指向學科素養培育的高中化學教學實踐研究

華麗芬 周萍

摘要：知識的學習，素養的培育，始終離不開問題的解決，問題解決的過程，就是師生活動開展的過程。以“自然固氮”教學實踐為例，創設連貫性的問題情境，開展多樣化的教學活動，引導學生通過氮循環認識含氮物質，研究自然固氮過程構建含氮物質間的轉化關系，實驗探究體會物質及其轉化的重要價值。

關鍵詞：學科素養;自然固氮;證據推理;模型認知;社會責任

文章編號：1008-0546（2021）02-0025-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.006

高中化學課堂是化學學科核心素養“落地生根”的主陣地，學科知識和活動是素養形成的主要載體和途徑。知識的學習，素養的培育，始終離不開問題的解決。教師可以圍繞教學的關鍵環節，以適切的教學目標為導向，通過創設連貫性的問題情境，開展多樣化的教學活動，充分調動與發揮學生的主觀能動性，引導學生開展問題解決學習，以問題的解決和任務的完成來實現知識的建構和素養的提升。

一、依據課標與學情制定適切的教學目標

氮及其化合物是高中階段學生所學元素化合物知識的重要組成部分，在新課標必修課程主題2“常見的無機物及其應用”中的內容要求為：結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解氮及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響。以“自然固氮”為教學主題學習N2、NO、NO2的性質，引導學生通過氮循環認識含氮物質，研究自然固氮過程構建含氮物質問的轉化關系，通過實驗探究體會物質及其轉化的重要價值。

學生在學習這部分知識前已具備以下能力：用電子式和結構式表征物質的能力，能夠理解結構與性質問的關系;對物質進行分類的能力，能夠從化合價和物質類別的視角認識含氮物質;依據氧化還原反應基本概念與原理，能夠從化合價變化的視角認識含氮物質之間的轉化關系。學生還存在的學習障礙點主要有：NO和NO2不是酸性氧化物，不能完全類比酸性氧化物CO2、SO2和SO3的性質;將價態觀、分類觀、轉化觀應用到具體物質上，預測物質的性質及其轉化關系。

基于以上分析，教師制定如下教學目標：（1）通過對植物缺氮現象的討論以及對氮氣分子結構特點的分析，從宏微結合的視角理解結構與性質之間的關系;（2）通過對自然固氮路徑的分析探索，建立從物質類別和化合價兩個維度研究物質性質及其轉化關系的認知模型;（3）通過對“雷雨發莊稼”原理的實驗探究培養證據意識，掌握N2、NO、NO2的主要性質;（4）通過對自然固氮價值的感悟以及人類活動對氮循環的影響，認識到合理使用含氮物質的必要性和重要性，培養社會責任意識，樹立可持續發展理念。

二、指向學科素養培育的教學實踐

1.聯系生活創設問題情境

學習總是與問題相伴，讓學生在解決真實問題的過程中探究發現物質的性質，進而建立應用性質解決問題的思路方法，是培育學科核心素養的有效途徑。從學生的生活實際發現問題，設計成真實的驅動性問題鏈，以問題貫穿整個教學過程，促使學生在設問和釋問的過程中萌生自主學習的動機和欲望，在分析和解決問題的過程中獲得知識和技能，逐漸形成問題解決能力。在課堂引入環節，教師以連續追問的方式引導學生發現問題：生活中我們經常會購買一些綠植，既能美化環境，又能凈化空氣。但是養了一段時間后，它就變成這樣了（展示葉片枯黃稀疏的一盆綠植），同學們有沒有遇到過類似的情況？（學生紛紛點頭），咨詢了專業人士說是“缺氮”的表現，同學們聽到這個答案有沒有什么疑問？（學生提出空氣里大部分是氮氣，植物為什么還會缺氮），空氣中存在大量游離態的氮，植物為什么難以吸收呢？植物需要的或是能夠吸收的又是哪種氮呢？植物究竟能不能從自然界中吸收氮元素？如果植物不能從自然界中吸收氮元素，有沒有其他途徑解決缺氮問題呢？在教師的啟發下，學生大腦中產生了一系列問題，于是教師將學生的這些問題設計成連貫性的問題鏈（圖1），并且圍繞這些問題開展多樣化的教學活動也是水到渠成的事。

2.核心概念引領知識建構

化學鍵、物質分類和氧化還原既是重要的概念理論知識，也是學生在高中階段形成的認識物質的基本角度。從微觀結構預測、解釋物質的宏觀表現，從元素及元素轉化的角度對物質進行分類，從核心元素價態轉換的角度認識物質性質及反應，從轉化的角度認識物質性質在解決實際問題中的重要作用，在微粒觀、分類觀、價態觀、轉化觀等核心概念的引領下幫助學生建構結構化的化學知識，是發展學生核心素養的途徑之一。

在教師的引導下，學生先由生活中常見的宏觀現象進而深入探析微觀本質：氮原子之間存在著氮氮三鍵，通過共價鍵的鍵能這一數據素材（表1）進一步證實了氮氮三鍵的穩定性。再從微觀本質解釋宏觀現象：氮氣化學性質很不活潑，植物難以直接吸收所以會有葉片發黃、生長稀疏等“缺氮”現象。宏觀與微觀相互聯系是化學學科的最大特征，本環節著重培養學生從宏觀一微觀一宏微結合的科學思維與學習方法，形成“結構決定性質”的學科觀念。

游離態的氮植物難以吸收，那么植物能夠吸收的又是哪種氮呢？接著教師展示了與學生的生活密切相關的氮循環示意圖（圖2），通過對氮循環的分析，學生知道了植物只能吸收化合態的氮然后制造植物蛋白。氮循環示意圖中涉及較多的含氮物質，將其中的無機含氮物質按照一定規律進行分類有利于進一步研究物質性質及其轉化關系，所以教師給學生提供了一組氮循環中的無機含氮物質卡片將學生思維外顯，通過將卡片按照一定規律擺放的互動環節來引導學生從物質所含核心元素的化合價和物質類別兩個重要角度來研究物質性質，“價一類”二維圖是核心概念引領下將元素化合物知識結構化的重要認知模型。

在學生對自然固氮的概念和主要方式有一定的了解之后，教師繼續引導學生思考農業諺語“種豆肥田”和“雷雨發莊稼”蘊含的含氮物質之間的轉化關系，前者指向生物固氮，后者指向高能固氮，通過兩種自然固氮方式，性質不活潑的氮氣轉化為含氮化合物參與氮循環，是植物獲得生長所需養分的重要方式。在本環節學生側重對“雷雨發莊稼”中含氮物質轉化關系的探索，預測從氮氣到硝酸鹽的轉化途徑。這種教學方式以“物質轉化”為任務驅動，對學生有一定挑戰，教師在此過程中可以這樣引導學生：在雷電和雨水的共同作用下，氮氣最終轉化為硝酸鹽，硝酸鹽可以通過硝酸與堿性物質或是地表礦物質反應生成，那么氮氣轉化為硝酸的途徑中還需要哪類物質的參與？基于已有知識和經驗，學生能夠類比C→CO2→H2CO3、S→SO2→SO3→H2SO4的轉化關系，提出N2-NXOy-HNO3的轉化途徑，這樣將問題解決的重心聚焦到氮氧化物上來。隨后學生進一步提出了三種可能路徑：①N2→NO→HNO3、②N2→NO2→HNO3、③N2→NO→NO2→HNO3。在教師播放N2與O2放電條件下反應的實驗視頻后，學生依據實驗中有紅棕色氣體生成，判斷最后氣體中一定有NO2，可以排除途徑①，根據資料卡（423K時NO2會分解為NO和O2）可判斷高能固氮生成的是NO，最終確定途徑③。N2→NO→NO2是氮元素化合價逐漸上升、被氧化的過程，學生能夠根據氧化還原反應原理書寫相關化學方程式。在NO2→HNO3的轉化過程中，部分學生容易受“酸性氧化物與水化合成酸”的前概念影響，認為NO2與水也發生了化合反應生成HNO3，但從氧化還原反應的原理來分析，氮元素價態上升了，必定還要有物質的化合價下降，所以產物不止HNO3一種，可能還生成NO或是N2。當學生的認知產生沖突時，教師指導學生通過實驗收集證據以便獲得真實、合理的結論。

3.實驗探究培養科學態度

化學課堂不僅要教學生知識，還要教學生學科方法，化學學科是以實驗為基礎的，探究實驗不僅有利于激發學生學習化學的興趣、幫助學生理解和掌握化學知識和基本技能，也有利于培養學生安全意識與嚴謹踏實的科學態度。由于氮氧化物對空氣的污染性，教師在設計實驗時選用微型裝置，一支10mL注射器里預先收集6mL NO2，另一支5mL注射器里預裝2mLH2O（加入1滴石蕊試液），實驗過程中學生通過旋轉三通閥和推拉注射器就能清晰直觀地觀察到實驗現象（圖3及表2）。

在實驗過程中，學生觀察到NO2遇水后，紫色石蕊試液變紅的同時有無色氣體生成，而且無色氣體的體積約為2mL，在無色氣體中通入空氣后又變成了紅棕色。學生通過實驗獲得物質轉化的證據（定性和定量），經過推理論證得出最終結論，完善了“價一類”二維圖中的轉化關系（圖4）。

4.問題解決踐行社會責任

通常情況，得出結論后實驗探究到此結束，實驗儀器也就擱置一邊了，但此時教師還要拿注射器內的氮氧化物繼續“做文章”，可以這樣引導學生：（師）自然界中NO-NO2-HNO3之間的轉化關系可以使植物獲取少量含氮化合物作為養分，但是受到天氣制約，植物還是會有缺氮情況，如何解決這個問題？（生）可以模擬自然界中氮氧化物間的轉化關系，工業生產HO3。（師）工業生產中如何使NO2盡可能多地轉化為HNO3？（生）N02與H2O反應后生成的NO繼續和O2反應，將生成的N02再通入水中制HNO3，多次循環反應。（師）沒能完全轉化的氮氧化物如何處理？（生）用堿液吸收。（師）注射器里的氮氧化物如何處理？

在教師引導下學生利用所學知識進行注射器內氮氧化物的后續處理實驗，在此過程中不僅充分利用了實驗器材，給學生充裕的時間進行實驗探究，也培養學生從自身做起、從日常小事做起，形成節約資源、愛護環境的意識。

僅靠自然固氮遠遠不能滿足農業生產對氮元素的需要，化學家們通過化學反應制得了植物可吸收的含氮化合物，提高了農作物的產量。但人工化肥的大量生產和使用也帶來了大氣、水質、土壤污染等生態環境問題。二十世紀六十年代開始，科學家發現一些金屬有機化合物能起到根瘤菌中固氮酶的作用，為此科學家們建立了化學模擬生物固氮模型，嘗試在實驗室中利用這些金屬有機物作催化劑實現常溫常壓下固氮。學生分析化學模擬生物固氮模型建立的實質還是圍繞氮氮三鍵，整堂課首尾呼應，從自然界中的氮循環走向有關含氮物質的學習，最后引導學生利用所學知識走向生產實際，思考和解決人類生存環境問題，從而樹立可持續發展理念。

三、實踐感悟

元素化合物模塊的知識內容在以往的教學中教師大多采用課堂講述、知識歸類、習題鞏固等傳統方式傳遞給學生滿滿的“干貨”，老師是一腔熱忱，學生卻普遍感覺元素化合物內容太瑣碎、記不住，難以掌握。高一是化學學習方法形成和學習方式轉變最為關鍵的一年，不論對高二確定選擇參加等級考還是合格考的學生來說，都是核心素養培育至關重要的一年。所以，在高一的日常教學中，教師在進行教學設計時尤其要關注兩個問題：一是要讓學生“知其所以然”，即在活動中完成知識的自主建構;二是要讓學生“學有所用”，即在問題解決中體會學科價值。本節課首先通過生活中綠植缺氮這一常見現象作為課堂引入，創設真實情境引導學生深入微觀結構來解釋宏觀現象，側重“宏觀辨識與微觀探析”素養的培育;接著通過氮循環示意圖認識含氮物質，從化合價和物質類別兩個維度建立物質轉化的認知模型，運用“價一類”二維圖構建物質轉化的思維路徑，設計微型實驗尋找物質轉化的實證，側重“證據推理與模型認知”素養的培育;然后挖掘氮氧化物轉化關系在硝酸工業中的應用價值，探討硝酸工業尾氣的處理方案，最后通過化學模擬生物固氮研究的介紹，感悟自然固氮的價值以及未來科學研究的方向，側重“科學態度與社會責任”素養的培育。