素養導向的化學課堂教學的設計與實施

關鍵詞：知識素養化；硝酸；實驗探究

中圖分類號：G623.56 文獻標識碼：B 文章編號：1673-4289（2024）12-0044-04

一、核心素養導向的硝酸知識的結構化處理

新課標將“大概念”作為每個學習主題的重要學習內容之一，它是反映化學學科本質，具有高度概括性、統攝性和廣泛遷移價值的化學學科思想和觀念。

（一）“硝酸”教學目標的確立

（1）能根據實驗現象，從元素價態的角度分析濃、稀硝酸與銅等物質反應的產物及硝酸分解的產物，并能用化學方程式進行表征；能根據實驗事實說明硝酸的強氧化性受到濃度、溫度、酸度等因素的影響，學會從變化的視角解決一些實際問題，樹立基于證據的推理意識。

（2）通過硝酸氧化性強弱影響因素的分析，能自行設計反應條件，通過調節外界因素來改變物質的氧化性或還原性強弱，使一個不自發的氧化還原反應變得自發。

（3）通過硝酸性質的學習，能從使用溫度、浸泡時間等角度分析使用硝酸做化學拋光液的注意事項，能夠科學理性地評價硝酸處理金屬的優缺點，能從環保角度分析和合理使用硝酸，初步建立“綠色化學”觀念和可持續發展意識。

（二）“硝酸”教學內容的結構化處理

根據新教材的調整情況，結合“學習進階”的特點，素養導向的教學內容的構建思路如圖1所示。

二、充分發揮“科學探究與實踐”的素養功能

筆者以高中化學必修第二冊第五章化工生產中的重要非金屬元素第二節中的“硝酸”為例，探索核心素養導向的元素化合物教學，使元素化合物的學習成為發展學生核心素養的重要載體。本課時對稀硝酸與銅的反應裝置做了創新改進，避免了空氣中O₂對氣體產物檢驗的干擾，以培養學生嚴謹的科學思維和創新意識。濃硝酸與銅的分組實驗為微型實驗，既保證了實驗現象的可視化，又強化了環保意識。

【實驗探究】案例一

學生分組創新實驗——濃硝酸與銅的反應

【具體操作】將銅片放入裝有濃硝酸的小瓶子里，迅速擰上瓶蓋，觀察并描述實驗現象（如圖2所示）。

【學牛匯報】學牛匯報實驗現象

【教學過渡】將硝酸的濃度降低，稀硝酸會像稀硫酸一樣就不和銅反應了嗎？

【實驗探究】案例二

創新演示實驗——稀硝酸與銅的反應

【具體操作】組裝如圖3（1）裝置，往試管中注滿稀硝酸，塞緊橡膠塞。橡膠塞上插有銅絲，并用醫用三通閥連有注射器用于收集反應產生的氣體。反應一段時間后，調節三通閥的位置，用注射器往裝置內通入空氣。觀察現象如圖3（2）、3（3）。

【提出問題1】實驗中試管內注滿稀硝酸的目的是什么？

【學生甲】排盡裝置內的空氣，避免氣體檢驗的干擾。

【提出問題2】實驗最后用注射器通人空氣的目的又是什么？

【學生乙】確認稀硝酸與銅反應的氣體為NO。

【學生交流討論、匯報展示】

【教師過渡】除了銅，還原性更弱的銀也能被HN03溶解，如果我們將探究中的銅換成更活潑的鐵、鋁，反應又如何呢？

【實驗探究】案例三

演示實驗——濃、稀硝酸與鐵的反應

【具體操作】取兩枚打磨光亮的鐵釘置于兩支試管中，分別加入相同量的濃硝酸和稀硝酸，觀察并記錄實驗現象如圖4（1）、（2）、（3）。

【學生交流討論、匯報展示】

【提出問題3】如何去除鐵表面的鈍化膜呢？

【學生丙】可以加入稀硝酸，或者濃硝酸加熱，或者用砂紙打磨……

【繼續追問】還有哪種金屬也有類似的情況？

【學生丁】類比濃硫酸的性質，鋁也能在濃硝酸中鈍化。

三、硝酸教學設計的情境化處理

以“硝酸的發現和使用史”為情境統領本節課的相關內容，由硝酸“蝕五金”的化學史為主線探究硝酸與活動性不同的金屬反應的實驗，分別從物質本身的性質、濃度、溫度、酸度、介質環境等因素多方面探究硝酸與金屬的反應，并對相關學習內容進行結構化和功能化整合，最后利用結構化知識分析使用銅制品化學拋光液的注意事項及評價拋光液的優缺點，使素養要求顯現化、具體化，有利于落實學生化學學科素養發展的目標。

案例一：

【創設情境】

氮（Nitrogen）的原意是“來自硝石的氣體”。人類關于硝酸最早的記錄為8世紀阿拉伯煉金術士賈比爾·伊本·哈揚在干餾硝石（KN0₃）的時候發現并制得了硝酸。17世紀德國化學家格勞伯將硝石（KNO₃）和濃硫酸混合制得了硝酸，該法現在被用于實驗室制硝酸。你能寫出實驗室制硝酸的化學方程式并分析該反應中硝酸體現的性質嗎？

【提出問題】實驗室在加熱制取硝酸過程中發現產生了紅棕色氣體，這是什么原因呢？

【學生甲】可能在加熱過程中硝酸發生了分解反應。

【教師追問】很好，濃硝酸受熱或光照條件下會發生分解反應。通過實驗現象結合氧化還原反應原理分析，能書寫有關硝酸不穩定性的化學方程式嗎？

【教師追問】實驗室應如何保存濃硝酸？

【學生乙】一般將濃硝酸保存在細口棕色試劑瓶中，并置于陰涼處。

案例二：

【教師引入】中國古代稱硝酸為“強水”，記載其“性最猛烈，能蝕五金”。五金指的是金、銀、銅、鐵、錫。硝酸是如何蝕五金的呢？帶著這個問題開始我們今天的探究之旅（課堂中先后實驗探究了濃、稀硝酸分別與銅、鐵兩種活動性不同金屬的反應）。

【教師過渡】最后我們來看還原性最弱的鉑和金（如圖5），這是廢舊中央處理器（簡稱CPU）中金屬回收的部分流程圖，硝酸能氧化鉑和金嗎？

【學生分析流程圖得出答案】不能

【教師】雖然硝酸具有強氧化性，但也不能包打天下，對于鉑和金硝酸也鞭長莫及。那該如何實現金的溶解呢？8世紀，還是那個阿拉伯煉金術士哈揚，他將鹽酸與硝酸混合在一起發現了能夠溶解金的王水！王水究竟是一種什么樣的物質呢？

【學生查閱教材資料卡片匯報】王水是濃硝酸和濃鹽酸按照體積比1：3組成的混合物。

【教師】雖然硝酸和鹽酸單獨都無法溶解金，但他們聯合起來卻能使一些不溶于硝酸的金屬如金、鉑等溶解。王水是如何與金反應的呢？請同學們繼續閱讀資料卡片并完成相應的思考題。

四、充分發揮教師對知識與思維的升華輔助作用

核心素養導向的教學的實施過程以學生為主，教師提供必要的參考資料，引導學生思維碰撞及暴露思維的不足，對學生的問題解決方案提出建議并引導完善方案，充分發揮教師對知識與思維的升華輔助作用，以達到更好的教學效果。

案例一：硝酸氧化性強弱比較及影響因素

【提出問題1】濃、稀硝酸氧化性誰強？你的判斷依據是什么？

【學生甲】濃硝酸氧化性更強，可根據反應的快慢/劇烈程度判斷。

【學生乙】稀硝酸氧化性強，稀硝酸還原產物的價態更低。

【學生丙】氧化性、還原性強弱與得失電子的數目無關，只與得失電子的能力有關。所以不應由價態判斷氧化性強弱，只能由反應的快慢確定。

【教師】回答得非常好，那為什么濃硝酸得到的是NO₂，而稀硝酸還原產物為NO呢？

實際上硝酸與金屬的反應是相當復雜的，在這些氧化還原反應中有許多平行反應。隨著硝酸濃度的降低及金屬還原性的增強，還原產物可以是NO₂、NO、N₂O、N₂，甚至也可能是NH⁺₄。

【提出問題2】硝酸與金屬的反應本質上是一個氧化還原反應，以硝酸與金屬的反應為例，交流討論氧化還原反應中影響氧化性、還原性強弱的因素有哪些。

【學生小組交流討論、匯報】

案例二：硝酸知識應用

【提出問題1】銅片中加入NaNO₃溶液，銅片會不會溶解？若要使銅片溶解，可往體系中加入何種試劑？

【學生】不會溶解。可向體系中加入稀硫酸等能提供H+的酸性物質，增強NO₃的氧化性，使銅溶解。

【教師】回答得很好。也就是說，我們可以通過調節外界因素來改變物質的氧化性或還原性強弱，使一個不自發的氧化還原反應變得自發。

【提出問題2】久置的銅制品表面銹跡斑斑、凹凸不平。使用（用14mol/L濃硝酸和6mol/L硫酸溶液按照體積比1：5配制而成的混合液）化學拋光液浸泡銅片，可以去除表面的氧化膜以及細微的凸起之處，形成平整、光亮的表面，使銅制品重新煥發光彩。請根據今天所學內容，小組交流以下3個問題：①拋光液中為什么加入稀硫酸？②從使用溫度、浸泡時間等角度分析使用化學拋光液時須注意哪些細節？③使用化學拋光液處理金屬有何優缺點？

【學生小組交流討論、匯報】

案例三：知識總結提升

【提出問題】綜合本課的實驗和分析，同學們能總結硝酸和金屬反應的一般規律嗎？

【學生總結、展示】

【教師總結】本節課以金屬活動順序表為線索重點探究了硝酸與金屬的反應。我們知道稀硫酸、鹽酸只能氧化氫前金屬，如何實現不活潑金屬與酸的反應呢？通過這節課的學習，我們找到了兩種解決辦法：①增強酸的氧化性，如硝酸、濃硫酸能氧化除鉑、金外的絕大部分金屬；②增強金屬的還原性，如王水中Cl-引入后能溶解不溶于硝酸的鉑和金。

五、教學反思

開展核心素養導向的化學教學，由單純的化學知識教學向核心素養發展教學轉變，將成為化學教學改革的新方向。本節課教學設計與實施以“硝酸蝕五金”為情境載體，通過開展多樣的化學實驗活動，探究硝酸與活動性不同的金屬之間的反應，充分發揮實驗的教學功能，引導學生積極主動參與真實問題的解決過程，增強其實踐本領，發展其核心素養。本節課的所有實驗均采用微型實驗，實驗藥品用量少，現象明顯，取樣安全，注意環境保護。通過對比濃、稀硝酸與銅、鐵反應的實驗現象，引導學生分析濃度、溫度等因素對硝酸氧化性及還原產物的影響，培養學生基于證據推理的思維方法。