基于思維模型建構(gòu)的“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”的教學(xué)實踐

郝秀芳 何文杰 劉曉軍

摘要：以學(xué)生自主建構(gòu)“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”思維模型為目標(biāo)來設(shè)計教學(xué)，以自然界中“氮循環(huán)”的真實情境來貫穿整個教學(xué)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)性探究活動。通過氮循環(huán)中含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化的探究任務(wù)，促使學(xué)生自主調(diào)用價類二維的認(rèn)識角度，經(jīng)歷多樣化的思維發(fā)展過程，建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，從而提高學(xué)生解決陌生物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：思維模型建構(gòu);氮循環(huán);含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化;化學(xué)核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2020）01-0046-05 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.014

一、問題的提出

2017版《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》以學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，針對不同內(nèi)容主題進(jìn)行了修訂。其中“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”屬于必修課程主題2“常見無機(jī)物及其應(yīng)用”，該部分是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。例如基于價類二維的元素觀認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化，能夠很好地發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的素養(yǎng);通過化學(xué)反應(yīng)探索物質(zhì)性質(zhì)、實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，體會物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的價值，能夠培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。而“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的思維核心，包括五大培育目標(biāo)：學(xué)會假設(shè)、學(xué)會認(rèn)證、學(xué)會分析、學(xué)會預(yù)測與建模、學(xué)會問題解決。其中建模的過程就是學(xué)生對學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行深入剖析，抓住其本質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行思維的建構(gòu)，最終用具有普遍意義的分析模型來解決一系列的相關(guān)問題。物質(zhì)轉(zhuǎn)化類問題綜合性強(qiáng)，對學(xué)生的思維能力要求高，因此對于新高一學(xué)生而言，如果能夠深入到知識的本質(zhì)，建構(gòu)起物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，則能夠?qū)崿F(xiàn)從認(rèn)識角度到認(rèn)識思路的提高，提升其解決復(fù)雜實際問題的化學(xué)學(xué)科能力。

物質(zhì)的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化主要體現(xiàn)在無機(jī)元素化合物的學(xué)習(xí)中，從金屬及其化合物（Na、Fe）到非金屬及其化合物（CI、S、N），內(nèi)容編排順序越靠后，其綜合性越強(qiáng)，越適合用于建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型。本文選擇“氮及其化合物”作為教學(xué)內(nèi)容，主要通過探究氮循環(huán)中含氮物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化來構(gòu)建研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，以使學(xué)生在陌生復(fù)雜的實際體系中能夠進(jìn)行遷移應(yīng)用。教學(xué)以真實學(xué)習(xí)背景和整體性學(xué)習(xí)代替去情境化和碎片化的教學(xué)，以證據(jù)推理和實驗探究代替單一的“講與記”，以基于元素觀的物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的認(rèn)識代替單一的具體代表物的性質(zhì)學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生正確價值觀、關(guān)鍵能力及必備品格的形成和發(fā)展。

二、解決“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”類問題的思維模型

解決“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”類問題的模型如圖1所示。首先觀察原料與目標(biāo)產(chǎn)物，從物質(zhì)類別與核心元素價態(tài)的角度預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)，然后依據(jù)復(fù)分解或者氧化還原的原理，選擇合適的反應(yīng)試劑、設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑，再通過實驗實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，最終檢驗?zāi)繕?biāo)產(chǎn)品。

三、基于思維模型建構(gòu)的“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”教學(xué)設(shè)計與實施

1.教學(xué)內(nèi)容分析

“氮及其化合物”是人教版必修1第四章第三節(jié)的內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的重要內(nèi)容。作為必修1元素化合物學(xué)習(xí)中的最后一種元素，氮及其化合物充分體現(xiàn)了物質(zhì)類別和價態(tài)的豐富性與多樣性。同時，將含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化的知識主線貫穿于真實的氮循環(huán)情境中，也能夠讓學(xué)生在真實情境中實現(xiàn)學(xué)與用的融合。

本節(jié)課將“氮及其化合物”的內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)整合，以氮循環(huán)作為真實情境載體，以大氣中的氮氣到土壤中硝酸鹽的轉(zhuǎn)化、氮氣到氨氣的轉(zhuǎn)化作為驅(qū)動性任務(wù)，幫助學(xué)生自主調(diào)用價一類認(rèn)識角度，通過路徑設(shè)計、實驗探究，最終建構(gòu)研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型。

2.學(xué)生情況分析

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)能夠從物質(zhì)類別和元素化合價態(tài)兩個角度認(rèn)識物質(zhì)，預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，但是尚未形成研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路和方法，主要障礙點在于：依據(jù)原料與目標(biāo)產(chǎn)物設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑的能力有欠缺，還未能建立起研究物質(zhì)的兩個角度與轉(zhuǎn)化之間的關(guān)聯(lián)。

3.教學(xué)目標(biāo)

通過探究含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，使學(xué)生能夠自主調(diào)用價—類認(rèn)識角度，形成研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路和方法;

掌握N2、NO、NO2的化學(xué)性質(zhì);

建立從轉(zhuǎn)化的角度學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)的新途徑，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的精神;

通過人類參與氮循環(huán)帶來的利弊體現(xiàn)人與自然的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和可持續(xù)發(fā)展觀。

教學(xué)重點：N2、NO、NO2的性質(zhì)

教學(xué)難點：N2→NO3^-（硝酸鹽）轉(zhuǎn)化路徑的設(shè)計、NO2與水反應(yīng)的實驗探究

4.模型建構(gòu)策略及實施環(huán)節(jié)

（1）探究大氣中的氮氣到土壤中硝酸鹽的轉(zhuǎn)化（N2→NO3^-），初步建構(gòu)模型

①認(rèn)識自然界的氮循環(huán)

【教師活動】展示自然界的氮循環(huán)圖（如圖2），讓學(xué)生解讀氮循環(huán)。

【學(xué)生活動】觀察并閱讀自然界的氮循環(huán)圖（如圖2），描述氮在自然界是如何循環(huán)的。

設(shè)計意圖：通過解讀氮循環(huán)圖，使學(xué)生了解氮在自然界的主要存在形式及含氮物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生解讀圖表的能力;同時認(rèn)識到自然界的氮處于一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，為后續(xù)修復(fù)氮平衡做鋪墊。

②設(shè)計N2→NO3^-的轉(zhuǎn)化方案

【教師活動】分析自然界的兩條固氮路徑——雷電固氮和生物固氮，尋找與動植物密切相關(guān)的核心含氮化合物——硝酸鹽（NO3^-）、氨（或銨鹽），提出問題：雷電作用下，N2是如何轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的？

【學(xué)生任務(wù)】自然界一定條件下大氣中的氮氣可以轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。請參考所給資料卡片（如圖3），盡可能多地設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑，并寫出設(shè)計依據(jù)。

學(xué)生小組討論：從N2→NO3^-，氮元素的化合價升高，必然要先和氧化劑反應(yīng)，大氣中的氧化劑是O2，生成的物質(zhì)是氮氧化物NxOy。最終要得到硝酸鹽，可以先得到硝酸，硝酸在堿性條件下可以得到硝酸鹽。

方案1：N2→NO→NO2→HNO3→NO3^-，

方案2：N2→NO2→HNO3→NO3^-

教師追問：為什么最終的氮氧化物是NO2呢？

學(xué)生回答：因為資料顯示，NO2易溶于水，在水中發(fā)生歧化反應(yīng)，所以能夠得到HNO3，同時也必然生成一種低價態(tài)的含氮物質(zhì)。

繼續(xù)追問：NO2為什么能在水中發(fā)生歧化反應(yīng)呢？

學(xué)生回答：因為+4價是氮元素的中間價態(tài)，既可以升高，也可以降低。

教師：總結(jié)一下，你是基于哪個角度來設(shè)計轉(zhuǎn)化路線的？

學(xué)生回答：氮元素的化合價。

教師點評：設(shè)計物質(zhì)轉(zhuǎn)化路徑，可以基于核心元素的化合價。

教師追問：你是如何想到轉(zhuǎn)化過程中會有N2O5生成呢？

學(xué)生回答：因為資料中顯示N2O5的水溶液呈酸性，而N2O5中氮的化合價是+5價，而HNO3的化合價也恰好是+5價。

繼續(xù)追問：根據(jù)這個現(xiàn)象，你能推測出N2O5是一種什么物質(zhì)嗎？

學(xué)生：N2O5是酸性氧化物，它能夠和水反應(yīng)生成相應(yīng)的酸。

教師點評：你是從哪個角度來設(shè)計方案的？

學(xué)生：物質(zhì)的類別性質(zhì)

教師點評：可以依據(jù)物質(zhì)的類別性質(zhì)設(shè)計相應(yīng)的轉(zhuǎn)化路徑

設(shè)計意圖：讓學(xué)生解決復(fù)雜實際問題，明確價類認(rèn)識角度，并且自主調(diào)用認(rèn)識角度，預(yù)測含氮物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑。學(xué)生匯報轉(zhuǎn)化路徑時，教師通過不斷追問，能夠讓學(xué)生外顯出價類的認(rèn)識角度和基于氧化還原反應(yīng)的推理思路。

③實驗探究N2→NO3^-的轉(zhuǎn)化

本環(huán)節(jié)中，學(xué)生將通過實驗探究來驗證所提方案的正確性。首先是驗證從N2→NxOy的猜想。課前，教師借助如圖4所示的高壓放電裝置，實時拍攝了10分鐘內(nèi)瓶中N2和O2在高壓放電條件下的反應(yīng)，并設(shè)置對照組。

通過課上播放視頻，學(xué)生能夠直觀、清晰地看到瓶中氣體的顏色逐漸由無色變?yōu)榧t棕色，且隨著時間的推移，紅棕色逐漸加深，證明反應(yīng)中確實生成了紅棕色的NO2氣體，但是這并不能說明沒有其他氮氧化物的存在，此時教師需要從科學(xué)事實的角度進(jìn)行解釋：N2與O2的反應(yīng)經(jīng)歷了N2→NO→NO2的過程，并且讓學(xué)生書寫化學(xué)反應(yīng)方程式。

接下來探究的是NO2與H2O的反應(yīng)，布置學(xué)生實驗任務(wù)：先預(yù)測NO2與水反應(yīng)的氣體產(chǎn)物的成分，再設(shè)計實驗進(jìn)行驗證。提供實驗用品：50mL注射器2支（編號①裝NO2，編號②裝水）、三通閥、pH試紙。

【學(xué)生活動】小組討論，根據(jù)氧化還原反應(yīng)，預(yù)測生成的還原性氣體可能是：NH3、N2、N2O、NO或H2。設(shè)計實驗方案，進(jìn)行實驗探究，并觀察實驗現(xiàn)象，將實驗步驟和實驗現(xiàn)象填于實驗記錄表中（見表1）。

學(xué)生探究實驗的實物操作圖（圖5）和相應(yīng)的操作流程解說圖（圖6）如下。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)巧妙地將傳統(tǒng)的教師演示實驗轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放性的學(xué)生動手探究實驗。學(xué)生利用綠色的微型化實驗儀器進(jìn)行小組合作探究，親身體會到NO和NO2之間的相互轉(zhuǎn)化，驗證了從NO2到HNO3的轉(zhuǎn)變，同時思考實驗改進(jìn)，將化學(xué)知識與工業(yè)生產(chǎn)硝酸相聯(lián)系。

【學(xué)生活動】總結(jié)N2、NO、NO2的物理性質(zhì)（顏色、水溶性）和化學(xué)性質(zhì)。

設(shè)計意圖：階段性的小結(jié)能夠讓學(xué)生落實重要含氮物質(zhì)的性質(zhì)。

（2）探究N2→NH3的轉(zhuǎn)化，完善模型

提問1：采用雷電固氮的方式適合工業(yè)生產(chǎn)嗎？

學(xué)生回答：不適合，不僅成本高，而且不安全。

提問2：自然界還可以利用哪種方式進(jìn)行固氮？

學(xué)生回答：利用生物固氮的方式，將氮氣轉(zhuǎn)化為氨氣或者銨鹽。

提問3：你能否利用化學(xué)方法，實現(xiàn)從氮氣到氨氣的轉(zhuǎn)化？

學(xué)生回答：N2和H2合成NH3。

【教師活動】結(jié)合史料講解科學(xué)史實——百年合成氨工業(yè)。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)旨在完善認(rèn)識思路，引導(dǎo)學(xué)生全面看待物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，能夠從N2氧化性出發(fā)設(shè)計新路線。教師通過講解科學(xué)史料——百年合成氨工業(yè)，能夠讓學(xué)生有創(chuàng)造性地體驗、感受到科學(xué)研究的偉大，同時也豐富了人類活動參與下的氮循環(huán)，如圖7所示。

（3）修復(fù)氮平衡，應(yīng)用模型

自然界的氮是守恒的，但是人類活動的參與破壞了原本的氮平衡，造成了一系列的污染問題。如機(jī)動車尾氣中含有大量對人體有害的氮氧化物，那么如何能夠減少氮氧化物的含量？

設(shè)計意圖：以社會熱點問題引發(fā)學(xué)生思考，使學(xué)生能夠應(yīng)用氧化一還原的化學(xué)原理解決環(huán)境問題，修復(fù)氮平衡，實現(xiàn)人與自然的和諧相處。

（4）知識總結(jié)

【學(xué)生活動】在價一類二維圖中完成氮循環(huán)過程中含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

【教師活動】講解自然界硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的作用，在價一類二維圖中呈現(xiàn)完整的氮循環(huán)圖（見圖8，其中氨、銨鹽、硝酸的性質(zhì)將在后續(xù)課程中講解），并提煉研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路和方法。

為檢驗本次教學(xué)改進(jìn)的效果，以開放性試題對學(xué)生進(jìn)行測試，其中以“亞硝酸的性質(zhì)推測及轉(zhuǎn)化路線設(shè)計”“亞硝酸鈉的定量檢測”及“生活污水中含氮物質(zhì)的處理”作為錨題，以傳統(tǒng)教學(xué)班和以模型建構(gòu)方式教學(xué)的試驗班為測試對象，通過對比兩個班前、后測的作答的正確率可以看出，在前測成績相差較小的基礎(chǔ)上，試驗班學(xué)生后測成績（正確率67.25%）遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)班（54.80%），如圖9所示。通過“模型建構(gòu)”方式學(xué)習(xí)的學(xué)生，其推理預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)的能力和創(chuàng)造性解決實際問題的能力得到了大幅提升。

四、教學(xué)特色及反思

1.教學(xué)特色

（1）采用真實的氮循環(huán)情境貫穿教學(xué)設(shè)計，以含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化作為主線，以真實的驅(qū)動性問題促使學(xué)生自主調(diào)用“價一類”認(rèn)識角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行性質(zhì)預(yù)測、方案設(shè)計、概括解釋等活動，最終形成建立研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。同時，借助固氮與修復(fù)氮，幫助學(xué)生體會物質(zhì)性質(zhì)及其變化在促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維、“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)。

（2）充分運用實驗觀察和啟迪思維的教學(xué)策略，組織和開展學(xué)生分組實驗探究活動，創(chuàng)新性地借助注射器的微型化裝置，將“NO2與水反應(yīng)”的演示實驗變?yōu)殚_放性的學(xué)生動手探究實驗，讓學(xué)生能夠親身體會NO、NO2、HNO3之間的轉(zhuǎn)化，實驗設(shè)計呈現(xiàn)出直觀、開放、環(huán)保、學(xué)生參與度高的特點。

2.教學(xué)反思

（1）教師應(yīng)該信任學(xué)生的能力，把握好學(xué)生活動的開放度

本次教學(xué)中，NO2→HNO3的實驗探究先后經(jīng)歷了兩次修改，由最初程序性的驗證性實驗→開放性大的實驗探究→搭臺階式的開放性實驗探究，最終的教學(xué)實踐表明：合適的開放度、具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)能夠更好地激發(fā)學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力。

（2）任務(wù)的指向性應(yīng)該具體而明確

教師在布置任務(wù)時，任務(wù)的指向性要明確且具體。在轉(zhuǎn)化路徑設(shè)計環(huán)節(jié)中“寫出設(shè)計依據(jù)”較為籠統(tǒng)，應(yīng)表述為“寫出加入試劑的原因”，便于讓學(xué)生清晰地了解要求，更有針對性地思考和回答。