核心素養(yǎng)視閾下的科學(xué)探究教學(xué)實(shí)踐

尹歡歡 高曉瑩 吳春峰

摘要：培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，是當(dāng)前化學(xué)教學(xué)的重心。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究，既能體現(xiàn)學(xué)習(xí)化學(xué)的過程與方法，也能增進(jìn)學(xué)習(xí)化學(xué)的情感與興趣。由此，作者立足發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，以“氮的固定”教學(xué)為例，嘗試構(gòu)建“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的教學(xué)模型，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究”能力，落實(shí)培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的教育理念。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;氮的固定

文章編號(hào)：1008-0546（2021）09-0017-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.005

一、研究背景

培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的教育理念，越來(lái)越受到重視，許多國(guó)家都意識(shí)到核心素養(yǎng)教育理念的育人價(jià)值，將其作為高中教育教學(xué)的核心內(nèi)容與重要環(huán)節(jié)。我國(guó)2017年頒布的普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)細(xì)分為“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)維度[1]。“科學(xué)探究”是指學(xué)生在高中化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的過程中，能夠以科學(xué)認(rèn)真的精神與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，發(fā)現(xiàn)和提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，參與體驗(yàn)、應(yīng)用知識(shí)，投入到課堂活動(dòng)之中，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)的自主生成[2]。

然而，當(dāng)前高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還存在一些與新課程理念不吻合的現(xiàn)象，如：學(xué)生不能切實(shí)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作與探索，教師只針對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的考點(diǎn)、重點(diǎn)進(jìn)行講解等。學(xué)生自身對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的意見與疑惑往往不能得到教師的重視，他們的主體性并未在化學(xué)課堂中得到發(fā)揮，這樣的教學(xué)課堂容易讓學(xué)生失去科學(xué)探究的動(dòng)力，也難以在高中化學(xué)課堂落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?；诖耍疚牧⒆阌诨瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，在“科學(xué)探究”引領(lǐng)下構(gòu)建課堂模型，并以“氮的固定”為例，設(shè)計(jì)三個(gè)核心探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

二、“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的課堂模型構(gòu)建

培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的課堂模型，是以了解學(xué)情為基石、創(chuàng)設(shè)情境為方法、問題解決為目標(biāo)、操作體驗(yàn)為過程的教學(xué)組織活動(dòng)。在教師的引導(dǎo)與幫助下，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、完成實(shí)驗(yàn)過程、內(nèi)化課堂知識(shí)，這樣的課堂模式，對(duì)于學(xué)生而言，不僅激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)欲望、認(rèn)真思考、深度探索，更是在小組合作的探究之中學(xué)習(xí)知識(shí)，感受真實(shí)過程，形成科學(xué)探究能力。與此同時(shí)，教師根據(jù)教材中的知識(shí)，適當(dāng)進(jìn)行拓展延伸，讓學(xué)生探究的內(nèi)容不再局限于書本，而是聯(lián)系自身的生活，這也更有助于落實(shí)核心素養(yǎng)教育理念。課堂模型如圖1所示。

三、“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的課堂教學(xué)分析，以“氮的固定”為例

1.課標(biāo)與教材分析

“氮的固定”是蘇教版高一化學(xué)必修2專題7氮與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展部分的內(nèi)容，是非金屬元素氮開篇知識(shí)，具有承上啟下作用：一方面深化必修1元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)，運(yùn)用對(duì)比、類比的學(xué)習(xí)方法，體會(huì)研究元素化合物的一般方法，幫助學(xué)生鞏固氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等基本概念、原理的認(rèn)識(shí);另一方面通過對(duì)氮及其化合物轉(zhuǎn)化的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在已有學(xué)科觀念的基礎(chǔ)上，對(duì)物質(zhì)的分類觀、轉(zhuǎn)化觀以及化學(xué)價(jià)值觀等形成辯證認(rèn)識(shí)。就本課內(nèi)容而言，主要包括：氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮性質(zhì)。根據(jù)教材內(nèi)容，首先根據(jù)氮?dú)馕⒂^結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)氮的化學(xué)性質(zhì)，引出氮的固定對(duì)人類生存的重要意義，再根據(jù)物質(zhì)類別研究氮的化合物，包括一氧化氮和二氧化氮的性質(zhì)，通過模擬雷雨發(fā)莊稼的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用氧化還原反應(yīng)原理，探究含氮物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化，認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在自然資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)中的重要價(jià)值。

2.學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，了解物質(zhì)的組成和分類，又較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了典型金屬及非金屬元素化合物知識(shí)，掌握了研究物質(zhì)的基本方法，能運(yùn)用氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)來(lái)分析化學(xué)反應(yīng)，這些為本課氮的固定、自然界中氮的循環(huán)以及氮的兩種氧化物NO和NO2的性質(zhì)探究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。此外，高一學(xué)生具備一定的觀察和分析能力，但在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作方面缺乏訓(xùn)練，可能會(huì)在靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題時(shí)產(chǎn)生困難。

3.教學(xué)目標(biāo)

通過了解“氮的固定”和自然界“氮循環(huán)”，構(gòu)建氮的“價(jià)一類”二維圖，建立物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化觀。通過實(shí)驗(yàn)探究，模擬“雷雨發(fā)莊稼”過程，培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)、獨(dú)立思考，能基于證據(jù)推理形成結(jié)論，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。通過了解人類活動(dòng)對(duì)氮循環(huán)的影響，知道酸雨和光化學(xué)煙霧的危害，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。

4.“氮的固定”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“氮的固定”教學(xué)設(shè)計(jì)思路如下（見圖2）：

四、“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的教學(xué)實(shí)踐，以“氮的固定”為例

【視頻引入】植物的生長(zhǎng)離不開氮，茅膏菜如饑似渴地吸收含氮的物質(zhì)。

【教師】這里含氮的物質(zhì)包括氮?dú)鈫?，為什么?/p>

【學(xué)生】不包含，氮?dú)庠诳諝庵泻芊€(wěn)定，以單質(zhì)形式存在。

【教師】空氣中含量最多的氣體就是氮?dú)猓参镄枰氖腔蠎B(tài)的氮，將游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氮是氮的固定。氮的固定有兩種：自然固氮和人工固氮（見如圖3氮循環(huán)）。

設(shè)計(jì)意圖：在課前導(dǎo)入環(huán)節(jié)，要根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)與認(rèn)知，把學(xué)生所熟悉的生活情景引入到課堂之中，使他們的注意力轉(zhuǎn)移到課堂之上，學(xué)習(xí)狀態(tài)由“靜止”變?yōu)椤皠?dòng)態(tài)”，使他們?cè)诨瘜W(xué)課堂上更積極。在“氮的固定”課前導(dǎo)入環(huán)節(jié)，基于學(xué)生的學(xué)情掌握，為學(xué)生播放“茅膏菜如饑似渴吸收含氮物質(zhì)”的視頻片段，將現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景在課堂之中呈現(xiàn)。這樣的趣味性課堂，激發(fā)了學(xué)生的興趣。

環(huán)節(jié)一 了解氮循環(huán)

【教師】結(jié)合圖3轉(zhuǎn)化，在“價(jià)一類”圖中標(biāo)注相關(guān)含氮物質(zhì)。

【學(xué)生】展示標(biāo)注結(jié)果（見圖4）。

【教師】探究含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化具有十分重要的意義，請(qǐng)談?wù)勀愕目捶ā?/p>

【學(xué)生】空氣中有大量N2，若能將其轉(zhuǎn)化為適合植物吸收的氮的化合物（氮肥），就會(huì)增加糧食產(chǎn)量，滿足人類生存需求。

【教師】有句諺語(yǔ)：“雷雨發(fā)莊稼”，即雷雨天氣后，草木長(zhǎng)得更加茂盛，驗(yàn)證了你的看法。下面一起來(lái)探究這個(gè)過程涉及哪些物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)“氮循環(huán)”情境可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，體驗(yàn)“氮循環(huán)”就在自己身邊，利用“價(jià)一類”引導(dǎo)學(xué)生建立無(wú)機(jī)物學(xué)習(xí)的思路和方法，從N2到HNO3（NO3-鹽）的轉(zhuǎn)化分析，引導(dǎo)學(xué)生從化合價(jià)和物質(zhì)類別兩個(gè)維度對(duì)含氮物質(zhì)進(jìn)行分類，運(yùn)用氧化還原反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)之間的轉(zhuǎn)化[3]。

環(huán)節(jié)二模擬氮循環(huán)

【探究實(shí)驗(yàn)1】數(shù)字化模擬放電條件下N2和O2反應(yīng)[4]。

【學(xué)生】觀察三頸燒瓶中的現(xiàn)象，結(jié)合NO和NO2資料卡判斷紅棕色氣體是NO2。

【教師】N2和O2在放電條件下反應(yīng)產(chǎn)物是NO2嗎？分析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見圖5），放電瞬間，產(chǎn)生大量微粒，O2濃度和氣體壓強(qiáng)都呈增加趨勢(shì)，斷電瞬間微粒相互作用生成新的物質(zhì)，O2濃度和氣體壓強(qiáng)瞬間減小，仔細(xì)觀察斷電后O2濃度進(jìn)一步減小，說明什么？

【學(xué)生】N2和O2放電條件下生成NO。

【教師】N2和O2放電條件下先生成NO再被O2氧化成NO2。

【學(xué)生】書寫相關(guān)化學(xué)方程式。

【教師】雷電天常伴隨降雨，NO2與水是否反應(yīng)？

【學(xué)生】交流討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

【探究實(shí)驗(yàn)2】]NO2與水是否反應(yīng)（見表1）。

【學(xué)生表現(xiàn)】能運(yùn)用所給實(shí)驗(yàn)儀器開展探究活動(dòng)并做好實(shí)驗(yàn)記錄和結(jié)果反饋工作，裝有NO2的輸液袋注入水后，顏色褪去，學(xué)生能判斷出發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，再注入紫色石蕊試液后，能根據(jù)紫色石蕊試液變紅推測(cè)出反應(yīng)產(chǎn)物有硝酸，再注入空氣又變?yōu)闇\紅棕色NO2說明有氣體NO生成（見圖6）。學(xué)生能夠從宏微結(jié)合的角度上收集證據(jù)，分析問題得出結(jié)論。

【探究實(shí)驗(yàn)3】探究氮氧化物充分轉(zhuǎn)化為硝酸（見表2）。

【學(xué)生表現(xiàn)】能從2NO+O2=2NO2和3NO2+H2O=2HNO3+NO兩個(gè)方程式推導(dǎo)出4NO2+O2+2H2O=4HNO3和4NO+3O2+2H2O=4HNO3，結(jié)論是NOx和O2按一定的比例通入水中，能充分轉(zhuǎn)化成硝酸。

【教師】HNO3遇土壤中礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽被植物根系吸收。剛才我們模擬了自然固氮，也就是“雷雨發(fā)莊稼”。但自然固氮，受到條件的限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足糧食對(duì)氮的需求?？茖W(xué)家們投入了大量的精力進(jìn)行研究，以哈伯和博施為代表的科學(xué)家經(jīng)過不懈努力終于將合成氨應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。他們分別獲得了1918年和1931年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

【教師】請(qǐng)大家完善“價(jià)一類”二維圖。

【學(xué)生】展示結(jié)果（見圖7）。

設(shè)計(jì)意圖：從氮?dú)獾胶镔|(zhì)，從認(rèn)識(shí)物質(zhì)到實(shí)現(xiàn)物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，充分運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)策略，設(shè)計(jì)三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析現(xiàn)象并收集證據(jù)。探究實(shí)驗(yàn)一演示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，解決常規(guī)實(shí)驗(yàn)解決不了的問題。探究實(shí)驗(yàn)二和三，創(chuàng)新性地借助輸液袋和注射器在密封體系內(nèi)完成氮氧化物轉(zhuǎn)化為HNO3的綠色化學(xué)設(shè)計(jì)，既提高轉(zhuǎn)化率又避免了可能的污染。整個(gè)過程完整模擬“雷雨發(fā)莊稼”，激發(fā)學(xué)生興趣，訓(xùn)練學(xué)生操作技能，培養(yǎng)學(xué)生探究精神。

【教師】自然界產(chǎn)生少量的氮氧化物最終能夠轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，參與自然界氮循環(huán)。如果任由氮氧化物大量排放會(huì)造成什么后果呢？

【學(xué)生】交流討論：硝酸型酸雨和光化學(xué)煙霧的危害。

【教師】酸雨會(huì)危害人類健康，腐蝕建筑物。機(jī)動(dòng)車排放的尾氣中含有氮氧化物和烴類化合物等多種物質(zhì)，它們?cè)谝欢l件下會(huì)產(chǎn)生有毒的光化學(xué)煙霧。直觀感受一下，疫情防控期間我國(guó)NO2濃度變化（見圖8），封城限制出行后，空氣質(zhì)量得以凈化。

【學(xué)生】那也不能一直限制出行并停工停產(chǎn)。

環(huán)節(jié)三修補(bǔ)氮循環(huán)

【教師】排放大量氮氧化物會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境并危害人類健康，你們有哪些合理方案來(lái)解決這一問題呢？

【學(xué)生】乘坐公交車，少開私家車，綠色出行;使用清潔的能源;將工業(yè)生產(chǎn)中的大量氮氧化物從源頭上進(jìn)行處理從而達(dá)到減排目的。

【教師】請(qǐng)你借助“價(jià)一類”二維圖提出合理的轉(zhuǎn)化途徑，將氮氧化物轉(zhuǎn)化為哪些物質(zhì)來(lái)減少污染。

【學(xué)生】轉(zhuǎn)化途徑有多種，譬如轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈪⑴c氮循環(huán);轉(zhuǎn)化為硝酸鹽用作氮肥或化工產(chǎn)品;轉(zhuǎn)化為硝酸用作重要的化工產(chǎn)品或試劑。

【小結(jié)】本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了自然固氮，通過“價(jià)一類”二維圖學(xué)習(xí)了含氮物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，其中氮的固定具有十分重要的意義，課后同學(xué)們可以繼續(xù)搜集固氮方面的技術(shù)和研究，進(jìn)行交流討論，豐富對(duì)本節(jié)課的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容的體會(huì)。

設(shè)計(jì)意圖：人類過量活動(dòng)會(huì)干預(yù)“氮循環(huán)”，引導(dǎo)學(xué)生利用化學(xué)知識(shí)對(duì)氮氧化物的治理提出合理建議，以主人翁的意識(shí)參與決策，有助于讓學(xué)生體會(huì)建立低碳、綠色生活方式的重要性，體會(huì)化學(xué)源于生活又要服務(wù)好生活，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感，提升學(xué)科素養(yǎng)。

五、教學(xué)反思

科學(xué)探究既能體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的過程與方法，也能呈現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的情感與態(tài)度，可以說是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中極為重要的內(nèi)容。教師要注重對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，以生活為興趣燃點(diǎn)，以問題為探究源頭，以實(shí)踐為探究行徑，以拓展為探究重心，以此增強(qiáng)學(xué)生的探究能力。本節(jié)課以“氮循環(huán)”為主題開展氮氧化物相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，通過實(shí)驗(yàn)探究模擬雷雨發(fā)莊稼過程，整個(gè)教學(xué)實(shí)施中，學(xué)生積極地參與實(shí)驗(yàn)探究、問題討論等活動(dòng)，并在實(shí)驗(yàn)中提出了疑問，在小組討論和教師指導(dǎo)下得以解決，進(jìn)一步提高了學(xué)生科學(xué)探究能力。同時(shí)，借助固氮與修補(bǔ)氮，幫助學(xué)生體會(huì)物質(zhì)性質(zhì)及其變化在促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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*本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)資助課題“基于觀念建構(gòu)的單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：JS/201 81ZX0211-00383）階段性研究成果;宿遷市教育學(xué)會(huì)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“信息化教學(xué)視角下高中化學(xué)智慧課堂構(gòu)建與應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：XHLX2020-071）階段性研究成果。