在元素化合物教學中巧用問題情境 培養學生核心素養的教學設計

韋驍珉

【摘 要】本文以“硝酸的性質”為例，論述如何通過巧妙的設計，將宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識等素養融入課堂，以培養學生的化學學科核心素養。

【關鍵詞】高中化學 核心素養 硝酸的性質 實驗探究? 問題情境

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）09B-0098-03

自 20 世紀 90 年代起，教學大綱就提出需要培養學生觀察能力、思考能力和實驗能力的必要性。2013 年，提出培養學生的科學探究能力。2015 年，教育部啟動修訂普通高中課程標準，提出要發展學生核心素養和學科核心素養。此外，國際科學教育課程文獻中也提出學科素養的概念，核心素養和學科能力是國內外共同研究的焦點。

化學學科核心素養包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任五個方面。通過學習硝酸的有關性質，一方面能完善學生元素及其化合物的知識體系，幫助學生逐步掌握學習化學的一些基本方法;另一方面在聯系實際內容的基礎上鞏固氧化還原、離子反應等理論，還能使學生真正認識化學在促進社會發展，改善人類生活條件方面所起的重要作用，也為必修 2 學習物質結構、元素周期律、化學反應與能量等理論知識打下重要的基礎。

一、巧用問題情境融入化學學科素養的元素化合物教學

硝酸是必修 1 最后一個內容。學生已經掌握了酸的通性，并熟悉金屬活動性順序表;學習了氧化還原反應、離子反應等原理;儲備了很多元素化合物性質的感性材料;具備一定的實驗分析能力，可以設計簡單的探究實驗。然而，學生容易誤認為活潑金屬與酸反應的產物一定是氫氣，以及越活潑的金屬與酸反應現象越明顯等。教師可以設計巧妙的問題情境，讓學生多次在“意外”中發現問題，再運用化學基本思想和方法設計實驗方案。

情境一

在本節課中，利用硝酸泄露新聞視頻與新制、久置濃硝酸實物進行對比。學生容易得出久置硝酸發生分解反應。這是自然界物質處于不斷運動與變化狀態的結果，且化學的變化需要一定的條件，加熱就是硝酸分解的條件之一。這也是學科素養“變化觀念與平衡思想”的體現。利用硝酸泄漏事故的情境作為出發點，介紹硝酸的工業用途以及泄露過程中消防員使用氧化鈣處理現場情況。在幫助學生對社會熱點問題作出正確的價值判斷和提高學生的安全意識的同時，融入“科學態度與社會責任”這一素養。

情境二

讓學生在認知沖突中發現硝酸具有強氧化性。學生從酸的通性中歸納出濃硝酸可以使石蕊試劑變紅，但在具體分組實驗中發現是先變紅后變淡。教師創造了這個“突發”的問題情境，并引導學生發現這個有價值的問題。聯系已學的二氧化硫、石墨、新制氯水均具有漂白性類比假設出濃硝酸的漂白原理可能是暫時性漂白，也可能是永久性漂白，具有強氧化性。確定研究目的后，學生根據兩種不同類型的漂白性設計出特定的探究實驗，并從自己設計的實驗中找到答案。這鼓勵學生在探究中學會合作，正視異常現象，敢于提出自己的看法。值得一提的是，在科學探究的過程中，認識角度和認識方式決定學生探究活動的邏輯起點。因此教師在設計探究實驗前并不是突兀地拋出問題，而是從學生已有的“酸的通性”漂白原理總結的角度引導學生探究。探究硝酸氧化性這一部分更是引導學生從分析溶液中存在的離子入手，幫助學生建立思考的邏輯起點。這一環節，從真實問題和假設出發設計對應探究方案，運用化學實驗進行實驗探究能提高學生“科學探究與創新意識”的素養。

情境三

在探究硝酸氧化性本質的過程中，創設新的問題情境：在過量 Cu 與稀硝酸反應結束后的容器中加入稀硫酸，為什么和 Cu 與稀硝酸反應現象一致？從宏觀現象的一致性引導學生推測微觀反應的一致性。無論是何種溶液，均存在氫離子與硝酸根離子。再從量的角度分析 Cu 與稀硝酸反應的離子方程式，學生很快就能發現硫酸的作用是補充氫離子，Cu 和硝酸反應的實質是 Cu 和氫離子與硝酸根共同作用的結果。這個探究過程從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決了實際突發問題，提升學生“宏觀辨識與微觀探析”的素養。

二、教學過程分析

環節一

創設情境：介紹硝酸的工業用途，播放雙遼市那木鄉發生濃硝酸泄露事件。展示剛取出的濃硝酸樣品，打開瓶塞，請學生聞氣味后歸納其物理性質后再展示一瓶久置的濃硝酸樣品。

〖思考 1〗視頻中久置濃硝酸中為什么會出現黃色氣體？

在此環節中，學生大致能根據實物歸納出硝酸的物理性質。而黃色的氣體學生則猜測是硝酸分解產生的。

教師演示：將少量濃硝酸置于試管中加熱，無色濃硝酸變黃色。

〖思考 2〗分解產物是什么？你能設計實驗來證明你的猜想嗎？

學生剛學習過氮的氧化物，故他們可以輕易設計出實驗方案。向久置的濃硝酸試劑瓶中加入少量的水后得到無色溶液即可證明硝酸的分解產物是 NO2 。

〖思考 3〗已知硝酸分解的產物是 NO2，你能利用氧化還原有關知識補充分解方程式嗎？

設計意圖：引導學生從宏觀色彩變化中，將守恒思想與微觀粒子聯系起來，并利用氧化還原理論得出宏觀微觀的橋梁—— 硝酸分解的反應式。在這過程中，學生認識到化學變化的本質是有新物質生成，并伴有能量變化，硝酸受熱分解產生了二氧化氮。

〖思考 4〗影片中的消防員如何處理泄露的硝酸？為什么？

學生很容易從酸的通性得出消防員使用堿石灰處理泄露的硝酸。

探究 1：能否設計實驗證明硝酸具有酸的通性？

學生小組匯報酸的通性可以通過硝酸與堿，金屬氧化物，某些鹽，酸堿指示劑反應等實驗驗證，并開始進行小組實驗。

設計意圖：創設問題情境，在激發學生興趣的同時提升他們的提取信息的能力。從消防員使用堿石灰處理現場，引導學生學習新物質可以從物質的分類角度歸納其通性，并用其簡單的性質鍛煉學生完成簡單實驗設計的能力，也滲透了綠色化學的思想。

環節二

創設問題情境：在小組報告中，一些小組報告將紫色石蕊試液滴入含有濃硝酸的試管中，振蕩，發現溶液顏色先變紅后變淡這“意外”結果。

教師演示：將石蕊試驗溶液放入含有濃硝酸的試管中，稍后稍稍加熱試管。

設計意圖：讓學生在胸有成竹的驗證試驗中得到“出乎意外”的結果，并立即建立基于真實情景的實驗探究活動，以激發學生的學習熱情。

〖思考 1〗在濃硝酸中滴入幾滴石蕊混合后出現褪色現象，從量的角度分析，是誰過量？是誰少量？這一結果可能是由誰造成的？

〖思考 2〗如何設計實驗證明你的猜想？

設計意圖：引導學生從量的角度分析得出褪色的主要原因來自石蕊，學生受到啟發后很容易設計出：（1）向褪色的溶液補充適量硝酸，無明顯變化;（2）將過量的石蕊滴入褪色溶液中，溶液呈紅色。得出結論，濃硝酸能和石蕊反應使其褪色。

〖思考 3〗聯系已學知識，硝酸的漂白原理與什么類似？請設計一個實驗驗證。

設計意圖：學生根據教師引導很容易從漂白的三大類：吸附漂白、化合漂白、強氧化漂白中對比出可能與二氧化硫或次氯酸漂白原理類似。故能設計出加熱無色溶液觀察，紅色是否恢復即可得出結論。該環節巧妙利用了學生的最近發展區，激發學生的求知欲且使得實驗探究更具有針對性和目的性，也為后續重點硝酸的強氧化性的學習做了一個鋪墊。

環節三

教師演示 1：改進實驗裝置，使用注射器和輸液管形成一套密閉的實驗裝置，如圖 1 所示。銅片放置于大管中，少量濃硝酸放置于小管中，輕推輸液管開關，將濃硝酸推至大管，觀察實驗現象。在實驗結束時，剩余的氣體和溶液被排放到含有氫氧化鈉的燒杯中。

〖思考 1〗根據實驗現象，銅和濃硝酸反應的產物是什么？你能否根據氧化還原相關規律，結合實驗現象寫出反應方程式？

教師演示 2：另取一套裝置，如圖 2 所示。將濃硝酸改成稀硝酸。重復上述操作后，推動輸液管開關以保持密閉環境，觀察實驗現象。在學生觀察到藍色溶液上方出現有無色氣體存在后，將液體輸送管輕輕從小管中取出，并將大管支架的活塞拉起來，讓空氣進入，如圖 3。實驗結束后，殘余氣體和溶液排放到含有氫氧化鈉的燒杯中。

〖思考 2〗稀硝酸與 Cu 反應的產物是否仍然是氫氣？請根據實驗現象，寫出銅與稀硝酸反應的方程式。

〖思考 3〗你認為這個實驗的設計有哪些優點？

〖思考 4〗將少量稀硫酸注入該裝置剩余的 Cu 和稀硝酸中，能否發生反應？

設計意圖：在同一套裝置上進行實驗，在 Cu 片過剩裝置中，通過移動注射管添加新的稀硫酸，使其與剩余溶液和 Cu 混合。學生能從“意料之中”的不反應，到“意料之外”的加入稀硫酸后竟然產生了 Cu 與稀硝酸相同的實驗現象，激發學生探究 Cu 與稀硝酸反應的本質的欲望。將剩余的廢液注入盛有氫氧化鈉的燒杯中，向學生滲透綠色化學的思想。

〖思考 5〗請寫出 Cu 與稀硝酸反應中的主要離子和實驗中的離子方程式，并根據實驗現象，推測稀硫酸的作用以及硝酸具有強氧化性的本質原因是什么？

設計意圖：利用相同的實驗現象，引導學生從溶液中存在的離子以及離子反應方程式的角度來看待問題，學生很容易想到反應的原因是氫離子與硝酸根。在等量的銅與稀硝酸的反應中，硝酸提供的氫離子不足以將銅反應完全，故稀硫酸加入后過量的氫離子與剩余的硝酸根可以繼續與銅片反應產生同一現象。

〖思考 6〗你能設計實驗來驗證上述猜想嗎？請分組設計探究硝酸氧化性的實驗。

本班學生探究結果展示：

利用 Y 型管，銅片與稀硫酸在左邊管，酸鉀硝在右邊管，并用橡膠塞塞緊管口。此時無現象，再向左傾斜 Y 型管將硝酸鉀溶液與銅片、稀硫酸混合。此時得到的現象和銅片與稀硫酸反應一致，如圖 4 所示（見上頁）。說明銅與硝酸的反應是氫離子與硝酸根共同作用的結果。

設計意圖：沿著“發現問題—提出假設—實驗探究”這一流程，引導學生從微觀離子角度思考問題，滲透微粒觀的同時激發學生的主觀能動性，突破本節課的重點與難點，升華離子反應的有關內容。

課后探究：

從金屬活動順序表來看，硝酸與 Cu、Al 反應誰更劇烈？請到實驗室完成 Al、Cu 與濃、稀硝酸反應的實驗。然后查閱相關資料，在下一節以小組的形式匯報本組的探究結果。

三、教學反思

（一）巧妙設計問題情境

讓每一次的探究都發生在學生自己“意外”的實驗中，并在教師幫助下，建立正確的認識方式和角度。通過自己的努力完成對“意外”現象的解密，能讓整節課在“發現問題—提出假設—實驗探究—得出結論”流程中將本節課知識串聯成線。

（二）巧妙改進實驗

在硝酸和銅的實驗中，不用教科書的開放實驗，而是用注射器形成了非污染的實驗環境。注射器的使用可以大大減少氧氣的存在，讓 NO 能穩定存在，上拉活塞將空氣注入后可以明顯看到無色變為紅色。這使得原本模糊不清的現象更清晰，幫助學生更接近反應的本質。注射器的輸注管可以提供類止水夾的功能，并且容易形成閉合的系統。反應結束后，將剩余的氣體和溶液注入強鈉試劑中除去，不污染環境，讓這個本來很多教師敬而遠之的實驗變得更安全、更有操控性、更符合綠色化學的要求。

【參考文獻】

[1]王 磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2018

[2]梁東旺，楊 歡.基于化學學科核心素養的《硫和氮的氧化物》第一課時教學設計[J].中學化學教學參考，2018（4）

[3]莊德剛.基于學科觀念構建的元素化合物“硝酸的性質”教學設計[J].中學化學教學參考，2015（9）

[4]王 晶.高中化學教材的研究和編制——人教版高中化學必修模塊教材分析[J].中學化學教學參考，2009（Z1）

（責編 盧建龍）