PBL 和POE 融合下的元素化合物教學(xué)
——以“硝酸與金屬的反應(yīng)”為例

江西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 隆路詩 宋來強(qiáng)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中倡導(dǎo)“素養(yǎng)為本”的有效課堂教學(xué)模式和策略，提倡設(shè)計和開展多種形式的實驗探究活動，有目的、有計劃地引導(dǎo)學(xué)生運用化學(xué)科學(xué)思維方式和方法學(xué)習(xí)化學(xué)知識[1]。 元素化合物作為中學(xué)化學(xué)的核心內(nèi)容， 其教學(xué)著重通過化學(xué)實驗，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運用證據(jù)推理與模型認(rèn)知的思維方式， 使學(xué)生獲得結(jié)構(gòu)化的核心元素化合物知識，提升學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力[2]。 因此，在元素及其化合物教學(xué)設(shè)計和實施中，科學(xué)制定具體可行、基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)策略尤為重要。

一、PBL 教學(xué)方法和POE 教學(xué)策略的意義

PBL 教學(xué)方法（Problem-Based-Learning）是基于問題導(dǎo)向的教學(xué)方法，旨在創(chuàng)設(shè)的情境中提出復(fù)雜、有意義、真實的問題，進(jìn)而尋找證據(jù)進(jìn)行解釋，充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，體現(xiàn)學(xué)生主體性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、解決問題及合作探究的能力[3]。 POE 教學(xué)策略包括三個環(huán)節(jié)：Predict（預(yù)測）、Observe（觀察）、Explain（解釋），旨在使學(xué)生學(xué)會搜集各種證據(jù)，對物質(zhì)的性質(zhì)及其變化做出假設(shè)且能從問題和假設(shè)出發(fā)，設(shè)計相應(yīng)的實驗方案，對實驗信息進(jìn)行加工并獲得結(jié)論，從而強(qiáng)化學(xué)生的證據(jù)推理能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神[4]。

PBL 教學(xué)方法和POE 教學(xué)策略均著重于學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，強(qiáng)調(diào)在多角度、不斷的探究過程中獲取知識，并形成對知識的深度理解，均與元素化合物教學(xué)相契合。 二者相融合，以PBL 方法為驅(qū)動，提出復(fù)雜、有意義、真實的問題作為學(xué)生思維的起點， 充分激發(fā)學(xué)生探索新知的欲望，再以POE 策略為學(xué)習(xí)主線， 引導(dǎo)學(xué)生運用性質(zhì)預(yù)測——實驗觀察——解釋的科學(xué)探究方法逐步解決問題，使學(xué)生積極主動地參與探究知識的過程， 形成科學(xué)的思維方式，促進(jìn)其核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

二、教學(xué)分析

（一）教學(xué)內(nèi)容及學(xué)情

“硝酸與金屬的反應(yīng)”一課位于人教版（2019）化學(xué)教材必修二第五章第二節(jié)“氮及其化合物”，是體現(xiàn)硝酸強(qiáng)氧化性的重要部分。 通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)了解了有關(guān)N2、NO、NO2、NH3、銨鹽的內(nèi)容，初步建構(gòu)了氮元素在不同化合價物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的知識體系； 通過以往內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了實驗室制備氯氣的方法、硫酸的性質(zhì)，知道濃度、溫度對酸的性質(zhì)有影響，已具備氧化性、還原性等知識。 雖然學(xué)生初步具備了分析問題、解決問題和實驗探究的能力，但仍缺乏對證據(jù)的有效使用，很難獨自根據(jù)已有知識對實驗現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋，以致于課堂上的問題無法得到實際意義上的解決。因此，通過真實有效的問題，在預(yù)測、觀察、解釋各個環(huán)節(jié)中不斷引導(dǎo)學(xué)生通過已知進(jìn)行深度思考，實現(xiàn)知識的靈活運用、融會貫通十分重要。

（二）教學(xué)目標(biāo)

1.能從價態(tài)角度合理預(yù)測硝酸的強(qiáng)氧化性及其與銅的反應(yīng)產(chǎn)物，能聯(lián)系已知合理分析處理實驗現(xiàn)象，形成實驗結(jié)論，提升發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力。掌握從問題和假設(shè)出發(fā)進(jìn)行實驗到形成結(jié)論的科學(xué)探究方法，樹立對物質(zhì)性質(zhì)及實驗現(xiàn)象分析推理后，證實或證偽問題的證據(jù)意識。

2.能依據(jù)氧化還原反應(yīng)的原理及實驗事實歸納硝酸的強(qiáng)氧化性、不同濃度的還原產(chǎn)物、與金屬的反應(yīng)模型，提升根據(jù)研究對象的本質(zhì)特征建立模型的能力。

3.能運用硝酸與金屬反應(yīng)模型預(yù)測不同濃度硝酸與鐵的反應(yīng)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。 能從理論角度深入分析實驗異常，敢于提出自己的見解，樹立實事求是的科學(xué)精神。

三、教學(xué)過程

PBL 教學(xué)方法和POE 教學(xué)策略融合教學(xué)的流程以問題為主線，最終目的在于引發(fā)學(xué)生的深度思考（見圖1）。

圖1 PBL 教學(xué)方法和POE 教學(xué)策略融合教學(xué)流程圖

（一）問題——預(yù)測——思考——解釋

教學(xué)初始，教師利用學(xué)生原有認(rèn)知，提出問題：“活潑金屬與酸反應(yīng)制備氫氣，是H+作為氧化劑，而硝酸作為強(qiáng)電解質(zhì)，在水溶液中可完全電離出H+，同樣都是H+，為什么硝酸中的H+沒有氧化金屬產(chǎn)生氫氣呢？ ”學(xué)生做出“或許有氧化性比H+強(qiáng)的物質(zhì)先和金屬反應(yīng)了”的假設(shè)，教師繼續(xù)追問假設(shè)的根據(jù)，逐漸引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到HNO3中N 為+5 價，為N 最高價，氧化性可能強(qiáng)于H，形成初步的解釋。

設(shè)計意圖：利用制備氫氣的離子反應(yīng)實質(zhì)與所需反應(yīng)物之間的矛盾制造認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生對硝酸性質(zhì)的探索欲望。

（二）問題——預(yù)測——觀察——解釋

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，實踐是檢驗真理的唯一途徑。為了避免H+可以氧化金屬的干擾，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計硝酸與H+無法氧化的金屬銅進(jìn)行反應(yīng)，從而驗證解釋。實驗開始前，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的特征，提出問題，驅(qū)動學(xué)生預(yù)測，稀硝酸與銅反應(yīng)可能會生成什么？ 會伴隨著什么現(xiàn)象？ 學(xué)生帶著自己的猜測觀看教師演示實驗，教師將銅絲下端繞成螺旋狀，插入裝有稀硝酸的試管中，無明顯現(xiàn)象。 學(xué)生通過觀察，思考原因，不難得出反應(yīng)或許過慢，加熱再觀察。 加熱后，學(xué)生通過實驗現(xiàn)象以及之前的預(yù)測不難得出產(chǎn)物硝酸銅和一氧化氮。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗事實，進(jìn)行理論解釋：硝酸氧化性比較強(qiáng)，體現(xiàn)在N 元素上，能氧化H 氧化不了的金屬。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從元素價態(tài)的角度分析反應(yīng)的產(chǎn)物，并根據(jù)產(chǎn)物性質(zhì)預(yù)測反應(yīng)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。通過實驗預(yù)測與現(xiàn)象的不符引發(fā)學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)及其現(xiàn)象的全面思考，培養(yǎng)學(xué)生面對意外情況的應(yīng)變能力。 通過稀硝酸與銅的反應(yīng)事實，初步體會硝酸的強(qiáng)氧化性及體現(xiàn)氧化性的元素。

（三）遷移問題——預(yù)測——觀察——解釋

以問題“稀硝酸能與銅反應(yīng)，濃硝酸能與銅反應(yīng)嗎？如果反應(yīng)，相比稀硝酸，反應(yīng)現(xiàn)象會有什么不同？”為引，繼續(xù)驅(qū)動學(xué)生思考，利用知識的遷移，對濃硝酸的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。學(xué)生通過觀察教師演示實驗，得出反應(yīng)后有NO2生成，不是NO，溶液變?yōu)榫G色，與預(yù)測性質(zhì)相比產(chǎn)生很大出入。教師提示學(xué)生回顧學(xué)習(xí)銅在氯氣中燃燒，最后用蒸餾水驗證氯化銅時的現(xiàn)象， 點明藍(lán)色和黃色混合變?yōu)榫G色的事實。 學(xué)生再通過聯(lián)系NO2和水合銅離子的顏色，得出溶液顯綠色的原因。 需要注意的是，關(guān)于濃硝酸與銅反應(yīng)溶液顏色的解釋眾說紛紜，沒有形成統(tǒng)一認(rèn)識，教師從中選取易于理解的解釋用于教學(xué)即可。

設(shè)計意圖：利用學(xué)生慣性思維與實驗現(xiàn)象的不同，引發(fā)認(rèn)知沖突， 突出不同濃度硝酸不僅反應(yīng)劇烈程度不同，還原產(chǎn)物也不同。通過思考遷移將原有認(rèn)知與當(dāng)前認(rèn)知建立聯(lián)系，實現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知的意義建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的思維方式。

（四）總結(jié)問題——解釋——思考

教師結(jié)合上述內(nèi)容歸納出問題，不同濃度硝酸與銅反應(yīng)有什么不同？ 學(xué)生解釋：稀硝酸還原產(chǎn)物是NO，濃硝酸還原產(chǎn)物是NO2，濃硝酸反應(yīng)更劇烈、更容易。 教師繼續(xù)提問，引發(fā)思考，硝酸還可以和哪些金屬反應(yīng)？學(xué)生利用原有知識解決問題， 并得到結(jié)論， 按照金屬活動性順序表，Cu之前的金屬都可以發(fā)生反應(yīng)。

設(shè)計意圖：通過氧化還原反應(yīng)規(guī)律和不同濃度硝酸反應(yīng)事實，延伸為硝酸與金屬的反應(yīng)模型，提升學(xué)生的建模能力。

（五）遷移問題——預(yù)測——觀察——解釋——思考

教師提出：“利用已有結(jié)論，提出新的問題，那鐵和稀、濃硝酸反應(yīng)，分別有什么現(xiàn)象呢？ ”學(xué)生按照思維慣性，預(yù)測鐵和稀硝酸反應(yīng)，會產(chǎn)生無色氣體NO，在空氣中被氧化成紅棕色氣體NO2， 和濃硝酸直接就會產(chǎn)生紅棕色氣體NO2，而溶液不確定，可能是淡綠色的Fe（NO3）2，也有可能是淡黃色的Fe（NO3）3。 教師演示鐵與稀硝酸的反應(yīng)實驗，學(xué)生觀察并發(fā)現(xiàn)下端繞成螺旋狀的鐵絲插入到稀硝酸當(dāng)中，有無色氣體生成，并在試管上端變?yōu)榧t棕色，溶液變黃。教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生解釋該現(xiàn)象，這個反應(yīng)能說明硝酸的哪些性質(zhì)？學(xué)生不難答出，硝酸的氧化性強(qiáng)，可直接將Fe 氧化為Fe3+。

問題再遷移，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)鐵和稀硝酸的反應(yīng)，預(yù)測鐵與濃硝酸反應(yīng)會產(chǎn)生怎樣的現(xiàn)象。 教師可以適時點撥，帶領(lǐng)學(xué)生回憶上一章“硫及其化合物”學(xué)習(xí)時遇到的類似情況，即銅與濃硫酸反應(yīng)可以生成SO2；換成了鐵，卻沒有現(xiàn)象，是因為鐵遇濃硫酸發(fā)生鈍化，瞬間被氧化生成一層致密的氧化物薄膜，阻止鐵與硫酸接觸。 進(jìn)而提出課后思考問題：其實鐵遇濃硝酸也發(fā)生了鈍化，生成了一層氧化物保護(hù)層。 那么如何讓鐵與濃硝酸持續(xù)反應(yīng)？ 利用鐵遇濃硝酸鈍化在生產(chǎn)生活中有什么用呢？

設(shè)計意圖：通過不同濃度硝酸與金屬的反應(yīng)模型及鐵常見的氧化態(tài)推測鐵與不同濃度硝酸的反應(yīng)，鞏固學(xué)生對硝酸性質(zhì)的認(rèn)識，鍛煉學(xué)生的知識遷移能力。 通過鐵與稀硝酸的反應(yīng)事實，突出硝酸氧化性強(qiáng)，一般將金屬氧化為高價態(tài)，完善硝酸與金屬的反應(yīng)模型。 通過鐵和濃硫酸發(fā)生反應(yīng)現(xiàn)象形成認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生在事物本身性質(zhì)和知識理論相結(jié)合的基礎(chǔ)上綜合分析并解決問題，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理意識，樹立探索求知的科學(xué)精神。

四、教學(xué)反思

教師利用“酸與金屬制備氫氣”的問題沖突牽動整節(jié)課，在探究不同濃度硝酸與銅、鐵的反應(yīng)過程中，學(xué)生利用物質(zhì)性質(zhì)及實驗事實尋求理論和實際雙方面證據(jù)，形成并不斷深化對硝酸的認(rèn)識，構(gòu)建不同濃度硝酸與金屬反應(yīng)的思維模型，面對“異?！爆F(xiàn)象敢于提出自己的見解，體會問題發(fā)現(xiàn)——已知推測——實驗探究——形成結(jié)論的科學(xué)研究方式，達(dá)成了科學(xué)探究、證據(jù)推理、模型認(rèn)知等方面的素養(yǎng)要求。

新時代拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)， 需要突破當(dāng)下的應(yīng)試、競賽等常規(guī)方式，加快指向現(xiàn)實情境下問題解決的綜合性課程研發(fā)，建立一套科學(xué)、具體、行之有效的培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)出適應(yīng)新時代發(fā)展要求、 德才兼?zhèn)涞囊慌咚刭|(zhì)人才[5]。在化學(xué)學(xué)科當(dāng)中，元素化合物是體現(xiàn)化學(xué)研究特點的核心內(nèi)容，其內(nèi)容呈現(xiàn)的方式方法不僅直接影響學(xué)生對知識的理解， 更對學(xué)生科學(xué)研究思維的培養(yǎng)至關(guān)重要。 PBL與POE 融合教學(xué)以教材內(nèi)容為基礎(chǔ)， 在真實情境中創(chuàng)設(shè)有效、復(fù)雜的驅(qū)動問題，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動機(jī)的同時， 引導(dǎo)學(xué)生以預(yù)測——觀察——解釋的科學(xué)學(xué)習(xí)方法，環(huán)環(huán)相扣，從而使學(xué)生在深度思考的過程中，完成對知識的理解和認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完善，最終實現(xiàn)關(guān)鍵能力的發(fā)展和素養(yǎng)的提升。