1、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庄德刚摘要 从建构化学观念角度入手，在“硝酸的性质”课堂教学中深入探讨真实化学问题，其中包括变化观、实验观和分析比较观等化学观念，在问题解决和活动探究中，实现学生乐学、好学的教学效果。关键词 硝酸性质 化学观念 教学反思1 研究背景美国教育家 H.Lynn Erickon 倡导围绕学科基本观念进行教学设计，他认为学科基本观念“具有超越事实的持久价值和迁移价值” 。让学生在学习中形成学科基本观念，也是我国化学课程改革的重要基本理念， 普通高中化学课程标准就明确要求化学教学要使学生形成基本的化学学科观念。元素化合物是化学学科知识体系的基础，它
2、对于学生建构化学学科观念具有重要作用。本文以“硝酸的性质教学”为例，讨论元素化合物教学如何基于化学学科观念来设计教学、展开实验探究教学过程。2 基于学科观念建构的元素化合物教学2.1 学科观念“学科观念”是对学科研究对象及研究过程的本源和本体的见解或意识，具有超越时空的持久价值和迁移价值。它能让学生洞悉自然学科的本质属性和内在规律，从自然科学的角度去观察、分析和处理事件，让学生在学习化学知识、技能之后能应用到日常生活中与科学有关的问题上，真正成为学生科学素养的一部分。化学学科观念，不是具体的化学知识，也不是化学知识的简单组合，而是指学生通过化学课程的学习，在深入理解化学学科特征的基础上所获得的
3、对化学的总观性认识。它是指导人们揭示某些知识规律的重要工具，是人们在解决化学问题时自觉运用的基本思想和方法。如转化观念，守恒思想，平衡观念，比较、分类、假说、模型化等。学生化学学科观念的建构，表现为学生主动运用化学思想方法，从化学的视角认识身边事物和处理问题的自觉意识或思维习惯。化学学科观念的形成既不是空中楼阁，也不是通过大量记忆化学知识自发形成的，它需要学生在积极主动的探究活动中，掌握有关化学知识，并在对知识的理解、应用中不断概括、提炼而形成。2.2 基于学科观念建构的元素化合物教学基于学科观念的元素化合物教学，注重引领学生开展积极主动的探究活动，建构有联系的知识，进而把握学科知识的结构与学
4、科思维方式方法。结构决定性质，性质决定应用，性质体现于变化之中，是学习元素化合物的基本逻辑，也是化学学科的基本逻辑，反映了物质的性质与组成、结构、变化及用途等知识的内在联系。硝酸的性质是苏教版化学 1 中元素化合物知识的收官之作。在教学安排上，被江苏省的很多地区放在了高一下学期期初学习，通过上学期的化学学习以后，学生思维更加活跃、缜密。特别是硫酸的性质学习后，学生对元素化合物知识有着更强烈的好奇心和更深刻的理解力，同时也具备了一定的分析、比较和创造性解决问题的能力。在教学中，教师通过问题情境，让学生发现问题、自主探究、设计实验方案、评价实施，运用化学基本思想和方法去处理实际问题，在问题解决中建
5、构一些化学学科观念。变化观：变化是化学的本质，也是化学学科的一大重要特点。本课中，无色的硝酸久置在试剂瓶里会变黄，浓、稀硝酸与铜的动态反应等充分表现了自然界中物质处于不断的运动和变化中。教学时创设问题情境，让学生主动探究，不仅从理论上也能从实验事实的角度让学生体会硝酸变化的过程、找出变化的规律，构建变化的观念。实验观：化学是一门以实验为基础的学科，这无论在人们的口头上还是意识里都深信无疑。人们常说实验是知识的起点和归宿，也就是说化学知识要从实验中来，到实验中去。本节课上，师生通力合作设计了“发黄的浓硝酸中加少量水” 、 “浓硝酸溶液中滴加石蕊试液，微热混合溶液” 、 “浓、稀 HNO3 与 C
6、u 反应”等探究实验，引导学生以实验事实为依据主动建构关于硝酸组成、结构、性质、用途的知识体系。除此之外，微粒观、守恒观、分析比较和化学价值观在教学中也有体现，正是这些化学学科观念，才使得本设计有别于传统的、以知识掌握为中心的元素化合物教学，实现了提高学生科学素养的最终目标。3 硝酸的性质教学过程3.1 活动引入，初建变化观【教师】展示刚刚取出的浓硝酸样品。【演示】打开瓶塞。指导学生观察并回答看到的现象。请学生闻气味并回答。在学生回答的基础上，师生一起总结硝酸的物理性质。【教师】展示在无色试剂瓶里久置发黄的浓硝酸样品。（学生一见是黄色浓硝酸而不是先前见到的无色的，产生了认知冲突。 ）【问题 1
7、】浓硝酸颜色怎么会变黄了？【学生推测】久置在无色试剂瓶里浓硝酸发生了化学变化，而且是分解反应。【问题 2】你能根据现象推测出分解产物吗？又如何设计实验验证你的猜想？【学生讨论】根据久置浓 HNO3 溶液的颜色和其上方气体的颜色推测 HNO3 的分解产物是 NO2，向发黄的浓硝酸中加水，颜色会褪去。【学生设计实验】向久置发黄的浓硝酸中加少量水，溶液颜色褪去。【问题 3】能写出发生变化的化学方程式吗？【学生活动】兴致高涨，跃跃欲试。根据实验及氧化还原反应有关原理，学生顺利写出了浓 HNO3 的分解反应方程式。 【观念构建】浓 HNO3 见光或受热易分解，要用棕色瓶保存在冷暗处。（对学生的表现及时地
8、给予赞扬。赞扬他们观察到浓 HNO3 发生变化的敏锐性，表扬他们发现问题，善于思考的态度，使学生主动建构变化观，从而理解硝酸保存过程中发生的变化。 ）3.2 问题探究，建构实验观【问题 1】硝酸是酸。如何验证？【学生回答】能与碱或者某些盐反应；与酸碱指示剂反应；与某些金属氧化物反应等。【演示】向浓硝酸溶液中滴加石蕊试液，稍后，微热混合溶液。（石蕊遇酸后呈现红色，在学生的“意料之中” 。微热后，红色又褪去，学生露出了惊异的神情，这个“意料之外”的变化让学生产生了问题探究的欲望。 ）【问题 2】微热后，溶液的红色为什么会褪去？【学生思考，提出多种假设】硝酸加热挥发了；硝酸加热分解了；石蕊加热变质了
9、；浓硝酸可能具有漂白性【问题 3】如何设计实验验证自己的假设？【学生讨论】方案一：向褪色后溶液中再加少许硝酸，观察溶液是否变红。如果变红，则褪色原因可能是硝酸加热挥发了或者受热分解了。方案二：设计对比实验。加热滴加了石蕊的盐酸，观察溶液是否褪色。如果褪色，则说明褪色原因可能是硝酸挥发了或者是石蕊受热变质了。方案三：向褪色后溶液中加少许石蕊，观察溶液是否变红。如果变红，则说明原混合液褪色原因是石蕊受热变质了。方案【教师】很好！请大家做一下盐酸的对比试验。【学生实验】加热滴加了石蕊的盐酸，溶液仍然变红。【教师提问】对比试验说明了什么问题？【学生回答】脱口而出。红色褪去的原因不是硝酸挥发了，也不是石
10、蕊受热变质了，而是硝酸分解了。【教师引导】那我们再向已褪色的溶液中滴加硝酸看看？【学生实验】向已褪色的溶液中滴加硝酸。溶液仍然无色。【学生好像发现了新大陆，激动地说出】褪色的原因是硝酸使石蕊变质了！（用实验验证假设，是发现“新知” ，培养学生建构化学实验观念的有效途径。 ）【问题 4】以前我们知道使有色物质褪色的原因有三种。一种是活性炭的吸附，一种是类似于 SO2 的化合褪色，还有一种是类似于次氯酸的氧化褪色。你觉得硝酸使石蕊褪色是其中的哪一种原因？【学生讨论】不可能是吸附；溶液是在微热时褪色的，所以不可能是像 SO2 那样化合褪色；因此，只可能是硝酸有强氧化性，将有色物质氧化褪色。（针对学生
11、的暂时不能解决的问题，要及时引导、搭建探究的思维平台，让他们回忆实验现象，分析比较，明了新知识。 ）3.3 动态反应，再建变化观实验装置（见附图）实验过程：操作 现象向盛有浓硝酸的具支试管中插入铜丝。 常温下反应剧烈，铜丝溶解，溶液变绿，有红棕色气体产生。关闭导管活塞，打开分液漏斗的活塞，向硝酸溶液中加水，当还有少量水残留的时候，关闭活塞，以免其中的空气进入。具支试管内溶液变蓝，红棕色气体褪为无色。铜丝与硝酸反应变得缓和，有无色气体产生。继续打开活塞，使其中的空气与具支试管内的气体混合。气体立即由无色变为红棕色。从硝酸中抽出铜丝，同时打开导管的活塞，让小试管中的碱性溶液倒吸入具支试管中。气体又
12、由红棕色变为无色。【问题 1】浓、稀 HNO3 与 Cu 反应有何异同？由反应的现象你能得出什么结论？【学生活动】总结 Cu 与浓、稀 HNO3 反应都把铜氧化为硝酸铜。不同点是反应剧烈程度和硝酸被还原的产物不同。铜与浓硝酸反应剧烈，迅速生成红棕色的 NO2 气体；而铜与稀硝酸反应比较缓慢，生成了无色的 NO。结合氧化还原反应知识，写出反应方程式。【问题 2】硝酸由浓变稀的过程中混合液有什么颜色变化？具支试管中气体颜色、体积有什么变化？【学生活动】加水后，反应液的颜色由绿变蓝。气体颜色红棕色 NO2 变为无色 NO。气装置图空气水浓硝酸碱液体体积由大变小。【问题 3】继续打开分液漏斗活塞，使其
13、中的空气进入具支试管，会出现什么变化？原因是什么？【学生活动】能看到具支试管内无色 NO 转化为红棕色 NO2。强烈的视觉刺激，让学生亲身感受到 NO 和 NO2 之间的相互转化。（这是一组综合性很强的实验，实验中溶液、气体的颜色不断变化， “新现象”目不暇接，激发了学生求知欲。学生在分析各种变化的过程中，建构了化学变化观，实现了有效教学。 ）【问题 1】如何除去铝片表面的氧化膜？【学生实验 1】把铝片投入氢氧化钠溶液清洗至有气泡产生。【学生实验 2】把铝片投入盐酸溶液中清洗至有气泡产生。【问题 2】怎样证明铝片表面的氧化膜被除去的？【学生实验 3】把清洗过的铝片插入硫酸铜溶液，看其表面是否有
14、红色铜出现。【学生实验 4】把清洗过的铝片投入浓硝酸溶液，铝与浓硝酸迅速反应，瞬间即止。（学生亲手操作、亲眼看到有氧化膜的灰暗铝片插入 NaOH、HCl 溶液后变成了银白色，放入蓝色的 CuSO4 溶液后又变成了红色，与浓硝酸接触瞬间有红棕色气体产生，但反应很快停止。金属、气体的色彩变化、反应现象的动静对比，震撼了学生，让他们更深刻地体会了化学变化观。 ）3.4 分析比较， 建构方法观【投影】表 1表 1 硫酸与硝酸的化学性质比较氧化性跟铜反应性质物质挥发性 稳定性条件 还原产物跟铁、铝反应 跟碳反应浓硫酸 难挥发 稳定 加热 SO2 常温钝化 加热反应稀硫酸 / / 不反应 置换 H2 不反
15、应浓硝酸 易挥发 不稳定 常温 NO2 常温钝化 加热反应稀硝酸 / / 常温 NO 还原为 NO 不反应（学生填表。学生在归纳、比较、思考中建构化学方法观，进一步理解了硝酸的化学特性，同时也复习巩固了硫酸的性质，培养了他们知识迁移、应用的能力。 ）硝酸在生活、工业中的用途。 （略）4 教学反思4.1 精心设置情境。激发学生的学习兴趣，让学生处于兴奋和矛盾的双重情境中，营造学习新课的良好开端，同时用这种设计贯穿整节课的探究背景。4.2 精心设计每一个问题。如一开始出示一瓶久置发黄的硝酸，让学生在认知上产生矛盾：前面刚看到的硝酸是无色的液体，现在怎么又是黄色的呢？然后让学生猜想的基础上设计实验，
16、上台操作实验，观察并分析实验现象，直至得出结论。这样学生在整堂课都紧张地动了起来，体验了知识生成的过程，激发了学习兴趣，帮助学生建构变化观、实验观。4.3 强调化学学科属性，要求学生正确使用化学用语，书写反应的化学方程式，引导学生用化学思维去思考问题。4.4 通过迁移、比较、归纳、整合等活动，特别是硫酸和硝酸的化学性质比较，让学生在对比中进行前后知识的联系，深化和巩固知识的理解，达到化学方法观念的自然生成、应用的目的。4.5 教师积极地发挥引导作用，包括做出适当的评价和鼓励，培养学生提出假设、设计实验、实验验证等具有信心、尊重事实的科学态度，使学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面都得到和谐的发展。参 考 文 献1王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：化学 1（必修）.江苏：江苏教育出版社，20072何彩霞.对“科学主题” 、 “科学观念”的认识J.北京教育学院学报，2001,（1） ，3-63【美】H.Lynn Erickon 著，兰 英译.概念为本的课程与教学M.北京：中国轻工业出版社，20014倪娟.论基于学科观念的化学概念教学J.化学教育，2014,（1） ，1-3 联系人：庄德刚 地址：苏州市相城区陆慕高级中学 邮箱：
