核心素養(yǎng)背景下NO2與H2O反應(yīng)的改進(jìn)探究

蘇 浩 孫 雨

(1.江蘇省宿豫中學(xué);2.江蘇省宿豫中等專業(yè)學(xué)校)

一、研究背景

新課程改革倡導(dǎo)發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),重視開展以素養(yǎng)為本的教學(xué),通過真實問題情境創(chuàng)設(shè),開展以化學(xué)實驗為主的探究活動來促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變?；诖?化學(xué)實驗成為高中化學(xué)教學(xué)提升學(xué)生核心素養(yǎng)的有力抓手,應(yīng)該受到重視,然而由于應(yīng)試教育和升學(xué)壓力的影響,學(xué)校實驗器材及藥品的欠缺,實驗操作的繁瑣與安全性等原因,目前高中化學(xué)實驗教學(xué)往往以視頻播放、知識講授等方式代替,教學(xué)效果大打折扣,學(xué)生核心素養(yǎng)的提升也就受到很大限制。

為落實核心素養(yǎng)的精神,教師有必要對課本的部分實驗進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn),通過改進(jìn)能讓學(xué)生積極參與到實驗中去,從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的安全意識、創(chuàng)新意識、環(huán)保意識,同時增強學(xué)生的實驗?zāi)芰?提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。氮及其化合物作為非金屬元素學(xué)習(xí)的重要組成部分,在教材及考試中有著非常廣泛的研究,深入學(xué)習(xí)氮及其化合物的性質(zhì)不但能讓學(xué)生從多角度認(rèn)識物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,深化對物質(zhì)及其變化多樣性的認(rèn)識,更重要的是在學(xué)習(xí)過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識,提升學(xué)生核心素養(yǎng)。NO2作為氮及其化合物的典型氧化物,其分量不亞于SO2、Cl2等,但教材對NO2的介紹并不多,故學(xué)生對于NO2的認(rèn)識較為膚淺。教材中NO2跟H2O的反應(yīng)是NO2教學(xué)的一個重難點,學(xué)生對反應(yīng)的現(xiàn)象和產(chǎn)物的判斷存在一定的困難,同時教材實驗存在諸多不足之處。因此筆者希望通過改進(jìn)NO2跟水的反應(yīng)的實驗,讓學(xué)生更加深入地研究NO2的性質(zhì)。

二、NO2與H2O反應(yīng)過程中的實驗原理

三、教材中NO2與H2O反應(yīng)

本實驗選自人教版(2019)必修第二冊第五章《氮及其化合物》第二課時《一氧化氮和二氧化氮》P13實驗5-5。

(一)教材實驗步驟

在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO,然后吸入5 mL水,用乳膠管和彈簧夾封住管口,振蕩注射器,觀察現(xiàn)象。打開彈簧夾,快速吸入10 mL空氣后夾上彈簧夾,觀察現(xiàn)象。振蕩注射器,再觀察現(xiàn)象。

(二)教材實驗不足

教材中關(guān)于NO2與H2O反應(yīng)的實驗如圖1所示,不足之處有以下3點。

圖1 教材中NO2與H2O反應(yīng)裝置

1.反應(yīng)現(xiàn)象不明顯,學(xué)生不易觀察得到結(jié)論:由于針筒中NO2含量不多,氣體與水反應(yīng)接觸面較小,反應(yīng)速度緩慢,現(xiàn)象不明顯。

2.裝置容易發(fā)生泄漏,污染環(huán)境:針筒在打開彈簧夾快速吸入空氣的過程中容易泄漏,造成空氣污染和安全問題。

四、NO2與H2O反應(yīng)實驗的改進(jìn)

(一)實驗儀器及用品

(二)實驗裝置

(三)實驗操作

步驟1:首先將充滿紅棕色氣體NO2的三頸燒瓶用橡膠塞密封,固定在鐵架臺鐵夾上,一支注射器充滿水,另一支注射器充滿O2,插入三頸燒瓶兩個橡膠塞,將玻璃導(dǎo)管一端插入橡膠塞,另一端插入燒杯中的水中(滴入1 mL紫色石蕊試液),如圖2所示。

圖2 NO2與H2O反應(yīng)改進(jìn)裝置

步驟2:打開止水夾,將裝有水的注射器中的水一次性注入燒瓶,觀察現(xiàn)象。

步驟3:關(guān)閉止水夾,將裝有氧氣的注射器中的O2往瓶內(nèi)注入少量,觀察現(xiàn)象。

步驟4:搖動燒瓶或放置一段時間,觀察現(xiàn)象。多次注入少量O2后搖動燒瓶,會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?

步驟5:打開止水夾,觀察現(xiàn)象。

(四)實驗現(xiàn)象及結(jié)論

步驟3現(xiàn)象及結(jié)論:通入氧氣之后,瓶內(nèi)無色氣體又變紅棕色。通過這個現(xiàn)象結(jié)合步驟2的剩余氣體的量說明三頸燒瓶中的無色氣體是NO。

步驟4現(xiàn)象及結(jié)論:搖動三頸燒瓶后,紅棕色又變?yōu)闊o色,在不斷通氧氣和搖動燒瓶之后,紅棕色與無色相互轉(zhuǎn)變。

步驟5現(xiàn)象及結(jié)論:會再次形成噴泉,溶液近乎充滿整個三頸燒瓶。通過這個現(xiàn)象,說明NO2近乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)镠NO3。

(五)實驗過程問題設(shè)置

為培養(yǎng)學(xué)生的問題意識,養(yǎng)成獨立思考的能力,并在思考的過程中培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念,提升學(xué)生的核心素養(yǎng),在實驗過程中,筆者設(shè)置以下幾個問題。

在步驟2、3完成之后設(shè)計以下兩個問題:

①對于NO2與H2O的反應(yīng)產(chǎn)物,我們能直接排到空氣中嗎?

②對于NO2與H2O的反應(yīng),氮原子的利用率怎么樣?

以上問題解決之后,筆者再讓學(xué)生認(rèn)真反思自己所做的實驗,并交流討論以下問題。

我們的設(shè)計對工業(yè)生產(chǎn)硝酸有何啟示?

通過這個問題,能讓學(xué)生將理論聯(lián)系實際,將所學(xué)真正應(yīng)用到實際工業(yè)生產(chǎn)中,幫助學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,主動關(guān)心環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)等社會熱點問題,形成可持續(xù)發(fā)展的觀念。

在醫(yī)養(yǎng)結(jié)合養(yǎng)老服務(wù)評價方面：王夢苑等人依據(jù)目前醫(yī)養(yǎng)結(jié)合養(yǎng)老服務(wù)工作的實際開展情況，從投入、產(chǎn)出的維度選取了資源投入（物力、人力）和經(jīng)營效果共計9個指標(biāo)［12］。張艷榮、馬冬梅從老年人主觀評價的角度出發(fā)，從基本需求、經(jīng)濟、心理、社會交往及服務(wù)5個維度進(jìn)行運行效果的評價［13］。胡秀香和梁江云通過構(gòu)建對照組的方式，比較了兩組老年人的生存、睡眠及對護(hù)理服務(wù)的滿意度［14］。酈雨濛等從硬件、運營、安全、人文關(guān)懷和健康5個層面設(shè)計了養(yǎng)老服務(wù)質(zhì)量評價量表［15］。吳炳義等通過就醫(yī)環(huán)境、藥品、醫(yī)務(wù)人員等6個方面對醫(yī)療服務(wù)效果進(jìn)行評價［16］。

(六)實驗創(chuàng)新點與不足之處

1.實驗創(chuàng)新點

①趣味化:用NO2做噴泉實驗,現(xiàn)象明顯、有趣,增強了實驗效果,能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望,可以為接下來學(xué)習(xí)NH3的相關(guān)知識打下良好的基礎(chǔ)。

②綠色化:整個實驗處在密閉體系中,杜絕氣體污染,反應(yīng)過程中能將NO2完全吸收,體現(xiàn)綠色化學(xué)理念,并且原子利用率100%。

③定量化:教材實驗沒有進(jìn)行定量驗證,通過改進(jìn)創(chuàng)新后的實驗可以進(jìn)行定量驗證,確定反應(yīng)產(chǎn)物NO。

2.實驗不足處

①本實驗需要提前制備純凈的NO2裝入三頸燒瓶,需要提前制備純凈的O2裝入針筒,不能實現(xiàn)實驗制備和性質(zhì)探究一體化。

②NO2和H2O反應(yīng)產(chǎn)生NO定量實驗后的后續(xù)產(chǎn)物的處理是本實驗的難點,制備的NO2必須純凈才能保證最終溶液充滿整個三頸燒瓶。由于常規(guī)方法難以制得純凈的NO2,會對實驗產(chǎn)生較大的影響,故在實際實驗過程中,反復(fù)通入O2之后,溶液最終沒有完全充滿三頸燒瓶。若本實驗采用排真空的方法收集NO2,可提高實驗的精確度,但是實驗操作復(fù)雜。

五、實驗教學(xué)效果與評價

通過對NO2與H2O反應(yīng)的實驗改進(jìn),可有效地幫助學(xué)生掌握NO2的性質(zhì),能夠深層次掌握NO2與H2O反應(yīng)產(chǎn)物的判斷以及后續(xù)產(chǎn)物的處理,達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果,同時為后續(xù)NH3的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

①創(chuàng)設(shè)良好實驗情境,激發(fā)學(xué)生探究欲望。相比填鴨式地教學(xué),通過實驗探究的方式學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生探究欲望。

②立足問題情境,引發(fā)學(xué)生深度思維。教學(xué)過程中的問題情境的設(shè)置,能充分調(diào)動學(xué)生的思維,讓學(xué)生樂于思考,敢于思考,在思考中解決問題,加深對知識的理解和內(nèi)化。

②理論聯(lián)系實際,提升學(xué)生核心素養(yǎng)。學(xué)生將本節(jié)課的理論知識聯(lián)系到實際工業(yè)生產(chǎn)中,實現(xiàn)了從化學(xué)走向社會的思路,培養(yǎng)了學(xué)生的社會責(zé)任感。

通過本次實驗改進(jìn)教學(xué),我們意識到了實驗教學(xué)在提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要性,在今后的教學(xué)中,要多關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)和實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng),例如實驗研究的方法、實驗設(shè)計的方法以及實驗創(chuàng)新能力的培養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)化學(xué),并應(yīng)用化學(xué)知識解決實際生活中的問題。學(xué)生在這樣的指導(dǎo)下,學(xué)習(xí)興趣提高,有了明確的任務(wù),受到正確的引導(dǎo),經(jīng)歷了完整的思維過程,歸納整理了系統(tǒng)的學(xué)科知識,有利于學(xué)科觀念的形成,有利于學(xué)生的核心素養(yǎng)提升。

宿遷市教育學(xué)會“十四五”規(guī)劃課題“核心素養(yǎng)背景下培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念的教學(xué)實踐研究”(課題編號為XHLX2021-013)的階段研究成果。