核心素養(yǎng)視角下創(chuàng)新實驗教學實踐

【摘" 要】全面培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)是高中化學課程的主旨，也是基于學生實際生活和發(fā)展的需要。從核心素養(yǎng)視角出發(fā)，以 “NO與NO2的轉(zhuǎn)化”實驗教學為例，基于證據(jù)推理，通過創(chuàng)新實驗一體化探究氮氧化物的性質(zhì)，促使學生在感知—推理—探究過程中不斷提升學科思維能力和學科核心素養(yǎng)。

【關鍵詞】核心素養(yǎng)；創(chuàng)新實驗；情境教學

一、問題的提出

關于高中化學實驗教學的實施，新課標要求學生應能根據(jù)各類物質(zhì)及實驗現(xiàn)象，尋找證據(jù)預測現(xiàn)象與物質(zhì)性質(zhì)間的聯(lián)系，在教學過程中應滲透宏觀辨識、變化觀念、證據(jù)推理的學科思想和方法；在實踐層面應通過設計實驗探究活動培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識，提升學生多維度核心素養(yǎng)。然而，實際的課堂實驗教學仍與新課標要求存在差距，如不能從實際出發(fā)，通過創(chuàng)設真實的情境，讓學生靈活運用所學知識解決問題，很少通過設計學生實驗探究推測物質(zhì)的相關性質(zhì)。

以“NO與NO2的轉(zhuǎn)化”為例，它是蘇教版高中化學必修2專題7“氮的固定”中的教學內(nèi)容，由于實驗氣體有毒且泄漏會對環(huán)境產(chǎn)生污染，教材中有關氮氧化物性質(zhì)的內(nèi)容缺少相應的實驗探究環(huán)節(jié)，教師通常只進行視頻實驗，無法實現(xiàn)學生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。面對這樣的問題，也有其他學者對該實驗進行了改進，如陳方等對氮氧化物溶于水的實驗裝置進行了改進，利用礦泉水瓶與帶針頭的注射器進行實驗，但該實驗設計需要拔插注射器，容易造成有毒氣體泄漏；居亞芬利用Y形管、注射器、三通閥等設計了含氮化合物性質(zhì)的一體化實驗設計，雖然能有效防止氣體泄漏，但所需儀器較多，不夠微型化和便攜化；還比如魏海等利用“雙注射器組合裝置”進行系列實驗，仍存在不易操作、裝置復雜等問題。基于上述問題，本文設計了關于探究“NO與NO2的轉(zhuǎn)化”的創(chuàng)新實驗，為突破上述實驗教學存在的問題提供了可能性。

二、“NO與NO2的轉(zhuǎn)化”的創(chuàng)新實驗

（一）實驗藥品及器材

實驗藥品：NO、O2、蒸餾水

實驗器材：2個塑料瓶、瓶塞、止水夾、長尾夾、玻璃導管、玻璃棒、燒杯、表面皿、pH試紙

（二）實驗原理及裝置

實驗原理如圖1所示。

實驗裝置見圖 2，塑料瓶1盛裝NO并留有約占瓶四分之一體積的水，導管口沒入液面以下；塑料瓶2盛裝O2并留有約占瓶五分之一體積的水，導管口在液面上方。

（三）實驗操作要點及現(xiàn)象

“NO與NO2的轉(zhuǎn)化”實驗操作要點及現(xiàn)象如表1所示。

（四）實驗教學設計思路

“NO與NO2的轉(zhuǎn)化”實驗教學設計思路如圖3所示。

三、基于核心素養(yǎng)視角下的實驗教學過程節(jié)選——以“氮的固定”為例

情境引入：視頻播放——走近魔鬼谷

通過視頻，發(fā)現(xiàn)魔鬼谷中的草木出奇的茂盛，但牦牛和牲畜只要進入此谷便會命歸西天。

情境任務一：魔鬼谷為何牧場變墳場？

[教師]高能固氮，主要指在雷電作用下實現(xiàn)氮的固定。

[學生]從高能固氮的條件聯(lián)想魔鬼谷牧場變墳場的奇特現(xiàn)象，為解釋草木出奇茂盛找到了突破口，意識到魔鬼谷高頻閃電為高能固氮提供了條件。

[教師]介紹高能固氮的原理，提出問題：NO如何轉(zhuǎn)變?yōu)榈剩?/p>

[學生]思考，嘗試通過實驗探究得出答案。

設計意圖：從實際出發(fā)，通過創(chuàng)設真實的“魔鬼谷”情境，利用反常的事物激發(fā)學生好奇心和求知欲，提升學習興趣。高能固氮的理論知識結合魔鬼谷實際現(xiàn)象，合理猜測墳場是由高頻閃電導致的，這又是高能固氮的必要條件。引導學生整合已知信息，在教學過程中不斷滲透宏觀辨識、變化觀念、證據(jù)推理的學科思想和方法，有效發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。

情境任務二：解密魔鬼谷草木茂盛之謎——學生實驗

[學生實驗1]探究NO的性質(zhì)

[教師]引導學生觀察瓶1中用排水法收集的NO氣體，并描述NO的物理性質(zhì)。

[學生]NO為無色氣體，微溶于水。

[學生操作]混合NO與O2，觀察實驗現(xiàn)象。

[學生]看到瓶1內(nèi)氣體由無色變成紅棕色，發(fā)現(xiàn)NO能與氧氣反應。

[教師]介紹紅棕色氣體為NO2，請學生寫出相應的化學方程式，并嘗試歸納NO的收集與檢驗方法。

[學生1]書寫方程式：2NO+O2=2NO2。

[學生2]一氧化氮能和氧氣迅速反應，不能與空氣共存，只能用排水法收集。

[學生3]檢驗NO：打開無色氣體瓶蓋，觀察瓶口，若出現(xiàn)紅棕色氣體，則為NO。

[學生實驗2]探究NO2的性質(zhì)

[實驗操作]將有紅棕色氣體的塑料瓶1輕輕搖晃，觀察現(xiàn)象。

[學生]看到瓶1內(nèi)紅棕色氣體褪去，瓶子變癟，瓶身發(fā)熱，說明NO2能與水反應。

[教師]猜測并驗證反應產(chǎn)物。

[實驗操作]使O2進入瓶1，觀察現(xiàn)象。

[學生]瓶1內(nèi)無色氣體又變成紅棕色，說明產(chǎn)物有NO。

[實驗操作]用pH試紙檢測瓶1溶液的pH值。

[學生]pH試紙呈紅色，說明有酸性物質(zhì)生成。

[教師]通過實驗探究已經(jīng)確定NO2與水作為反應物，產(chǎn)物有NO生成，N元素化合價發(fā)生變化，為氧化還原反應。結合氧化還原概念，NO2為氧化劑，NO為還原產(chǎn)物，還原劑是什么？

[學生1]水無法做還原劑。因為H元素化合價已是最高價，O若化合價升高，其產(chǎn)物即為O2，也不合理。

[學生2]可能NO2為還原劑，這是NO2的歧化反應。

[教師]結合實驗，發(fā)現(xiàn)有酸性物質(zhì)生成，產(chǎn)物可能是什么？

[學生]NO2中N為+4價，化合價只能升高到最高+5價，相應酸為硝酸。

[教師]請根據(jù)結論書寫化學方程式，并分析是否符合實驗事實？

[學生1]書寫方程式：3NO2+H2O=2HNO3+NO。

[學生2]方程式為一個氣體分子數(shù)減小的反應，符合實驗過程中瓶子變癟的實驗現(xiàn)象。

[教師]歸納總結NO2的性質(zhì)與收集方法，引導學生解釋魔鬼谷草木茂盛之謎。

設計意圖：基于化學核心素養(yǎng)的視角，設計創(chuàng)新實驗，實現(xiàn)學生分組進行探究，在實踐層面提升學生的觀察能力和實驗探究能力。氮氧化物的轉(zhuǎn)化實驗重點培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析、科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。NO2溶于水的產(chǎn)物推斷過程，旨在讓學生能根據(jù)現(xiàn)象、結合氧化還原基礎概念，推理得出結論，并用化學語言描述實驗事實，加強對學科知識的理解，側重發(fā)展學生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

思維拓展：NO2溶于水能否完全轉(zhuǎn)化為硝酸？

[教師]剛才瓶1中紅棕色氣體現(xiàn)在又消失了，請大家猜測原因。

[學生]可能NO2又繼續(xù)與水反應，生成了NO。

[教師]設計實驗證明猜想。

[學生]打開瓶1的塞子，沒有觀察到明顯現(xiàn)象。

[教師]為何實驗現(xiàn)象與猜測不同？NO2什么條件下能完全溶解于水？

[學生]有氧氣參與，NO2可以完全轉(zhuǎn)化為HNO3。

[教師]請寫出相應的化學方程式，并思考NO如何完全轉(zhuǎn)化為硝酸。

[學生] 4NO2+O2+2H2O=4HNO3，4NO+3O2+2H2O=4HNO3

[教師]評價這個實驗裝置有何優(yōu)點？

[學生]實驗操作簡單、現(xiàn)象明顯，不泄漏有毒氣體、綠色環(huán)保無污染，可以實現(xiàn)氮氧化物的完全轉(zhuǎn)化。

設計意圖：通過創(chuàng)新實驗，實現(xiàn)有毒氣體零泄漏，探究過程中設計合理梯度的問題，使教學知識有深度和廣度，有利于提升學生的思維層次和品質(zhì)。從實驗裝置評價出發(fā)，培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識，并從“科學態(tài)度與社會責任”的核心素養(yǎng)角度，讓學生感悟綠色化學思想觀念，培養(yǎng)社會責任感，在形成未來發(fā)展的正確價值觀和必備品格中發(fā)揮作用。

四、結束語

本案例通過設計情境 “探秘魔鬼谷”制造懸念，貫穿氮的固定教學內(nèi)容，始終圍繞情境任務設計問題帶動學生思考，通過指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的創(chuàng)新實驗探究，進行證據(jù)推理解決問題，學習新知。

只有基于核心素養(yǎng)視角開展的教學，才是有效的教學，在此基礎上有機融合創(chuàng)新實驗，可以讓化學課堂迸發(fā)新的智慧和火花。為此，教師需要激發(fā)自身的創(chuàng)意和靈感，努力設計出更多新的創(chuàng)新實驗教學，為實現(xiàn)傳統(tǒng)化學教學向發(fā)展核心素養(yǎng)教學的轉(zhuǎn)化添磚加瓦。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]陳方，顏成.NOx溶于水實驗裝置的新設計及實驗改進[J].化學教學，2016（1）：72-74.

[3]居亞芬.含氮化合物的性質(zhì)一體化實驗設計[J].教學考試，2023（5）：49-51.

[4]魏海，李德前.“雙注射器組合裝置”的制作與應用：以銅與硝酸反應的系列實驗為例[J].化學教學，2020（11）：69-71.