基于“实验-性质-原理”策略在元素化合物教学中培育学生核心素养--以“硝酸”为例

基于 实验－性质－原理 策略在元素化合物教学中培育学生核心素养以 硝酸 为例钟国华㊀林建芬摘㊀要：概述高一元素化合物模块的教学困境与解决路径，引出 实验－性质－原理 三元整合教学策略，概述其提出的研究背景㊁具体内涵与理论依据㊂以 硝酸 为例，基于课标㊁考纲㊁教材和学情确定教学目标与重难点，运用三元整合策略设置实验情境，设计和实施教学环节，基于原理对实验情境和物质性质进行分析㊁预测㊁演绎㊁习得新知识，进而培育学生宏观辨识㊁变化观念㊁微观探析㊁证据推理㊁科学探究等核心素养㊂关键词：三元整合策略；实验－性质－原理；元素化合物；化学核心素养；化学基本观念钟国华，广东广雅中学化学教师，高级教师；林建芬，广东省深圳市宝安中学（集团）实验学校化学教师，二级教师㊂㊀㊀一㊁ 实验－性质－原理 三元整合教学策略的提出㊀㊀元素化合物知识是中学化学基本概念和基本理论的学习基础，是渗透化学基本观念的最佳载体㊂姜言霞等指出，元素化合物知识具有琐碎㊁庞杂㊁记忆内容多㊁易混淆的特点，是教学难点之一，也是影响学生学习兴趣㊁形成化学基本观念的重要章节［１］㊂高中化学最新课标要求教师要创设能促使学生主动学习的教学情境，引导学生积极参与探究活动，激发学生学习化学的兴趣㊂教学情境的本质是蕴含学科问题的事件，其中包含与教学内容相应的㊁具有内在联系的问题，其核心内涵是引导学生建构知识［２］㊂因此，笔者认为元素化合物教学中，实验㊁视频㊁图片㊁曲线等众多素材都可用于创设教学情境，但并不是学生通过阅读并记住这些情境，就能提炼形成深层次㊁系统化㊁可迁移的基本观念，而是需要教师对情境进行精心设计整合，帮助学生建立知识联系㊁形成概念体系㊁深入思考知识本质㊂学生在必修模块中通过化学实验活动学习元素化合物性质㊂经过整合设计的真实实验和问题情境，虽能强化学生对元素化合物性质的感性认识，但仍缺乏化学基本理论作支撑㊂笔者在必修１教学中，尝试通过真实实验整合教学情境㊂但学生完成情境活动后，还是未能够较好地运用元素观分析陌生物质组成㊁运用分类观研究陌生物质通性㊁运用微粒观理解陌生物质性质㊁运用实验观设计陌生物质相关实验等，因为单一实验情境无法自动为学生建立起学习元素化合物性质的方法㊂学生要进行迁移学习，必须让学到的基本理论成为联通化学实验和物质性质的桥梁㊂但如何基于实验情境结合反应原理分析物质性质的理论少有研究，其相关实践更少［３－４］㊂为了解决该问题，笔者首次４２提出 实验－性质－原理 三元整合策略㊂㊀㊀二㊁ 实验－性质－原理 三元整合教学的过程模式㊀㊀三元整合策略［５］，是指教师要结合以某种元素为核心的一系列物质设计整合型实验，将实验情境㊁物质性质和反应原理进行整合学习㊂三元整合策略的依据是元素化合物课型的教学特点与规律㊂该课型的显性教学任务是，设置实验情境，让学生习得常见物质的组成㊁结构㊁性质㊁变化㊁用途㊁制备等知识，以化学基本概念或理论㊁反应原理为基础构建思维模式㊂其中，实验活动与问题情境是整合元素化合物性质知识㊁化学概念与反应原理的良好载体，决定了教与学的效果㊂三元整合策略要求教师引导学生从问题到结论㊁从一般到个别㊁从实验现象到反应本质，提升学生的高阶思维能力和化学核心素养㊂三元整合教学的过程模式见图１，包括４个环节：①教师创设化学实验㊁反应原理和物质性质的整合型问题情境，组织学生对实验情境进行观察记录；②教师设置问题情境，引导学生思考㊁讨论；③学生在协作会话过程中运用化学反应原理或概念工具，对实验情境进行三重表征分析；④学生对元素化合物性质进行总结反思，并在新情境中进行联系拓展㊂图１㊀ 实验－性质－原理 三元整合策略的过程模式㊀㊀三㊁教学设计（一）设计思路笔者曾在 硝酸 教学中，尝试应用三元整合策略进行教学研究：①实验情境创设，展示金属与浓／稀硝酸㊁铜与硝酸钾和稀硫酸㊁浓硝酸长期在空气中露置发黄等真实情境；②设置问题，引导学生通过研究验证㊁数据分析㊁原因解释等进阶任务，从实验现象分析思考物质性质；③三重表征，学生结合氧化还原反应㊁电解质溶液理论㊁价－类二维图工具等原理，对实验情境进行宏观㊁微观和符号表征；④总结拓展，学生形成元素化合物性质的系统知识（见图２）㊂图２㊀ 实验－性质－原理 三元整合策略的具体内涵（以 硝酸 为例）（二）教学重难点硝酸是必修１中最后一种元素化合物㊂经过前面章节Ｎａ㊁Ａｌ㊁Ｆｅ㊁Ｓｉ㊁Ｃｌ㊁Ｓ等元素化合物中类－价二维图的应用，学生能熟练地从物质类别㊁化合价的角度去预测元素化合物的性质㊂因此，本课主要任务是创设真实情境让学生结合已有知识设计简单实验方案㊁预测实验现象，根据实验现象写出化学方程式㊁预计物质性质强弱，渗透三重表征教学㊂教学重点为：①应用二维图尝试预测ＨＮＯ３的化学性质；②比较浓／稀ＨＮＯ３和Ｃｕ在实验现象㊁反应方程式中的异同㊂教学难点为：①利用物质类别㊁氧化还原反应的知识预测ＨＮＯ３的性质；②能根据已有知识预计实验现象并能进行简单的实验设计㊂（三）三维教学目标根据上述分析，确定本课时的三维教学目标（见表１）㊂（四）教学过程笔者针对教学重难点设置实验情境，落实基本操作和现象描述，学生运用分类法㊁离子反应㊁氧化还原反应㊁电解质溶液㊁价－类二维图等工具预测可能的实验现象㊁解释反应实质，结合反应原理㊁三重表征等解释某些常规和异常现象的成因㊂教学分为课前引导㊁演示实验㊁实验探究㊁原理解释㊁性质总结５个环节，遵循 实验－性质－原理 的教与学主线㊂５２表１　三维教学目标维度具体教学目标知识与技能①能运用氧化还原反应知识理解硝酸的氧化性（与常见金属Ｃｕ㊁Ｃ的反应）㊂②掌握反应条件㊁产物㊁现象，能够正确书写反应方程式㊂③知道冷的浓硫酸㊁浓硝酸与铁㊁铝的钝化作用㊂过程与方法①能有序地描述硝酸的物理性质㊂②结合元素化合物的学习思路，利用二维图尝试猜测ＨＮＯ３具有哪些化学性质并能举例㊂③利用已有知识猜测浓ＨＮＯ３和Ｃｕ发生反应的可能方程式，强化氧化还原反应知识的应用㊂④能根据已有知识猜测浓／稀ＨＮＯ３和Ｃｕ反应的差异，并通过实验加以验证，培养有序描述实验现象的能力和根据实验现象书写化学方程式（含离子方程式）的能力㊂⑤元素化合物课型中渗透 宏观现象－微观本质－符号表征 三重表征教学㊂⑥通过ＮＯ３－在酸性条件下才显示出强氧化性的探究活动，提升设计简单实验的能力㊂情感态度与价值观①用已有知识去预测和用化学实验去验证的科学学习方法㊂②提升通过化学实验验证问题的科学品质，进而认识化学的学科精神㊁思维与方法㊂㊀㊀［环节一］课前引导㊁预测性质教师实物展示，学生观察一瓶浓硝酸，依次讨论四个问题：①浓硝酸具有的物理性质㊂②结合已学知识，猜测硝酸的化学性质，并说出依据（学生从硝酸的物质类别和核心元素Ｎ的化合价两个角度进行预测）㊂③列举体现硝酸酸性的反应，并从物质类别的角度归纳㊂④根据已有知识，猜测浓硝酸和Ｃｕ发生反应的化学方程式（学生预测可能的还原产物有Ｎ２㊁ＮＯ２或ＮＯ）㊂设计意图：①培养学生有序描述物质常见物理性质的能力和根据某些现象进行推演的能力㊂②强化学生应用物质分类㊁氧化还原等已有知识预测物质性质的能力㊂③调用氧化还原㊁溶液电中性的知识，预测可能的反应产物㊂［环节二］演示实验㊁整合情境教师整合铜片与稀硝酸和浓硝酸反应的实验情境，引导学生进行思考交流㊂教师将铜片加入浓硝酸中，学生观察实验，完成以下任务：①记录实验现象，判断上述预测反应正确与否，体现浓硝酸哪些性质并说出依据㊂写出该反应的离子方程式㊂②若把铜片加入稀硝酸中，能否反应，现象和浓硝酸的相同吗？请说出判断理由㊂设计意图：①加强学生有序描述实验现象的能力㊂②巩固书写离子方程式的思路与方法㊂③整合浓硝酸㊁稀硝酸和铜反应的实验情境，培养学生调用已有知识解决实际问题的能力㊂［环节三］实验探究㊁三重表征学生代表将铜片加入稀硝酸中，其他学生观察实验，依次完成以下任务：①观察实验现象，如果不能反应，思考理由；若能反应，记录现象并据此书写化学方程式及离子方程式，体现稀硝酸哪些性质并说出依据㊂②思考如何证明该反应的产物有ＮＯ生成？③指出浓㊁稀硝酸氧化性哪个更强，并说出依据㊂④对比浓／稀硫酸与浓／稀硝酸氧化性的差异㊂设计意图：①巩固书写离子方程式的程序㊂②渗透 宏观现象－微观本质－符号表征 的三重表征教学㊂③结合已有知识进行简单的实验设计和进行物质性质的对比㊂［环节四］原理解释㊁设计方案学生小组讨论，根据浓／稀硝酸和铜反应的离子方程式得知，起到氧化剂作用的粒子是ＮＯ－３㊂请思考并小组讨论：①是否含有ＮＯ－３的物质都有强氧化性？②ＮＯ－３在什么条件下体现强氧化性，能否设计简单的实验证明？③从目前已有知识出发，浓硝酸能否和金属铁反应并将其溶解？说明理由㊂设计意图：①学生从离子反应的角度找出元素化合物反应的实质，从原理角度理解物质性质㊂②结合已有知识进行实验设计和验证㊂③学生从金属活动性顺序表㊁氧化还原的强弱等反应原理角度，判断反应能否发生，通过实验设计和验证活动，认识 钝化 概念㊂［环节五］性质总结㊁三元整合学生分享交流，用自己的语言结合以下问题回忆本课的核心：从哪些角度学习了硝酸的６２哪些性质㊂随着学生的回忆，教师慢慢重现教学主线㊂设计意图：①学生加强从 物质类别 核心元素化合价 物质特性 等角度梳理元素化合物的性质㊂②根据实验现象合理推测反应本质，并用化学方程式表示㊂③学生从整理学习内容的过程中，提炼出元素化合物主题中 实验－性质－原理 三元整合的学习主线㊂㊀㊀四㊁反思与建议（一）应用三元整合策略的经验反思笔者在高一元素化合物课型中多次运用三元整合策略进行教学实践， 硝酸 是其中一个成功案例，是基于原理对实验情境和物质性质进行分析㊁预测㊁演绎㊁习得新知识的高端设计㊂宏观设计上，硝酸课例教学的三大特色是 创设实验情境 三重表征思维 学习迁移 ，主要利用浓／稀硝酸和铜反应作为贯穿课堂的主线，以课标考纲的知识㊁方法㊁能力和素养为教学核心暗线，结合真实实验强化学生有序观察实验现象的能力和建立有效解决问题的思维程序，通过三重表征教学提高学生的逻辑思维与语言表达能力，在应用已有知识对外输出过程中培育学生宏观辨识㊁变化观念㊁微观探析㊁证据推理㊁实验探究等核心素养㊂实施效果上，学生掌握了硝酸课题的核心知识点，建立了解决相关问题的思维程序，能对 实验－性质－原理 等进行整合，夯实微观探析和证据推理等化学核心素养㊂（二）应用三元整合策略的注意事项应用三元整合策略时，教师要设置不同层次要求的驱动问题，可以引导学生先根据已有知识预测再观察实验现象进而分析问题，引起知识冲突，建构元素化合物性质的知识网络和巩固基于物质分类和氧化还原指导下应用已有知识进行分析㊁预测㊁演绎㊁习得新知识的学习模式㊂应用三元整合策略实施教学时有以下注意事项：①借助实验情境养成变化观念，学生要能依据物质类别和元素价态列举某种元素典型代表物的化学性质及其转化关系；②借助三重表征对实验分析，既要让学生能结合宏观辨识与微观探析，又能用化学／离子方程式正确表示典型物质的主要化学性质，能利用电解质理论㊁氧化还原反应等原理对常见的反应进行分类和分析说明；③围绕核心物质的性质学习，强化证据推理，学生要能预测物质的化学性质和变化，设计实验进行初步验证，分析㊁解释有关实验现象；④借助三元整合教学落实科学探究，学生要能根据物质的性质分析实验室㊁生产㊁生活以及环境中的某些常见问题，说明妥善保存㊁合理使用化学品的常见方法，对物质性质与变化形成系统认知结构㊂参考文献：［１］姜言霞，王磊，支瑶．元素化合物知识的教学价值分析及教学策略研究［Ｊ］．课程㊃教材㊃教法，２０１２，３２（０９）：１０６－１１２．［２］杨玉琴，王祖浩．教学情境的本真意蕴 基于化学课堂教学案例的分析与思考［Ｊ］．化学教育，２０１１，３２（１０）：３０－３３．［３］庄德刚．基于学科观念建构的元素化合物教学 以 硝酸的性质 教学设计为例［Ｊ］．中学化学教学参考，２０１５（０９）：２５－２８．［４］戴珊玲．在硝酸教学中培养学生学习能力的教学策略管窥［Ｊ］．中学化学教学参考，２００９（０６）：２９－３１．［５］钟国华，林建芬．基于 实验－性质－原理 三元整合策略的高三化学微专题复习研究 以 弱电解质的电离与电离平衡 为例［Ｊ］．化学教育，２０１８，３９（５）：３８－４３．７２。