核心素養視閾下的科學探究教學實踐

尹歡歡 高曉瑩 吳春峰

摘要：培養學生的化學學科核心素養，是當前化學教學的重心。高中化學學科核心素養中的科學探究，既能體現學習化學的過程與方法，也能增進學習化學的情感與興趣。由此，作者立足發展學生化學學科核心素養，以“氮的固定”教學為例，嘗試構建“科學探究”引領下的教學模型，培養學生的“科學探究”能力，落實培養學科核心素養的教育理念。

關鍵詞：核心素養;科學探究;氮的固定

文章編號：1008-0546（2021）09-0017-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.005

一、研究背景

培養學科核心素養的教育理念，越來越受到重視，許多國家都意識到核心素養教育理念的育人價值，將其作為高中教育教學的核心內容與重要環節。我國2017年頒布的普通高中化學課程標準將化學學科核心素養細分為“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”五個維度[1]?！翱茖W探究”是指學生在高中化學知識學習的過程中，能夠以科學認真的精神與嚴謹的態度，發現和提出問題、設計實驗方案，參與體驗、應用知識，投入到課堂活動之中，實現創新意識的自主生成[2]。

然而，當前高中化學實驗教學中，還存在一些與新課程理念不吻合的現象，如：學生不能切實進行化學實驗操作與探索，教師只針對實驗涉及的考點、重點進行講解等。學生自身對化學實驗的意見與疑惑往往不能得到教師的重視，他們的主體性并未在化學課堂中得到發揮，這樣的教學課堂容易讓學生失去科學探究的動力，也難以在高中化學課堂落實化學學科核心素養的培養?；诖?，本文立足于化學學科核心素養，在“科學探究”引領下構建課堂模型，并以“氮的固定”為例，設計三個核心探究實驗，培養學生的科學探究能力。

二、“科學探究”引領下的課堂模型構建

培養學生科學探究能力的課堂模型，是以了解學情為基石、創設情境為方法、問題解決為目標、操作體驗為過程的教學組織活動。在教師的引導與幫助下，讓學生設計實驗步驟、完成實驗過程、內化課堂知識，這樣的課堂模式，對于學生而言，不僅激發學習興趣、調動學習欲望、認真思考、深度探索，更是在小組合作的探究之中學習知識，感受真實過程，形成科學探究能力。與此同時，教師根據教材中的知識，適當進行拓展延伸，讓學生探究的內容不再局限于書本，而是聯系自身的生活，這也更有助于落實核心素養教育理念。課堂模型如圖1所示。

三、“科學探究”引領下的課堂教學分析，以“氮的固定”為例

1.課標與教材分析

“氮的固定”是蘇教版高一化學必修2專題7氮與社會可持續發展部分的內容，是非金屬元素氮開篇知識，具有承上啟下作用：一方面深化必修1元素化合物知識的學習，運用對比、類比的學習方法，體會研究元素化合物的一般方法，幫助學生鞏固氧化還原反應、離子反應等基本概念、原理的認識;另一方面通過對氮及其化合物轉化的學習，讓學生在已有學科觀念的基礎上，對物質的分類觀、轉化觀以及化學價值觀等形成辯證認識。就本課內容而言，主要包括：氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮性質。根據教材內容，首先根據氮氣微觀結構，預測氮的化學性質，引出氮的固定對人類生存的重要意義，再根據物質類別研究氮的化合物，包括一氧化氮和二氧化氮的性質，通過模擬雷雨發莊稼的實驗，應用氧化還原反應原理，探究含氮物質之間轉化，認識物質及其轉化在自然資源綜合利用和環境保護中的重要價值。

2.學情分析

學生在學習本節課之前，了解物質的組成和分類，又較為系統地學習了典型金屬及非金屬元素化合物知識，掌握了研究物質的基本方法，能運用氧化還原反應和離子反應來分析化學反應，這些為本課氮的固定、自然界中氮的循環以及氮的兩種氧化物NO和NO2的性質探究奠定了一定的理論基礎。此外，高一學生具備一定的觀察和分析能力，但在實驗設計和操作方面缺乏訓練，可能會在靈活運用所學知識解決實際問題時產生困難。

3.教學目標

通過了解“氮的固定”和自然界“氮循環”，構建氮的“價一類”二維圖，建立物質之間的轉化觀。通過實驗探究，模擬“雷雨發莊稼”過程，培養學生尊重事實、獨立思考，能基于證據推理形成結論，養成嚴謹求實的科學態度。通過了解人類活動對氮循環的影響，知道酸雨和光化學煙霧的危害，增強環保意識，培養社會責任感。

4.“氮的固定”教學設計思路

“氮的固定”教學設計思路如下（見圖2）：

四、“科學探究”引領下的教學實踐，以“氮的固定”為例

【視頻引入】植物的生長離不開氮，茅膏菜如饑似渴地吸收含氮的物質。

【教師】這里含氮的物質包括氮氣嗎，為什么？

【學生】不包含，氮氣在空氣中很穩定，以單質形式存在。

【教師】空氣中含量最多的氣體就是氮氣，但植物需要的是化合態的氮，將游離態的氮轉化為化合態的氮是氮的固定。氮的固定有兩種：自然固氮和人工固氮（見如圖3氮循環）。

設計意圖：在課前導入環節，要根據學生的生活經驗與認知，把學生所熟悉的生活情景引入到課堂之中，使他們的注意力轉移到課堂之上，學習狀態由“靜止”變為“動態”，使他們在化學課堂上更積極。在“氮的固定”課前導入環節，基于學生的學情掌握，為學生播放“茅膏菜如饑似渴吸收含氮物質”的視頻片段，將現實生活中的場景在課堂之中呈現。這樣的趣味性課堂，激發了學生的興趣。

環節一 了解氮循環

【教師】結合圖3轉化，在“價一類”圖中標注相關含氮物質。

【學生】展示標注結果（見圖4）。

【教師】探究含氮物質轉化具有十分重要的意義，請談談你的看法。

【學生】空氣中有大量N2，若能將其轉化為適合植物吸收的氮的化合物（氮肥），就會增加糧食產量，滿足人類生存需求。

【教師】有句諺語：“雷雨發莊稼”，即雷雨天氣后，草木長得更加茂盛，驗證了你的看法。下面一起來探究這個過程涉及哪些物質轉化。

設計意圖：創設“氮循環”情境可以激發學生的學習興趣，體驗“氮循環”就在自己身邊，利用“價一類”引導學生建立無機物學習的思路和方法，從N2到HNO3（NO3-鹽）的轉化分析，引導學生從化合價和物質類別兩個維度對含氮物質進行分類，運用氧化還原反應可以實現不同價態之間的轉化[3]。

環節二模擬氮循環

【探究實驗1】數字化模擬放電條件下N2和O2反應[4]。

【學生】觀察三頸燒瓶中的現象，結合NO和NO2資料卡判斷紅棕色氣體是NO2。

【教師】N2和O2在放電條件下反應產物是NO2嗎？分析數字化實驗數據（見圖5），放電瞬間，產生大量微粒，O2濃度和氣體壓強都呈增加趨勢，斷電瞬間微粒相互作用生成新的物質，O2濃度和氣體壓強瞬間減小，仔細觀察斷電后O2濃度進一步減小，說明什么？

【學生】N2和O2放電條件下生成NO。

【教師】N2和O2放電條件下先生成NO再被O2氧化成NO2。

【學生】書寫相關化學方程式。

【教師】雷電天常伴隨降雨，NO2與水是否反應？

【學生】交流討論設計實驗方案。

【探究實驗2】]NO2與水是否反應（見表1）。

【學生表現】能運用所給實驗儀器開展探究活動并做好實驗記錄和結果反饋工作，裝有NO2的輸液袋注入水后，顏色褪去，學生能判斷出發生了化學反應，再注入紫色石蕊試液后，能根據紫色石蕊試液變紅推測出反應產物有硝酸，再注入空氣又變為淺紅棕色NO2說明有氣體NO生成（見圖6）。學生能夠從宏微結合的角度上收集證據，分析問題得出結論。

【探究實驗3】探究氮氧化物充分轉化為硝酸（見表2）。

【學生表現】能從2NO+O2=2NO2和3NO2+H2O=2HNO3+NO兩個方程式推導出4NO2+O2+2H2O=4HNO3和4NO+3O2+2H2O=4HNO3，結論是NOx和O2按一定的比例通入水中，能充分轉化成硝酸。

【教師】HNO3遇土壤中礦物質轉化為硝酸鹽被植物根系吸收。剛才我們模擬了自然固氮，也就是“雷雨發莊稼”。但自然固氮，受到條件的限制，遠遠不能滿足糧食對氮的需求?？茖W家們投入了大量的精力進行研究，以哈伯和博施為代表的科學家經過不懈努力終于將合成氨應用于工業生產。他們分別獲得了1918年和1931年的諾貝爾化學獎。

【教師】請大家完善“價一類”二維圖。

【學生】展示結果（見圖7）。

設計意圖：從氮氣到含氮物質，從認識物質到實現物質之間的轉化，充分運用實驗探究的教學策略，設計三個探究實驗，實施實驗、分析現象并收集證據。探究實驗一演示數字化實驗，解決常規實驗解決不了的問題。探究實驗二和三，創新性地借助輸液袋和注射器在密封體系內完成氮氧化物轉化為HNO3的綠色化學設計，既提高轉化率又避免了可能的污染。整個過程完整模擬“雷雨發莊稼”，激發學生興趣，訓練學生操作技能，培養學生探究精神。

【教師】自然界產生少量的氮氧化物最終能夠轉化為硝酸鹽，參與自然界氮循環。如果任由氮氧化物大量排放會造成什么后果呢？

【學生】交流討論：硝酸型酸雨和光化學煙霧的危害。

【教師】酸雨會危害人類健康，腐蝕建筑物。機動車排放的尾氣中含有氮氧化物和烴類化合物等多種物質，它們在一定條件下會產生有毒的光化學煙霧。直觀感受一下，疫情防控期間我國NO2濃度變化（見圖8），封城限制出行后，空氣質量得以凈化。

【學生】那也不能一直限制出行并停工停產。

環節三修補氮循環

【教師】排放大量氮氧化物會破壞生態環境并危害人類健康，你們有哪些合理方案來解決這一問題呢？

【學生】乘坐公交車，少開私家車，綠色出行;使用清潔的能源;將工業生產中的大量氮氧化物從源頭上進行處理從而達到減排目的。

【教師】請你借助“價一類”二維圖提出合理的轉化途徑，將氮氧化物轉化為哪些物質來減少污染。

【學生】轉化途徑有多種，譬如轉化為氮氣參與氮循環;轉化為硝酸鹽用作氮肥或化工產品;轉化為硝酸用作重要的化工產品或試劑。

【小結】本節課我們學習了自然固氮，通過“價一類”二維圖學習了含氮物質之間的轉化，其中氮的固定具有十分重要的意義，課后同學們可以繼續搜集固氮方面的技術和研究，進行交流討論，豐富對本節課的認識，加深對本節課所學內容的體會。

設計意圖：人類過量活動會干預“氮循環”，引導學生利用化學知識對氮氧化物的治理提出合理建議，以主人翁的意識參與決策，有助于讓學生體會建立低碳、綠色生活方式的重要性，體會化學源于生活又要服務好生活，培養學生社會責任感，提升學科素養。

五、教學反思

科學探究既能體現學生學習化學的過程與方法，也能呈現學生學習化學的情感與態度，可以說是高中化學學科核心素養中極為重要的內容。教師要注重對學生科學探究能力的培養，以生活為興趣燃點，以問題為探究源頭，以實踐為探究行徑，以拓展為探究重心，以此增強學生的探究能力。本節課以“氮循環”為主題開展氮氧化物相關知識的學習，通過實驗探究模擬雷雨發莊稼過程，整個教學實施中，學生積極地參與實驗探究、問題討論等活動，并在實驗中提出了疑問，在小組討論和教師指導下得以解決，進一步提高了學生科學探究能力。同時，借助固氮與修補氮，幫助學生體會物質性質及其變化在促進社會可持續發展方面的應用。

參考文獻

[1]吳星.高中化學核心素養的建構視角[J].化學教學，2017（2）：3-7

[2]黃恭福，鄒海龍.中學化學實驗教學中發展科學探究與創新意識核心素養的初步思考[J].化學教與學，2020（7）：2-6

[3]華麗芬.培養學生模型認知能力的教學研究——以“氮氧化物的產生及轉化”深度學習為例[J].化學教與學，2020（6）：14-17

[4] 王保強，劉方云，李增坤.模擬雷雨條件下氮氣和氧氣反應的數字化實驗探究[J].化學教育，2019（5）：68-70

*本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃重點資助課題“基于觀念建構的單元整體教學設計的實踐研究”（課題編號：JS/201 81ZX0211-00383）階段性研究成果;宿遷市教育學會“十三五”規劃2020年度課題“信息化教學視角下高中化學智慧課堂構建與應用研究”（課題編號：XHLX2020-071）階段性研究成果。