在元素化合物教學(xué)中巧用問(wèn)題情境 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

韋驍珉

【摘 要】本文以“硝酸的性質(zhì)”為例，論述如何通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，將宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)等素養(yǎng)融入課堂，以培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué) 核心素養(yǎng) 硝酸的性質(zhì) 實(shí)驗(yàn)探究? 問(wèn)題情境

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2019）09B-0098-03

自 20 世紀(jì) 90 年代起，教學(xué)大綱就提出需要培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思考能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ谋匾浴?013 年，提出培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。2015 年，教育部啟動(dòng)修訂普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)，提出要發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)和學(xué)科核心素養(yǎng)。此外，國(guó)際科學(xué)教育課程文獻(xiàn)中也提出學(xué)科素養(yǎng)的概念，核心素養(yǎng)和學(xué)科能力是國(guó)內(nèi)外共同研究的焦點(diǎn)。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任五個(gè)方面。通過(guò)學(xué)習(xí)硝酸的有關(guān)性質(zhì)，一方面能完善學(xué)生元素及其化合物的知識(shí)體系，幫助學(xué)生逐步掌握學(xué)習(xí)化學(xué)的一些基本方法;另一方面在聯(lián)系實(shí)際內(nèi)容的基礎(chǔ)上鞏固氧化還原、離子反應(yīng)等理論，還能使學(xué)生真正認(rèn)識(shí)化學(xué)在促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，改善人類生活條件方面所起的重要作用，也為必修 2 學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素周期律、化學(xué)反應(yīng)與能量等理論知識(shí)打下重要的基礎(chǔ)。

一、巧用問(wèn)題情境融入化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的元素化合物教學(xué)

硝酸是必修 1 最后一個(gè)內(nèi)容。學(xué)生已經(jīng)掌握了酸的通性，并熟悉金屬活動(dòng)性順序表;學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等原理;儲(chǔ)備了很多元素化合物性質(zhì)的感性材料;具備一定的實(shí)驗(yàn)分析能力，可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的探究實(shí)驗(yàn)。然而，學(xué)生容易誤認(rèn)為活潑金屬與酸反應(yīng)的產(chǎn)物一定是氫氣，以及越活潑的金屬與酸反應(yīng)現(xiàn)象越明顯等。教師可以設(shè)計(jì)巧妙的問(wèn)題情境，讓學(xué)生多次在“意外”中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再運(yùn)用化學(xué)基本思想和方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

情境一

在本節(jié)課中，利用硝酸泄露新聞視頻與新制、久置濃硝酸實(shí)物進(jìn)行對(duì)比。學(xué)生容易得出久置硝酸發(fā)生分解反應(yīng)。這是自然界物質(zhì)處于不斷運(yùn)動(dòng)與變化狀態(tài)的結(jié)果，且化學(xué)的變化需要一定的條件，加熱就是硝酸分解的條件之一。這也是學(xué)科素養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”的體現(xiàn)。利用硝酸泄漏事故的情境作為出發(fā)點(diǎn)，介紹硝酸的工業(yè)用途以及泄露過(guò)程中消防員使用氧化鈣處理現(xiàn)場(chǎng)情況。在幫助學(xué)生對(duì)社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題作出正確的價(jià)值判斷和提高學(xué)生的安全意識(shí)的同時(shí)，融入“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”這一素養(yǎng)。

情境二

讓學(xué)生在認(rèn)知沖突中發(fā)現(xiàn)硝酸具有強(qiáng)氧化性。學(xué)生從酸的通性中歸納出濃硝酸可以使石蕊試劑變紅，但在具體分組實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)是先變紅后變淡。教師創(chuàng)造了這個(gè)“突發(fā)”的問(wèn)題情境，并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個(gè)有價(jià)值的問(wèn)題。聯(lián)系已學(xué)的二氧化硫、石墨、新制氯水均具有漂白性類比假設(shè)出濃硝酸的漂白原理可能是暫時(shí)性漂白，也可能是永久性漂白，具有強(qiáng)氧化性。確定研究目的后，學(xué)生根據(jù)兩種不同類型的漂白性設(shè)計(jì)出特定的探究實(shí)驗(yàn)，并從自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中找到答案。這鼓勵(lì)學(xué)生在探究中學(xué)會(huì)合作，正視異?，F(xiàn)象，敢于提出自己的看法。值得一提的是，在科學(xué)探究的過(guò)程中，認(rèn)識(shí)角度和認(rèn)識(shí)方式?jīng)Q定學(xué)生探究活動(dòng)的邏輯起點(diǎn)。因此教師在設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)前并不是突兀地拋出問(wèn)題，而是從學(xué)生已有的“酸的通性”漂白原理總結(jié)的角度引導(dǎo)學(xué)生探究。探究硝酸氧化性這一部分更是引導(dǎo)學(xué)生從分析溶液中存在的離子入手，幫助學(xué)生建立思考的邏輯起點(diǎn)。這一環(huán)節(jié)，從真實(shí)問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究能提高學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的素養(yǎng)。

情境三

在探究硝酸氧化性本質(zhì)的過(guò)程中，創(chuàng)設(shè)新的問(wèn)題情境：在過(guò)量 Cu 與稀硝酸反應(yīng)結(jié)束后的容器中加入稀硫酸，為什么和 Cu 與稀硝酸反應(yīng)現(xiàn)象一致？從宏觀現(xiàn)象的一致性引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)微觀反應(yīng)的一致性。無(wú)論是何種溶液，均存在氫離子與硝酸根離子。再?gòu)牧康慕嵌确治?Cu 與稀硝酸反應(yīng)的離子方程式，學(xué)生很快就能發(fā)現(xiàn)硫酸的作用是補(bǔ)充氫離子，Cu 和硝酸反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是 Cu 和氫離子與硝酸根共同作用的結(jié)果。這個(gè)探究過(guò)程從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決了實(shí)際突發(fā)問(wèn)題，提升學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的素養(yǎng)。

二、教學(xué)過(guò)程分析

環(huán)節(jié)一

創(chuàng)設(shè)情境：介紹硝酸的工業(yè)用途，播放雙遼市那木鄉(xiāng)發(fā)生濃硝酸泄露事件。展示剛?cè)〕龅臐庀跛針悠罚蜷_(kāi)瓶塞，請(qǐng)學(xué)生聞氣味后歸納其物理性質(zhì)后再展示一瓶久置的濃硝酸樣品。

〖思考 1〗視頻中久置濃硝酸中為什么會(huì)出現(xiàn)黃色氣體？

在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生大致能根據(jù)實(shí)物歸納出硝酸的物理性質(zhì)。而黃色的氣體學(xué)生則猜測(cè)是硝酸分解產(chǎn)生的。

教師演示：將少量濃硝酸置于試管中加熱，無(wú)色濃硝酸變黃色。

〖思考 2〗分解產(chǎn)物是什么？你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明你的猜想嗎？

學(xué)生剛學(xué)習(xí)過(guò)氮的氧化物，故他們可以輕易設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案。向久置的濃硝酸試劑瓶中加入少量的水后得到無(wú)色溶液即可證明硝酸的分解產(chǎn)物是 NO2 。

〖思考 3〗已知硝酸分解的產(chǎn)物是 NO2，你能利用氧化還原有關(guān)知識(shí)補(bǔ)充分解方程式嗎？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從宏觀色彩變化中，將守恒思想與微觀粒子聯(lián)系起來(lái)，并利用氧化還原理論得出宏觀微觀的橋梁—— 硝酸分解的反應(yīng)式。在這過(guò)程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)變化的本質(zhì)是有新物質(zhì)生成，并伴有能量變化，硝酸受熱分解產(chǎn)生了二氧化氮。

〖思考 4〗影片中的消防員如何處理泄露的硝酸？為什么？

學(xué)生很容易從酸的通性得出消防員使用堿石灰處理泄露的硝酸。

探究 1：能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明硝酸具有酸的通性？

學(xué)生小組匯報(bào)酸的通性可以通過(guò)硝酸與堿，金屬氧化物，某些鹽，酸堿指示劑反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并開(kāi)始進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，在激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)提升他們的提取信息的能力。從消防員使用堿石灰處理現(xiàn)場(chǎng)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新物質(zhì)可以從物質(zhì)的分類角度歸納其通性，并用其簡(jiǎn)單的性質(zhì)鍛煉學(xué)生完成簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，也滲透了綠色化學(xué)的思想。

環(huán)節(jié)二

創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：在小組報(bào)告中，一些小組報(bào)告將紫色石蕊試液滴入含有濃硝酸的試管中，振蕩，發(fā)現(xiàn)溶液顏色先變紅后變淡這“意外”結(jié)果。

教師演示：將石蕊試驗(yàn)溶液放入含有濃硝酸的試管中，稍后稍稍加熱試管。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在胸有成竹的驗(yàn)證試驗(yàn)中得到“出乎意外”的結(jié)果，并立即建立基于真實(shí)情景的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

〖思考 1〗在濃硝酸中滴入幾滴石蕊混合后出現(xiàn)褪色現(xiàn)象，從量的角度分析，是誰(shuí)過(guò)量？是誰(shuí)少量？這一結(jié)果可能是由誰(shuí)造成的？

〖思考 2〗如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明你的猜想？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從量的角度分析得出褪色的主要原因來(lái)自石蕊，學(xué)生受到啟發(fā)后很容易設(shè)計(jì)出：（1）向褪色的溶液補(bǔ)充適量硝酸，無(wú)明顯變化;（2）將過(guò)量的石蕊滴入褪色溶液中，溶液呈紅色。得出結(jié)論，濃硝酸能和石蕊反應(yīng)使其褪色。

〖思考 3〗聯(lián)系已學(xué)知識(shí)，硝酸的漂白原理與什么類似？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生根據(jù)教師引導(dǎo)很容易從漂白的三大類：吸附漂白、化合漂白、強(qiáng)氧化漂白中對(duì)比出可能與二氧化硫或次氯酸漂白原理類似。故能設(shè)計(jì)出加熱無(wú)色溶液觀察，紅色是否恢復(fù)即可得出結(jié)論。該環(huán)節(jié)巧妙利用了學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，激發(fā)學(xué)生的求知欲且使得實(shí)驗(yàn)探究更具有針對(duì)性和目的性，也為后續(xù)重點(diǎn)硝酸的強(qiáng)氧化性的學(xué)習(xí)做了一個(gè)鋪墊。

環(huán)節(jié)三

教師演示 1：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，使用注射器和輸液管形成一套密閉的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖 1 所示。銅片放置于大管中，少量濃硝酸放置于小管中，輕推輸液管開(kāi)關(guān)，將濃硝酸推至大管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，剩余的氣體和溶液被排放到含有氫氧化鈉的燒杯中。

〖思考 1〗根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，銅和濃硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物是什么？你能否根據(jù)氧化還原相關(guān)規(guī)律，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象寫(xiě)出反應(yīng)方程式？

教師演示 2：另取一套裝置，如圖 2 所示。將濃硝酸改成稀硝酸。重復(fù)上述操作后，推動(dòng)輸液管開(kāi)關(guān)以保持密閉環(huán)境，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在學(xué)生觀察到藍(lán)色溶液上方出現(xiàn)有無(wú)色氣體存在后，將液體輸送管輕輕從小管中取出，并將大管支架的活塞拉起來(lái)，讓空氣進(jìn)入，如圖 3。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，殘余氣體和溶液排放到含有氫氧化鈉的燒杯中。

〖思考 2〗稀硝酸與 Cu 反應(yīng)的產(chǎn)物是否仍然是氫氣？請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，寫(xiě)出銅與稀硝酸反應(yīng)的方程式。

〖思考 3〗你認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有哪些優(yōu)點(diǎn)？

〖思考 4〗將少量稀硫酸注入該裝置剩余的 Cu 和稀硝酸中，能否發(fā)生反應(yīng)？

設(shè)計(jì)意圖：在同一套裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在 Cu 片過(guò)剩裝置中，通過(guò)移動(dòng)注射管添加新的稀硫酸，使其與剩余溶液和 Cu 混合。學(xué)生能從“意料之中”的不反應(yīng)，到“意料之外”的加入稀硫酸后竟然產(chǎn)生了 Cu 與稀硝酸相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生探究 Cu 與稀硝酸反應(yīng)的本質(zhì)的欲望。將剩余的廢液注入盛有氫氧化鈉的燒杯中，向?qū)W生滲透綠色化學(xué)的思想。

〖思考 5〗請(qǐng)寫(xiě)出 Cu 與稀硝酸反應(yīng)中的主要離子和實(shí)驗(yàn)中的離子方程式，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推測(cè)稀硫酸的作用以及硝酸具有強(qiáng)氧化性的本質(zhì)原因是什么？

設(shè)計(jì)意圖：利用相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生從溶液中存在的離子以及離子反應(yīng)方程式的角度來(lái)看待問(wèn)題，學(xué)生很容易想到反應(yīng)的原因是氫離子與硝酸根。在等量的銅與稀硝酸的反應(yīng)中，硝酸提供的氫離子不足以將銅反應(yīng)完全，故稀硫酸加入后過(guò)量的氫離子與剩余的硝酸根可以繼續(xù)與銅片反應(yīng)產(chǎn)生同一現(xiàn)象。

〖思考 6〗你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證上述猜想嗎？請(qǐng)分組設(shè)計(jì)探究硝酸氧化性的實(shí)驗(yàn)。

本班學(xué)生探究結(jié)果展示：

利用 Y 型管，銅片與稀硫酸在左邊管，酸鉀硝在右邊管，并用橡膠塞塞緊管口。此時(shí)無(wú)現(xiàn)象，再向左傾斜 Y 型管將硝酸鉀溶液與銅片、稀硫酸混合。此時(shí)得到的現(xiàn)象和銅片與稀硫酸反應(yīng)一致，如圖 4 所示（見(jiàn)上頁(yè)）。說(shuō)明銅與硝酸的反應(yīng)是氫離子與硝酸根共同作用的結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：沿著“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—提出假設(shè)—實(shí)驗(yàn)探究”這一流程，引導(dǎo)學(xué)生從微觀離子角度思考問(wèn)題，滲透微粒觀的同時(shí)激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，突破本節(jié)課的重點(diǎn)與難點(diǎn)，升華離子反應(yīng)的有關(guān)內(nèi)容。

課后探究：

從金屬活動(dòng)順序表來(lái)看，硝酸與 Cu、Al 反應(yīng)誰(shuí)更劇烈？請(qǐng)到實(shí)驗(yàn)室完成 Al、Cu 與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。然后查閱相關(guān)資料，在下一節(jié)以小組的形式匯報(bào)本組的探究結(jié)果。

三、教學(xué)反思

（一）巧妙設(shè)計(jì)問(wèn)題情境

讓每一次的探究都發(fā)生在學(xué)生自己“意外”的實(shí)驗(yàn)中，并在教師幫助下，建立正確的認(rèn)識(shí)方式和角度。通過(guò)自己的努力完成對(duì)“意外”現(xiàn)象的解密，能讓整節(jié)課在“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—提出假設(shè)—實(shí)驗(yàn)探究—得出結(jié)論”流程中將本節(jié)課知識(shí)串聯(lián)成線。

（二）巧妙改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

在硝酸和銅的實(shí)驗(yàn)中，不用教科書(shū)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，而是用注射器形成了非污染的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。注射器的使用可以大大減少氧氣的存在，讓 NO 能穩(wěn)定存在，上拉活塞將空氣注入后可以明顯看到無(wú)色變?yōu)榧t色。這使得原本模糊不清的現(xiàn)象更清晰，幫助學(xué)生更接近反應(yīng)的本質(zhì)。注射器的輸注管可以提供類止水夾的功能，并且容易形成閉合的系統(tǒng)。反應(yīng)結(jié)束后，將剩余的氣體和溶液注入強(qiáng)鈉試劑中除去，不污染環(huán)境，讓這個(gè)本來(lái)很多教師敬而遠(yuǎn)之的實(shí)驗(yàn)變得更安全、更有操控性、更符合綠色化學(xué)的要求。

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（責(zé)編 盧建龍）