溫遠(yuǎn)松

[摘要]人教版高中化學(xué)必修（第二冊(cè)）“硝酸的氧化性”教學(xué)為例，闡述通過“提煉學(xué)科大概念、發(fā)展學(xué)科大概念、運(yùn)用學(xué)科大概念”來實(shí)施學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)的教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生能力，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]學(xué)科大概念;學(xué)科核心素養(yǎng);遷移;物質(zhì)的氧化性還原性

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）[1]提出，高中化學(xué)課程的基本理念是“以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨”。為此，新課標(biāo)凝練了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，并強(qiáng)調(diào)“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)”。依據(jù)新課標(biāo)的要求，以學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)從“知識(shí)本位”到“素養(yǎng)本位”教學(xué)轉(zhuǎn)變，是學(xué)科核心素養(yǎng)落地的重要渠道。

下面以2019年出版的人教版高中化學(xué)必修（第二冊(cè)）（以下稱新教材）[2]“硝酸的氧化性”教學(xué)為例，說明如何實(shí)施以學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

一、聚焦教學(xué)內(nèi)容，挖掘?qū)W科大概念

所謂學(xué)科大概念（又稱為學(xué)科思想、核心觀念等），并非指學(xué)科中某一具體的概念或方法，而是這些具體知識(shí)背后的能反映學(xué)科本質(zhì)、更為核心的、具有普遍性和廣泛解釋力的原理和思想方法，可運(yùn)用于新的情境，具有持久的可遷移應(yīng)用價(jià)值[3]。從學(xué)科本質(zhì)出發(fā)，深入分析教學(xué)內(nèi)容、學(xué)科基本思維方式以及學(xué)科知識(shí)價(jià)值，可以分析和提煉具體內(nèi)容所蘊(yùn)含的學(xué)科大概念。

“硝酸的氧化性”是新教材第五章第二節(jié)《氮及其化合物》中的重要內(nèi)容，教材以濃硝酸、稀硝酸與銅反應(yīng)為例，說明硝酸具有很強(qiáng)的氧化性，硝酸的濃度不同，與金屬反應(yīng)的產(chǎn)物也不同。

假如將教學(xué)定位于了解濃、稀硝酸都具有強(qiáng)氧化性，在一定條件下可氧化金屬、非金屬、某些有機(jī)物及其它還原性物質(zhì)，掌握濃、稀硝酸與Cu反應(yīng)的規(guī)律，了解濃硝酸的鈍化作用等，那么學(xué)生的學(xué)習(xí)基本上就停留在記憶、辨識(shí)等淺層學(xué)習(xí)層面，學(xué)生所獲得的是具體的、不可遷移的“死”知識(shí)，難以轉(zhuǎn)化為解決相關(guān)問題的關(guān)鍵能力，對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展幫助不大。

事實(shí)上，學(xué)生此時(shí)已經(jīng)能從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)的角度，依據(jù)復(fù)分解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測(cè)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì);知道硝酸是強(qiáng)酸，在水溶液中以H+和NO3-的形式存在，容易理解HNO3所表現(xiàn)的酸的通性就是H+的性質(zhì)，發(fā)生的反應(yīng)為離子反應(yīng)。但由于強(qiáng)氧化性是HNO3的特殊性質(zhì)，學(xué)生對(duì)HNO3的強(qiáng)氧化性的理解，容易停留在“HNO3分子”的層面，只知道硝酸作強(qiáng)氧化劑是由于“HNO3分子”中+5的氮處于最高價(jià)，容易得電子，卻往往忽略硝酸作強(qiáng)氧化劑，其實(shí)是NO3-在酸性條件下得電子，同樣是NO3-，在中性或堿性溶液中得電子能力并不強(qiáng)，即NO3-得電子的能力與溶液的酸性有關(guān)。在無“現(xiàn)成”硝酸的情形下，含NO3-的溶液在酸性增強(qiáng)時(shí)，也能表現(xiàn)出“現(xiàn)成”硝酸的強(qiáng)氧化性，這種規(guī)律也適用于ClO-、ClO3- 、IO3-等離子。

因此，筆者認(rèn)為，這一主題的學(xué)科大概念可以是“物質(zhì)的氧化性、還原性既與核心元素的價(jià)態(tài)有關(guān)，又與物質(zhì)的形態(tài)、溶液的濃度和酸堿性等因素有關(guān)”。該大概念統(tǒng)攝了氧化還原反應(yīng)原理的多個(gè)概念和諸如NO3-、ClO-、ClO3- 、Cl-、IO3-、I-、S2-、SO32-、Fe2+、Fe3+等許多氧化劑、還原劑在不同反應(yīng)中表現(xiàn)出來的性質(zhì)，它們之間的關(guān)系如圖1所示。

二、聚焦問題解決，發(fā)展學(xué)科大概念

實(shí)施大概念統(tǒng)領(lǐng)下的教學(xué)，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)計(jì)具有思考價(jià)值的問題來驅(qū)動(dòng)學(xué)生的思維活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在問題解決過程中，對(duì)具體化學(xué)知識(shí)做深入的思考，建構(gòu)對(duì)知識(shí)的深層理解，引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)科大概念的高度，梳理概念體系，整合相關(guān)知識(shí)，使知識(shí)結(jié)構(gòu)化，把握其中的學(xué)科思維方法，并主動(dòng)遷移運(yùn)用于考察事物和解決問題。

基于此，對(duì)“硝酸的氧化性”教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的教學(xué)過程如下：

實(shí)驗(yàn)探究“濃硝酸、稀硝酸分別與Cu反應(yīng)”，得出“濃、稀硝酸均具有強(qiáng)氧化性”“濃硝酸的氧化性強(qiáng)于稀硝酸”的結(jié)論（過程略）。

[提出問題]硝酸的強(qiáng)氧化性是溶液中的哪種離子在起作用？

[學(xué)生]提出假設(shè)：①硝酸的氧化性是H+的作用;②硝酸的氧化性是NO3-的作用;③硝酸的氧化性是H+和NO3-的共同作用。

[教師]請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證哪種假設(shè)成立。

[學(xué)生]分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案→匯報(bào)、交流、討論實(shí)驗(yàn)方案→選擇、優(yōu)化、完善實(shí)驗(yàn)方案→確定實(shí)驗(yàn)方案。

[學(xué)生]根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)：①向2mL 4mol/L鹽酸溶液中加Cu片，無明顯現(xiàn)象;②向2mL飽和硝酸鈉溶液中加Cu片，無明顯現(xiàn)象;③將①②兩試管中溶液及Cu片混合，加熱，Cu片上有氣泡產(chǎn)生，溶液變淺綠色，試管口出現(xiàn)紅棕色氣體。

[得出結(jié)論]硝酸的氧化性是H+和NO3-共同作用的結(jié)果。NO3-在中性或堿性溶液中無強(qiáng)氧化性，在酸性溶液中有強(qiáng)氧化性。

[教師]你對(duì)物質(zhì)的氧化性、還原性有何新的認(rèn)識(shí)？

[學(xué)生]物質(zhì)的氧化性還原性不但與核心元素的價(jià)態(tài)有關(guān)，還與物質(zhì)所處的環(huán)境有關(guān)，如溶液的酸堿性、溶液的濃度等。

設(shè)計(jì)意圖：

學(xué)生在解決“硝酸強(qiáng)氧化性的實(shí)質(zhì)”問題的過程中，通過實(shí)驗(yàn)探究，抽象概括，得出規(guī)律，深化對(duì)物質(zhì)的氧化性、還原性的理解，獲得具有普遍意義的學(xué)科大概念。

[提出問題]

①Fe2+、Na+ 、NO3-、SO42-能在溶液中大量共存，F(xiàn)e2+、 H+、NO3-、SO42-能在溶液中大量共存嗎？

②向Fe（NO3）2溶液中滴加鹽酸，請(qǐng)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并作出解釋。

③請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)碂o色溶液中的NO3-。

[學(xué)生]討論、交流、得出結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：

將獲得的學(xué)科大概念遷移，解決硝酸鹽的相關(guān)問題，既鞏固這一課題所學(xué)知識(shí)，又逐步培養(yǎng)學(xué)生解決問題的關(guān)鍵能力。

[資料]FeSO4補(bǔ)鐵劑易被氧化，吸收率較低;血紅素鐵補(bǔ)鐵劑是Fe2+與卟啉形成的配合物，不易被氧化，吸收率高。

[提出問題]閱讀資料，說一說物質(zhì)的氧化性還原性還與那些因素有關(guān)？

[學(xué)生]Fe2+的配合物比Fe2+穩(wěn)定，不易被氧化?？梢娢镔|(zhì)的氧化性還原性不但與核心元素的價(jià)態(tài)有關(guān)，還與物質(zhì)的形態(tài)有關(guān)。

[師生小結(jié)]物質(zhì)的氧化性還原性既與核心元素的價(jià)態(tài)有關(guān)，又與物質(zhì)的形態(tài)、溶液的濃度和酸堿性等因素有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：

讓學(xué)生重新審視“鐵鹽和亞鐵鹽”的有關(guān)性質(zhì)，將不同階段所學(xué)氧化還原反應(yīng)知識(shí)聯(lián)系起來，探尋其上位概念，拓展和豐富認(rèn)識(shí)維度和認(rèn)識(shí)角度，發(fā)展更具統(tǒng)攝性、更具解釋力、更具遷移價(jià)值的學(xué)科大概念。

三、聚焦評(píng)價(jià)與反思，運(yùn)用學(xué)科大概念

學(xué)生是否形成超越具體化學(xué)知識(shí)的學(xué)科大概念，能否運(yùn)用學(xué)科大概念“遠(yuǎn)遷移”至陌生情境，分析問題解決問題，可以通過學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)進(jìn)行檢驗(yàn);以適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行反思、完善，又可以反過來提升學(xué)生學(xué)科大概念的理解水平，促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展，使學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地。以解釋、分析與應(yīng)用等認(rèn)知活動(dòng)來解決化學(xué)問題，是常用的評(píng)價(jià)方式。以下是筆者設(shè)計(jì)的一組評(píng)價(jià)問題：

①請(qǐng)解釋：KMnO4的氧化性在酸性溶液中比中性或弱堿性溶液中強(qiáng)，在酸性溶液中的還原產(chǎn)物為Mn2+，在中性或弱堿性溶液中的還原產(chǎn)物為MnO2。

②同為-2價(jià)硫和+4價(jià)硫，為什么H2S容易與SO2反應(yīng)：2H2S + SO2 == 3S↓ + 2H2O，而S2-和SO32-卻能在堿性溶液中大量共存？

③稀硫酸與銅不反應(yīng)，硝酸與銅反應(yīng)生成Cu（NO3）2。工業(yè)上往往用硝酸和硫酸的混合液與銅反應(yīng)生產(chǎn)CuSO4，為什么？試分析其反應(yīng)原理。

④向萃取了I2的CCl4溶液中滴加足量40%NaOH溶液，邊加邊振蕩，該操作稱為“反萃取”，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為：3I2 + 6OH- = 5I- + IO3- + 3H2O。將“反萃取”所得的水溶液“酸化”，能析出紫黑色的碘，試分析“酸化”過程發(fā)生反應(yīng)的原理，并寫出離子方程式。

大概念的學(xué)習(xí)是一個(gè)持續(xù)而深入的過程，需要以適合學(xué)習(xí)者不同認(rèn)知發(fā)展階段的方式來表達(dá)[4]。學(xué)生在對(duì)具體的知識(shí)、概念進(jìn)行縱向向上的抽象、概括，獲得具有普遍意義的學(xué)科大概念后，再縱向向下地運(yùn)用學(xué)科大概念分析、解釋或解決具體問題，才能將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力。

可以看出，以學(xué)科大概念為統(tǒng)領(lǐng)的教學(xué)超越了具體知識(shí)的教學(xué)，是“素養(yǎng)為本”的教學(xué)。在學(xué)科大概念的引領(lǐng)下，學(xué)生逐步拓展和改造知識(shí)結(jié)構(gòu)，逐步領(lǐng)悟?qū)W科思維方式，逐步認(rèn)識(shí)學(xué)科價(jià)值和精神，最終理解學(xué)科本質(zhì)，建構(gòu)學(xué)科核心觀念，形成學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[3]何彩霞.以大概念引領(lǐng)學(xué)生思維發(fā)展——高中化學(xué)必修1“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”教學(xué)探討[J].教育與裝備研究，2019，（9）：40-44.

[4]（英）溫·哈倫編著.以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育[M].韋鈺譯.北京：科學(xué)普及出版社，2016：1-12.