲染恐怖气氛,在做有关性质实验时也极力回避课堂演示,最多只是用视频替代。试问这样的一元化认知教学能为一氧化碳正名吗?基于此,笔者从网络上收集新素材,编写了系列“资料卡”,客观真实地还原一氧化碳的含量与呈现中毒症状的关系,期望学生通过这些课本上看不到的内容的教育,理智地看待一氧化碳的毒性,明白这种毒性也是相对的,并不是绝对的!特别是建立从定量的视角认识物质性质的观点,初步树立一分为二、辩证看待客观事物的二元论思想。在启蒙化学阶段,培育初步的科学精神(尤其是质疑的品质)是化学教师义不容辞的职责,遗憾的是,“尽信书、只唯书”仍是主流现象,别人的实验或资料往往不加分析研判拿来就用。“纸筒实验”就是一个典型,常用来说明“不完全燃烧产生一氧化碳”。但是尾端冒出的烟雾只有一氧化碳吗?不完全燃烧只是这样一种情形吗?基于此我们采用双传感器的数字化实验,测定了两种情形下(参图2、图3,在图3中钟罩中先充超50%的氧气,测定到氧气还剩约20%,蜡烛仍在燃烧)一氧化碳产生量(对应的曲线见图4、图5)。图2 氧气含量逐渐不充分时 图3 氧气与蜡烛接触不充分时图4 蜡烛燃烧至熄灭时氧气、一氧化碳含量变化图5 蜡烛与氧气接触不充分时氧气、一氧化碳含量变化(讨论)如何准确地理解“不完全燃烧”?(决策)结合上述材料,每组派代表汇报,老师汇总指导,形成统一的新观点。可以看出,这两种情形都会产生一氧化碳,不完全燃烧不应被狭隘的定义。这样的科学探究能培养学生严谨求实、敢于质疑的科学精神。

  

多方位了解生活中一氧化碳的产生途径 从促进社会发展的视角再看一氧化碳的用途课堂小结(讨论)回顾刚才的空气质量报告,为什么汽车尾气中会有较多的一氧化碳呢?是否也是汽油不完全燃烧造成的呢?(展示)汽车发动机的构造(动图);汽车空调使用不当造成意外(视频)(迁移)发动机燃烧室狭小,氧气供给不充分,必然会发生不完全燃烧,产生一氧化碳。(拓展)日常生活中还有哪些情形可能会产生一氧化碳呢?(展示)香烟的标注(归纳)吸烟、厨房小火烧饭菜、使用煤炉烧水取暖、使用燃气热水器洗澡、吃火锅、烧烤……(评估)这些情形造成的生态风险有多高?(评估方式同上)(决策)如何应对呢?每组派代表汇报,老师汇总指导,形成恰当的建议。(讨论)除了用作燃料,一氧化碳还有哪些重要用途呢?(网学)各小组利用提供的电脑上网查询,交流后报告。(归纳)可以冶炼金属(如钢铁工业);利用煤炭气化产生的“水煤气”(主要成分是CO+H2)可以制得甲醇、乙二醇等重要的化工原料,甚至可以转化为天然气、液化汽油等;可以制成“燃料电池”;还可以用于某些临床手术……(配合图片、视频等)。(评估)显然这些用途需要人为地制造更多的一氧化碳,在生产中难免有一定量的泄露和排放,这种生存风险有多大呢?(评估方式同上)。(决策)如何应对呢?每组派代表汇报,老师汇总指导,形成恰当的建议。设置这一环节,主要基于以下几点考虑:1.学会迁移,学以致用。对于一氧化碳的产生,教材上只是用陈述的方式泛泛地提了一下,并没有有效的实验或生活情境,学生缺少感性认知,同时,不完全燃烧不能固化为“白瓷板压在蜡烛火焰上”这一种情形。从排放尾气的组成可知:汽油在汽车发动机燃烧室燃烧必定存在不完全燃烧。这是课本到生活的一种迁移能力,从而增强学生探索未知的意识。2.生活中处处有化学。从生活走进化学,又从化学回归生活,这是新课改的一贯要求,也是发展核心素养的一种增长途径。化学课堂不应只局限于课本内容,与生活紧密联系可以让教学更加丰满,也更能激发学生主动学习的积极性。3.唤醒自我保护的意识,增强社会责任感。通过了解生活中多种产生一氧化碳的方式,让学生切实感受到不当的生活方式可能带来的一氧化碳对环境、健康造成的生态风险,从而养成良好生活习惯和正确使用燃料的方法,合理地回避这种潜在的风险。同时这种浸润性教育也能为减少和消除不当的社会风气注入早期的正能量。一氧化碳的用途在教材中只有作燃料,其实为了适应社会发展的需求,一氧化碳扮演了更重要的角色,这些内容完全可以借助网络学习的途径实现,一方面拓展学生的视野,补充课本上学不到的知识,更深入地了解一氧化碳为提升人类生活品质、减少大气中可吸入颗粒物及二氧化硫排放量等的作用,初步形成赞赏化学为社会发展做出巨大贡献的正面观念;另一方面也是一种前学习经历,为进入高中后继续学习有机化学、电化学等知识做好铺垫和衔接。这种由应用导入认知的学习方式恰恰是目前教学比较欠缺的,对于改变“被动接受”的局面,形成“主动学习”态势是一种有效尝试。从风险教育的层面来看,这种循环递进的设计会让学生更理性地看待一氧化碳的科学风险,应对的决策更加合理,效果也会更凸显。这节课我们知道了一氧化碳的毒性是相对的,不完全燃烧是普遍存在的现象,这是追求科学精神的表现。随着汽车的普及、家用煤气量的增长、煤炭化工、钢铁冶炼等行业快速发展,人类生存空间中一氧化碳的含量必然有所增加,这是一种不可忽视的科学风险。但是我们也不必谈其色变,客观理性看待、学会自我保护、增强社会责任感,一氧化碳为社会发展做贡献的脚步就根本停不下来。冶炼金属医疗燃料电池燃料化工原料图7 CO用途图6 汽车发动机图8 课堂小结

三、教学思考与体会

科学风险的教育在国内尚处在起步阶段,而且本质上属于隐形教育范畴,因此在教学模式上要尽量避免生硬的说教,本课的教学内容不局限于现有教材,是基于主题式教学范式进行的开发和重组,比如《空气质量报告》、《资料卡》、《数字化实验》等,都是真实而鲜活的素材。通过恰当的教学设计,“让事实说话”,从而达到“润物细无声”的教学效果。在教学策略上要把握风险教育的三个维度,即认知、评估和决策不可偏颇,比如我们将风险种类细化为5个方向,评估采用打等级的形式,决策是在讨论的基础上总结生成的,并且安排了4个循环递进的小组活动。这些都体现了教学的重心向“学生的学习”倾斜的理念,让学生在生动活泼的氛围中建构新认识、新观点,在潜移默化的熏陶中提升科学精神和社会责任,在主动学习的过程中发展核心素养。特别是4种风险等级的评估,基本上符合了“高开低走”的教学预期(见表1),肯定了风险教育的效果:科学的认知、理性的看待、客观的决策会降低“无知的畏惧”和“盲从的群体性冲动”。

2)联合制动系统是目前提高重载钻机车复杂路况行驶安全的最有效办法,该系统可承担全部的低强度制动和大部分的正常制动,从而确保最大的安全性,帮助驾驶员获得较高的平均驾驶速度从而缩短转运周期。

 

表1 风险预估等级

  

风险种类风险程度健康高认知较高生态中生存中或低

当然科学风险教育是“超越学科知识”的新生事物,目前在诸多方面还存在不足,值得探讨和争鸣,特别是教学评价方面还缺乏具有共识的标准和诊断工具,希望我们的这种努力和尝试能收到“抛砖引玉”的效果。

在上述三个方程式中,c表示溶液的初始浓度,g·(100 mL)-1 H2O或g·(100 g)-1 H2O;ceq表示平衡时的浓度即溶解度,g·(100 mL)-1 H2O。由于是亚稳相晶体,其溶解度随着温度的增大而减小,19 ℃时溶解度达最大值,为0.151 8 g·(100 mL)-1 H2O,为了计算方便,将50 ℃时MgCO3·3H2O的溶解度约等于0.151 8 g·(100 mL)-1 H2O。

参考文献

[1] 王云生.基础教育阶段学科核心素养及其确定——以化学学科核心素养为例[J].福建基础教育研究,2016(2):7-9

[2] 陆军.化学教学中学生科学风险认知及其能力的培养[J].课程·教材·教法,2016(1):104

[3] 核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊,2016(10):1-2

[4] 严西平等.基于培养科学风险素养的主题式教学[J].中学化学教学参考,2017(5)

[5] 袁顶国等.论主题式教学设计的内涵、外延与特征[J].课程·教材·教法,2006(12):19

 
严西平,倪娟
《化学教与学》 2018年第05期
《化学教与学》2018年第05期文献

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