基于真實(shí)問題情境培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂研究

朱麗麗

摘要：以“金屬鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”的教學(xué)為例，選擇合適的真實(shí)情境，將零散的、無支撐的知識點(diǎn)串聯(lián)起來。設(shè)置問題情境，激發(fā)學(xué)生思考的廣度和深度，不斷進(jìn)行證據(jù)推理，達(dá)到構(gòu)建完整的知識體系、建立科學(xué)的思維方法及提升能力的目的，實(shí)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：真實(shí)問題情境;證據(jù)推理;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2021）01-0010-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.003

一、問題的提出

2018年教育部最新發(fā)布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確提出五大化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)要重視開展“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)。重視創(chuàng)設(shè)真實(shí)、具體的問題情境，重視課堂中知識與情境的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，注重轉(zhuǎn)變學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)開展建構(gòu)學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和問題解決學(xué)習(xí)，注重化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力[1]。如何將這一理念落實(shí)到日常教學(xué)中？對筆者來說是一個(gè)富有挑戰(zhàn)的研究性課題。 本節(jié)課選自蘇教版《化學(xué)1（必修）》專題二第2單元“鈉、鎂及其化合物”第1課時(shí)“金屬鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”。本課時(shí)的主要知識結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖1：

知識內(nèi)容多而雜，尋找合適、真實(shí)、有意義的學(xué)習(xí)情境，以問題為導(dǎo)向，既能將零散的知識串聯(lián)起來，又能激趣和啟思。查閱中國知網(wǎng)中關(guān)于本節(jié)課的教學(xué)情境研究，主要存在以下問題：①以金屬鈉的用途一如金屬鈉用于治療腫瘤;用于冶煉貴金屬鈦;中國首座鈉快中子實(shí)驗(yàn)堆等作為教學(xué)情境，雖然吸引了學(xué)生注意力，但只是引入新課，學(xué)生無法發(fā)現(xiàn)或提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題;②以趣味實(shí)驗(yàn)一如滴水燃棉等作為教學(xué)情境，雖也讓學(xué)生“因境生情”，但缺乏真實(shí)性和啟思性，教學(xué)過程并不能圍繞教學(xué)情境展開;③以鈉起火的事故新聞作為教學(xué)情境，放大了負(fù)面效果[2];④以鈉一空氣電池作為教學(xué)情境[3]，貫穿始終，但已有的教學(xué)設(shè)計(jì)缺乏提問的深度與廣度，并且情境素材若處理不當(dāng)，很容易超綱，學(xué)生探究性趣味不濃。本研究基于真實(shí)問題情境，圍繞學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)，期望在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)學(xué)科問題，在一步步的“猜想一推理一探究”中促進(jìn)學(xué)科認(rèn)識和核心觀念的結(jié)構(gòu)化，使學(xué)科核心素養(yǎng)開花結(jié)果。

二、設(shè)計(jì)思路

金屬鈉是高中學(xué)習(xí)的第一種金屬，但之前學(xué)習(xí)的原子核外電子排布、氯氣的性質(zhì)以及氧化還原理論均為鈉的學(xué)習(xí)做了鋪墊。本節(jié)課，需要突破的重難點(diǎn)有①Na與O2在不同條件下的反應(yīng);②Na與水的反應(yīng);③Na202與水、CO2的反應(yīng)。為了放大圍繞核心知識的真實(shí)情境中的學(xué)科問題，筆者綜合相關(guān)資料，最終選擇用鈉電池作為真實(shí)情境，并對信息素材進(jìn)行符合認(rèn)知發(fā)展的改編。因此，本課時(shí)教學(xué)主要分四個(gè)教學(xué)情境：鈉一空氣電池的提出一鈉一空氣電池的放電原理一鈉一空氣電池的工作環(huán)境一鈉-CO2電池的工作原理。具體過程：首先，采用對比教學(xué)法，對比分析鋰元素與鈉元素的原子結(jié)構(gòu)，理論推理鈉一空氣電池與鋰一空氣電池的放電原理可能存在相似性，從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。其次，以“鈉一空氣電池工作環(huán)境”為真實(shí)情境，提出問題一學(xué)生猜想一理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行證據(jù)推理，核心物質(zhì)一鈉與鈉的氧化物的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系，在探究過程中逐步建立清晰的知識網(wǎng)絡(luò)。為突破鈉與水反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，拓展鈉與溶液的反應(yīng)，深度挖掘教材素材，P15圖1-10，從宏觀與微觀兩個(gè)角度研究鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)，打開知識的深度與廣度。最后，呈現(xiàn)鈉-CO2電池，不僅體現(xiàn)知識的生長性，更體現(xiàn)化學(xué)應(yīng)用之美。整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞一個(gè)真實(shí)情境一氣呵成，核心知識更是在學(xué)生的頭腦風(fēng)暴中“呈現(xiàn)”出來，實(shí)現(xiàn)了“真實(shí)情境一提煉學(xué)科問題一證據(jù)推理一發(fā)展素養(yǎng)”的整體教學(xué)設(shè)計(jì)思路。具體教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖2所示：

三、教學(xué)過程

任務(wù)一：分析鈉一空氣電池提出的原因

[情境導(dǎo)入]現(xiàn)在應(yīng)用普及的鋰離子電池大家都很親切，但鋰離子電池要想有大的電容量，其體積和質(zhì)量都會(huì)很大，不便于使用。近幾年科學(xué)家提出鋰空氣電池，其放電原理是鋰與氧氣的氧化還原反應(yīng)。原料來源于空氣，非常好地解決鋰離子電池的問題，但是鋰是稀有金屬，價(jià)格較高。如何解決該問題呢？科學(xué)家又提出鈉一空氣電池。

[提出問題]科學(xué)家為什么能從鋰電池聯(lián)想到鈉電池？請從原子結(jié)構(gòu)、制備等角度思考。

[生1]鋰的最外層電子數(shù)與鈉相同，化學(xué)性質(zhì)相似。

[生2]鈉比鋰便宜。

[追問]為什么鈉比鋰便宜？

[生3]鈉元素在自然界中的儲(chǔ)量豐富。

[追問]那么鈉元素在自然界中的存在形式如何？制備原料又是什么？

[生4]鈉元素以化合態(tài)形式存在。制備原料是NaCl。

[信息展示]每千克海水中氯化鈉的含量。

[追問]如何通過NaCl制取鈉？

[生5]電解熔融NaCl，2NaCl=電解=2Na+Cl2↑。

[小結(jié)]由于鈉最外層只有一個(gè)電子，容易失去1個(gè)電子，具有較強(qiáng)的還原性，很難用還原法制備，常用電解法制備。因此，無論從結(jié)構(gòu)還是制備角度，鈉電池的推廣都具有很高的價(jià)值。

設(shè)計(jì)意圖：通過鈉電池最新科技作為情境素材，內(nèi)容經(jīng)過重新設(shè)計(jì)后呈現(xiàn)給學(xué)生合適的刺激性材料信息，這些刺激性材料信息能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心。將書本上“裸露”的知識包裝起來，使知識結(jié)合一定的情境材料呈現(xiàn)出來。本次情境使用的目的是讓學(xué)生根據(jù)鋰的信息，對比鈉的學(xué)習(xí)，思考更具有方向性，同時(shí)，既提升信息提取能力、問題解決能力，又學(xué)習(xí)到鈉的結(jié)構(gòu)與制備等新知識。

任務(wù)二：分析鈉一空氣電池的放電原理

[提出問題]類比鋰一空氣電池，鈉一空氣電池中可能發(fā)生的反應(yīng)是什么？

[材料呈現(xiàn)]鋰一空氣電池放電原理（電池內(nèi)有催化劑）：4Li+O2=2Li2O

2Li+O2=Li2O2

[猜想]鈉與O2反應(yīng)產(chǎn)生Na2O、Na2O2

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)1]探究鈉與氧氣反應(yīng)

①取鈉：觀察鈉保存環(huán)境，用鑷子取出一塊金屬鈉，并用濾紙擦干表面煤油。

②切鈉：在玻璃片上用小刀切鈉，觀察切面光澤、顏色及發(fā)生的變化，將剩余鈉放回瓶中。

③燃燒：將干燥的坩堝預(yù)熱后，迅速放人綠豆大小的鈉。繼續(xù)加熱坩堝待鈉開始燃燒，撤去酒精燈，觀察現(xiàn)象。

[結(jié)論]鈉的物理性質(zhì)有：銀白色固體，質(zhì)軟，密度比煤油大，熔點(diǎn)比較低。

鈉的化學(xué)性質(zhì)有：與氧氣反應(yīng)條件不同，產(chǎn)物不同：

4Na+O2=2Na2O（白色）

2Na+O2=點(diǎn)燃=Na2O2（淡黃色）

[緊扣情境]鈉一空氣電池的放電原理（電池內(nèi)有催化劑）：4Na+O2=2Na2O;2Na+O2=Na2O2

設(shè)計(jì)意圖：通過對比鋰一空氣電池的放電原理，學(xué)生猜想鈉與氧氣反應(yīng)的產(chǎn)物，主動(dòng)探究鈉與O2的反應(yīng)，進(jìn)而引出鈉的物理性質(zhì)。整個(gè)教學(xué)過程學(xué)生完成了問題驅(qū)動(dòng)一合理猜想一實(shí)驗(yàn)探究一證據(jù)推理一得出結(jié)論一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)，既緊扣教學(xué)情境，又圍繞核心知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。

任務(wù)三：分析鈉一空氣電池的工作環(huán)境

[資料呈現(xiàn)]①鈉一空氣電池的工作原理：

②工作環(huán)境：鈉附近環(huán)境一無水;

氧氣獲得一去掉空氣中的水蒸氣、CO2成分。

[提出問題]請解釋或猜想鈉一空氣電池為什么要處于這樣的工作環(huán)境？

[生6]鈉可能與水或CO2反應(yīng)。

[生7] Na2O可能與水或CO2反應(yīng)。

[追問]能否從物質(zhì)類別角度評價(jià)你的猜想描述是否合理？

[生8]不合理。Na2O屬于堿性氧化物，能與水反應(yīng)生成可溶性堿，與酸性氧化物生成鹽。不是可能是一定會(huì)反應(yīng)。

[師點(diǎn)評]沒錯(cuò)。Na2O+H2O=2NaOH;Na2O+CO2=Na2CO3。由于Na20更具有親水性，因此在水蒸氣和CO2氣氛中，先與水蒸氣反應(yīng)生成NaOH，NaOH潮解后更容易吸收CO2。

[追問]還有其他合理的猜想嗎？

[生9]Na2O2可能與水或CO2反應(yīng)。

[師]接下來我們逐一驗(yàn)證猜想。

子任務(wù)1：檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)的猜想

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)2]探究鈉與水的反應(yīng)

用鑷子取出一塊綠豆大小金屬鈉，用濾紙吸干表面煤油。向一只盛約三分之一水的燒杯中投入鈉。

[觀察視角]鈉在水中的位置、形狀變化。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]①鈉浮在水面上;②熔成銀白色小球;③四處游動(dòng);④冒白霧，發(fā)出嘶嘶響聲。

[結(jié)論]①鈉的密度比水小;②鈉熔點(diǎn)低且反應(yīng)放熱;③鈉與水反應(yīng)劇烈，且產(chǎn)生氣體。

[思考]請預(yù)測鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物，說出你的理論依據(jù)。

[生10]從物質(zhì)組成分析，氣體應(yīng)該是H2或O2，還可能生成NaOH。

[生11]若生成NaOH，氣體應(yīng)該是H2，不可能是O2。理由①OH-來源于水電離，則H+被Na置換成H2。理由②從氧化還原理論思考，鈉與水反應(yīng)若生成NaOH，Na元素的化合價(jià)升高，必然存在化合價(jià)降低的元素，只能生成H2。

[追問]如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明？

[生12]向反應(yīng)后的溶液中滴加酚酞，若變紅，說明生成堿性物質(zhì);用小試管收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，用大拇指按住試管口，靠近火焰時(shí)，松開大拇指，若試管口產(chǎn)生清脆的爆鳴聲，說明產(chǎn)生H2。

[點(diǎn)評]思路清晰，實(shí)驗(yàn)描述規(guī)范。我們只需要檢驗(yàn)NaOH，理論分析氣體肯定是H2。

[繼續(xù)實(shí)驗(yàn)]向反應(yīng)后的溶液中滴加2滴酚酞。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]溶液變紅。

[結(jié)論]鈉與水反應(yīng)生成堿性物質(zhì)。

（板演）2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

[小結(jié)]鈉與水反應(yīng)實(shí)質(zhì)是鈉置換水電離的H+。這也解釋了鈉一空氣電池要保持無水環(huán)境。

設(shè)計(jì)意圖：選擇鈉一空氣電池的工作環(huán)境作為情境素材，使學(xué)生的思辨具有廣度：從反應(yīng)物和生成物的角度，猜想與水蒸氣或CO2的反應(yīng);又有深度：從物質(zhì)類別角度解釋Na22的化學(xué)性質(zhì)，并思考在水蒸氣和CO2混合氣體中的反應(yīng)順序。對物質(zhì)類別與轉(zhuǎn)化、反應(yīng)先后順序增強(qiáng)認(rèn)知。同時(shí)，在該教學(xué)過程中，學(xué)生經(jīng)歷了分析一猜想、解釋一實(shí)驗(yàn)探究一現(xiàn)象分析一理論分析一再探究一再分析一得出結(jié)論的一系列學(xué)生活動(dòng)。在理論分析鈉與水的反應(yīng)產(chǎn)物時(shí)，生生間相互補(bǔ)充觀點(diǎn)，產(chǎn)生了非常良好的互動(dòng)力。本階段幫助學(xué)生建立兩個(gè)學(xué)習(xí)視角：①從物質(zhì)類別和氧化還原理論分析物質(zhì)性質(zhì);②從宏微結(jié)合的視角推理、檢驗(yàn)物質(zhì)的性質(zhì)。

子任務(wù)2：基于鈉與水的反應(yīng)事實(shí)，分析鈉與溶液的反應(yīng)

[提問]鈉與CuSO4溶液又如何反應(yīng)？

[生13]鈉先與水反應(yīng)，生成NaOH和H2，NaOH再和CuSO4反應(yīng)產(chǎn)生Cu（OH）2。（觀點(diǎn)1）

[生14]鈉直接置換出Cu。（觀點(diǎn)2）

[學(xué)生活動(dòng)]板演方程式，用化學(xué)方程式表述反應(yīng)過程。

[師]無法說服對方的觀點(diǎn)時(shí)，我們又應(yīng)該怎么辦？

[異口同聲]實(shí)驗(yàn)。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)3]鈉與CuSO4溶液反應(yīng)

用鑷子取出一小塊綠豆大小的金屬鈉，用濾紙吸干表面煤油。向一只盛約三分之一 CuSO4溶液的燒杯中投入鈉。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]①鈉浮在水面上;②熔成銀白色小球;③四處游動(dòng);④冒白霧，發(fā)出嘶嘶的響聲;⑤溶液中產(chǎn)生藍(lán)色絮狀沉淀。

[提問]實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能證明是哪種觀點(diǎn)？

[異口同聲]觀點(diǎn)1正確。