大概念導(dǎo)向下多角度認(rèn)識(shí)元素化合物性質(zhì)的教學(xué)實(shí)踐

摘要：學(xué)科大概念是建構(gòu)學(xué)科知識(shí)和核心素養(yǎng)的重要橋梁。大概念導(dǎo)向下的認(rèn)識(shí)元素及其化合物性質(zhì)的教學(xué)，可以將情境線、性質(zhì)線、大概念線三線合一貫穿教學(xué)始終，引導(dǎo)學(xué)生從“價(jià)類二維觀”“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”“化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化”“化學(xué)反應(yīng)需要條件”等多個(gè)角度研究物質(zhì)的性質(zhì)與用途，在學(xué)科大概念的引領(lǐng)下促進(jìn)學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展，達(dá)成“教—學(xué)—評(píng)”一體化的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：學(xué)科大概念；氨氣；元素化合物性質(zhì)；認(rèn)識(shí)視角《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確指出，重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。大概念引領(lǐng)下的教學(xué)不僅讓學(xué)生習(xí)得學(xué)科知識(shí)，還讓學(xué)生超越學(xué)科知識(shí)本身發(fā)展學(xué)科觀念，從而發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。“無(wú)機(jī)化合物的性質(zhì)與應(yīng)用”這一主題能夠很好地培育學(xué)生的元素觀、能量觀、轉(zhuǎn)化觀、微粒觀等，元素化合物知識(shí)本身雖然是零散的，但是與其他主題的關(guān)聯(lián)度很高。因此，大概念導(dǎo)向下的元素化合物學(xué)習(xí)尤為重要。筆者以中國(guó)知網(wǎng)中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(kù)為數(shù)據(jù)來(lái)源，以“氮及其化合物”為主題，搜索2017年到2023年的相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)，篩選出核心期刊中的教學(xué)案例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，教師大多從“價(jià)類二維觀”的視角教學(xué)“氮及其化合物”，沒有提煉出更多與元素化合物相關(guān)的大概念進(jìn)行教學(xué)，很少建立從多角度研究元素化合物的認(rèn)知思維模型?；谝陨戏治觯F(xiàn)以大概念為導(dǎo)向，從價(jià)類、能力、結(jié)構(gòu)、反應(yīng)條件等多角度對(duì)蘇教版化學(xué)教材必修第二冊(cè)中的“氨氣”進(jìn)行教學(xué)嘗試，旨在發(fā)展學(xué)生多維度、系統(tǒng)化認(rèn)識(shí)陌生物質(zhì)的能力。一、氨氣教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容選自蘇教版化學(xué)教材必修第二冊(cè)專題七第二單元第一課時(shí)，氨氣是學(xué)生在高中階段接觸到的唯一堿性氣體，學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)不僅能形成認(rèn)識(shí)氫化物的基本思路，還能完善“氫化物—單質(zhì)—氧化物—酸/堿—鹽”的知識(shí)體系。學(xué)生在學(xué)習(xí)蘇教版化學(xué)教材必修第一冊(cè)期間已經(jīng)掌握了物質(zhì)的分類、氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、氯等非金屬元素、化學(xué)反應(yīng)與能量變化、化學(xué)反應(yīng)的限度等相關(guān)知識(shí)，掌握這些知識(shí)不僅為學(xué)習(xí)本節(jié)課打牢了基礎(chǔ)，而且能夠促進(jìn)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、基于“價(jià)—類”認(rèn)識(shí)物質(zhì)、反應(yīng)是有能量變化的、反應(yīng)是有條件的等大概念，進(jìn)一步發(fā)展上層大概念——多維度認(rèn)識(shí)物質(zhì)和反應(yīng)；能發(fā)展學(xué)生的微粒觀、價(jià)類觀、能量觀、調(diào)控觀、綠色觀等學(xué)科觀念，幫助學(xué)生建立和完善認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型，真正實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地。此外，氨氣是人類制備各種含氮物質(zhì)的重要原料，在生產(chǎn)和生活中都發(fā)揮著極其重要的作用，借助前沿科技成果創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境探究氨的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化，具有重要的社會(huì)價(jià)值和學(xué)科價(jià)值。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)注重講解氨氣溶于水、氨氣與酸反應(yīng)和氨氣具有還原性等知識(shí)，過于重視基本知識(shí)和基本概念的教學(xué)，缺乏根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》和課程內(nèi)容對(duì)學(xué)科大概念進(jìn)行提煉、建構(gòu)與遷移，缺乏對(duì)認(rèn)識(shí)元素化合物的“認(rèn)識(shí)思路”和“核心觀念”的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。這樣的教學(xué)方式容易導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械地記憶知識(shí)，難以在陌生的問題情境中激活已有知識(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效率的遷移，難以把知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中缺乏深度思考，難以將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)（一）以大概念為引領(lǐng)，構(gòu)建認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本框架根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，應(yīng)以大概念為引領(lǐng)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的化學(xué)問題情境，在真實(shí)的情境中建構(gòu)化學(xué)大概念，并學(xué)會(huì)運(yùn)用建構(gòu)的化學(xué)大概念解決實(shí)際問題。這就要求教師在圍繞核心素養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中，將“認(rèn)識(shí)思路”及“核心觀念”貫穿課堂始終，基于學(xué)生發(fā)展需要，厚植學(xué)科大概念，開展結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。元素化合物的知識(shí)雖然瑣碎繁雜，但是仍然有很強(qiáng)的規(guī)律性和系統(tǒng)性，蘊(yùn)含著豐厚的化學(xué)思維。為實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)，筆者以大概念為核心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，抽提“價(jià)類二維觀”“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”“化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化”“化學(xué)反應(yīng)需要條件”等四個(gè)大概念，建構(gòu)出大概念層級(jí)結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示）。通過創(chuàng)設(shè)“氨能源”真實(shí)問題情境，以大概念引領(lǐng)教學(xué)，整合知識(shí)，幫助學(xué)生將散亂的化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化處理，促進(jìn)學(xué)生形成“基本概念—核心概念—大概念”層級(jí)清晰的完整知識(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從解決具體的實(shí)際問題走向解決一類問題，達(dá)成知識(shí)的高效率遷移的目標(biāo)。（二）情境線、性質(zhì)線、大概念線三線合一指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)要求教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引領(lǐng)學(xué)生探索未知世界。筆者基于此設(shè)計(jì)三維線索（如圖2所示）：以情境線為活動(dòng)主線，以氨氣的性質(zhì)為明線，以大概念核心思想發(fā)展為暗線，三線合一，統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)教學(xué)過程。通過“為什么氨是集經(jīng)濟(jì)、安全于一體的綠色能源？”這一核心問題，引導(dǎo)學(xué)生在探究氨氣的性質(zhì)的過程中建構(gòu)研究物質(zhì)的認(rèn)知框架，并利用這一框架預(yù)測(cè)聯(lián)氨這一陌生物質(zhì)的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的有效遷移，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。三、教學(xué)目標(biāo)通過分析氨氣和氧氣的反應(yīng)選擇和反應(yīng)條件控制，形成從價(jià)態(tài)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的意識(shí)，同時(shí)從能量、綠色等角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)是有條件的、可調(diào)控的，從而發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。通過探究氨氣易液化，發(fā)展結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的思想，形成基于物質(zhì)特性認(rèn)識(shí)典型物質(zhì)性質(zhì)的視角，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析核心素養(yǎng)。通過氨氣與水反應(yīng)、氨氣與酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究，形成基于物質(zhì)類別認(rèn)識(shí)物質(zhì)的視角，發(fā)展科學(xué)探究核心素養(yǎng)。能概括和運(yùn)用典型物質(zhì)性質(zhì)的一般認(rèn)識(shí)框架，分析和預(yù)測(cè)陌生物質(zhì)可能具有的性質(zhì)和用途，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)。四、教學(xué)過程指向大概念的氨氣教學(xué)共五個(gè)環(huán)節(jié)（如表1所示），引領(lǐng)學(xué)生循序漸進(jìn)地探究氨氣的性質(zhì)及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。（一）初識(shí)氨能源情境引趣：播放氨能源相關(guān)視頻。提出核心問題：為什么氨氣是集經(jīng)濟(jì)、安全于一體的綠色能源？（二）探析氨燃燒的原理思考與討論：氨氣與氧氣反應(yīng)可能生成什么產(chǎn)物？小組成果匯總：N2、NO、NO2、H2O。問題1：為什么能生成這些產(chǎn)物，依據(jù)是什么？生：NH3中N的化合價(jià)為-3價(jià)，具有還原性，與氧氣反應(yīng)價(jià)態(tài)升高，可以升到0、+2、+4價(jià)。問題2：你認(rèn)為哪個(gè)反應(yīng)最好，依據(jù)是什么？生：第一個(gè)反應(yīng)最好，因?yàn)榈谝粋€(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物為N2，無(wú)污染。追問：氨作為燃料，在燃燒時(shí)除了要關(guān)注物質(zhì)變化，還要關(guān)注什么變化？生：化學(xué)反應(yīng)是有能量變化的，研究氨氣燃燒還需考慮能量變化，燃燒放出的熱量越多越好。提供證據(jù)：4NH3（g）+3O2（g）＝2N2（g）+6H2O（g）ΔH=-1269.0kJ·mol-14NH3（g）+5O2（g）＝4NO（g）+6H2O（g）ΔH=-907.0kJ·mol-14NH3（g）+7O2（g）＝4NO2（g）+6H2O（g）ΔH=-1133.0kJ·mol-1問題3：分析熱化學(xué)方程式，你得出什么結(jié)論？能找出哪些判斷反應(yīng)的思路？師生總結(jié)：我們選擇一個(gè)反應(yīng)不僅要關(guān)注物質(zhì)變化，還要關(guān)注能量變化?；瘜W(xué)反應(yīng)伴隨著能量的變化，我們可以從能量的角度選擇合適的燃料和反應(yīng)。追問：如何控制反應(yīng)生成氮?dú)?？生：控制氧氣的量、改變反?yīng)條件。提供資料：4NH3+3O2[點(diǎn)燃]2N2+6H2O4NH3+5O2[催化劑△]4NO+6H2O問題4：觀察這兩個(gè)反應(yīng)有何區(qū)別，說出你得到的啟發(fā)。生：反應(yīng)條件不同，產(chǎn)物不同，說明可以通過控制反應(yīng)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的調(diào)控。教師總結(jié)：反應(yīng)是有條件的，但是我們可以通過改變條件調(diào)控反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。（三）再探氨能源的經(jīng)濟(jì)性問題1：對(duì)比氨能源和氫能源，誰(shuí)更經(jīng)濟(jì)？生1：氫能源來(lái)源于水，原料易得。生2：氨能源易液化，儲(chǔ)存要求低，儲(chǔ)運(yùn)方便。提供證據(jù)如表2所示。表2氫能源、氨能源相關(guān)情況[項(xiàng)目

氨能源

氫能源

價(jià)格/元·噸-1

4000

60000

液化溫度/℃

-33

-235液化條件

常壓降溫至-33℃或常溫加壓至700—800kPa

常壓降溫至-235℃

儲(chǔ)運(yùn)

方便

困難

]對(duì)比分析得出結(jié)論：由于氨氣易液化、易儲(chǔ)運(yùn)、安全性高，綜合考慮氨能源更經(jīng)濟(jì)。問題2：為什么NH3比H2更容易液化？生：由于氨分子間存在氫鍵，導(dǎo)致氨的沸點(diǎn)更高。教師歸納：這就是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，氨分子間存在氫鍵這一特殊的結(jié)構(gòu)決定了氨氣易液化這一特殊的性質(zhì)。（四）再識(shí)氨能源的安全性問題1：若液氨罐泄漏，如何處理泄漏的氨氣？你能設(shè)計(jì)哪些方案？生：方案1，用水，因?yàn)榘睔庖兹苡谒?；方?，用酸，因?yàn)榘睔饽芘c酸反應(yīng)；方案3，用氧化劑，例如高錳酸鉀，因?yàn)榘睔饩哂羞€原性。學(xué)生評(píng)價(jià)：方案1更合理，因?yàn)樗菀撰@得；方案2中的酸有腐蝕性，會(huì)污染環(huán)境；方案3選擇高錳酸鉀，成本高。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1：氨的噴泉實(shí)驗(yàn)。教師利用多媒體展示噴泉實(shí)驗(yàn)裝置圖。學(xué)生圍繞問題小組討論：這套裝置由哪幾部分組成？該實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)操作順序是什么？可能會(huì)產(chǎn)生哪些現(xiàn)象？追問：為什么燒杯中的水會(huì)倒吸入燒瓶中？說明了什么？生：因?yàn)榘睔庖兹苡谒?，使得燒瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)減小，水被大氣壓壓入燒瓶中。師：現(xiàn)在就請(qǐng)一位同學(xué)來(lái)試一試，這樣的操作是否可行。學(xué)生進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。問題2：為什么擠壓膠頭滴管那一點(diǎn)點(diǎn)水，能夠引發(fā)噴泉？生：說明氨氣在水中溶解度極大，造成了燒瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)急劇下降。問題3：結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析裝置中壓強(qiáng)變化過程及變化原因，畫出p-t圖。小組展示所畫圖像并匯報(bào)：膠頭滴管內(nèi)的水?dāng)D入燒瓶后，燒瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)急劇減小，所以曲線下降，而且應(yīng)該比較陡。燒杯內(nèi)的水被大氣壓壓入燒瓶后，燒瓶中的壓強(qiáng)會(huì)慢慢增大，且增大的過程比較平緩。問題4：如果沒有膠頭滴管，如何引發(fā)噴泉？生1：可以用手捂住燒瓶，氣體受熱膨脹，氨氣會(huì)沿著長(zhǎng)導(dǎo)管逸出接觸到燒杯中的水，氨氣溶于水就能引發(fā)噴泉。生2：可以用冷毛巾冰敷燒瓶使燒瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)減小。問題組：氨氣溶于水僅僅是物理溶解嗎？氨氣溶于水的溶液可能呈什么性？如何檢驗(yàn)？生：氨氣溶于水應(yīng)該會(huì)與水反應(yīng)生成堿，可以用酚酞檢驗(yàn)。追問：如何改進(jìn)剛才的實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2：向盛有水的燒杯中滴加酚酞后進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)。追問：溶液變紅，說明氨水呈堿性，那么OH-從哪里來(lái)？師生共同分析，得出反應(yīng)式（如圖3所示）。師：氨氣能與水反應(yīng)生成堿，說明氨是堿性氣體，那么氨能否與酸反應(yīng)？實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3：（實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示）注射器中已經(jīng)分別吸取濃氨水和濃鹽酸，把液體推進(jìn)礦泉水瓶中，觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：有白煙產(chǎn)生（NH3+HCl＝NH4Cl）。歸納總結(jié)：本節(jié)課從哪些視角研究了氨的性質(zhì)？生：從價(jià)態(tài)和類別視角學(xué)習(xí)了氨具有還原性，能與水、酸反應(yīng)；從結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的視角認(rèn)識(shí)了氨易液化這一特殊的性質(zhì)；從能量視角認(rèn)識(shí)了氨能用作燃料，認(rèn)識(shí)到反應(yīng)是有條件的，但是反應(yīng)是可控的。教師用多媒體展示圖5，帶領(lǐng)學(xué)生回憶所學(xué)內(nèi)容。（五）預(yù)測(cè)聯(lián)氨的性質(zhì)和用途問題1：請(qǐng)根據(jù)聯(lián)氨的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)它的性質(zhì)和用途，并說明預(yù)測(cè)依據(jù)。小組匯報(bào)：聯(lián)氨具有還原性，從價(jià)態(tài)來(lái)看，N為-2價(jià)，化合價(jià)能升高，能與氧氣反應(yīng)。聯(lián)氨的熱值應(yīng)該比較高，能用作燃料。聯(lián)氨沸點(diǎn)較高，具有一定的氧化性和還原性。從結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)視角分析發(fā)現(xiàn)，聯(lián)氨分子間存在氫鍵，所以它的沸點(diǎn)會(huì)比較高；從價(jià)態(tài)視角N為-2價(jià)，化合價(jià)既能降低又能升高，所以聯(lián)氨既有氧化性又有還原性。提供證據(jù)：1.肼（N2H4），又稱聯(lián)氨，沸點(diǎn)113.5℃，無(wú)色油狀液體，能很好地混溶于水中，吸水性強(qiáng)。2.聯(lián)氨溶液呈弱堿性。3.N2H4中N顯-2價(jià)，酸性溶液中以氧化性為主，還原產(chǎn)物是NH4+，但反應(yīng)速率很慢；堿性溶液中以還原性為主，氧化產(chǎn)物一般是N2，常作強(qiáng)還原劑。4.具有很高的燃燒熱，可用作火箭發(fā)射燃料。師：請(qǐng)你總結(jié)，可從哪些角度推測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)？可從哪些角度評(píng)價(jià)物質(zhì)？小結(jié)：（如圖6所示）通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們明確了研究物質(zhì)的一般思路，即可基于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、類別、元素價(jià)態(tài)、特性認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)和用途；可從物質(zhì)能量、反應(yīng)條件、經(jīng)濟(jì)安全、綠色環(huán)保等維度評(píng)價(jià)物質(zhì)及其化學(xué)反應(yīng)。五、教學(xué)反思（一）大概念導(dǎo)向下的化學(xué)教學(xué)應(yīng)立足學(xué)科本質(zhì)和化學(xué)觀念課堂教學(xué)不僅需要關(guān)注學(xué)科知識(shí)，還應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的未來(lái)。學(xué)科知識(shí)應(yīng)該是一種載體，是教師的教學(xué)目標(biāo)，但不應(yīng)該是最終的教學(xué)目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的發(fā)展，需要學(xué)生形成化學(xué)大概念。教師教給學(xué)生的內(nèi)容不僅是學(xué)科知識(shí)，還是超越了知識(shí)與技能的、可遷移的觀念和方法。其次，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境。本節(jié)課從“氨為什么是集經(jīng)濟(jì)、安全于一體的綠色能源”這一真實(shí)的情境出發(fā)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，引領(lǐng)學(xué)生從價(jià)態(tài)、能量、反應(yīng)條件的控制、綠色環(huán)保等角度思考和分析為什么氨是綠色燃料；從結(jié)構(gòu)角度去解釋為什么氨易液化；從類別的角度去思考解決氨泄漏問題的方法。通過在真實(shí)的情境中將大概念的形成與遷移、問題解決兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，不斷地發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。（二）大概念導(dǎo)向下的化學(xué)教學(xué)應(yīng)充分挖掘課本實(shí)驗(yàn)的功能與價(jià)值本節(jié)課最重要的實(shí)驗(yàn)是噴泉實(shí)驗(yàn)，因此教師需要關(guān)注噴泉實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，需要充分挖掘和利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)的功能和價(jià)值。本節(jié)課采用POE教學(xué)策略（Predict—預(yù)測(cè)，Observe—觀察，Explain—解釋，簡(jiǎn)稱POE），先讓學(xué)生解讀實(shí)驗(yàn)的裝置構(gòu)成、實(shí)驗(yàn)操作步驟，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生把靜態(tài)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)