基于核心素養(yǎng)提升的課堂驅(qū)動性問題設(shè)計

惠海濤

摘 要：在物質(zhì)的量復(fù)習(xí)課中，創(chuàng)設(shè)以火箭推進劑為背景的問題情境，以物質(zhì)的量為工具探討了不同推進劑產(chǎn)生氣體的體積、放熱量及火箭有效載重等問題。通過驅(qū)動性問題鏈的設(shè)計，體驗了真實情境下用化學(xué)解決問題的方法和過程，體會了物質(zhì)的量在生活及科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和價值，提升了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；驅(qū)動性問題；物質(zhì)的量

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》于近日頒布，課程標(biāo)準(zhǔn)以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，構(gòu)建了全面發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)課程目標(biāo)體系。其中第六部分“實施建議”中指出，“真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)重視創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展”。筆者在蘇教版化學(xué)1“物質(zhì)的量”復(fù)習(xí)課一節(jié)的教學(xué)中，精心創(chuàng)設(shè)問題情境、設(shè)計課堂驅(qū)動性問題，通過問題引領(lǐng)學(xué)生思維發(fā)展，努力提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

一、教材與學(xué)情分析

“物質(zhì)的量”位于蘇教版化學(xué)1第一專題，它是定量研究化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)、科研領(lǐng)域必備的計算基礎(chǔ)。物質(zhì)的量具有微觀的粒子數(shù)和宏觀的質(zhì)量雙重意義，它像一座橋梁把單個的、肉眼看不見的微粒和可稱量的物質(zhì)的質(zhì)量聯(lián)系起來。熟練掌握物質(zhì)的量與質(zhì)量、微粒數(shù)目、氣體體積等物理量之間的關(guān)系有助于使學(xué)生建立起宏觀和微觀的聯(lián)系，也能使學(xué)生對物質(zhì)和微粒從宏觀表征、微觀表征、符號表征角度產(chǎn)生深刻的認(rèn)識。

學(xué)生剛進入高一，物質(zhì)的量這部分概念比較抽象，對他們而言有較大難度。學(xué)生掌握了一些化學(xué)基本實驗方法，初步具備了微觀想象能力，但是其科學(xué)思維方法尚未完全形成。雖然在思維上有所欠缺，但對于剛進入高中階段的學(xué)生，他們在學(xué)習(xí)上有強烈的好奇心和追求成功的愿望，所以在教學(xué)過程中，應(yīng)多創(chuàng)設(shè)問題情境，注意引導(dǎo)學(xué)生，讓他們學(xué)會解決問題的方法和思路。在物質(zhì)的量的單元復(fù)習(xí)課中，筆者通過創(chuàng)設(shè)驅(qū)動性問題情境，幫助學(xué)生形成以物質(zhì)的量為核心的計算體系，在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)上做出了有益的嘗試。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.掌握物質(zhì)的量、微粒數(shù)目、物質(zhì)的質(zhì)量、氣體體積之間的關(guān)系。

2.培養(yǎng)物質(zhì)表征、邏輯推理和運用化學(xué)知識進行計算和解決實際問題的能力。

3.通過對概念的透徹理解，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度，體會和欣賞物質(zhì)的量及其相關(guān)計算在生活中的應(yīng)用。

三、教學(xué)過程

【導(dǎo)入】近年來，我國在航空領(lǐng)域發(fā)展迅速。今天老師要和大家介紹一種物質(zhì)：肼，它被廣泛地應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，大家猜猜它可能有什么用途？

【展示】資料卡片

肼，N2H4，常溫下是一種無色油狀液體，沸點113.5℃。肼又稱聯(lián)氨，由兩個氨基結(jié)合而成。肼作為火箭發(fā)動機燃料時，可發(fā)生反應(yīng)：2N2H4+N2O4=3N2+4H2O。

【展示】對比展示肼和氨分子的球棍模型，兩者都由氮原子和氫原子組成，氮、氫原子的結(jié)合方式不同，形成了不同的分子，體現(xiàn)出了不同的化學(xué)性質(zhì)，并且產(chǎn)生了不同的用途。

【創(chuàng)設(shè)問題】

問題1：等物質(zhì)的量（或等質(zhì)量）的NH3和N2H4中，原子總數(shù)之比為多少？電子數(shù)之比為多少？

問題2：上述反應(yīng)中，產(chǎn)生的氮氣和水蒸氣在同溫、同壓下的體積之比為多少？

【學(xué)生計算】根據(jù)計算公式及阿伏加德羅定律進行計算。

【講解】除了肼和四氧化二氮可以作為火箭發(fā)動機的推進劑以外，常見的火箭推進劑組合還有液氫和液氧、偏二甲肼和液氧、偏二甲肼和四氧化二氮，它們反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體，給火箭以巨大的反推力，有關(guān)反應(yīng)分別如下：

①肼和四氧化二氮：2N2H4（l）+N2O4（l）=3N2（g）+4H2O（g） ΔH=-1048.9 kJ/mol

②液氫和液氧：2H2（l）+O2（l）=2H2O（g） ΔH=-483.6kJ/mol

③偏二甲肼和液氧：（CH3）2NNH2（l）+4O2（l）

=N2（g）+2CO2（g）+4H2O（g）

ΔH=-1803.1 kJ/mol

④偏二甲肼和四氧化二氮：（CH3）2NNH2（l）+2N2O4（l）=3N2（g）+2CO2（g）+4H2O（g）

ΔH=-1764.1 kJ/mol

【創(chuàng)設(shè)問題】若分別取1g上述不同組合的推進劑，其反應(yīng)產(chǎn)生氣體的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下分別為多少？

【學(xué)生思考】上述4個反應(yīng)中，1g推進劑各產(chǎn)生1.00L、1.24L、0.83L、0.83L氣體。

【創(chuàng)設(shè)問題】從等質(zhì)量的推進劑產(chǎn)生氣體體積的角度，選擇哪種推進劑最優(yōu)？

【學(xué)生評價】液氫和液氧產(chǎn)生的氣體最多，它們是最好的推進劑組合。

【創(chuàng)設(shè)問題】推進劑的選擇還需要考慮什么因素？從產(chǎn)物的環(huán)境友好角度，如何評價上述4個反應(yīng)？

【學(xué)生評價】液氫和液氧反應(yīng)只產(chǎn)生水，為最佳的推進劑；其次為產(chǎn)生氮氣的肼和四氧化二氮；而③、④兩個反應(yīng)中生成二氧化碳，不是推進劑的最優(yōu)選擇。

【創(chuàng)設(shè)問題】

問題1：事實上，在發(fā)生2N2H4+N2O4=3N2+4H2O時，N2O4會產(chǎn)生紅棕色的有毒氣體NO2，我們可以選用什么物質(zhì)替代N2O4將N2H4氧化？

問題2：已知2N2H4+N2O4=3N2+4H2O；N2H4+O2=N2+2H2O；N2H4+2H2O2=N2+4H2O，從火箭有效載重的角度看，當(dāng)消耗等量的N2H4時，選擇哪種氧化劑更合適？

【學(xué)生計算并評價】若氧化1mol N2H4，消耗N2O4 、O2 、H2O2的質(zhì)量各為46g、32g、68g，從火箭的有效載重方面考慮，O2作為氧化劑最好。

【講解】事實上，在火箭發(fā)射過程中，四氧化二氮、氧氣、雙氧水與肼的三個反應(yīng)都有應(yīng)用，這是一個很復(fù)雜的問題，既涉及到氧化劑液化難易問題、反應(yīng)放熱多少問題，也涉及到很多工程問題。

【創(chuàng)設(shè)問題】說到反應(yīng)放熱問題，火箭推進劑燃燒后產(chǎn)生的氣體受熱而膨脹，根據(jù)上述4個熱化學(xué)方程式，能否求出每當(dāng)產(chǎn)生1mol氣體時的熱效應(yīng)？如何進行評價？

【學(xué)生計算】上述4個反應(yīng)中，每當(dāng)產(chǎn)生1mol氣體，分別放熱149.8kJ、241.8kJ、257.6kJ、196.0kJ。從放熱量來看，用偏二甲肼和液氧組合或液氫和液氧組合做推進劑放熱最多，是推進劑的合適選擇。

【總結(jié)】我們通過火箭推進劑中的相關(guān)計算，體會到物質(zhì)的量這一物理量在科學(xué)研究中的意義和作用。請整理物質(zhì)的量（n）、質(zhì)量（m）、微粒個數(shù)（N）、氣體體積（V）之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課以火箭推進劑為背景進行了物質(zhì)的量的單元復(fù)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為出發(fā)點，以驅(qū)動性問題貫穿課堂、啟發(fā)思維，取得了較好的教學(xué)效果。

1.從認(rèn)知思路設(shè)計問題，促進學(xué)生對物質(zhì)表征能力的提升

NH3和N2H4是由相同元素按照不同的成鍵方式結(jié)合而成的化合物，在教學(xué)中從學(xué)生較熟悉的NH3分子轉(zhuǎn)入到對火箭推進劑燃料N2H4的學(xué)習(xí)，從資料卡片中肼物理性質(zhì)的宏觀表征轉(zhuǎn)入到肼和氨分子球棍模型的微觀表征，讓學(xué)生親歷宏微結(jié)合的認(rèn)知物質(zhì)的思路，體會到“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途”這一化學(xué)基本規(guī)律。創(chuàng)設(shè)的問題，通過比較等物質(zhì)的量或等質(zhì)量的NH3和N2H4中某些物理量和特定微粒數(shù)目的差別，建立了物質(zhì)的量和質(zhì)量、微粒數(shù)目的聯(lián)系。通過反應(yīng)方程式中氮氣和水蒸氣的化學(xué)計量數(shù)之比求算出兩者體積之比，復(fù)習(xí)了阿伏伽德羅定律及其推論，也實現(xiàn)了宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)的提升。

2.從學(xué)科觀念設(shè)計問題，促進學(xué)生對化學(xué)核心觀念的建構(gòu)

教學(xué)中，通過列舉不同的火箭推進劑發(fā)生的反應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到物質(zhì)變化的復(fù)雜性和多樣性?！?g上述不同組合的推進劑，其反應(yīng)產(chǎn)生氣體的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下分別為多少”、“從火箭有效載重的角度看，當(dāng)消耗等量N2H4時，選哪種氧化劑更合適”、“根據(jù)上述4個熱化學(xué)方程式，能否求出每當(dāng)產(chǎn)生1mol氣體時的熱效應(yīng)”等問題引發(fā)學(xué)生從量變與質(zhì)變的角度較全面地分析物質(zhì)的化學(xué)變化，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到化學(xué)變化中的能量轉(zhuǎn)化，促使學(xué)生能從不同視角對紛繁復(fù)雜的化學(xué)變化進行分類研究，并能結(jié)合實際做出合理的評價和選擇。

3.設(shè)計邏輯嚴(yán)密的問題鏈，幫助學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)密的邏輯推理習(xí)慣

教學(xué)過程中，設(shè)計了一環(huán)接一環(huán)的問題鏈，使學(xué)生對推進劑的選擇逐步深入。學(xué)生以推進劑中的化學(xué)反應(yīng)方程式和熱化學(xué)方程式為依據(jù)，以物質(zhì)的量的相關(guān)計算為手段，基于證據(jù)進行分析推理，選擇和評價了火箭推進劑。在這一過程中，他們知道了形成科學(xué)結(jié)論需要證據(jù)，了解了尋找證據(jù)的途徑與方法，建立了解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維模型和框架。當(dāng)然在選擇和評價推進劑的過程中，學(xué)生也進一步熟練了物質(zhì)的量的相關(guān)計算，體會了物質(zhì)的量的科學(xué)價值。

4.設(shè)計基于任務(wù)的驅(qū)動性問題，鼓勵學(xué)生的分享和表達

本節(jié)課的課堂教學(xué)線索是在物質(zhì)的量的計算支撐下，尋找合適的火箭推進劑及對不同的推進劑做出適當(dāng)?shù)脑u價。在多個驅(qū)動性問題的引領(lǐng)下，學(xué)生能從已有知識和信息出發(fā)，尊重事實和證據(jù)，大膽地提出設(shè)想并相互交流、相互質(zhì)疑、逐步完善，有利于養(yǎng)成獨立思考、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神。

5.關(guān)注生活實際中的化學(xué)問題，使學(xué)生充分認(rèn)識化學(xué)科學(xué)的價值

本節(jié)課以我國當(dāng)前迅速發(fā)展的航空領(lǐng)域中的火箭推進劑為背景、以物質(zhì)的量的計算為依托，很好地體現(xiàn)了化學(xué)、技術(shù)、社會之間的相互關(guān)系。在本節(jié)課中，學(xué)生能通過自己的分析和討論對實際問題做出選擇、判斷和評價，能運用已有知識和方法綜合分析不同化學(xué)反應(yīng)的特點，能權(quán)衡利弊，認(rèn)識到化學(xué)對社會發(fā)展的重大貢獻，有利于形成良好的科學(xué)精神和社會責(zé)任。