促進教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的化學(xué)教學(xué)

王星喬 滕瑛巧 包朝龍

摘要：依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)“教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化”的要求，以“基于知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化”“基于認識思路的結(jié)構(gòu)化”“基于核心觀念的結(jié)構(gòu)化”等內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的三種主要形式為切入點，以“搭建鈉橋結(jié)構(gòu)、鋪墊知識關(guān)聯(lián)，運用POE策略、明晰認識思路，強化性構(gòu)相依、揭示核心觀念，解決實際問題、構(gòu)建認識模型”為教學(xué)主線，設(shè)計了“活波的金屬單質(zhì)——鈉”一課，實現(xiàn)從“雙基”教學(xué)到“素養(yǎng)為本”教學(xué)的變遷。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化;金屬鈉;POE策略;認識模型

文章編號：1008-0546（2021）03-0063-05 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.015

一、教學(xué)內(nèi)容及現(xiàn)狀分析

本課時是人教版新教材（2019年版）第一冊“鈉及其化合物”第1課時新授課。本課時主要內(nèi)容包括鈉單質(zhì)與非金屬單質(zhì)及水的反應(yīng)[1]。在這之前，教材已經(jīng)安排學(xué)習(xí)了物質(zhì)分類、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等核心概念與理論知識。金屬鈉的學(xué)習(xí)既可以為前面所學(xué)習(xí)的物質(zhì)分類、化學(xué)反應(yīng)的分類補充豐富的感性認識材料，又可以為后面繼續(xù)學(xué)習(xí)其他元素及其化合物、建構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和元素周期律等理論知識打下基礎(chǔ)。教材在編寫本課題時注重引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)研究思路和方法。例如，鈉與水的反應(yīng)，教材將其設(shè)計成探究性實驗，要求學(xué)生從物質(zhì)組成、元素價態(tài)的角度對金屬鈉的性質(zhì)作出推斷和預(yù)測，然后進行實驗探究，對實驗現(xiàn)象進行記錄、分析與解釋，最后得出結(jié)論。因此，教材以金屬鈉為載體，致力于建構(gòu)元素及化合物的認識模型，有利于認識思路的結(jié)構(gòu)化，為后續(xù)其他元素化合物內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

經(jīng)文獻檢索，張迎霞運用建構(gòu)主義理論和知識邏輯、研究物質(zhì)的方法兩條主線進行“金屬鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計[2];成際寶、高翔以“金屬鈉的性質(zhì)及應(yīng)用”為例，闡述了如何運用思維導(dǎo)圖提升學(xué)生的核心素養(yǎng)[3];劉文兵著重從培養(yǎng)學(xué)生風(fēng)險認知和決策能力角度設(shè)計了本節(jié)課[4];張玉娟[5]、王保強[6]則以鈉電池作為情境載體，通過問題的分析與解決完成相關(guān)知識的學(xué)習(xí)與理解，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。綜上，已有文章從不同視角開展素養(yǎng)為本的教學(xué)，但尚未發(fā)現(xiàn)以“教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化”為視角的“活潑的金屬單質(zhì)——鈉”相關(guān)教學(xué)設(shè)計。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的組織，應(yīng)有利于促進學(xué)生從化學(xué)學(xué)科知識向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化，而內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化則是實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。“基于知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化”“基于認識思路的結(jié)構(gòu)化”“基于核心觀念的結(jié)構(gòu)化”是內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的三種主要形式[7]。

1.基于知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化

與“知識散點化”“知識碎片化”不同，基于知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化是按照化學(xué)知識的內(nèi)在邏輯關(guān)系構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，將零散、孤立的知識織成相互聯(lián)系的一個整體，進而形成良好的知識結(jié)構(gòu)。高中階段常見的鈉及其重要化合物有Na、Na2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3等，本節(jié)課利用“橋”的模型結(jié)構(gòu)，依據(jù)鈉與重要化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系，按照“由點引線，由線連網(wǎng)”的方式搭建鈉橋（見圖1），促進知識結(jié)構(gòu)化，有利于知識的提取與遷移。

2.基于認識思路的結(jié)構(gòu)化

基于認識思路的結(jié)構(gòu)化是從學(xué)科本原對物質(zhì)及其變化認識過程的一種概括。知識只有變?yōu)樽杂X主動的認識角度和認識思路才能轉(zhuǎn)化為學(xué)科能力和學(xué)科素養(yǎng)。因此，元素化合物的新課教學(xué)不能停留在介紹代表物性質(zhì)的描述說明水平。相反，通過新授課的學(xué)習(xí)使學(xué)生初步形成基于物質(zhì)類別、元素價態(tài)的認識角度，能依據(jù)認識角度預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)。本節(jié)課通過精心設(shè)計的學(xué)習(xí)活動任務(wù)，運用POE教學(xué)策略[預(yù)測（P）-觀察（O）-解釋（E）][8]，幫助學(xué)生逐漸建立認識角度，形成特定認識角度的認識思路。

3.基于核心觀念的結(jié)構(gòu)化

化學(xué)基本觀念是指學(xué)生所獲得的對化學(xué)的總觀性認識，具體表現(xiàn)為個體主動運用化學(xué)思想方法認識身邊事物和處理問題的自覺意識或思維習(xí)慣，包含元素觀、微粒觀、變化觀、實驗觀、分類觀和化學(xué)價值觀等[9]。化學(xué)核心觀念對化學(xué)知識的學(xué)習(xí)具有自上而下的引領(lǐng)作用，與此同時，化學(xué)核心觀念需要借助具體的化學(xué)知識由淺入深地揭示出來。

金屬鈉是高中階段學(xué)生最先接觸到活潑金屬單質(zhì)的典型代表，需充分發(fā)揮典例的價值，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)需幫助學(xué)生抽象出“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”“化合價反映性質(zhì)”“分類演繹性質(zhì)”“性質(zhì)決定用途、制備與保存”等物質(zhì)性質(zhì)認知的核心觀念。為促進認識思路、核心觀念的顯性化、結(jié)構(gòu)化，課堂教學(xué)中構(gòu)建同類內(nèi)容學(xué)習(xí)的認識模型、實踐模型：利用物質(zhì)的類別、價態(tài)及轉(zhuǎn)化規(guī)律預(yù)測未知物質(zhì)的性質(zhì)，然后設(shè)計實驗，獲取證據(jù)，如果事實與理論不符，修正認識模型;物質(zhì)的性質(zhì)是由結(jié)構(gòu)決定的，性質(zhì)也決定了物質(zhì)的用途、制備、保存。基于模型解決新情境下陌生問題，實現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化（見圖2）。

三、教學(xué)目標(biāo)

（1）能夠說出金屬鈉的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，能運用化學(xué)符號描述相關(guān)變化，初步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途”的觀念;

（2）通過“鈉橋”的構(gòu)建形成鈉及其化合物之間轉(zhuǎn)化關(guān)系的認識;

（3）初步形成基于物質(zhì)類別和元素價態(tài)對物質(zhì)性質(zhì)進行預(yù)測和檢驗的認識模型;

（4）通過天津港事故的分析及處理方案的設(shè)計，形成合理使用、保存化學(xué)品的意識，增強參與社會問題決策能力。

四、教學(xué)流程

教學(xué)流程見圖3。

五、教學(xué)過程

1.搭建鈉橋結(jié)構(gòu)，鋪墊知識關(guān)聯(lián)——列舉含鈉的化合物

[教師]同學(xué)們好。我是王星喬老師，當(dāng)然我是“喬”木的喬。今天我給同學(xué)們搭“木”建“橋”，利用橋這一模型學(xué)習(xí)金屬鈉。

[PPT]杭州灣跨海大橋圖片（見圖4）（在黑板上順勢畫下斜拉橋的索塔和主梁）。

[設(shè)問]根據(jù)前面學(xué)習(xí)的物質(zhì)分類，純凈物分為單質(zhì)和化合物，單質(zhì)指的就是金屬鈉，含鈉的化合物又有哪些呢？請同學(xué)們列舉你所知道的含鈉化合物。

[學(xué)生]氧化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、氯化鈉、碳酸氫鈉等（學(xué)生邊回答教師邊在黑板上主梁相應(yīng)位置寫上化學(xué)式）。

2.運用POE策略，明晰認識思路——探究金屬鈉的化學(xué)性質(zhì)

[設(shè)問]根據(jù)金屬的通性以及我們前面所學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化內(nèi)容，請你來預(yù)測下金屬鈉能否轉(zhuǎn)化為氧化鈉，如果可以，跟哪種物質(zhì)反應(yīng)可以實現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)化？你預(yù)測的依據(jù)是什么？

[預(yù)測（P）]氧氣。根據(jù)第一章所學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，金屬單質(zhì)可以與氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為金屬氧化物。

[學(xué)生實驗]取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的煤油，用小刀切去一端的表層，觀察表面的顏色;將其放置在空氣中，觀察表面顏色的變化。

[教師]剛才實驗中同學(xué)們觀察到哪些現(xiàn)象？鈉具有哪些性質(zhì)？

[觀察（O）]鈉的質(zhì)地較軟，剛開始切面是銀白色的，過一會兒就變暗了。

[追問]為什么會變暗呢？

[解釋（E）]可能是被氧氣氧化。

[教師]確實如此，宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)是微觀粒子的變化。金屬鈉露置在空氣中與氧氣反應(yīng)生成了氧化鈉。接下來我將改變反應(yīng)的條件——對反應(yīng)物進行加熱，產(chǎn)物會變化嗎？

[預(yù)測（P）]可能會發(fā)生變化，初中時學(xué)過鐵在不同溫度下與氧氣反應(yīng)產(chǎn)物就不同。

[演示實驗]（見圖5）

[觀察（O）]易拉罐底部金屬鈉受熱熔化，發(fā)出黃色火焰，冷卻后得到淡黃色物質(zhì)。

[解釋（E）]金屬鈉在空氣中燃燒得到的淡黃色物質(zhì)是過氧化鈉，反應(yīng)條件不同產(chǎn)物不同。

[設(shè)問]氧化鈉能與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫氧化鈉，鈉能否直接與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫氧化鈉？

[學(xué)生實驗]向一只盛有水的小燒杯中滴加幾滴酚酞溶液，然后投入一小塊（約綠豆般大小）金屬鈉。

[觀察（O）]鈉浮在水面上、熔成一個小球、四處游動，且發(fā)出“嘶嘶”的響聲、滴有酚酞的水溶液逐漸變紅。（浮在水面，熔成小球、四處游動、嘶嘶響聲、溶液變紅）諧音——芙蓉又想紅。

[解釋（E）]鈉的熔點低、密度比水小，反應(yīng)產(chǎn)生了氣體推動鈉移動，生成堿性物質(zhì)。

[追問]剛才的實驗證明確有氫氧化鈉生成。產(chǎn)物除了氫氧化鈉，另一種產(chǎn)物是什么呢？說說你的依據(jù)。

[預(yù)測（P）]從化合價來看，金屬鈉被氧化，化合價上升，必有另一種元素化合價下降，那只能是氫;從原子個數(shù)比來看，水中氫氧是2：1，而氫氧化鈉中是1：1，應(yīng)該是氫氣。

[演示實驗]收集、檢驗于一體的注射器改進實驗[10]（圖6）。

[觀察（O）]有可燃性氣體生成。

[解釋（E）]鈉的確可以與水反應(yīng)生成氫氣。鈉與水反應(yīng)的實質(zhì)是與水中的氫離子反應(yīng)，當(dāng)然，金屬鈉也可與鹽酸反應(yīng)。

[練習(xí)]鈉與鹽酸反應(yīng)方程式（2Na+2HCl=2NaCl+H2↑）。

[設(shè)問]鈉與鹽酸反應(yīng)有氯化鈉生成，金屬單質(zhì)與酸反應(yīng)生成鹽（NaCl）。除此之外，鈉還能與哪種物質(zhì)反應(yīng)生成氯化鈉？說說你的依據(jù)。

[學(xué)生]氯氣。金屬單質(zhì)可以與非金屬單質(zhì)反應(yīng)生成鹽。

[設(shè)問]由金屬活動性順序可知鈉是排在比較前面的金屬，如果把鈉放入硫酸銅溶液中，可能觀察到什么現(xiàn)象？

[預(yù)測1（P）]可能觀察到紅色固體析出，金屬鈉置換出銅單質(zhì)。

[預(yù)測2（P）]可能觀察到藍色絮狀沉淀，因為鈉能和水反應(yīng)生成氫氧化鈉。

[教師]那如何證明我們的推測是否正確呢？——實驗是化學(xué)的最高法庭。

[活動探究]鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)。

[觀察（O）]鈉四處游動，劇烈燃燒，產(chǎn)生藍色絮狀沉淀。

[設(shè)問]為什么會生成藍色沉淀，這個反應(yīng)的實質(zhì)如何？

[解釋（E）]鈉先與水反應(yīng)產(chǎn)生了氫氧化鈉。在水溶液中，離子被水分子包圍，金屬鈉先與水分子接觸發(fā)生反應(yīng)。

[追問]如果鈉與鹽要發(fā)生置換反應(yīng)，應(yīng)該在什么條件下？

[學(xué)生]無水條件下。

3.強化性構(gòu)相依，揭示核心觀念——鈉的結(jié)構(gòu)、用途、制備

[PPT]金屬鈉用途的幾張圖片（見圖7）。

[設(shè)問]金屬鈉的這些用途中體現(xiàn)了鈉的哪些性質(zhì)呢？

[學(xué)生]在熔融狀態(tài)下鈉可從鈦、鋯、鈮、鉭等金屬的氯化物中置換出金屬單質(zhì)，體現(xiàn)了金屬鈉的強還原性;鈉的導(dǎo)熱性好，可用于快中子反應(yīng)堆作熱交換劑;高壓鈉燈常用于道路照明，說明鈉可發(fā)出黃光且透霧能力強。

[教師]此外，鈉可在氧氣中燃燒生成過氧化鈉，可作為呼吸面具中的供氧劑。這就體現(xiàn)了“性質(zhì)決定用途，，。

[設(shè)問]為何鈉的性質(zhì)如此活潑，性質(zhì)又是由什么因素決定的呢？

[學(xué)生]鈉有11個核外電子，分三層排布，其中最外層電子數(shù)為1，非常容易失去一個電子變成最外層為8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

[教師]對，這就是結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。那么，在自然界鈉以什么形式存在？有單質(zhì)鈉嗎？我們是如何獲得金屬鈉的？

[學(xué)生]都以化合態(tài)存在。

[教師]鈉離子非常穩(wěn)定，要使它變成鈉單質(zhì)很困難。人類很早就能冶煉鐵、銅等金屬，但鈉直到19世紀(jì)戴維電解熔融氫氧化鈉才制得。NaOH是否為最佳原料？

[學(xué)生]不是，NaCl要優(yōu)于NaOH，其儲量豐富、易得、價廉。

[設(shè)問]制得的金屬鈉如何保存？

[學(xué)生]金屬鈉應(yīng)保存在煤油或石蠟油中，貯存于通風(fēng)、陰涼、干燥處，不能與水接觸。

4.解決實際問題，構(gòu)建認識模型——妥善保存、合理使用化學(xué)品

[視頻]主要內(nèi)容：2015年8月12日晚，天津港發(fā)生大爆炸，爆炸原因基本確認，是倉庫內(nèi)金屬鈉遇到水后引發(fā)爆炸（見圖8）。

[討論]如果你是消防員，金屬鈉發(fā)生火災(zāi)后如何處理？

[學(xué)生]金屬鈉發(fā)生火災(zāi)后應(yīng)在做好自我防護措施的基礎(chǔ)上，將金屬鈉盡可能收集保存于煤油或石蠟中，不能用水、泡沫滅火器滅火，可以用沙子。

[資料]GB/T 22379-2017規(guī)定（節(jié)選）[川：

工業(yè)金屬鈉采用雙層包裝。外包裝采用鐵桶包裝，內(nèi)包裝采用雙層聚乙烯塑料袋。包裝時將袋內(nèi)空氣排凈后，扎緊袋口。運輸時應(yīng)用密閉的運輸工具，嚴(yán)防有水進入包裝桶內(nèi)。運輸中注意防水、防熱、防撞擊，遠離易燃物。工業(yè)金屬鈉應(yīng)貯存于通風(fēng)、陰涼、干燥防火的庫房內(nèi)，要隔絕熱源、火種與氧化劑、酸類。凡與金屬鈉接觸的操作人員，應(yīng)遵守下列規(guī)則：操作人員應(yīng)佩戴安全防護面罩，穿化學(xué)防護服，戴橡膠手套。在發(fā)生火災(zāi)情況下，可使用干沙、干粉、石棉布滅火，不應(yīng)使用水及泡沫、酸堿、四氯化碳、二氧化碳滅火器滅火。

[設(shè)問]今后遇到一種陌生無機物你將如何預(yù)測、研究其性質(zhì)？

[學(xué)生]……

[總結(jié)]這節(jié)課從知識層面來看，我們學(xué)習(xí)了鈉的性質(zhì)、用途、制備、保存等內(nèi)容;更重要的是希望同學(xué)們通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)掌握元素化合物內(nèi)容的學(xué)習(xí)方法，利用物質(zhì)的類別、價態(tài)及轉(zhuǎn)化規(guī)律預(yù)測未知物質(zhì)的性質(zhì)，然后設(shè)計實驗，獲取證據(jù)，如果事實與理論不符，修正認識模型。當(dāng)然物質(zhì)的性質(zhì)是由結(jié)構(gòu)決定的，性質(zhì)也決定了物質(zhì)的用途、制備、保存。今天的鈉橋與我們的人生之橋何其相像，希望同學(xué)們能回首過去、把握現(xiàn)在、展望未來。

六、教學(xué)反思

教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化是實現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。教師在進行教學(xué)設(shè)計時需進行深度思考：本單元、本節(jié)課核心知識間的邏輯關(guān)系如何？用何種方式表達核心知識間的邏輯關(guān)系（概念圖、價類二維圖等）？從哪些認識角度人手探求核心知識從而形成特定的認識思路？可否對認識思路進一步提煉、概括形成具有統(tǒng)攝性的核心觀念？此外，教師應(yīng)依據(jù)預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計驅(qū)動性學(xué)習(xí)任務(wù)，融合核心知識、方法和觀念等，連接核心知識間的邏輯關(guān)系，促進學(xué)生認識思路、核心觀念的結(jié)構(gòu)化，為今后同類問題解決提供認知模型，實現(xiàn)從“雙基”教學(xué)到“素養(yǎng)為本”教學(xué)的變遷。

參考文獻

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*本文得到寧波市領(lǐng)軍和拔尖人才培養(yǎng)工程資助;浙江省教育科學(xué)重點規(guī)劃課題“高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平試題擬制對教與學(xué)影響的實踐研究”（編號2015SB025）研究成果之一;浙江省包朝龍網(wǎng)絡(luò)名師工作室研修成果之一。