問題導向下發(fā)展學科核心素養(yǎng)的教學設計*
——以“氮氣及氮的氧化物”為例

許 艷 吳相華

（云南師范大學化學化工學院 云南 昆明 650500）

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂》（以下簡稱“新課標”）頒布實施，新課標要求普通高中學生在學習完普通高中化學課程以后具備五個化學學科核心素養(yǎng)。在科學教育領域中教師扮演著重要的角色。教師不僅是科學知識的傳播者，還是科學精神的傳播者、科學思想的倡導者和科學方法的實踐者。為實現(xiàn)化學課程目標，教師在教學設計中要注重培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和科學精神，使學生具備未來發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。本文以“氮氣及其氧化物”為例，以問題為導向，提出具有啟發(fā)性和探究性的問題，教學通過解決這些問題，達到學生知識構建和能力培養(yǎng)的目的。

一、普通高中化學課程目標與核心素養(yǎng)

課程目標是指課程在實施之后達到的預期結果。化學課程目標和核心素養(yǎng)如下表所示。

表1 普通高中化學課程目標與核心素養(yǎng)［1］

二、問題導向下發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)的教學模式

問題導向是由英文Problem-Based Learning 翻譯來的，字面意思就是基于問題的學習。問題導向下發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)的教學模式是指教師在課堂教學中，基于化學學科的核心素養(yǎng)，通過提問、設問、導問等方式，激發(fā)學生學習的欲望，引導學生開展思考、討論、探究等活動，引導學生解決問題?；瘜W教學中堅持問題導向，對培養(yǎng)學生的化學發(fā)散性思維非常有利。

本節(jié)課通過“氮在自然界中是如何循環(huán)的？”“N2、NO、NO2三者是如何轉(zhuǎn)化的？”“如何減少酸雨的形成？”三個核心問題來組織該節(jié)的知識點。在學生課前預習的基礎上，通過核心問題的引導，使學科的基本概念變得清晰、深刻和富有邏輯性。問題可以促使學生積極地思考，教師以知識為載體，通過連續(xù)的“問題鏈”［2］，在情境中形成對這個知識點的深刻理解。在教學過程中還需要注意幫助學生建立結構決定性質(zhì)等化學觀念和元素及其化合物的認知模型。

三、問題導向下發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)的教學設計

1.教材分析

“氮氣及氮的氧化物”位于人教版高中化學必修第二冊第五章第二節(jié)氮及其化合物，內(nèi)容包括氮氣與氮的固定、一氧化氮和二氧化氮。在教材這一節(jié)的序言中介紹了氮元素在元素周期表中的位置、氮原子的結構以及氮元素在自然界的存在形式，以“自然界是怎樣通過氮的循環(huán)為生物體提供氮元素的呢？”為核心問題展開。關于氮氣與氮的固定，教材首先介紹了氮原子之間形成的氮氮三鍵性質(zhì)穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應，但在高溫、放電等條件下能與一些金屬或非金屬發(fā)生反應。其次以正文的形式介紹了人工固氮和自然固氮兩種方式。隨后以圖片展示了自然界中氮的循環(huán)，圖片展示了大氣中的氮通過自然固氮和人工固氮的途徑形成各種含氮物質(zhì)，這些含氮物質(zhì)又通過細菌分解轉(zhuǎn)化成大氣中的氮。然后以科學史話的欄目形式介紹了合成氨的歷史，讓學生了解到合成氨的發(fā)展歷史以及體會化學的發(fā)展對社會的進步與發(fā)展的作用。在課本上以正文的形式介紹了一氧化氮與二氧化氮的物理性質(zhì)以及它們跟水的反應，然后以探究實驗展示了二氧化氮溶于水的實驗，通過實驗說明一氧化氮與二氧化氮的物理化學性質(zhì)。

2.課標分析

2017年版普通高中化學課程標準明確規(guī)定，利用真實情境通過學生身邊的事物，提出問題讓學生帶著問題去探究，在探究中學習，以培養(yǎng)學生的科學精神和創(chuàng)新精神。本節(jié)課在教學內(nèi)容上以氮氣的組成和結構為切入點，引導學生學習氮氣的主要性質(zhì)。宏觀性質(zhì)是化學教學的重難點，宏觀性質(zhì)的學習必須基于微觀結構的認識。因此，在教學中可以通過對分子微觀結構的探究，為學生提供宏觀性質(zhì)認識的基礎，進而培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析的學科素養(yǎng)。氮氣的性質(zhì)主要取決于氮分子的微觀結構，從這個角度來培養(yǎng)學生“結構決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的觀念，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知的學科素養(yǎng)。通過“氮的循環(huán)”引導學生了解和認識氮的固定與循環(huán)過程，從元素守恒的角度認識氮循環(huán)中的變化與平衡，培養(yǎng)變化觀念與平衡思想的學科素養(yǎng)。在氮的循環(huán)中能從物質(zhì)類別、元素價態(tài)等維度，利用離子反應和氧化還原反應原理，預測、探究氮及其氧化物的主要化學性質(zhì)［3］，通過探究實驗形成實驗探究氮的氧化物主要性質(zhì)的基本思路，培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識的學科素養(yǎng)。最后能夠認識到氮的氧化物的危害，用所學的相關知識參與到社會性議題的討論中［4］，采取能力范圍內(nèi)的有效防治措施，養(yǎng)成保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識，培養(yǎng)科學態(tài)度與社會責任的學科素養(yǎng)。分析氮及其化合物的內(nèi)容要求可知，主題2 和主題5 中都與氮氣及氮的化合物相關，新課標不僅關注化學知識的學習，也關注學生素養(yǎng)能力的培養(yǎng)。

3.學情分析

（1）前在狀態(tài)

在之前的學習中已經(jīng)學過了其他的元素及其化合物。又學習過氧化還原反應，能夠進行反應產(chǎn)物的分析與判斷，能夠依據(jù)一定的標準對物質(zhì)進行分類，對于簡單的實驗能夠進行設計并獨立操作。

（2）潛在狀態(tài)

在本課時的學習過程中，學生可能出現(xiàn)以下問題：學生對物質(zhì)結構和性質(zhì)的聯(lián)系理解不透徹，會出現(xiàn)對不同氮的氧化物性質(zhì)的記憶不清、混淆的情況；認識物質(zhì)的角度還不明確［5］；利用氧化還原反應的規(guī)律判斷產(chǎn)物的方法還不夠熟練；對含氮物質(zhì)的離子反應產(chǎn)物判斷還不夠清晰。

4.教學目標

（1）通過分析氮的原子結構示意圖，掌握氮氣的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，并正確運用化學方程式表示，認識微觀結構對物質(zhì)化學性質(zhì)的影響，發(fā)展素養(yǎng)1。

（2）分析NO、NO2中氮元素的化合價，通過實驗探究，掌握利用氧化還原原理判斷NO2的氧化還原性，并用化學方程式表示其性質(zhì)；掌握氮的氧化物的特性及其應用，建立物質(zhì)性質(zhì)和用途之間的關系，發(fā)展素養(yǎng)1和素養(yǎng)3。

（3）通過分析酸雨的形成原因并能用化學方程式表示，了解酸雨的危害及治理辦法，發(fā)展綠色化學觀念，養(yǎng)成環(huán)境保護意識。發(fā)展素養(yǎng)5。

5.設計思路

“氮氣及其氧化物”的課堂教學設計包含知識和素養(yǎng)兩條主線。知識主線從氮原子的結構入手，從氮氣的組成和結構探究氮氣的性質(zhì)，從氮的循環(huán)和氮的固定引出氮的主要氧化物——一氧化氮與二氧化氮，通過實驗探究認識二者的性質(zhì)，從綠色環(huán)保的角度認識氮的主要氧化物的危害以及防治措施。下圖1展示了本節(jié)課教學設計的主要思路。主要圍繞三個核心問題展開，分別對應不同的教學內(nèi)容，通過不同的主題情境展開，每一個教學內(nèi)容對應多個學習任務，需要設計相應的教學活動對學生進行知識的傳授和能力的培養(yǎng)。素養(yǎng)線主要從氮在元素周期表中的位置入手，分析氮氣的結構，推測可能具有的性質(zhì)，建立微觀結構與宏觀性質(zhì)之間的關系。然后從氮循環(huán)的角度認識自然界中氮的存在形態(tài)、固定方法以及氮循環(huán)的過程，建立變化觀與平衡觀。建構氮氣及其氧化物的價類二維圖，建立元素及其化合物的一般認知模型。最后從實驗探究的角度認識一氧化氮、二氧化氮的主要性質(zhì)，實驗探究培養(yǎng)學生的探究精神和創(chuàng)新精神。認識到氮的氧化物對環(huán)境的危害，上升到學生科學態(tài)度與社會責任的培養(yǎng)。

圖1 教學設計的主要思路

6.教學設計

氮氣及氮的氧化物教學設計

［導入］氮元素是生物體內(nèi)不可或缺的基本元素之一，氮元素廣泛存在于蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素中。氮的循環(huán)和碳的循環(huán)、水的循環(huán)一起構成了地球生態(tài)系統(tǒng)的重要循環(huán)系統(tǒng)。本節(jié)課我們就通過氮的循環(huán)認識氮氣及其常見的氧化物。

［學生活動］認識氮循環(huán)過程及在生產(chǎn)生活中的重要作用，初步認識氮及其化合物的種類，從自然界的氮循環(huán)入手，展開“氮氣及氮的氧化物”性質(zhì)的學習。

［設計意圖］在生活情境中引入氮元素的學習，氮的循環(huán)過程涉及氮的不同化合物之間的轉(zhuǎn)化，學生能夠認識到氮的循環(huán)對生產(chǎn)生活的重要作用，同時也要考慮社會的可持續(xù)性，從而發(fā)展素養(yǎng)5。

［提問］我們都說“雷雨發(fā)莊稼”，這是為什么呢？

［多媒體展示圖片］氮在自然界中的循環(huán)示意圖（圖2）。

圖2 氮在自然界中的循環(huán)示意圖

［設計意圖］了解氮循環(huán)的過程，認識氮循環(huán)對維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要作用。發(fā)展素養(yǎng)5。

［提問］自然界的哪些地方有氮元素？

［回答］大氣中、動植物體內(nèi)、土壤中、水體中。

［追問］自然界的氮元素存在形態(tài)有哪些？

［回答］游離態(tài)和化合態(tài)。

游離態(tài)主要是大氣中的氮氣，化合態(tài)主要是動植物體內(nèi)、土壤中、水體中的含氮化合物。那你能不能嘗試描述氮元素在自然界中的循環(huán)過程呢？

［學生1回答］一種是氮氣在雷雨天在電作用下生成NO，另一種是在植物體內(nèi)，如在豆科植物的根中，存在著與根瘤菌共生的豆莢蛋白產(chǎn)生系統(tǒng)，系統(tǒng)會產(chǎn)生植物蛋白，還有人工合成氨，以及汽車排放的尾氣。

［評價］剛剛這位同學說的是自然界中的氮元素的轉(zhuǎn)化，還沒有涉及到循環(huán)，氮循環(huán)是不是圍繞著這些箭頭反復循環(huán)？哪位同學再來試著描述下。

［學生2回答］大氣中的氮通過自然固氮和人工固氮轉(zhuǎn)化成含氮的化合物，如銨鹽、硝酸鹽等，這些物質(zhì)被動植物體吸收，通過遺體及排泄物又回到了大氣中，或者被細菌分解回到大氣中。

［師生總結］氮的循環(huán)過程。

［引導］我們重點來看大氣中的氮如何變成含氮化合物？我們把這個轉(zhuǎn)化過程叫做氮的固定，根據(jù)剛才同學們所說，氮的固定有哪幾種方法？

［學生］思考，交流，做好筆記。回答人工固氮和自然固氮的定義。

［解釋］自然固氮和人工固氮過程。

［引導］請同學們從元素周期表中找出N的位置，畫出氮原子的結構，根據(jù)原子結構可以推測它有哪些性質(zhì)？結合硫及其化合物的學習方法推測氮的主要化合價有哪些？

［思考］氮元素位于第二周期第VA 族，并寫出氮的原子結構。

［回答］N 是第7 號元素，原子結構的最外層有5 個電子，在形成化合物時，為了達到穩(wěn)定結構，氮原子可以得到3個電子。所以可能在化合物中顯-3價。

［設計意圖］基于原子結構認識氮氣的化學性質(zhì)，讓學生建立“位-構-性”三者之間的關系，發(fā)展素養(yǎng)3。

［板書］氮元素的原子結構（圖3）

圖3 氮元素的原子結構示意圖

［補充］還有0 價的N2、+2 價的NO、+4 價的NO2。我們首先以0 價的N 也就是N2為例，探究氮氣的性質(zhì)。請同學們思考氮氣的化學式、電子式、結構式是如何書寫的？

［思考并書寫］

［板書］

化學式：N2

電子式：∶N N∶

結構式：N≡N

［提問］從原子結構的角度思考為什么會這樣書寫呢？

［回答］因為氮的最外層有五個電子，要達到八電子穩(wěn)定結構還需要三個電子，兩個氮在一起形成三個共用電子對，從而形成穩(wěn)定的N2分子。

［小結］氮氣分子中的兩個氮原子以氮氮三鍵結合，相比于單鍵或者雙鍵，要斷開三鍵需要很高的能量，所以氮氣的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，通常情況下N2難以與其他物質(zhì)發(fā)生反應。但是如果在獲得了足夠的能量的情況下，氮氣也是會發(fā)生反應的，氮氣發(fā)生反應的條件是非?？量痰模话闶歉邷鼗蛘叻烹姟?/p>

［思考］氮氣化學性質(zhì)穩(wěn)定的原因：氮氣分子中的三鍵不容易斷裂。

［布置任務］寫出氮氣與Mg、H2、O2反應的化學方程式。

［寫化學方程式］寫出化學方程式并認真聽講。

分析在三個反應中N的化合價的變化

［提問］由氮氣生成含氮化合物，氮元素的化合價一定升高嗎？

［回答］不一定，氮氣與鎂發(fā)生反應化合價由0降低為-3，與氫氣發(fā)生反應化合價由0 降低為-3，與氧氣發(fā)生反應化合價由0 升高為+2，化合價不一定升高，既體現(xiàn)氮氣的氧化性又體現(xiàn)氮氣的還原性。

［設計意圖］從氧化還原的角度認識氮氣，幫助學生建立氧化還原的認知模型，發(fā)展素養(yǎng)2和3。

［引導］我們在初中學過空氣中氮氣的含量在78%左右，你能根據(jù)生活常識歸納出氮氣的物理性質(zhì)嗎？

［回答］氮氣是一種無色無味、難溶于水、密度比空氣略小的氣體。

［總結用途］由于氮氣的化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，在生活中用途很多，例如液氮可以用于醫(yī)療手術，可以制造氮肥，用作燈泡中的填充氣，用作糧食瓜果的保護氣等。所以氮氣在各領域都發(fā)揮著非常重要的作用。

［認真聽講］認識氮氣的用途。

［PPT 展示］新聞：某礦井地下炸藥庫因違章吸煙導致爆炸造成人員氮氧化物中毒，死亡7人，重度中毒2人，輕度中毒66人。

［提問］請同學們猜測引起中毒的含氮的物質(zhì)是什么？

［設計意圖］在主題情境中，從氮的氧化物能夠引起中毒的問題，學生能夠認識到在人類發(fā)展的同時也要考慮發(fā)展過程中的安全問題而發(fā)展素養(yǎng)5。

［回答］可能是一氧化氮和二氧化氮。

［布置任務］請同學們閱讀課本的第13頁，完成導學案中NO和NO2的物理性質(zhì)的比較。

合作交流完成。

［板書］NO：無色無味的有毒氣體，不溶于水，密度比空氣小。

NO2：紅棕色有刺激性氣味的有毒氣體，易溶于水，密度比空氣大。

［提問］請同學們思考：如何收集NO 和NO2？歸納原因。

［回答］NO 用排水法收集，二氧化氮用向上排空氣法收集。原因是NO不溶于水，NO2密度比空氣大。

［演示實驗］在一支20 mL 的注射器中沖入8 mL的NO，后吸入2 mL 的水，用乳膠管和彈簧夾封住管口，震蕩注射器。

［設計意圖］學生通過化學演示實驗認識NO 與O2NO2與水的反應過程，并認識到化學實驗是獲得知識的有效途徑，避免被動地接受知識，發(fā)展素養(yǎng)4。

［提問］此時有什么實驗現(xiàn)象，你能得出什么實驗結論？

觀察思考，無明顯現(xiàn)象，說明NO不溶于水。

［演示實驗］打開彈簧夾，迅速吸入5 mL 空氣后夾上彈簧夾，此時又有什么現(xiàn)象，你能得出什么結論？

［回答］無色氣體變?yōu)榧t棕色，注射器活塞向右移動，說明NO與空氣中的氧氣發(fā)生了反應，生成了紅棕色的NO2。

［實驗演示］震蕩注射器，觀察實驗現(xiàn)象。

［回答］紅棕色的氣體變成了無色，注射器的活塞向右移動。

［提問］為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？

思考

［演示］打開彈簧夾吸入空氣，我們可以看到無色氣體又變紅了，說明剛剛的無色氣體是？

［回答］一氧化氮。

［提問］非常好，那你能用化學方程式表示這一過程嗎？

思考、交流、書寫化學方程式。

［設計意圖］幫助學生建立“宏-微-符”三重化學表征，發(fā)展素養(yǎng)。

［講授］分析反應間化合價的變化。NO2與水的反應是氮元素自身發(fā)生氧化還原反應。通過這個反應我們可以知道NO、NO2可以相互轉(zhuǎn)化，簡單提一下這也是我們后面要學習的工業(yè)制取硝酸的一個主要原理。

［布置任務］剛剛我們講了N2、NO、NO2主要的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，你能嘗試建立三者的價類二維圖嗎？

思考交流，解決問題，建立價類二維圖（圖4）。

圖4 三者的價類二維圖

［歸納總結］價類二維圖，后面我們會學到更多的關于氮的化合物，對價類二維圖進行完善。

［設計意圖］幫助學生建立認識元素及其化合物的一般方法，建立認知模型，發(fā)展素養(yǎng)2。

［講授］我們都知道事物都具有兩面性。氮及其化合物對我們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的影響，但同時也造成了很多負面影響。

［視頻呈現(xiàn)］氮氧化物：毒與火的煉獄。

根據(jù)視頻所講歸納氮氧化物帶來的環(huán)境問題有哪些？

［設計意圖］能夠認識到化學知識在實際生活中的應用，尊重科學倫理道德并逐步形成綠色化學、環(huán)境保護等觀念，發(fā)展素養(yǎng)5。

觀看視頻，歸納

［歸納］光化學污染：氮氧化合物在紫外線的作用下發(fā)生光化學反應，產(chǎn)生有毒的煙霧。

破壞臭氧層：導致地面紫外線輻射增強。

酸雨：NO2排入大氣與水反應生成硝酸、亞硝酸，隨雨雪降落到地面，對動植物、建筑物造成破壞。

［布置任務］在硫及其化合物中我們學習了硫酸型酸雨的形成，根據(jù)我們上面所學的化學方程式，分析硝酸型酸雨的形成。

［回答］會發(fā)生如下反應：

［引導］學生歸納氮的循環(huán)過程以及本節(jié)課的學習內(nèi)容。

［學生］歸納總結

［設計意圖］強化鞏固，突出重難點。

［布置作業(yè)］

四、教學反思

以問題為導向的教學，可以引發(fā)學生的積極思考，有利于學生的思維拓展。通過“氮的循環(huán)”“N2、NO、NO2的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化”與“酸雨的形成與危害”三個教學內(nèi)容的學習，使學生認識了氮氣及其常見的氧化物的性質(zhì)；通過對氮氣與其氧化物之間相互轉(zhuǎn)化的學習，學生認識了物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化與平衡，以及它們的性質(zhì)與用途，培養(yǎng)了學生的科學探究能力；通過對元素及其化合物認知模型的學習，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力及歸納、概括、推理能力。學生能夠?qū)W以致用，將所學知識應用到實際生產(chǎn)生活中去；同時也培養(yǎng)了學生熱愛科學，關心環(huán)境友好型社會建設等社會責任感。本文以氮元素為例，對元素性質(zhì)、化學反應、工業(yè)生產(chǎn)、生活應用等方面進行知識和技能的介紹，旨在引導學生了解元素性質(zhì)與其相關物質(zhì)的聯(lián)系，進一步領悟化學在生活中的價值和意義?；瘜W知識是人類社會文明發(fā)展的重要基礎，化學也幫助人們認識自然、改造自然。因此，教師在教學過程中要加強化學知識與社會、自然以及人與人之間關系的聯(lián)系，引導學生提高對化學知識和科學的價值理解，培養(yǎng)學生熱愛祖國、關心社會和關注環(huán)境的情懷。在新課程中，教師應以培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)為前提充分發(fā)揮教學活動中的主導作用，通過引導學生主動參與教學活動，讓他們在參與過程中形成一定的能力和掌握相應知識，促進個體的發(fā)展。