尹歡歡 高曉瑩 吳春峰

摘要：培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，是當前化學(xué)教學(xué)的重心。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究，既能體現(xiàn)學(xué)習化學(xué)的過程與方法，也能增進學(xué)習化學(xué)的情感與興趣。由此，作者立足發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，以“氮的固定”教學(xué)為例，嘗試構(gòu)建“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的教學(xué)模型，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究”能力，落實培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的教育理念。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;氮的固定

文章編號：1008-0546（2021）09-0017-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.005

一、研究背景

培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的教育理念，越來越受到重視，許多國家都意識到核心素養(yǎng)教育理念的育人價值，將其作為高中教育教學(xué)的核心內(nèi)容與重要環(huán)節(jié)。我國2017年頒布的普通高中化學(xué)課程標準將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)細分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責任”五個維度[1]?！翱茖W(xué)探究”是指學(xué)生在高中化學(xué)知識學(xué)習的過程中，能夠以科學(xué)認真的精神與嚴謹?shù)膽B(tài)度，發(fā)現(xiàn)和提出問題、設(shè)計實驗方案，參與體驗、應(yīng)用知識，投入到課堂活動之中，實現(xiàn)創(chuàng)新意識的自主生成[2]。

然而，當前高中化學(xué)實驗教學(xué)中，還存在一些與新課程理念不吻合的現(xiàn)象，如：學(xué)生不能切實進行化學(xué)實驗操作與探索，教師只針對實驗涉及的考點、重點進行講解等。學(xué)生自身對化學(xué)實驗的意見與疑惑往往不能得到教師的重視，他們的主體性并未在化學(xué)課堂中得到發(fā)揮，這樣的教學(xué)課堂容易讓學(xué)生失去科學(xué)探究的動力，也難以在高中化學(xué)課堂落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?；诖?，本文立足于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，在“科學(xué)探究”引領(lǐng)下構(gòu)建課堂模型，并以“氮的固定”為例，設(shè)計三個核心探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

二、“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的課堂模型構(gòu)建

培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的課堂模型，是以了解學(xué)情為基石、創(chuàng)設(shè)情境為方法、問題解決為目標、操作體驗為過程的教學(xué)組織活動。在教師的引導(dǎo)與幫助下，讓學(xué)生設(shè)計實驗步驟、完成實驗過程、內(nèi)化課堂知識，這樣的課堂模式，對于學(xué)生而言，不僅激發(fā)學(xué)習興趣、調(diào)動學(xué)習欲望、認真思考、深度探索，更是在小組合作的探究之中學(xué)習知識，感受真實過程，形成科學(xué)探究能力。與此同時，教師根據(jù)教材中的知識，適當進行拓展延伸，讓學(xué)生探究的內(nèi)容不再局限于書本，而是聯(lián)系自身的生活，這也更有助于落實核心素養(yǎng)教育理念。課堂模型如圖1所示。

三、“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的課堂教學(xué)分析，以“氮的固定”為例

1.課標與教材分析

“氮的固定”是蘇教版高一化學(xué)必修2專題7氮與社會可持續(xù)發(fā)展部分的內(nèi)容，是非金屬元素氮開篇知識，具有承上啟下作用：一方面深化必修1元素化合物知識的學(xué)習，運用對比、類比的學(xué)習方法，體會研究元素化合物的一般方法，幫助學(xué)生鞏固氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等基本概念、原理的認識;另一方面通過對氮及其化合物轉(zhuǎn)化的學(xué)習，讓學(xué)生在已有學(xué)科觀念的基礎(chǔ)上，對物質(zhì)的分類觀、轉(zhuǎn)化觀以及化學(xué)價值觀等形成辯證認識。就本課內(nèi)容而言，主要包括：氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮性質(zhì)。根據(jù)教材內(nèi)容，首先根據(jù)氮氣微觀結(jié)構(gòu)，預(yù)測氮的化學(xué)性質(zhì)，引出氮的固定對人類生存的重要意義，再根據(jù)物質(zhì)類別研究氮的化合物，包括一氧化氮和二氧化氮的性質(zhì)，通過模擬雷雨發(fā)莊稼的實驗，應(yīng)用氧化還原反應(yīng)原理，探究含氮物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化，認識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在自然資源綜合利用和環(huán)境保護中的重要價值。

2.學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習本節(jié)課之前，了解物質(zhì)的組成和分類，又較為系統(tǒng)地學(xué)習了典型金屬及非金屬元素化合物知識，掌握了研究物質(zhì)的基本方法，能運用氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)來分析化學(xué)反應(yīng)，這些為本課氮的固定、自然界中氮的循環(huán)以及氮的兩種氧化物NO和NO2的性質(zhì)探究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。此外，高一學(xué)生具備一定的觀察和分析能力，但在實驗設(shè)計和操作方面缺乏訓(xùn)練，可能會在靈活運用所學(xué)知識解決實際問題時產(chǎn)生困難。

3.教學(xué)目標

通過了解“氮的固定”和自然界“氮循環(huán)”，構(gòu)建氮的“價一類”二維圖，建立物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化觀。通過實驗探究，模擬“雷雨發(fā)莊稼”過程，培養(yǎng)學(xué)生尊重事實、獨立思考，能基于證據(jù)推理形成結(jié)論，養(yǎng)成嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度。通過了解人類活動對氮循環(huán)的影響，知道酸雨和光化學(xué)煙霧的危害，增強環(huán)保意識，培養(yǎng)社會責任感。

4.“氮的固定”教學(xué)設(shè)計思路

“氮的固定”教學(xué)設(shè)計思路如下（見圖2）：

四、“科學(xué)探究”引領(lǐng)下的教學(xué)實踐，以“氮的固定”為例

【視頻引入】植物的生長離不開氮，茅膏菜如饑似渴地吸收含氮的物質(zhì)。

【教師】這里含氮的物質(zhì)包括氮氣嗎，為什么？

【學(xué)生】不包含，氮氣在空氣中很穩(wěn)定，以單質(zhì)形式存在。

【教師】空氣中含量最多的氣體就是氮氣，但植物需要的是化合態(tài)的氮，將游離態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的氮是氮的固定。氮的固定有兩種：自然固氮和人工固氮（見如圖3氮循環(huán)）。

設(shè)計意圖：在課前導(dǎo)入環(huán)節(jié)，要根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗與認知，把學(xué)生所熟悉的生活情景引入到課堂之中，使他們的注意力轉(zhuǎn)移到課堂之上，學(xué)習狀態(tài)由“靜止”變?yōu)椤皠討B(tài)”，使他們在化學(xué)課堂上更積極。在“氮的固定”課前導(dǎo)入環(huán)節(jié)，基于學(xué)生的學(xué)情掌握，為學(xué)生播放“茅膏菜如饑似渴吸收含氮物質(zhì)”的視頻片段，將現(xiàn)實生活中的場景在課堂之中呈現(xiàn)。這樣的趣味性課堂，激發(fā)了學(xué)生的興趣。

環(huán)節(jié)一 了解氮循環(huán)

【教師】結(jié)合圖3轉(zhuǎn)化，在“價一類”圖中標注相關(guān)含氮物質(zhì)。

【學(xué)生】展示標注結(jié)果（見圖4）。

【教師】探究含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化具有十分重要的意義，請談?wù)勀愕目捶ā?/p>

【學(xué)生】空氣中有大量N2，若能將其轉(zhuǎn)化為適合植物吸收的氮的化合物（氮肥），就會增加糧食產(chǎn)量，滿足人類生存需求。

【教師】有句諺語：“雷雨發(fā)莊稼”，即雷雨天氣后，草木長得更加茂盛，驗證了你的看法。下面一起來探究這個過程涉及哪些物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)“氮循環(huán)”情境可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，體驗“氮循環(huán)”就在自己身邊，利用“價一類”引導(dǎo)學(xué)生建立無機物學(xué)習的思路和方法，從N2到HNO3（NO3-鹽）的轉(zhuǎn)化分析，引導(dǎo)學(xué)生從化合價和物質(zhì)類別兩個維度對含氮物質(zhì)進行分類，運用氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)不同價態(tài)之間的轉(zhuǎn)化[3]。

環(huán)節(jié)二模擬氮循環(huán)

【探究實驗1】數(shù)字化模擬放電條件下N2和O2反應(yīng)[4]。

【學(xué)生】觀察三頸燒瓶中的現(xiàn)象，結(jié)合NO和NO2資料卡判斷紅棕色氣體是NO2。

【教師】N2和O2在放電條件下反應(yīng)產(chǎn)物是NO2嗎？分析數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)（見圖5），放電瞬間，產(chǎn)生大量微粒，O2濃度和氣體壓強都呈增加趨勢，斷電瞬間微粒相互作用生成新的物質(zhì)，O2濃度和氣體壓強瞬間減小，仔細觀察斷電后O2濃度進一步減小，說明什么？

【學(xué)生】N2和O2放電條件下生成NO。

【教師】N2和O2放電條件下先生成NO再被O2氧化成NO2。

【學(xué)生】書寫相關(guān)化學(xué)方程式。

【教師】雷電天常伴隨降雨，NO2與水是否反應(yīng)？

【學(xué)生】交流討論設(shè)計實驗方案。

【探究實驗2】]NO2與水是否反應(yīng)（見表1）。

【學(xué)生表現(xiàn)】能運用所給實驗儀器開展探究活動并做好實驗記錄和結(jié)果反饋工作，裝有NO2的輸液袋注入水后，顏色褪去，學(xué)生能判斷出發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，再注入紫色石蕊試液后，能根據(jù)紫色石蕊試液變紅推測出反應(yīng)產(chǎn)物有硝酸，再注入空氣又變?yōu)闇\紅棕色NO2說明有氣體NO生成（見圖6）。學(xué)生能夠從宏微結(jié)合的角度上收集證據(jù)，分析問題得出結(jié)論。

【探究實驗3】探究氮氧化物充分轉(zhuǎn)化為硝酸（見表2）。

【學(xué)生表現(xiàn)】能從2NO+O2=2NO2和3NO2+H2O=2HNO3+NO兩個方程式推導(dǎo)出4NO2+O2+2H2O=4HNO3和4NO+3O2+2H2O=4HNO3，結(jié)論是NOx和O2按一定的比例通入水中，能充分轉(zhuǎn)化成硝酸。

【教師】HNO3遇土壤中礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽被植物根系吸收。剛才我們模擬了自然固氮，也就是“雷雨發(fā)莊稼”。但自然固氮，受到條件的限制，遠遠不能滿足糧食對氮的需求?？茖W(xué)家們投入了大量的精力進行研究，以哈伯和博施為代表的科學(xué)家經(jīng)過不懈努力終于將合成氨應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。他們分別獲得了1918年和1931年的諾貝爾化學(xué)獎。

【教師】請大家完善“價一類”二維圖。

【學(xué)生】展示結(jié)果（見圖7）。

設(shè)計意圖：從氮氣到含氮物質(zhì)，從認識物質(zhì)到實現(xiàn)物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，充分運用實驗探究的教學(xué)策略，設(shè)計三個探究實驗，實施實驗、分析現(xiàn)象并收集證據(jù)。探究實驗一演示數(shù)字化實驗，解決常規(guī)實驗解決不了的問題。探究實驗二和三，創(chuàng)新性地借助輸液袋和注射器在密封體系內(nèi)完成氮氧化物轉(zhuǎn)化為HNO3的綠色化學(xué)設(shè)計，既提高轉(zhuǎn)化率又避免了可能的污染。整個過程完整模擬“雷雨發(fā)莊稼”，激發(fā)學(xué)生興趣，訓(xùn)練學(xué)生操作技能，培養(yǎng)學(xué)生探究精神。

【教師】自然界產(chǎn)生少量的氮氧化物最終能夠轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，參與自然界氮循環(huán)。如果任由氮氧化物大量排放會造成什么后果呢？

【學(xué)生】交流討論：硝酸型酸雨和光化學(xué)煙霧的危害。

【教師】酸雨會危害人類健康，腐蝕建筑物。機動車排放的尾氣中含有氮氧化物和烴類化合物等多種物質(zhì)，它們在一定條件下會產(chǎn)生有毒的光化學(xué)煙霧。直觀感受一下，疫情防控期間我國NO2濃度變化（見圖8），封城限制出行后，空氣質(zhì)量得以凈化。

【學(xué)生】那也不能一直限制出行并停工停產(chǎn)。

環(huán)節(jié)三修補氮循環(huán)

【教師】排放大量氮氧化物會破壞生態(tài)環(huán)境并危害人類健康，你們有哪些合理方案來解決這一問題呢？

【學(xué)生】乘坐公交車，少開私家車，綠色出行;使用清潔的能源;將工業(yè)生產(chǎn)中的大量氮氧化物從源頭上進行處理從而達到減排目的。

【教師】請你借助“價一類”二維圖提出合理的轉(zhuǎn)化途徑，將氮氧化物轉(zhuǎn)化為哪些物質(zhì)來減少污染。

【學(xué)生】轉(zhuǎn)化途徑有多種，譬如轉(zhuǎn)化為氮氣參與氮循環(huán);轉(zhuǎn)化為硝酸鹽用作氮肥或化工產(chǎn)品;轉(zhuǎn)化為硝酸用作重要的化工產(chǎn)品或試劑。

【小結(jié)】本節(jié)課我們學(xué)習了自然固氮，通過“價一類”二維圖學(xué)習了含氮物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，其中氮的固定具有十分重要的意義，課后同學(xué)們可以繼續(xù)搜集固氮方面的技術(shù)和研究，進行交流討論，豐富對本節(jié)課的認識，加深對本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容的體會。

設(shè)計意圖：人類過量活動會干預(yù)“氮循環(huán)”，引導(dǎo)學(xué)生利用化學(xué)知識對氮氧化物的治理提出合理建議，以主人翁的意識參與決策，有助于讓學(xué)生體會建立低碳、綠色生活方式的重要性，體會化學(xué)源于生活又要服務(wù)好生活，培養(yǎng)學(xué)生社會責任感，提升學(xué)科素養(yǎng)。

五、教學(xué)反思

科學(xué)探究既能體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習化學(xué)的過程與方法，也能呈現(xiàn)學(xué)生學(xué)習化學(xué)的情感與態(tài)度，可以說是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中極為重要的內(nèi)容。教師要注重對學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，以生活為興趣燃點，以問題為探究源頭，以實踐為探究行徑，以拓展為探究重心，以此增強學(xué)生的探究能力。本節(jié)課以“氮循環(huán)”為主題開展氮氧化物相關(guān)知識的學(xué)習，通過實驗探究模擬雷雨發(fā)莊稼過程，整個教學(xué)實施中，學(xué)生積極地參與實驗探究、問題討論等活動，并在實驗中提出了疑問，在小組討論和教師指導(dǎo)下得以解決，進一步提高了學(xué)生科學(xué)探究能力。同時，借助固氮與修補氮，幫助學(xué)生體會物質(zhì)性質(zhì)及其變化在促進社會可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用。

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*本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點資助課題“基于觀念建構(gòu)的單元整體教學(xué)設(shè)計的實踐研究”（課題編號：JS/201 81ZX0211-00383）階段性研究成果;宿遷市教育學(xué)會“十三五”規(guī)劃2020年度課題“信息化教學(xué)視角下高中化學(xué)智慧課堂構(gòu)建與應(yīng)用研究”（課題編號：XHLX2020-071）階段性研究成果。