基于真實問題情境培養化學學科核心素養的課堂研究

朱麗麗

摘要：以“金屬鈉的性質與應用”的教學為例，選擇合適的真實情境，將零散的、無支撐的知識點串聯起來。設置問題情境，激發學生思考的廣度和深度，不斷進行證據推理，達到構建完整的知識體系、建立科學的思維方法及提升能力的目的，實現學生化學學科核心素養的發展。

關鍵詞：真實問題情境;證據推理;化學學科核心素養

文章編號：1008-0546（2021）01-0010-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.003

一、問題的提出

2018年教育部最新發布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》中明確提出五大化學學科核心素養，強調要重視開展“素養為本”的課堂教學。重視創設真實、具體的問題情境，重視課堂中知識與情境的結構化設計，注重轉變學生的化學學習方式，引導學生積極主動開展建構學習、探究學習和問題解決學習，注重化學實驗的綠色化設計，培養學生分析解決問題的能力[1]。如何將這一理念落實到日常教學中？對筆者來說是一個富有挑戰的研究性課題。 本節課選自蘇教版《化學1（必修）》專題二第2單元“鈉、鎂及其化合物”第1課時“金屬鈉的性質與應用”。本課時的主要知識結構關系圖如圖1：

知識內容多而雜，尋找合適、真實、有意義的學習情境，以問題為導向，既能將零散的知識串聯起來，又能激趣和啟思。查閱中國知網中關于本節課的教學情境研究，主要存在以下問題：①以金屬鈉的用途一如金屬鈉用于治療腫瘤;用于冶煉貴金屬鈦;中國首座鈉快中子實驗堆等作為教學情境，雖然吸引了學生注意力，但只是引入新課，學生無法發現或提出有探究價值的化學問題;②以趣味實驗一如滴水燃棉等作為教學情境，雖也讓學生“因境生情”，但缺乏真實性和啟思性，教學過程并不能圍繞教學情境展開;③以鈉起火的事故新聞作為教學情境，放大了負面效果[2];④以鈉一空氣電池作為教學情境[3]，貫穿始終，但已有的教學設計缺乏提問的深度與廣度，并且情境素材若處理不當，很容易超綱，學生探究性趣味不濃。本研究基于真實問題情境，圍繞學科核心素養的發展設計和實施教學，期望在真實情境中發現學科問題，在一步步的“猜想一推理一探究”中促進學科認識和核心觀念的結構化，使學科核心素養開花結果。

二、設計思路

金屬鈉是高中學習的第一種金屬，但之前學習的原子核外電子排布、氯氣的性質以及氧化還原理論均為鈉的學習做了鋪墊。本節課，需要突破的重難點有①Na與O2在不同條件下的反應;②Na與水的反應;③Na202與水、CO2的反應。為了放大圍繞核心知識的真實情境中的學科問題，筆者綜合相關資料，最終選擇用鈉電池作為真實情境，并對信息素材進行符合認知發展的改編。因此，本課時教學主要分四個教學情境：鈉一空氣電池的提出一鈉一空氣電池的放電原理一鈉一空氣電池的工作環境一鈉-CO2電池的工作原理。具體過程：首先，采用對比教學法，對比分析鋰元素與鈉元素的原子結構，理論推理鈉一空氣電池與鋰一空氣電池的放電原理可能存在相似性，從而激發學生主動進行實驗探究。其次，以“鈉一空氣電池工作環境”為真實情境，提出問題一學生猜想一理論與實驗相結合進行證據推理，核心物質一鈉與鈉的氧化物的性質及轉化關系，在探究過程中逐步建立清晰的知識網絡。為突破鈉與水反應的實質，拓展鈉與溶液的反應，深度挖掘教材素材，P15圖1-10，從宏觀與微觀兩個角度研究鈉與硫酸銅溶液的反應，打開知識的深度與廣度。最后，呈現鈉-CO2電池，不僅體現知識的生長性，更體現化學應用之美。整個教學設計圍繞一個真實情境一氣呵成，核心知識更是在學生的頭腦風暴中“呈現”出來，實現了“真實情境一提煉學科問題一證據推理一發展素養”的整體教學設計思路。具體教學流程設計如圖2所示：

三、教學過程

任務一：分析鈉一空氣電池提出的原因

[情境導入]現在應用普及的鋰離子電池大家都很親切，但鋰離子電池要想有大的電容量，其體積和質量都會很大，不便于使用。近幾年科學家提出鋰空氣電池，其放電原理是鋰與氧氣的氧化還原反應。原料來源于空氣，非常好地解決鋰離子電池的問題，但是鋰是稀有金屬，價格較高。如何解決該問題呢？科學家又提出鈉一空氣電池。

[提出問題]科學家為什么能從鋰電池聯想到鈉電池？請從原子結構、制備等角度思考。

[生1]鋰的最外層電子數與鈉相同，化學性質相似。

[生2]鈉比鋰便宜。

[追問]為什么鈉比鋰便宜？

[生3]鈉元素在自然界中的儲量豐富。

[追問]那么鈉元素在自然界中的存在形式如何？制備原料又是什么？

[生4]鈉元素以化合態形式存在。制備原料是NaCl。

[信息展示]每千克海水中氯化鈉的含量。

[追問]如何通過NaCl制取鈉？

[生5]電解熔融NaCl，2NaCl=電解=2Na+Cl2↑。

[小結]由于鈉最外層只有一個電子，容易失去1個電子，具有較強的還原性，很難用還原法制備，常用電解法制備。因此，無論從結構還是制備角度，鈉電池的推廣都具有很高的價值。

設計意圖：通過鈉電池最新科技作為情境素材，內容經過重新設計后呈現給學生合適的刺激性材料信息，這些刺激性材料信息能夠激發學生的好奇心。將書本上“裸露”的知識包裝起來，使知識結合一定的情境材料呈現出來。本次情境使用的目的是讓學生根據鋰的信息，對比鈉的學習，思考更具有方向性，同時，既提升信息提取能力、問題解決能力，又學習到鈉的結構與制備等新知識。

任務二：分析鈉一空氣電池的放電原理

[提出問題]類比鋰一空氣電池，鈉一空氣電池中可能發生的反應是什么？

[材料呈現]鋰一空氣電池放電原理（電池內有催化劑）：4Li+O2=2Li2O

2Li+O2=Li2O2

[猜想]鈉與O2反應產生Na2O、Na2O2

[學生實驗1]探究鈉與氧氣反應

①取鈉：觀察鈉保存環境，用鑷子取出一塊金屬鈉，并用濾紙擦干表面煤油。

②切鈉：在玻璃片上用小刀切鈉，觀察切面光澤、顏色及發生的變化，將剩余鈉放回瓶中。

③燃燒：將干燥的坩堝預熱后，迅速放人綠豆大小的鈉。繼續加熱坩堝待鈉開始燃燒，撤去酒精燈，觀察現象。

[結論]鈉的物理性質有：銀白色固體，質軟，密度比煤油大，熔點比較低。

鈉的化學性質有：與氧氣反應條件不同，產物不同：

4Na+O2=2Na2O（白色）

2Na+O2=點燃=Na2O2（淡黃色）

[緊扣情境]鈉一空氣電池的放電原理（電池內有催化劑）：4Na+O2=2Na2O;2Na+O2=Na2O2

設計意圖：通過對比鋰一空氣電池的放電原理，學生猜想鈉與氧氣反應的產物，主動探究鈉與O2的反應，進而引出鈉的物理性質。整個教學過程學生完成了問題驅動一合理猜想一實驗探究一證據推理一得出結論一系列學習活動，既緊扣教學情境，又圍繞核心知識，激發學生的學習興趣和探究欲望。

任務三：分析鈉一空氣電池的工作環境

[資料呈現]①鈉一空氣電池的工作原理：

②工作環境：鈉附近環境一無水;

氧氣獲得一去掉空氣中的水蒸氣、CO2成分。

[提出問題]請解釋或猜想鈉一空氣電池為什么要處于這樣的工作環境？

[生6]鈉可能與水或CO2反應。

[生7] Na2O可能與水或CO2反應。

[追問]能否從物質類別角度評價你的猜想描述是否合理？

[生8]不合理。Na2O屬于堿性氧化物，能與水反應生成可溶性堿，與酸性氧化物生成鹽。不是可能是一定會反應。

[師點評]沒錯。Na2O+H2O=2NaOH;Na2O+CO2=Na2CO3。由于Na20更具有親水性，因此在水蒸氣和CO2氣氛中，先與水蒸氣反應生成NaOH，NaOH潮解后更容易吸收CO2。

[追問]還有其他合理的猜想嗎？

[生9]Na2O2可能與水或CO2反應。

[師]接下來我們逐一驗證猜想。

子任務1：檢驗鈉與水反應的猜想

[學生實驗2]探究鈉與水的反應

用鑷子取出一塊綠豆大小金屬鈉，用濾紙吸干表面煤油。向一只盛約三分之一水的燒杯中投入鈉。

[觀察視角]鈉在水中的位置、形狀變化。

[實驗現象]①鈉浮在水面上;②熔成銀白色小球;③四處游動;④冒白霧，發出嘶嘶響聲。

[結論]①鈉的密度比水小;②鈉熔點低且反應放熱;③鈉與水反應劇烈，且產生氣體。

[思考]請預測鈉與水反應的產物，說出你的理論依據。

[生10]從物質組成分析，氣體應該是H2或O2，還可能生成NaOH。

[生11]若生成NaOH，氣體應該是H2，不可能是O2。理由①OH-來源于水電離，則H+被Na置換成H2。理由②從氧化還原理論思考，鈉與水反應若生成NaOH，Na元素的化合價升高，必然存在化合價降低的元素，只能生成H2。

[追問]如何設計實驗證明？

[生12]向反應后的溶液中滴加酚酞，若變紅，說明生成堿性物質;用小試管收集反應產生的氣體，用大拇指按住試管口，靠近火焰時，松開大拇指，若試管口產生清脆的爆鳴聲，說明產生H2。

[點評]思路清晰，實驗描述規范。我們只需要檢驗NaOH，理論分析氣體肯定是H2。

[繼續實驗]向反應后的溶液中滴加2滴酚酞。

[實驗現象]溶液變紅。

[結論]鈉與水反應生成堿性物質。

（板演）2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

[小結]鈉與水反應實質是鈉置換水電離的H+。這也解釋了鈉一空氣電池要保持無水環境。

設計意圖：選擇鈉一空氣電池的工作環境作為情境素材，使學生的思辨具有廣度：從反應物和生成物的角度，猜想與水蒸氣或CO2的反應;又有深度：從物質類別角度解釋Na22的化學性質，并思考在水蒸氣和CO2混合氣體中的反應順序。對物質類別與轉化、反應先后順序增強認知。同時，在該教學過程中，學生經歷了分析一猜想、解釋一實驗探究一現象分析一理論分析一再探究一再分析一得出結論的一系列學生活動。在理論分析鈉與水的反應產物時，生生間相互補充觀點，產生了非常良好的互動力。本階段幫助學生建立兩個學習視角：①從物質類別和氧化還原理論分析物質性質;②從宏微結合的視角推理、檢驗物質的性質。

子任務2：基于鈉與水的反應事實，分析鈉與溶液的反應

[提問]鈉與CuSO4溶液又如何反應？

[生13]鈉先與水反應，生成NaOH和H2，NaOH再和CuSO4反應產生Cu（OH）2。（觀點1）

[生14]鈉直接置換出Cu。（觀點2）

[學生活動]板演方程式，用化學方程式表述反應過程。

[師]無法說服對方的觀點時，我們又應該怎么辦？

[異口同聲]實驗。

[學生實驗3]鈉與CuSO4溶液反應

用鑷子取出一小塊綠豆大小的金屬鈉，用濾紙吸干表面煤油。向一只盛約三分之一 CuSO4溶液的燒杯中投入鈉。

[實驗現象]①鈉浮在水面上;②熔成銀白色小球;③四處游動;④冒白霧，發出嘶嘶的響聲;⑤溶液中產生藍色絮狀沉淀。

[提問]實驗現象能證明是哪種觀點？

[異口同聲]觀點1正確。