促進學科思維建構(gòu)的元素化合物教學

劉瑩 黃國年

摘要：學科思維是基于學科知識，又高于知識的思維形式。中學化學元素化合物的教學是形成學科思維的重要領(lǐng)域。深入挖掘硝酸物理性質(zhì)、硝酸不穩(wěn)定性和強氧化性等化學性質(zhì)中包含的知識內(nèi)容，通過微觀想象、聯(lián)想對比、設(shè)計驗證等學習手段，強化學生學科思維訓(xùn)練，為深入領(lǐng)會化學原理知識、形成知識體系和促進后續(xù)學習提供強有力支持。

關(guān)鍵詞：化學教學；硝酸性質(zhì)；學科思維；教學設(shè)計

文章編號：1008-0546（2022）01-0043-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.010

一、引言

科學技術(shù)日新月異，新領(lǐng)域不斷開拓，新知識不斷涌現(xiàn)。如果將化學知識一一羅列，都讓學生學習的話，一來是內(nèi)容不斷推陳出新，學完不現(xiàn)實；二來是并不是所有知識都有學習的必要，要學有價值的。目前，很多學生常掛口頭上的“刷題”，隱喻著知識（題目）有限性，認為全覆蓋、快速地訓(xùn)練解題是學習有效途徑。事實上，這種刷題的學習方式不僅是低效的，而且對學生身心也是有損害的。元素性質(zhì)紛繁復(fù)雜，學習過程容易產(chǎn)生知識零散、雜亂不易記憶的困難，但門捷列夫?qū)⒃卦舆M行排序、比較、歸類，從連續(xù)的元素性質(zhì)中抽象出內(nèi)在規(guī)律性，站在新的層面上對元素原子進行審視，提出元素周期律。有了元素周期律，眾多的元素的一些性質(zhì)就一覽無余，整個化學世界一下子清楚了很多。我們的課堂教學，要從將化學知識進行前后聯(lián)系，提煉出規(guī)律，形成學科思維，在學科思維的形成與運用中建構(gòu)化學體系。

二、教學思想

“硝酸的性質(zhì)”是人教新版第五章“化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素”中的重要組成部分。學習該內(nèi)容前，學生已經(jīng)了解硫元素相關(guān)知識，同時在氮及其化合物中也積累了大量元素化合物知識。由于知識點多，內(nèi)容繁雜，部分學生無法厘清頭緒，顯現(xiàn)畏難情緒。針對這種苗頭，我們認為不應(yīng)該再基于知識講知識，而應(yīng)從知識中跳出來，用學科思維統(tǒng)領(lǐng)硝酸性質(zhì)的學習。數(shù)學特級教師孫維剛認為：教學過程要“八方聯(lián)系，渾然一體，漫江碧透，魚翔淺底”。在硝酸性質(zhì)的教學過程中，努力在不同的知識之間尋找共同點，在相似的知識點中尋找不同點，在不斷比較概括中，逐漸提升到學科思維，形成知識體系。通過不斷地學科思維訓(xùn)練，再俯看點滴知識時，就能達到“漫江碧透，魚翔淺底”。

化學學科思維是基于學科知識，從學科知識中歸納、總結(jié)出來的，能夠統(tǒng)領(lǐng)知識學習的思維方式。同時，學科思維也是化學觀念形成的具體化，學科思維通過進一步提煉、升華?；瘜W學科思維主要有微宏結(jié)合、原子守恒、有序排列、能量最低、模型想象等。在日常教學中，我們要注重從學科知識到學科思維的提煉，最終為學生形成學科觀念。

三、教學過程

環(huán)節(jié)一：硝酸的物理性質(zhì)

1.內(nèi)容分析

硝酸是化工生產(chǎn)中極重要的一種強酸，物理性質(zhì)與另一種剛學過的強酸——濃硫酸相差較大。常溫下，濃硫酸是無色黏稠，密度相對較大的液體；濃硝酸往往略帶淺黃色，易揮發(fā)的液體。不同點：濃硫酸無色黏稠，濃硝酸則顯淺黃色不黏稠；濃硫酸不易揮發(fā)，但濃硝酸易揮發(fā)形成白霧，這又與濃鹽酸類似。濃硫酸黏稠而濃硝酸易揮發(fā)，其本質(zhì)是分子間作用力，主要是濃硫酸易形成分子間氫鍵，分子間作用力增加，所以黏稠；濃硝酸易形成分子內(nèi)作用力，分子間作用力減少，所以易揮發(fā)。由于學生對氫鍵沒有概念，所以這個過程通過學生近距離觀察實驗，通過科學想象、實物類比進行建構(gòu)。

2.教學過程

【課前準備】每兩位學生提供一塊蓋有玻璃片的點滴板，每塊點滴板上滴加一滴濃硫酸和濃硝酸。

【提出任務(wù)】同學們，你們面前的點滴板里分別滴了少量濃硫酸和濃硝酸，請大家打開玻璃，觀察一下兩滴液體，分辨一下哪個是濃硫酸，哪個是濃硝酸？注意：濃硫酸和濃硝酸都是有強烈腐蝕性的，不可用手去觸摸。

【學生1】打開后，冒白煙的是濃硝酸，無明顯變化的是濃硫酸。因為濃硫酸不易揮發(fā)。

評析：雖然不熟悉濃硝酸的性質(zhì)，學生根據(jù)濃硫酸的不揮發(fā)性，推斷產(chǎn)生白霧的是濃硝酸，不揮發(fā)的是濃硫酸。教師注意糾正不是“白煙”，是“白霧”。

【學生2】用玻璃棒碰一碰液體，黏稠的是濃硫酸。

【引導(dǎo)】對于點滴板上的兩滴液體，我們通過觀察發(fā)現(xiàn)兩種酸的不同點在于揮發(fā)性和黏稠性。為什么濃硫酸和濃硝酸的物理性質(zhì)相差這么大？我們能否從分子視角來解釋一下呢？

【師生合作】根據(jù)我們?nèi)粘Ｉ钪星鷦e針的類比，一般的分子可簡化為線型分子。根據(jù)濃硫酸的宏觀黏性，可以想象硫酸分子就像一個個聯(lián)在一起的曲別針，分子間的作用力相對線型分子更大；硝酸分子就像是一個個孤立的曲別針，分子間作用力相對線型分子更小。

3.教學評析

宏微結(jié)合、類比想象是化學學科的重要學科思維。對于化學物質(zhì)物理性質(zhì)的學習，教師通常以觀察結(jié)合講授的方式進行。由于教師缺乏學科思維的意識，在對物理性質(zhì)的學習時，往往未能挖掘物理性質(zhì)中蘊含的學科思維。如果缺乏化學學科思維意識，學生看問題、分析問題、找對策就會浮于表面無法抓住本質(zhì)。本課中，化學往往以觀察為起點，讓學生近距離觀察、對比，從而歸納出硝酸物理性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學生透過宏觀現(xiàn)象，如揮發(fā)性，深入到微觀分子領(lǐng)域進行解釋。此刻學生理解仍有難度，教師借助“曲別針”模型，借助類比遷移思維，到此，學生通過學科思維的運用，學生基本能夠從化學視角來審視硝酸的物理性質(zhì)。

環(huán)節(jié)二：硝酸的不穩(wěn)定性

1.內(nèi)容分析

硝酸的一個重要性質(zhì)是不穩(wěn)定性，在加熱或光照時易分解。從能量觀來看，就是硝酸分子本身蘊含能量較高。濃硝酸在一定條件下可以分解生成二氧化氮、氧氣和水，聯(lián)系到前面學的內(nèi)容，二氧化氮、氧氣和水又可以化合為硝酸。對比分析，主要在于反應(yīng)物與生成物濃度的大小和反應(yīng)的條件。為此，在長久保存硝酸，最好要避光、濃度不應(yīng)過大，存放陰涼處。

2.教學環(huán)節(jié)

【引入】這是我剛從實驗室取過來裝濃硝酸的瓶子?？吹竭@個瓶子，你獲得哪些信息？

【學生】濃硝酸裝在棕色瓶中，說明易見光分解。

【引導(dǎo)】濃硝酸在光照或加熱的情況下確實會分解。我們來做個實驗，請大家觀察產(chǎn)生了什么物質(zhì)，然后根據(jù)實驗現(xiàn)象寫出化學方程式。

【演示實驗】如圖1，在燒瓶中加入玻璃棉，加熱后用分液漏斗滴入濃硝酸[1]。

【教師】大量紅棕色的氣體是二氧化氮，那么，除了二氧化氮外，還有什么物質(zhì)生成呢？請大家運用我們學過的哪些思維來推斷。

【學生】這個反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，可以根據(jù)化合價升降來推斷產(chǎn)物。

【總結(jié)】我們根據(jù)得失電子守恒和元素原子守恒可推知，硝酸光照或加熱可以生成二氧化氮、氧氣和水。

【過渡】觀察這個方程式，借助前面的所學知識，二氧化氮、水和氧氣也能化合生成硝酸。那什么時候硝酸分解？什么時候化合呢？

【師生合作】當硝酸保持一定濃度（控制變量）溫度較高時，硝酸以分解為主，化合為次；溫度較低時，以化合為主，分解為次。

【總結(jié)】分析可知，生成硝酸和硝酸分解，溫度很重要。所以為了長時間保存濃硝酸，應(yīng)選擇在棕色瓶中，并置于陰涼處。

3.教學評析

濃硝酸的不穩(wěn)定性是硝酸的重要性質(zhì)。在教學過程中，通過學生觀察實驗，是化學學科實證思維的體現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，運用元素守恒、電子守恒等學科思維，將化學方程式進行書寫完善。教學過程并未到此為止，而是運用逆向思維和元素原子守恒，得出二氧化氮、氧氣與水常溫時還能化合成硝酸，與前面二氧化氮的性質(zhì)進行聯(lián)系。通過兩個方程式符號表征上的對比分析，認為保持硝酸一定濃度時，溫度改變是影響的重要因素。這些過程加深了可逆反應(yīng)概念的認識，也為化學反應(yīng)的限度提供了事實支撐。

環(huán)節(jié)三：硝酸的強氧化性

1.內(nèi)容分析

硝酸最顯著的化學性質(zhì)是強氧化性。根據(jù)氧化還原思維，濃硝酸可將紅熱的碳發(fā)生氧化生成二氧化碳，自身還原為二氧化氮。碳與濃硝酸反應(yīng)時，回顧濃硝酸的分解，并引導(dǎo)兩個方程式進行對比分析，找出異同，從而對兩反應(yīng)在進一步意義上建構(gòu)。硝酸的強氧化性還體現(xiàn)在與銅片反應(yīng)上，寫出化學方程式后，改寫成離子方程式，并從離子角度對該反應(yīng)進行建構(gòu)，通過設(shè)計實驗進行驗證。

2.教學環(huán)節(jié)

碳與濃硝酸反應(yīng)和濃硝酸的分解，這兩個反應(yīng)有什么內(nèi)在關(guān)系么？（提示：可將碳與濃硝酸中的碳元素擋一擋）。

【學生】碳與濃硝酸反應(yīng)，可以看作濃硝酸先分解，其分解的氧氣再與單質(zhì)碳反應(yīng)。

【教師】我們能否再從能量角度來看一看，猜想下碳與濃硝酸反應(yīng)的能量變化，是不是和濃硝酸的分解所需要的能量，碳與氧氣反應(yīng)放出的能量之和？這里面的關(guān)系，值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

【教師】除了金和鉑外，硝酸氧化絕大多數(shù)的金屬。請大家運用氧化還原反應(yīng)原理來嘗試書寫銅與濃硝酸、稀硝酸的方程式，并預(yù)測實驗現(xiàn)象。

【學生】書寫并校對。

【教師】根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理寫出了方程式。下面我們通過實驗看看反應(yīng)式是否正確？請用膠頭滴管吸一小滴濃硝酸和稀硝酸分別滴在銅板上觀察實驗現(xiàn)象，要特別注意產(chǎn)生氣體的顏色。

【過渡】過量的銅與稀硝酸反應(yīng)后，如果加入稀鹽酸，能否繼續(xù)反應(yīng)？

【學生討論】不會。

【教師】在剛才銅板與稀硝酸反應(yīng)后的溶液中，滴加稀鹽酸，觀察反應(yīng)能否繼續(xù)？

【實驗】竟然還能繼續(xù)反應(yīng)，且生成無色氣體。

【教師啟發(fā)】硝酸是強電解質(zhì)，在溶液中完全電離。在過量銅與硝酸反應(yīng)后的溶液中，氫離子消耗貽盡。當我們加入稀鹽酸時，本質(zhì)是加入氫離子，根據(jù)離子方程式可知，銅就能與氫離子、硝酸根離子繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。我們原來判斷不能反應(yīng)，其錯誤的原因在哪兒？

【學生】未能認識到溶液中的反應(yīng)其實是離子的反應(yīng)。

【教師】剛才我們進行了銅與濃硝酸、稀硝酸的反應(yīng)，雖然量比較少，但確實放出了有害氣體。大家能否設(shè)計實驗，防止這些反應(yīng)不對環(huán)境造成危害？

【學生】（略）

3.教學評析

由于碳與濃硫酸反應(yīng)學生已經(jīng)學過，通過濃硫酸和濃硝酸強氧化性的相似點，學生不難寫出碳與濃硝酸反應(yīng)的方程式。在此基礎(chǔ)上，教師將濃硝酸的分解與該反應(yīng)式進行比較，不僅加深了兩個反應(yīng)的認識，而且為后續(xù)蓋斯定律的學習埋下伏筆。銅與濃硝酸、稀硝酸反應(yīng)的學習時，通過學生親自進行實驗，且是微量的濃硝酸和稀硝酸，不僅能讓學生近距離觀察到實驗現(xiàn)象，而且也能直接聞到產(chǎn)生的微量NO和NO2，印象更加深刻，這又為后續(xù)設(shè)計銅與硝酸反應(yīng)的綠色實驗設(shè)計，保護環(huán)境提供了現(xiàn)實原因。為培訓(xùn)學生溶液反應(yīng)中微粒（離子）觀，教師提出問題引發(fā)學生提出假設(shè)，支持學生實驗引發(fā)認知沖突，通過離子反應(yīng)方程式來進行解釋，引導(dǎo)學生要見宏知微，不能僅盯著宏觀物質(zhì)，要有化學思維。

三、后記

元素化學蘊含著豐富的知識、技能和學科思想方法，以及化學基本觀念等教育價值[2]。元素化合物知識的教學，是形成有序的思維線索和結(jié)構(gòu)化的知識體系相輔相承的過程。在傳統(tǒng)的教學中，我們注重知識的傳授，對學科思維的培養(yǎng)不夠重視。或許很多年后，大部分化學知識都會遺忘，但看世界的化學視角卻由于化學思維的訓(xùn)練而根植于學生體內(nèi)?；趯W科思維的元素化合物教學，要求化學教師要站在更高的層面上審視化學知識，不斷歸納總結(jié)，比較分析，不僅為反應(yīng)原理教學預(yù)留接口，也為挖掘?qū)W科思維提供方向。我們相信，當學科思維系統(tǒng)化、有序化后，化學觀念就會逐漸形成，這對于提升學生生活水平和未來可持續(xù)發(fā)展都是大有裨益的。

參考文獻

[1]付小勤.用“情境—問題—啟發(fā)—討論—探究”式教學方法設(shè)計硝酸的性質(zhì)教學[J].新課程研究，2011（7）：28-30.

[2]宋心琦.課程標準高中化學（必修）元素化學教學之我見[J].中學化學教學參考，2011（6）：3-6.