在化學實驗教學中培養(yǎng)師范生的化學學科核心素養(yǎng)
——以氨的催化氧化制取硝酸為例

高兆芬,余煥煥

(上饒師范學院 化學與環(huán)境科學學院,江西 上饒334001)

《普通高中化學課程標準》(2017年版)(以下簡稱《課程標準》)從目標、內(nèi)涵和素養(yǎng)水平等三個層面上描述了化學學科核心素養(yǎng),要求在化學教學中培養(yǎng)學生學科的思維方法,具備創(chuàng)新意識,學會科學探究,具有科學的態(tài)度和社會的責任?；瘜W實驗作為化學學科特有的、重要的實踐活動,是落實學科核心素養(yǎng)的重要途徑,具有不可替代的支撐作用。作為高等師范生的必修課程——《中學化學實驗研究》的教學,就要本著培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的理念去進行教學設(shè)計,讓師范生通過本課程的學習,提高對學科核心素養(yǎng)的認識,為未來從事教育事業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

1 借助實驗,培養(yǎng)化學學科思維方式

《課程標準》明確指出：“化學學科核心素養(yǎng)是學生必備的科學素養(yǎng),是學生終身學習和發(fā)展的基礎(chǔ)?！睂W科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn),學科核心素養(yǎng)視域下的化學實驗教學強調(diào)化學實驗的獨特作用和特有的教學功能。通過實驗不僅要學生辨識實驗現(xiàn)象,掌握實驗的操作方法,而且要從實驗的宏觀現(xiàn)象中辨識反應(yīng)的微觀實質(zhì),清楚反應(yīng)的原理及反應(yīng)中涉及的諸多問題,運用學科思維的方式認識化學反應(yīng)。

1．1 學會從多角度思考反應(yīng)物的用量配比

在實施化學實驗時,傳統(tǒng)的教學會把反應(yīng)原理的分析作為唯一的理論分析?；瘜W學科素養(yǎng)的核心之一,是要學生掌握學科的思維方式,教師要引領(lǐng)師范生進行多角度多方位的分析,讓學生學會分析的方法,增進對化學學科的理解。

如中學化學實驗利用催化氧化氨氣制硝酸的第一步反應(yīng)為：4NH3＋5O2==4NO ＋6H2O,要在實驗室實現(xiàn)這個反應(yīng),首先要考慮反應(yīng)物的來源,NH3可以由氨水提供,也可以由銨鹽與熟石灰或生石灰反應(yīng)制得；O2可以從空氣中獲得,亦可通過KMnO4等藥品反應(yīng)制得。通過實驗證明在常見的銨鹽中氯化銨分解得到氨氣的產(chǎn)率較高,教材中制備氨氣選用的藥品為氯化銨與氫氧化鈣,通過實驗對比用氯化銨與生石灰反應(yīng)效果更好,反應(yīng)生成的其他產(chǎn)物(如氯化氫氣體、水蒸氣等)能被生石灰吸收,有效地避免了反應(yīng)的副產(chǎn)物對實驗的干擾,所以,采用氯化銨與生石灰制取氨氣較為合適。而氧氣的制備則選用高錳酸鉀分解制得,因為用高錳酸鉀制取氧氣快捷且高效。選定了反應(yīng)物之后,就要考慮反應(yīng)物原料的配比。所涉及的反應(yīng)如下：

依據(jù)化學方程式的計量關(guān)系,如果不要考慮NO 轉(zhuǎn)化為NO2所需要的氧氣由KMnO4提供,而由集氣瓶中空氣中所含的氧氣將NO 轉(zhuǎn)化為NO2的話,那么所需原材料的質(zhì)量m 比為m(KMnO4)∶m(NH4Cl)＝(10×158)∶(4×53．5)≈7．4∶1；如果要考慮NO 轉(zhuǎn)化為NO2所需要的氧氣由KMn O4提供,從氮原子利用率看,氨氧化產(chǎn)物與水反應(yīng)生成硝酸的反應(yīng)方程式為：4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3,則m(KMnO4)∶m(NH4Cl)＝(16×158)∶(4×53．5)≈11．8∶1。因考慮集氣瓶中的氧氣量較少,所以要增加KMnO4的量,而選用m(KMnO4)∶m(NH4Cl)＝12∶1。由上述反應(yīng)可知氯化銨與氧化鈣的質(zhì)量比為m(NH4Cl)∶m(CaO)＝(2×53．5)∶56＝2∶1.05,因CaO 要吸收反應(yīng)生成的HCl、H2O 及原料中帶來的水分,所以在配料上要增加CaO 的用量。通過理論分析和實驗探究得出最佳的用料質(zhì)量配比為12 g的KMn O4、1 g NH4Cl和3 g CaO 作為氨的催化氧化反應(yīng)物的最佳方案。

上述分析不僅讓學生理清了反應(yīng)原理,還從相關(guān)反應(yīng)方程式中找到了藥品用量配比的理論依據(jù),使學生在認識化學反應(yīng)的過程中掌握學科的思維方法,從而提升科學素養(yǎng)。

1．2 學會從多角度認識催化劑

催化劑是一種能改變化學反應(yīng)速率的物質(zhì)。在傳統(tǒng)的化學教學中,教師只引導學生從催化劑本身的性質(zhì)認識它：催化劑既可以加快反應(yīng)速度也可以減慢反應(yīng)速度,催化劑能參與化學反應(yīng),反應(yīng)后又再現(xiàn)出來,質(zhì)量和化學性質(zhì)都不會改變。而忽視了從多角度的思維方式認識催化劑：一種催化劑可以催化不同化學反應(yīng),如Mn O2可以催化KCl O3的分解,亦可催化氨的氧化；同一個化學反應(yīng)也可以用不同的催化劑進行催化,如氨的催化氧化,就可以選擇不同的催化劑如Pt、Cu、Mn O2、Cr2O3、Fe3O4、Fe2O3、CoO、Cu O 等催化。因不同的催化劑其催化效果不同,要選擇適宜的催化劑,則需要考慮多方面的因素。在氨的氧化中,有的催化劑毒性較大,使用時會造成環(huán)境污染,則需要進行實驗殘渣的處理(如Cr2O3),因而這類催化劑一般不會選用；有的催化劑在實驗前要經(jīng)過較復(fù)雜的預(yù)處理才能有好的催化性能(如Fe2O3和Co O),這種催化劑使用起來不方便,一般也不會用；有的催化劑比較昂貴,受條件限制也不會采用(如Pt)；有的催化劑不理想,達不到預(yù)期的實驗效果亦不會采用(如銅絲Cu),等等。除了考慮這些因素外,還要考慮其安全性能和環(huán)保性能,據(jù)資料記載,如果選用氧化銅作為氨氧化的催化劑,不但催化效果好,而且在高溫下氧化銅能被氨還原成銅：3Cu O＋2NH3＝3Cu＋3H2O＋N2,產(chǎn)生的銅可以防止實驗發(fā)生爆炸。在高溫下,銅又與氧氣反應(yīng)生成氧化銅。氧化銅是中學實驗常用的化學藥品,毒性較小,其價格也相對較便宜,選用氧化銅作為本實驗的催化劑,無論是從理論、環(huán)保和安全等方面考慮都較為科學[1]。

引導師范生進行上述分析,一方面讓師范生全面充分地認識催化劑,另一方面從思維的視角培養(yǎng)學生開拓思路,學會化學科學思維方法去分析相關(guān)問題。托爾斯泰認為：“知識,只有當它靠積極的思維得來,而不是憑記憶得來的時候,才是真正的知識?！币仓挥型ㄟ^思維獲得的知識,才是理解了的知識,知識的學習并不僅限于知識本身,更重要的是在學習過程中思維的培養(yǎng)。

2 借助實驗,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識

創(chuàng)新是科學發(fā)展的靈魂,有創(chuàng)新才有發(fā)展,培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識是現(xiàn)代課程設(shè)計的重要目標。創(chuàng)新意識是指人類意識活動中的一種積極的表現(xiàn)形式,是人們進行創(chuàng)造活動的內(nèi)在動力,并在創(chuàng)造活動中表現(xiàn)出的意向、愿望和設(shè)想。創(chuàng)新意識是化學學科核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素之一,教師應(yīng)根據(jù)“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)發(fā)展水平和學業(yè)質(zhì)量標準設(shè)計教學,培養(yǎng)師范生的創(chuàng)新意識,增強其創(chuàng)新能力,為將來從事中學教學工作做好準備。

如在氨的催化氧化的實驗中,教材中沒有相關(guān)實驗裝置圖,我們就引導師范生自己設(shè)計實驗裝置,根據(jù)前面探究得出的結(jié)論,原料用12 g的KMn O4、1 g NH4Cl和3 g CaO,催化劑用CuO,反應(yīng)中催化劑需要預(yù)熱,制備氨氣、氧氣均要加熱,那么就有三處地方需要加熱。另外,通過多次實踐,如果催化劑沒有成柱狀,氨氣和氧氣接觸催化劑就不充分,實驗效果就會較差,才有了將催化劑用玻璃纖維堵成柱狀的思路,設(shè)計了如下裝置(如下圖1)[2]：

圖1 實驗裝置(一)

考慮到上述裝置比較復(fù)雜,且在課堂教學中不宜擺放,又引導師范生設(shè)計了較為簡單的裝置如圖2。

圖2 實驗裝置(二)

裝置設(shè)計好后再引導師范生歸納選擇氨的催化氧化裝置需要考慮的因素：(1)反應(yīng)物的狀態(tài)；(2)反應(yīng)條件；(3)催化劑的放置(要形成柱狀)；(4)證明產(chǎn)物的性質(zhì)；(5)尾氣的吸收等。

實驗完成后再組織師范生對實驗的關(guān)鍵點進行梳理,得出下列結(jié)論：

(1)催化劑放入到硬質(zhì)玻璃管中一定要形成柱狀,并且松緊適中；

(2)要先對催化劑加熱5 min左右,再加熱KMn O4固體制取氧氣,待燒杯中有連續(xù)不斷的氣泡產(chǎn)生時,再加熱NH4Cl和CaO 固體混合物；

(3)控制好溫度,尤其是要保持催化劑在較高溫度下進行反應(yīng)。

學科知識需要經(jīng)過學習和理解(掌握知識的內(nèi)在規(guī)律)、應(yīng)用和實踐(將知識運用到實踐)、遷移和創(chuàng)新(知識的拓展)等關(guān)鍵能力活動,才能完成從具體知識到認識方式的外部定向、獨立操作和自覺內(nèi)化。通過實驗的創(chuàng)新設(shè)計,一是使師范生完成知識的內(nèi)化,二是培養(yǎng)科學創(chuàng)新的品質(zhì)。

化學實驗設(shè)計是實現(xiàn)培養(yǎng)化學學科核心素養(yǎng)的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)教學模式下只重視教學的結(jié)果,而往往忽略了學習過程,不利于學生思維的開發(fā)以及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。在教學中有意識地讓師范生參與實驗設(shè)計并且進行實驗的探究,就是要給他們以示范作用,使他們明確化學學科的特征是以實驗為基礎(chǔ)的,化學實驗對于全面發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)有著極為重要的作用,它不但可以啟迪學生的科學思想,訓練科學方法,還能培養(yǎng)科學探究的精神和創(chuàng)新意識。

3 借助實驗,培養(yǎng)學生的社會責任感

化學課程學習的最終目的和價值追求,是要落實“立德樹人”的根本任務(wù)。培養(yǎng)學生建立起對社會擔當負責的意識是落實“立德樹人”的根本任務(wù)之一,也是學科核心素養(yǎng)“科學態(tài)度和社會責任”所倡導的。讓學生正視化學及其技術(shù)應(yīng)用既有有利的一面,又可能存在危害,建立“綠色化學”的觀念和培養(yǎng)“社會責任感”,是當前教學所必須關(guān)注的問題?；瘜W是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科,在實驗教學之中,滲透社會責任感教育有其獨特的優(yōu)勢。師范生是未來的中學教師,在高校培養(yǎng)他們的“社會責任感”尤其顯得非常重要。

踐行社會責任感,并不一定要做“高大上”的事情,保家衛(wèi)國是踐行社會責任感,愛崗敬業(yè)也是社會責任感,遵守實驗規(guī)則,注意實驗安全,注意環(huán)境保護也是社會責任感的體現(xiàn)?；瘜W實驗教學中常涉及危險品和高危風險操作,學生較容易涉及危險的相關(guān)操作和有毒有害試劑,通過化學實驗室安全教育,我們可以讓學生清醒地認識到：化學安全與我們每一個人都息息相關(guān),它不僅關(guān)系到自身的安全,還關(guān)系到同處一室同學的安全,只有實驗室里的每一個人都有安全的意識,整個實驗室才有了安全的保障。正如在社會上,只有每個人都有社會責任感,每個人的行為舉止都符合社會風范,符合社會安全的需要,這個社會中的群體才能活得有尊嚴、有安全感。

在高等師范的實驗的教學中,要抓住時機讓師范生樹立安全意識,提高其社會責任感。如在氨的催化氧化的實驗中,從安全角度讓學生認識到幾點問題：(1)涉及氣體實驗,要確保整個裝置氣體通暢,連接裝置的橡膠導管在操作時不能發(fā)生扭曲,以免發(fā)生氣體聚集而引發(fā)爆炸；(2)不用毒性較強的試劑(如Cr2O3),一方面可避免危害同學們的身體,另一方面避免造成環(huán)境污染,而選擇毒性小的氧化銅(氧化銅在高溫條件下被氨還原產(chǎn)生的銅還可避免實驗發(fā)生爆炸)；(3)產(chǎn)生的尾氣不能排放到空氣中,要用藥品吸收；(4)實驗后殘渣及廢水要倒在指定的容器中集中處理,絕對不可隨意倒入垃圾桶或下水道中,以免污染環(huán)境,等等。只有這樣,學生才會在長期的學習中,增強社會責任心,培養(yǎng)其社會主人翁精神,進而提升師范生的社會責任行為能力。

在新課程理念下,人才的培養(yǎng)目標要求不僅要儲備科學知識,更要提升學科素養(yǎng),尤其對師范生而言,學科素養(yǎng)的培養(yǎng)更加要引起重視,因為他們的學科素養(yǎng)的達成直接關(guān)系到未來教育的發(fā)展和人才的培養(yǎng)。