促進學科思維建構的元素化合物教學

劉瑩 黃國年

摘要：學科思維是基于學科知識，又高于知識的思維形式。中學化學元素化合物的教學是形成學科思維的重要領域。深入挖掘硝酸物理性質、硝酸不穩定性和強氧化性等化學性質中包含的知識內容，通過微觀想象、聯想對比、設計驗證等學習手段，強化學生學科思維訓練，為深入領會化學原理知識、形成知識體系和促進后續學習提供強有力支持。

關鍵詞：化學教學；硝酸性質；學科思維；教學設計

文章編號：1008-0546（2022）01-0043-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.010

一、引言

科學技術日新月異，新領域不斷開拓，新知識不斷涌現。如果將化學知識一一羅列，都讓學生學習的話，一來是內容不斷推陳出新，學完不現實；二來是并不是所有知識都有學習的必要，要學有價值的。目前，很多學生常掛口頭上的“刷題”，隱喻著知識（題目）有限性，認為全覆蓋、快速地訓練解題是學習有效途徑。事實上，這種刷題的學習方式不僅是低效的，而且對學生身心也是有損害的。元素性質紛繁復雜，學習過程容易產生知識零散、雜亂不易記憶的困難，但門捷列夫將元素原子進行排序、比較、歸類，從連續的元素性質中抽象出內在規律性，站在新的層面上對元素原子進行審視，提出元素周期律。有了元素周期律，眾多的元素的一些性質就一覽無余，整個化學世界一下子清楚了很多。我們的課堂教學，要從將化學知識進行前后聯系，提煉出規律，形成學科思維，在學科思維的形成與運用中建構化學體系。

二、教學思想

“硝酸的性質”是人教新版第五章“化工生產中的重要非金屬元素”中的重要組成部分。學習該內容前，學生已經了解硫元素相關知識，同時在氮及其化合物中也積累了大量元素化合物知識。由于知識點多，內容繁雜，部分學生無法厘清頭緒，顯現畏難情緒。針對這種苗頭，我們認為不應該再基于知識講知識，而應從知識中跳出來，用學科思維統領硝酸性質的學習。數學特級教師孫維剛認為：教學過程要“八方聯系，渾然一體，漫江碧透，魚翔淺底”。在硝酸性質的教學過程中，努力在不同的知識之間尋找共同點，在相似的知識點中尋找不同點，在不斷比較概括中，逐漸提升到學科思維，形成知識體系。通過不斷地學科思維訓練，再俯看點滴知識時，就能達到“漫江碧透，魚翔淺底”。

化學學科思維是基于學科知識，從學科知識中歸納、總結出來的，能夠統領知識學習的思維方式。同時，學科思維也是化學觀念形成的具體化，學科思維通過進一步提煉、升華?；瘜W學科思維主要有微宏結合、原子守恒、有序排列、能量最低、模型想象等。在日常教學中，我們要注重從學科知識到學科思維的提煉，最終為學生形成學科觀念。

三、教學過程

環節一：硝酸的物理性質

1.內容分析

硝酸是化工生產中極重要的一種強酸，物理性質與另一種剛學過的強酸——濃硫酸相差較大。常溫下，濃硫酸是無色黏稠，密度相對較大的液體；濃硝酸往往略帶淺黃色，易揮發的液體。不同點：濃硫酸無色黏稠，濃硝酸則顯淺黃色不黏稠；濃硫酸不易揮發，但濃硝酸易揮發形成白霧，這又與濃鹽酸類似。濃硫酸黏稠而濃硝酸易揮發，其本質是分子間作用力，主要是濃硫酸易形成分子間氫鍵，分子間作用力增加，所以黏稠；濃硝酸易形成分子內作用力，分子間作用力減少，所以易揮發。由于學生對氫鍵沒有概念，所以這個過程通過學生近距離觀察實驗，通過科學想象、實物類比進行建構。

2.教學過程

【課前準備】每兩位學生提供一塊蓋有玻璃片的點滴板，每塊點滴板上滴加一滴濃硫酸和濃硝酸。

【提出任務】同學們，你們面前的點滴板里分別滴了少量濃硫酸和濃硝酸，請大家打開玻璃，觀察一下兩滴液體，分辨一下哪個是濃硫酸，哪個是濃硝酸？注意：濃硫酸和濃硝酸都是有強烈腐蝕性的，不可用手去觸摸。

【學生1】打開后，冒白煙的是濃硝酸，無明顯變化的是濃硫酸。因為濃硫酸不易揮發。

評析：雖然不熟悉濃硝酸的性質，學生根據濃硫酸的不揮發性，推斷產生白霧的是濃硝酸，不揮發的是濃硫酸。教師注意糾正不是“白煙”，是“白霧”。

【學生2】用玻璃棒碰一碰液體，黏稠的是濃硫酸。

【引導】對于點滴板上的兩滴液體，我們通過觀察發現兩種酸的不同點在于揮發性和黏稠性。為什么濃硫酸和濃硝酸的物理性質相差這么大？我們能否從分子視角來解釋一下呢？

【師生合作】根據我們日常生活中曲別針的類比，一般的分子可簡化為線型分子。根據濃硫酸的宏觀黏性，可以想象硫酸分子就像一個個聯在一起的曲別針，分子間的作用力相對線型分子更大；硝酸分子就像是一個個孤立的曲別針，分子間作用力相對線型分子更小。

3.教學評析

宏微結合、類比想象是化學學科的重要學科思維。對于化學物質物理性質的學習，教師通常以觀察結合講授的方式進行。由于教師缺乏學科思維的意識，在對物理性質的學習時，往往未能挖掘物理性質中蘊含的學科思維。如果缺乏化學學科思維意識，學生看問題、分析問題、找對策就會浮于表面無法抓住本質。本課中，化學往往以觀察為起點，讓學生近距離觀察、對比，從而歸納出硝酸物理性質。在此基礎上，引導學生透過宏觀現象，如揮發性，深入到微觀分子領域進行解釋。此刻學生理解仍有難度，教師借助“曲別針”模型，借助類比遷移思維，到此，學生通過學科思維的運用，學生基本能夠從化學視角來審視硝酸的物理性質。

環節二：硝酸的不穩定性

1.內容分析

硝酸的一個重要性質是不穩定性，在加熱或光照時易分解。從能量觀來看，就是硝酸分子本身蘊含能量較高。濃硝酸在一定條件下可以分解生成二氧化氮、氧氣和水，聯系到前面學的內容，二氧化氮、氧氣和水又可以化合為硝酸。對比分析，主要在于反應物與生成物濃度的大小和反應的條件。為此，在長久保存硝酸，最好要避光、濃度不應過大，存放陰涼處。

2.教學環節

【引入】這是我剛從實驗室取過來裝濃硝酸的瓶子?？吹竭@個瓶子，你獲得哪些信息？

【學生】濃硝酸裝在棕色瓶中，說明易見光分解。

【引導】濃硝酸在光照或加熱的情況下確實會分解。我們來做個實驗，請大家觀察產生了什么物質，然后根據實驗現象寫出化學方程式。

【演示實驗】如圖1，在燒瓶中加入玻璃棉，加熱后用分液漏斗滴入濃硝酸[1]。

【教師】大量紅棕色的氣體是二氧化氮，那么，除了二氧化氮外，還有什么物質生成呢？請大家運用我們學過的哪些思維來推斷。

【學生】這個反應是氧化還原反應，可以根據化合價升降來推斷產物。

【總結】我們根據得失電子守恒和元素原子守恒可推知，硝酸光照或加熱可以生成二氧化氮、氧氣和水。

【過渡】觀察這個方程式，借助前面的所學知識，二氧化氮、水和氧氣也能化合生成硝酸。那什么時候硝酸分解？什么時候化合呢？

【師生合作】當硝酸保持一定濃度（控制變量）溫度較高時，硝酸以分解為主，化合為次；溫度較低時，以化合為主，分解為次。

【總結】分析可知，生成硝酸和硝酸分解，溫度很重要。所以為了長時間保存濃硝酸，應選擇在棕色瓶中，并置于陰涼處。

3.教學評析

濃硝酸的不穩定性是硝酸的重要性質。在教學過程中，通過學生觀察實驗，是化學學科實證思維的體現。在此基礎上，運用元素守恒、電子守恒等學科思維，將化學方程式進行書寫完善。教學過程并未到此為止，而是運用逆向思維和元素原子守恒，得出二氧化氮、氧氣與水常溫時還能化合成硝酸，與前面二氧化氮的性質進行聯系。通過兩個方程式符號表征上的對比分析，認為保持硝酸一定濃度時，溫度改變是影響的重要因素。這些過程加深了可逆反應概念的認識，也為化學反應的限度提供了事實支撐。

環節三：硝酸的強氧化性

1.內容分析

硝酸最顯著的化學性質是強氧化性。根據氧化還原思維，濃硝酸可將紅熱的碳發生氧化生成二氧化碳，自身還原為二氧化氮。碳與濃硝酸反應時，回顧濃硝酸的分解，并引導兩個方程式進行對比分析，找出異同，從而對兩反應在進一步意義上建構。硝酸的強氧化性還體現在與銅片反應上，寫出化學方程式后，改寫成離子方程式，并從離子角度對該反應進行建構，通過設計實驗進行驗證。

2.教學環節

碳與濃硝酸反應和濃硝酸的分解，這兩個反應有什么內在關系么？（提示：可將碳與濃硝酸中的碳元素擋一擋）。

【學生】碳與濃硝酸反應，可以看作濃硝酸先分解，其分解的氧氣再與單質碳反應。

【教師】我們能否再從能量角度來看一看，猜想下碳與濃硝酸反應的能量變化，是不是和濃硝酸的分解所需要的能量，碳與氧氣反應放出的能量之和？這里面的關系，值得我們去探索。

【教師】除了金和鉑外，硝酸氧化絕大多數的金屬。請大家運用氧化還原反應原理來嘗試書寫銅與濃硝酸、稀硝酸的方程式，并預測實驗現象。

【學生】書寫并校對。

【教師】根據氧化還原反應原理寫出了方程式。下面我們通過實驗看看反應式是否正確？請用膠頭滴管吸一小滴濃硝酸和稀硝酸分別滴在銅板上觀察實驗現象，要特別注意產生氣體的顏色。

【過渡】過量的銅與稀硝酸反應后，如果加入稀鹽酸，能否繼續反應？

【學生討論】不會。

【教師】在剛才銅板與稀硝酸反應后的溶液中，滴加稀鹽酸，觀察反應能否繼續？

【實驗】竟然還能繼續反應，且生成無色氣體。

【教師啟發】硝酸是強電解質，在溶液中完全電離。在過量銅與硝酸反應后的溶液中，氫離子消耗貽盡。當我們加入稀鹽酸時，本質是加入氫離子，根據離子方程式可知，銅就能與氫離子、硝酸根離子繼續發生反應。我們原來判斷不能反應，其錯誤的原因在哪兒？

【學生】未能認識到溶液中的反應其實是離子的反應。

【教師】剛才我們進行了銅與濃硝酸、稀硝酸的反應，雖然量比較少，但確實放出了有害氣體。大家能否設計實驗，防止這些反應不對環境造成危害？

【學生】（略）

3.教學評析

由于碳與濃硫酸反應學生已經學過，通過濃硫酸和濃硝酸強氧化性的相似點，學生不難寫出碳與濃硝酸反應的方程式。在此基礎上，教師將濃硝酸的分解與該反應式進行比較，不僅加深了兩個反應的認識，而且為后續蓋斯定律的學習埋下伏筆。銅與濃硝酸、稀硝酸反應的學習時，通過學生親自進行實驗，且是微量的濃硝酸和稀硝酸，不僅能讓學生近距離觀察到實驗現象，而且也能直接聞到產生的微量NO和NO2，印象更加深刻，這又為后續設計銅與硝酸反應的綠色實驗設計，保護環境提供了現實原因。為培訓學生溶液反應中微粒（離子）觀，教師提出問題引發學生提出假設，支持學生實驗引發認知沖突，通過離子反應方程式來進行解釋，引導學生要見宏知微，不能僅盯著宏觀物質，要有化學思維。

三、后記

元素化學蘊含著豐富的知識、技能和學科思想方法，以及化學基本觀念等教育價值[2]。元素化合物知識的教學，是形成有序的思維線索和結構化的知識體系相輔相承的過程。在傳統的教學中，我們注重知識的傳授，對學科思維的培養不夠重視?；蛟S很多年后，大部分化學知識都會遺忘，但看世界的化學視角卻由于化學思維的訓練而根植于學生體內?；趯W科思維的元素化合物教學，要求化學教師要站在更高的層面上審視化學知識，不斷歸納總結，比較分析，不僅為反應原理教學預留接口，也為挖掘學科思維提供方向。我們相信，當學科思維系統化、有序化后，化學觀念就會逐漸形成，這對于提升學生生活水平和未來可持續發展都是大有裨益的。

參考文獻

[1]付小勤.用“情境—問題—啟發—討論—探究”式教學方法設計硝酸的性質教學[J].新課程研究，2011（7）：28-30.

[2]宋心琦.課程標準高中化學（必修）元素化學教學之我見[J].中學化學教學參考，2011（6）：3-6.