PBL和POE融合下的元素化合物教學

隆路詩 宋來強

摘要：元素化合物是化學知識的核心部分，同樣也是落實化學學科核心素養(yǎng)的重要知識載體。以硝酸的重要性質(zhì)———與金屬的反應(yīng)為例，呈現(xiàn)以PBL方法為驅(qū)動、POE策略為學習主線的融合教學，深化學生對元素化合物性質(zhì)及相關(guān)理論的思考，培養(yǎng)學生科學探究精神和證據(jù)意識，為高中元素化合物教學提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高中化學；元素化合物；PBL方法；POE策略

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中倡導(dǎo)“素養(yǎng)為本”的有效課堂教學模式和策略，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)學生運用化學科學思維方式和方法學習化學知識[1]。元素化合物作為中學化學的核心內(nèi)容，其教學著重通過化學實驗，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運用證據(jù)推理與模型認知的思維方式，使學生獲得結(jié)構(gòu)化的核心元素化合物知識，提升學生的創(chuàng)新和實踐能力[2]。因此，在元素及其化合物教學設(shè)計和實施中，科學制定具體可行、基于化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的教學策略尤為重要。

一、PBL教學方法和POE教學策略的意義

PBL教學方法（Problem-Based-Learning）是基于問題導(dǎo)向的教學方法，旨在創(chuàng)設(shè)的情境中提出復(fù)雜、有意義、真實的問題，進而尋找證據(jù)進行解釋，充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，體現(xiàn)學生主體性，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、解決問題及合作探究的能力[3]。POE教學策略包括三個環(huán)節(jié)：Predict（預(yù)測）、Observe（觀察）、Explain（解釋），旨在使學生學會搜集各種證據(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，對實驗信息進行加工并獲得結(jié)論，從而強化學生的證據(jù)推理能力，培養(yǎng)學生的科學探究精神[4]。

PBL教學方法和POE教學策略均著重于學生學習的主體性，強調(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、真實的問題作為學生思維的起點，充分激發(fā)學生探索新知的欲望，再以POE策略為學習主線，引導(dǎo)學生運用性質(zhì)預(yù)測———實驗觀察———解釋的科學探究方法逐步解決問題，使學生積極主動地參與探究知識的過程，形成科學的思維方式，促進其核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

二、教學分析

（一）教學內(nèi)容及學情

“硝酸與金屬的反應(yīng)”一課位于人教版（2019）化學教材必修二第五章第二節(jié)“氮及其化合物”，是體現(xiàn)硝酸強氧化性的重要部分。通過本節(jié)內(nèi)容的學習，學生已經(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)容的學習，學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)學生通過已知進行深度思考，實現(xiàn)知識的靈活運用、融會貫通十分重要。

（二）教學目標

1.能從價態(tài)角度合理預(yù)測硝酸的強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)進行實驗到形成結(jié)論的科學探究方法，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精神。

三、教學過程

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

（一）問題———預(yù)測———思考———解釋

教學初始，教師利用學生原有認知，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？”學生做出“或許有氧化性比H+強的物質(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)學生認識到HNO3中N為+5價，為N最高價，氧化性可能強于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知沖突，激發(fā)學生對硝酸性質(zhì)的探索欲望。

（二）問題———預(yù)測———觀察———解釋

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學，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)學生設(shè)計硝酸與H+無法氧化的金屬銅進行反應(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。進而引導(dǎo)學生根據(jù)實驗事實，進行理論解釋：硝酸氧化性比較強，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)學生對化學反應(yīng)及其現(xiàn)象的全面思考，培養(yǎng)學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)動學生思考，利用知識的遷移，對濃硝酸的性質(zhì)進行預(yù)測。學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。教師提示學生回顧學習銅在氯氣中燃燒，最后用蒸餾水驗證氯化銅時的現(xiàn)象，點明藍色和黃色混合變?yōu)榫G色的事實。學生再通過聯(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)一認識，教師從中選取易于理解的解釋用于教學即可。

設(shè)計意圖：利用學生慣性思維與實驗現(xiàn)象的不同，引發(fā)認知沖突，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知與當前認知建立聯(lián)系，實現(xiàn)學生認知的意義建構(gòu)，培養(yǎng)學生證據(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)學生解釋該現(xiàn)象，這個反應(yīng)能說明硝酸的哪些性質(zhì)？學生不難答出，硝酸的氧化性強，可直接將Fe氧化為Fe3+。

問題再遷移，引導(dǎo)學生根據(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)學生回憶上一章“硫及其化合物”學習時遇到的類似情況，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)，鞏固學生對硝酸性質(zhì)的認識，鍛煉學生的知識遷移能力。通過鐵與稀硝酸的反應(yīng)事實，突出硝酸氧化性強，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)象形成認知沖突，引導(dǎo)學生在事物本身性質(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)學生證據(jù)推理意識，樹立探索求知的科學精神。

四、教學反思

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)論的科學研究方式，達成了科學探究、證據(jù)推理、模型認知等方面的素養(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、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]。在化學學科當中，元素化合物是體現(xiàn)化學研究特點的核心內(nèi)容，其內(nèi)容呈現(xiàn)的方式方法不僅直接影響學生對知識的理解，更對學生科學研究思維的培養(yǎng)至關(guān)重要。PBL與POE融合教學以教材內(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)學生學習興趣和動機的同時，引導(dǎo)學生以預(yù)測———觀察———解釋的科學學習方法，環(huán)環(huán)相扣，從而使學生在深度思考的過程中，完成對知識的理解和認知結(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。

參考文獻：

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[4] 胡佳，王祖浩.基于POE教學策略的線上教學設(shè)計：以探究含氯消毒劑的性質(zhì)和應(yīng)用為例[J].中小學數(shù)字化教學，2021（8）.

[5] 蘆詠莉.全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家呼喚新時代人才[J].

中國教育學刊，2022（11）.

見習編輯/張婷婷