楊楠楠 梁永鋒

摘要： “證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)維度之一，基于主題大概念教學(xué)的理念，以“氨和銨鹽”為例，通過板塊任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)設(shè)計(jì)，以化學(xué)前沿知識為教學(xué)情境，以最近發(fā)展區(qū)使學(xué)生知識進(jìn)階學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生樹立證據(jù)意識和能基于證據(jù)對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提出假設(shè)，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)分析推理和證實(shí)，建立起證據(jù)與推理及結(jié)論的邏輯關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)學(xué)生高階思維的培養(yǎng)。為中學(xué)化學(xué)主題大概念教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)生高階思維培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：教學(xué)設(shè)計(jì)；主題大概念；高階思維；核心素養(yǎng)；中學(xué)化學(xué)

文章編號：1008-0546（2023）07-0040-10 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.008

《普通高中課程方案（2017年）》明確提出“進(jìn)一步精選了學(xué)科內(nèi)容，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)”?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》又重述“在必修課程階段，突出化學(xué)基本觀念（大概念）的統(tǒng)領(lǐng)作用”[1] 。由此可見大概念在教學(xué)中具有不可替代的地位和對于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，化學(xué)大概念居于化學(xué)學(xué)科的首要地位，對學(xué)生學(xué)習(xí)掌握化學(xué)基礎(chǔ)知識具有引領(lǐng)和統(tǒng)攝作用。

“氨和銨鹽”選自于人民教育出版社2019年出版的普通高中化學(xué)教科書必修2第五章第二節(jié)，是常見無機(jī)物及其應(yīng)用主題下， “物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)轉(zhuǎn)化”大概念統(tǒng)攝的基礎(chǔ)知識，通過“氨和銨鹽”內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握氣態(tài)氫化物、堿、鹽等核心概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解物質(zhì)的性質(zhì)及物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多樣性。

一、教材分析

1. 素養(yǎng)功能定位

“物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系”是無機(jī)物性質(zhì)的主題大概念，在氮和氮的氧化物基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)氮的氣態(tài)氫化物（NH 3 ）及銨鹽，進(jìn)一步認(rèn)識氮元素不同物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，對深化學(xué)生理解物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)轉(zhuǎn)化多樣性的價(jià)值和培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)揮著指導(dǎo)作用。

在學(xué)習(xí)氨和銨鹽之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、元素周期律等核心概念和理論知識，且教科書中將“氨和銨鹽”編排在硫及其化合物之后，目的是通過類比預(yù)測學(xué)習(xí)氮的氣態(tài)氫化物和銨鹽在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用和對生態(tài)環(huán)境的影響，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。引導(dǎo)學(xué)生通過化學(xué)反應(yīng)掌握氨與銨鹽的化學(xué)性質(zhì)及物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，使學(xué)生建構(gòu)從宏觀到微觀的“物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系”的認(rèn)識視角和認(rèn)識思路的模型，通過氨和銨鹽性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識，從辯證的視角認(rèn)識氨和銨鹽的價(jià)值與危害。

2. 學(xué)情分析

從知識層面看，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了物質(zhì)的分類、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)和元素周期律等基礎(chǔ)理論知識，掌握了氯、硫、鈉、鐵元素及其常見化合物的性質(zhì)及其應(yīng)用，為本節(jié)課學(xué)習(xí)氨和銨鹽奠定知識基礎(chǔ)；從能力水平看，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作能力，具有較高的科學(xué)探究素養(yǎng)，可以從物質(zhì)的類別和元素的價(jià)態(tài)來預(yù)測無機(jī)物的性質(zhì)；從心理特征上看，高一學(xué)生好奇心強(qiáng)，對參與實(shí)驗(yàn)探究有較強(qiáng)的渴望，在不懂或有認(rèn)識偏差的知識點(diǎn)中有很強(qiáng)的求知欲。但學(xué)生對元素化合物的性質(zhì)和應(yīng)用的學(xué)習(xí)僅存于淺層的記憶，還沒有建立起對元素及其化合物知識的認(rèn)知模型，還不會很好地運(yùn)用元素周期律對未知元素性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，沒有從物質(zhì)的類別和元素的價(jià)態(tài)的視角上預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)。另外，在學(xué)習(xí)氨和銨鹽的應(yīng)用與危害時(shí)沒有形成認(rèn)識物質(zhì)要辯證的思想看待事物的兩面性的認(rèn)識視角。

因此，教學(xué)中通過氨氣性質(zhì)和用途的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生從辯證的視角看待事物的兩面性；利用對氨氣和銨鹽性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究，使學(xué)生能從宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到微觀的粒子變化來學(xué)習(xí)氨和銨鹽的化學(xué)性質(zhì)；并通過氮的價(jià)—類二維圖模型的建構(gòu)，形成對氨和銨鹽的系統(tǒng)性認(rèn)識。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

1. 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過分析氮的結(jié)構(gòu)與元素周期表中位置，預(yù)測氨的物理性質(zhì)；通過噴泉實(shí)驗(yàn)，探究氨的物理性質(zhì)，并體會“位置決定結(jié)構(gòu)、性質(zhì)決定用途”的內(nèi)涵。

（2）了解噴泉成因，能夠分析氨水中的粒子成分，知道氨水呈堿性和不穩(wěn)定性；掌握氨與酸反應(yīng)生成鹽，了解氨是氣態(tài)堿，反應(yīng)本質(zhì)是堿與酸反應(yīng)生成鹽。

（3）掌握氨的還原性，知道氨的催化氧化是工業(yè)制硝酸的基礎(chǔ)，通過氮的價(jià)—類二維圖模型建構(gòu)氨與氮化物的轉(zhuǎn)化關(guān)系的模型。

（4）通過銨鹽水溶液pH檢驗(yàn)，預(yù)測銨鹽的性質(zhì)與保存方式，能用符號表征銨鹽的化學(xué)性質(zhì)。通過NH 4 +的檢驗(yàn)方式，預(yù)測氨氣的制備方式，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的品質(zhì)。

（5）通過氨氣的優(yōu)點(diǎn)與危害可以從辯證的角度認(rèn)識氨氣，可以通過化學(xué)史實(shí)，讓學(xué)生將學(xué)習(xí)的化學(xué)知識正確應(yīng)用于生活，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與社會責(zé)任感。

2. 評價(jià)目標(biāo)

本節(jié)課的評價(jià)目標(biāo)、方式和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3. 重點(diǎn)難點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn)：氨氣的性質(zhì)與制備、銨根離子的檢驗(yàn)。

（2）教學(xué)難點(diǎn)：氨與銨鹽間的物質(zhì)間轉(zhuǎn)化。

5. 建構(gòu)認(rèn)知模型

“氨和銨鹽”教學(xué)過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生從宏觀微觀兩個(gè)角度認(rèn)識氨與銨鹽，使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)化學(xué)本源性知識?；凇白C據(jù)推理”的核心素養(yǎng)從定量角度認(rèn)識結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途的化學(xué)觀念，從定性角度認(rèn)識氨與水的噴泉實(shí)驗(yàn)、氨與酸空瓶生煙實(shí)驗(yàn)、氨的催化氧化反應(yīng)和銨鹽分解的性質(zhì)。學(xué)生在尋求證據(jù)的同時(shí)促進(jìn)了對氨和銨鹽的深層次的理解，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的證據(jù)意識和能力，潛移默化地促進(jìn)了學(xué)生對科學(xué)探究方法和科學(xué)研究本質(zhì)的理解和發(fā)展，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，[2] 構(gòu)建了表2所示的學(xué)生認(rèn)知模型。

三、教學(xué)過程

1. 創(chuàng)設(shè)情景——多視角多維度看待氨對人類的貢獻(xiàn)

【師】2022年3月28日，我國首臺“氨柴油”發(fā)動機(jī)在清華大學(xué)成功點(diǎn)火，此次成功點(diǎn)火的發(fā)動機(jī)完全自主研發(fā)，是國內(nèi)首臺適用于重型卡車的氨發(fā)動機(jī)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦氨燃料的燃燒特性，應(yīng)用柴油噴霧引燃氨的燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火，正式邁出了從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品集成的重要一步。據(jù)了解，在中、重型商用車的“降碳”方案中，動力電池成本高、續(xù)航短、整車自重大、充電“老大難”的問題突出，氫燃料電池的成本、耐久性以及燃料儲運(yùn)短板也嚴(yán)重制約其大規(guī)模應(yīng)用。氨是“零碳”燃料，在存儲、運(yùn)輸、制造方面擁有顯著優(yōu)勢，是未來中、重型商用車領(lǐng)域綠色燃料的理想選擇之一。很好地響應(yīng)了國家提出的“雙碳”戰(zhàn)略行動計(jì)劃。

氨氣在我國制堿工業(yè)上有非常大的貢獻(xiàn)。純堿是重要的化工基本原料， “一戰(zhàn)”后，歐洲阻斷了中國進(jìn)口純堿的道路。我國開始自己探索制堿工業(yè)，經(jīng)過化工專家侯德榜先生的奮斗，創(chuàng)新了世界制堿工業(yè)，并為之命名為“侯氏制堿法”。其過程是在氯化鈉溶液中先通入氨氣再通入二氧化碳?xì)怏w，生成銨鹽、氯化銨和碳酸氫鈉，再將碳酸氫鈉加熱得到純堿碳酸鈉和二氧化碳。侯德榜先生發(fā)明的制堿方式優(yōu)化了傳統(tǒng)的制堿方式，還可以讓二氧化碳?xì)怏w循環(huán)使用，提高利用率，在制堿的同時(shí)還能制造出對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有益的氨肥，可謂是一舉多得。

【師】同學(xué)們發(fā)現(xiàn)在新型柴油機(jī)燃料的創(chuàng)造和20世紀(jì)我國制堿工業(yè)上都有哪種氣體參與？

【生】氨氣。

【師】凡事皆有利弊，我們要用辯證的思想看待問題，看待事物的兩面性，我們學(xué)習(xí)化學(xué)知識也不例外。氨氣也不僅僅給我們帶來了好處，同時(shí)也會給我們帶來一些環(huán)境上的問題。根據(jù)新聞報(bào)道，農(nóng)業(yè)上過度使用氮肥也促使了霧霾天氣的產(chǎn)生，[3] PM2.5的主要存在形式是氨和銨鹽。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，下面我們通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，用實(shí)驗(yàn)探究的方法來系統(tǒng)地掌握氨與銨鹽的性質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)情景采用化學(xué)前沿性知識氨氣做氨柴油機(jī)燃料與國家提出的“碳達(dá)峰”與“碳中和”政策相結(jié)合的具有現(xiàn)實(shí)意義的生活例子，侯氏制堿法是我們國人自己發(fā)明創(chuàng)造的制堿工業(yè)，也是人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上的偉大成就。很好地利用了我國的科學(xué)家素材樹立學(xué)生正確的偶像觀，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷。思考氨的用途和氨利弊的辯證關(guān)系，將思政教育融入化學(xué)課堂教學(xué)之中，提升學(xué)生學(xué)科思維。

2. 板塊1的實(shí)施——基于“構(gòu)—性—途”的認(rèn)識視角學(xué)習(xí)氨的物理性質(zhì)

【師】同學(xué)們能否根據(jù)上述新聞，借助之前學(xué)習(xí)的H 2 S中硫元素和元素周期律，推斷一下氨的狀態(tài)和分子式？

【生】氨是氮的氣態(tài)氫化物，分子式是NH 3 。

【師】通過侯氏制堿法我們知道氨氣是可以溶于水的，那氨氣溶于水的溶解度有多大呢？如何引發(fā)噴泉實(shí)驗(yàn)？

學(xué)習(xí)任務(wù)1：探究氨的物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)探究1：氨氣溶于水的噴泉實(shí)驗(yàn)。

【師】請同學(xué)們觀察氨氣的顏色狀態(tài)，討論產(chǎn)生什么現(xiàn)象？出現(xiàn)噴泉的原理是什么？氨氣的溶解度大?。咳芤簽槭裁醋兩?？

【生】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：氨氣無色，有刺激性氣味，燒杯里的水經(jīng)過玻璃管噴入圓底燒瓶，形成噴泉，燒瓶內(nèi)溶液由無色變?yōu)榧t色。

實(shí)驗(yàn)原理：擠壓膠頭滴管，圓底燒瓶中氨氣溶于滴入的少量水，使圓底燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小，與外界形成壓強(qiáng)差，在大氣壓的作用下燒杯中的水沿玻璃管迅速進(jìn)入到燒瓶中，形成噴泉。

氨氣的溶解度：形成噴泉實(shí)驗(yàn)的原因是裝置內(nèi)外壓強(qiáng)不一致，從而使燒杯內(nèi)水噴入到燒瓶，故氨氣在水中的溶解度很大（在水中溶解度1∶700）。

溶液變色：因?yàn)榘睔馊苡谒纬砂彼疄閴A性，所以導(dǎo)致酚酞溶液由無色變?yōu)榧t色。

【師】補(bǔ)充：實(shí)驗(yàn)室的噴泉實(shí)驗(yàn)是氣體易溶或極易溶于某種液體發(fā)生反應(yīng)引起壓強(qiáng)差。自然界中的火山噴發(fā)、生活中的音樂噴泉都是由于產(chǎn)生壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的現(xiàn)象。

【師】PPT演示：液態(tài)氨氣可應(yīng)用于食品保鮮、冷凍貯存的制冷劑。

新聞：某公司液氨生產(chǎn)車間管理不善，導(dǎo)致氨氣泄漏致1人死亡，23人中毒。

請根據(jù)氨極易溶于水形成噴泉實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)，預(yù)測液氨做制冷劑的原因，并總結(jié)氨的物理性質(zhì)。

【生】因?yàn)榘睔庖滓夯乙夯瘯r(shí)放熱。故液氨氣化時(shí)需要吸收大量熱，使周圍環(huán)境溫度驟降，所以液氨可以做制冷劑。

根據(jù)氣體摩爾質(zhì)量計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)氨氣密度比空氣小。

氨的物理性質(zhì)：無色有刺激性的有毒氣體、密度比空氣小、沸點(diǎn)低、易液化、易溶于水。

【師】結(jié)合分子的空間結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵、共用電子對，分析氨的性質(zhì)由什么決定的？

【生】氨分子中N原子與H原子存在極性共價(jià)鍵，且共用電子對均偏向N原子偏離H原子。

【師】價(jià)電子層決定了氨的空間結(jié)構(gòu)，氨氣能溶于水是因?yàn)榘睔庵械臍滏I在水中可以相似相容。

補(bǔ)充：氨中有特殊的化學(xué)鍵，與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是配位的過程。

評價(jià)方式：通過探究氨氣的物理性質(zhì)中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，聞氨氣時(shí)的方式是否規(guī)范；在噴泉實(shí)驗(yàn)的操作中，裝置連接的氣密性檢驗(yàn)；以及對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解讀程度作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)操作，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作。通過噴泉實(shí)驗(yàn)原理解釋生活中火山噴發(fā)和音樂噴泉產(chǎn)生壓強(qiáng)差引起噴泉的現(xiàn)象，類比讓學(xué)生掌握核心知識和知識的本源性問題，知道物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是由結(jié)構(gòu)決定的。

反思與創(chuàng)新：還有哪些氣體可以做噴泉實(shí)驗(yàn)？如果把圓底燒瓶改成塑料瓶，能體現(xiàn)氨氣極易溶于水的性質(zhì)嗎？若把噴泉實(shí)驗(yàn)的引發(fā)裝置的膠頭滴管去掉，如何引發(fā)噴泉？

3. 板塊2的實(shí)施——基于物質(zhì)的類別從定性的視角認(rèn)識氨的化學(xué)性質(zhì)

學(xué)習(xí)任務(wù)2：探究氨水中的粒子

【師】噴泉實(shí)驗(yàn)我們得到了一瓶氨氣的水溶液，俗稱氨水，請類比氯水，探究氨水的成分與性質(zhì)。并思考液氨是否是氨水。

【生】氨水中有刺激性氣味，說明氨水中含有氨分子；氨水遇酚酞溶液變紅，說明氨水呈堿性含有OH - ，說明氨氣與水反應(yīng)生成一種堿，堿電離出OH - ，說明氨氣與水反應(yīng)是可逆反應(yīng)。

故氨水中應(yīng)該共有六種粒子，分別是NH 3 、H 2 O、NH 3 ·H 2 O、NH + 4 、OH - 、H + 。

液氨是液化后的氨氣，為純凈物，而氨水是氨氣溶于水后的混合物，二者不是同一物質(zhì)。

【師】請同學(xué)們嘗試用符號表征書寫氨氣溶于水的可逆方程式，注意氨水不穩(wěn)定，受熱易分解，并嘗試寫出氨水分解的化學(xué)方程式。

【生】

【師】補(bǔ)充：1 mol/L氨水中NH 3 ·H 2 O的濃度小于1 mol/L，溶液中所有粒子的濃度和為1 mol/L。三種粒子濃度比較為c （OH - ）> c （NH + 4 ）> c （H + ）。由此可見，氨水呈堿性，那么氨易與哪類物質(zhì)反應(yīng)？

【生】酸。

評價(jià)方式：通過對氨水中粒子成分的探究，引導(dǎo)學(xué)生從微觀的角度學(xué)習(xí)氨水，加強(qiáng)學(xué)生的“宏觀—微觀—符號”三重表征意識，突破教學(xué)難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生信息整合能力和高階思維能力。

反思與創(chuàng)新：如何判定反應(yīng)方程式可逆？如何檢驗(yàn)生成的氨水為弱堿？氨水能否作為氮肥？并與之前學(xué)過的Cl 2 、CO 2 、SO 2 溶于水后溶液中的粒子進(jìn)行比較。

學(xué)習(xí)任務(wù) 3：從物質(zhì)的分類角度探究氨氣與酸反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)探究2：氨與濃鹽酸的空瓶生煙實(shí)驗(yàn)。

【師】注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并根據(jù)堿性氧化物與酸反應(yīng)的通性猜測生成物質(zhì)的種類，嘗試用符號表征寫出有關(guān)反應(yīng)，并嘗試找出濃氨水還可以和哪些酸反應(yīng)做空瓶生煙實(shí)驗(yàn)？

【生】氨氣是堿性氣體與濃鹽酸反應(yīng)會產(chǎn)生白煙，生成銨鹽，觸摸集氣瓶外壁發(fā)熱，說明反應(yīng)放熱。方程式為：NH 3 + HCl = NH 4 Cl

【師】補(bǔ)充：通過酸堿中和反應(yīng)生成鹽和水，可逆向推斷出氨是氣態(tài)堿，其反應(yīng)本質(zhì)是堿與酸反應(yīng)生成鹽。濃氨水可以與易揮發(fā)性酸反應(yīng)產(chǎn)生大量的白煙。故氨氣還可以和濃硝酸反應(yīng)。

追問：若氨氣泄漏，應(yīng)如何處理，請結(jié)合剛才所學(xué)知識給出簡便方法。

【生】用水溶解或用酸中和。

【師】補(bǔ)充：工業(yè)上，氨氣用水吸收，因?yàn)樗某杀镜颓倚Ч黠@，還能在氨水中提取氨得到循環(huán)的效果。[4]

評價(jià)體系：注意濃氨水與濃鹽酸的用量，實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范程度以及裝置的氣密性檢驗(yàn)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)意圖：揮發(fā)性酸與氨氣反應(yīng)產(chǎn)生白煙現(xiàn)象能很好地吸引學(xué)生的動手操作實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力。氨氣泄漏的處理與氨氣循環(huán)利用，培養(yǎng)學(xué)生“綠色化學(xué)”的環(huán)保意識，體現(xiàn)化學(xué)與環(huán)境、社會的密切聯(lián)系。通過培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任素養(yǎng)，倡導(dǎo)課程標(biāo)準(zhǔn)中STSE的教育思想。

反思與創(chuàng)新：濃氨水與濃硫酸是否能做空瓶生煙實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？工業(yè)上氯化銨氨肥如何制造？

學(xué)習(xí)任務(wù)4：從化合價(jià)的角度探究氨氣的還原性

【師】類比硫的氫化物H 2 S的化學(xué)性質(zhì)及S的化合價(jià)，推測NH 3 的化學(xué)性質(zhì)。

【生】NH 3 中氮元素為-3價(jià)，是氮的最低價(jià)態(tài)，所以NH 3 具有還原性。

【師】PPT：性質(zhì)可以決定用途，我們通過觀察一下工業(yè)制硝酸的流程深入了解 NH 3 的性質(zhì)。NH 3 →NO→NO 2 →HNO 3

實(shí)驗(yàn)探究3：在酒精燈上加熱鉑絲后插入盛有濃氨水的錐形瓶中，觀察現(xiàn)象注意是否有紅棕色氣體生成。

【生】鉑絲保持紅熱，沒有看到紅棕色的氣體，而是在濃氨水的液面上方緩緩生成了白色煙霧。

【師】鉑絲為什么持續(xù)紅熱呢？生成的白煙是什么？為什么沒有看到紅棕色氣體？你能用符號表征的形式寫出反應(yīng)嗎？

【生】討論：沒有看到紅棕色氣體，是由于氨在鉑絲催化下氧化生成的NO與O 2 結(jié)合生成NO 2 ，NO 2 與空氣中的水蒸氣生成HNO 3 ，HNO 3 再與濃氨水揮發(fā)出的氨氣結(jié)合生成NH 4 NO 3 ，鉑絲持續(xù)紅熱說明反應(yīng)放熱，生成的白煙是NH 4 NO 3。

催化氧化氨的方程式：

4NH 3 +5O 2 = 4NO+6H 2 O

【師】從N元素化合價(jià)和物質(zhì)類別兩個(gè)維度評價(jià)學(xué)生的回答，初步構(gòu)建“N元素價(jià)—類”二維坐標(biāo)圖（見圖2）。

【師】提示：Pt催化氧化氨生成NO，NO再被氧化成NO 2 ，NO 2 溶于水生成硝酸，硝酸與氨氣生成硝酸銨，這是工業(yè)上合成硝酸進(jìn)而生產(chǎn)硝態(tài)氮肥的方法，也可制作TNT，同時(shí)也是霧霾（NH 4 NO 3 ）的成因。

評價(jià)體系：鉑絲的加熱過程，所用加熱焰層的判定，插入到氨氣瓶的速度，以及所呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯程度作為評定標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，從氮的化合價(jià)角度推斷氨具有還原性。學(xué)生推測的現(xiàn)象與實(shí)際不一致，通過討論了解化學(xué)反應(yīng)的層次性。根據(jù)證據(jù)推理，知道氨氣的催化氧化是工業(yè)制硝酸的步驟之一，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，培養(yǎng)學(xué)生變化觀念與科學(xué)探究的素養(yǎng)。通過氨氣與酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮及氨氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成硝態(tài)氮，畫出N元素價(jià)—類二維坐標(biāo)圖，幫助學(xué)生更好地理解物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

反思與創(chuàng)新：類比鉑絲在氨和氧氣的混合條件下促使氨氣氧化，思考換成銅絲反應(yīng)能否進(jìn)行？如何利用氨除去空氣中的氮氧化物？

4. 板塊3的實(shí)施——基于物質(zhì)的特性從認(rèn)識思路進(jìn)階學(xué)習(xí)銨鹽

【師】回顧侯氏制堿法中生成的氯化銨便是典型的銨鹽之一，也是農(nóng)作物在從自然界以外人工合成含氮物質(zhì)促進(jìn)其生長發(fā)育的途徑，也是人工氮循環(huán)的途徑。展示各種銨鹽樣品。請從顏色、狀態(tài)、溶解性方面討論銨鹽的性質(zhì)。

【生】討論：這些銨鹽都是白色或無色晶體。銨鹽都是典型的離子化合物故易溶于水。

學(xué)習(xí)任務(wù)5：測定銨鹽水溶液的pH

實(shí)驗(yàn)探究4：將學(xué)生分為六個(gè)小組，三個(gè)小組用pH試紙測定氨鹽水溶液，另三個(gè)小組用pH計(jì)測定，完成后小組交流討論。

【生】銨鹽水溶液pH小于或等于7，溶液呈酸性（氯化銨、硫酸銨）或接近中性（碳酸銨、碳酸氫銨）。

【師】銨鹽類氮肥是銨態(tài)氮肥，故長期施用銨態(tài)氮肥會使土壤呈酸性，不利于植物生長。結(jié)合初中學(xué)過的碳酸銨、碳酸氫銨受熱易分解，請思考銨態(tài)氮肥如何使用和保存？其原因是什么？

【生】使用時(shí)要深埋于土壤中且不在中午陽光充足時(shí)施肥，防止銨態(tài)氮肥分解氨氣逸散到空氣中。銨態(tài)氮肥要選擇包裝密閉性良好的袋子保存在陰涼通風(fēng)的地方。

評價(jià)方式：以銨鹽的溶解過程操作、玻璃棒的使用方法、測驗(yàn)后pH試紙的對比過程，以及用電子pH計(jì)標(biāo)準(zhǔn)操作過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后pH計(jì)的清洗作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

反思與創(chuàng)新：氨極易溶于水，氨水為什么不能成為氮肥的主角？如何改變銨態(tài)氮肥包裝袋使肥料保存效果最佳？實(shí)驗(yàn)探究5：加熱氯化銨晶體。

【師】加熱時(shí)在試管底部消失的氯化銨是否是試管上部凝結(jié)的白色固體？如何檢驗(yàn)成分？這是升華嗎？

PPT：氯化銨的分解溫度是 237.8 ℃，熔點(diǎn)為338 ℃（升華），沸點(diǎn)為520 ℃。

【生】由數(shù)據(jù)可知，加熱氯化銨時(shí)未到其熔沸點(diǎn)就已發(fā)生分解，上述現(xiàn)象是氯化銨的分解而不是升華。

【師】大多數(shù)銨鹽受熱會發(fā)生分解生成NH 3 ，但也有個(gè)別例外，如NH 4 NO 3 分解受到溫度影響而產(chǎn)物不同。

追問：如何檢驗(yàn)試管上部的白色固體是氯化銨？

【生】討論：銨鹽都能與堿反應(yīng)生成氨，用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗(yàn)。

【師】PPT：銨鹽與堿反應(yīng)的離子方程式：

NH + 4 + OH - = NH 3 ↑+ H 2 O

氨氣顯堿性，可使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍(lán)，故實(shí)驗(yàn)室會用濃堿檢驗(yàn)銨鹽中的銨根離子。

評價(jià)方式：通過銨鹽的溶解過程操作，玻璃棒的使用方法，以及測驗(yàn)后pH試紙的對比過程作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

反思與創(chuàng)新：如何施銨態(tài)氮肥效果最好？若過度使用化肥會導(dǎo)致什么現(xiàn)象？

實(shí)驗(yàn)探究6：檢驗(yàn)試管口冷凝的白色固體。

【生】取少量白色固體于試管中，加水溶解，滴入稀硝酸酸化的AgNO 3 溶液，有白色沉淀產(chǎn)生；另取少量白色固體與熟石灰混合，放入試管中加熱，將濕潤的紅色石蕊試紙放在試口，變藍(lán)。所以白色固體中含有Cl - 、NH + 4 ，這是氯化銨固體。

【師】氯化銨化受熱分解為氯化氫和氨氣，遇冷時(shí)則又結(jié)合為氯化銨，這是分解不是升華。銨鹽類氮肥不能與堿性物質(zhì)（如草木灰）混合存放、使用，不宜在堿性土壤中施用。

評價(jià)方式：通過將白色固體溶解的過程，滴定的量與速度以及操作標(biāo)準(zhǔn)，混合加熱的火焰層和濕潤試紙的放置位置作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

反思與創(chuàng)新：根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一個(gè)檢驗(yàn)未知溶液中是否含有銨根離子的實(shí)驗(yàn)方案（見圖3）。

氮肥除了銨態(tài)氮肥和硝態(tài)氮肥（NO - 3 ）嘗試分析有機(jī)態(tài)氮肥尿素的成分。

設(shè)計(jì)意圖：通過一系列的實(shí)驗(yàn)探究，使學(xué)生了解銨鹽的性質(zhì)，明確過度施用氮肥會釋放氨氣，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和社會責(zé)任感。強(qiáng)化學(xué)生能對觀察記錄的實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行加工并獲得結(jié)論；能和同學(xué)合作完成實(shí)驗(yàn)交流實(shí)驗(yàn)探究的成果，提出探究或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。強(qiáng)化學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題，能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

學(xué)習(xí)任務(wù)6：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室制備氨氣的方法

【師】請同學(xué)們根據(jù)銨根離子的檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)合理的操作步驟。

實(shí)驗(yàn)探究7：將學(xué)生分成六組，兩組用氯化銨與氫氧化鈣混合加熱制氨氣如圖4所示。另兩組加熱濃氨水制氨氣如圖5所示，最后兩組用濃氨水與生石灰制氨氣如圖6所示。

【師】你能從原料來源、處理效果、花費(fèi)成本、產(chǎn)物循環(huán)利用方面比較方案的優(yōu)劣嗎？

【生】討論：圖4、5中用酒精燈加熱，浪費(fèi)能源。圖6中采用濃氨水和生石灰，原料來源廣泛且快速產(chǎn)生氨氣，效果明顯。

【師】用向下排空法收集氨氣，為什么在試管口塞上一團(tuán)棉花？

【生】防止NH 3 與空氣對流而泄漏，以便收集到較純凈的氨氣。

【師】小結(jié)：銨鹽都能與堿反應(yīng)生成氨，這是實(shí)驗(yàn)室制取氨的原理。同時(shí)也要注意尾氣處理，防止氨氣溢散到空氣中使人中毒且污染環(huán)境。

拓展：工業(yè)合成氨開創(chuàng)者哈伯曾三次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，為解決世界的糧食低產(chǎn)問題做出了巨大貢獻(xiàn)，但哈伯在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)幫助俄國做氯的毒氣罐，[5]也使世界造成了巨大的傷害。我們學(xué)習(xí)知識是為了使生活的世界更美好，與自然相處得更和諧，希望同學(xué)們在今后的學(xué)習(xí)旅途中，不忘初心。

評價(jià)方式：能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出三種實(shí)驗(yàn)的步驟，能安裝出實(shí)驗(yàn)裝置，能和同學(xué)交流實(shí)驗(yàn)探究的成果，提出進(jìn)一步探究或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。

反思與創(chuàng)新：如何改進(jìn)制備氨氣的裝置？

設(shè)計(jì)意圖：從實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)銨鹽的方法后變式到氨氣的三種實(shí)驗(yàn)室制法。培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識和微觀探析、證據(jù)推理的素養(yǎng)，工業(yè)合成氨對社會發(fā)展的價(jià)值和環(huán)境的影響，有意識地滲透資源合理利用和環(huán)境保護(hù)意識，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感。

5. 課堂小結(jié)

【師】本節(jié)課從物質(zhì)類別、元素的價(jià)態(tài)、特征三個(gè)角度認(rèn)識了氨和銨鹽的化學(xué)性質(zhì)，今后遇到一種新的無機(jī)物該如何研究其性質(zhì)？

【生】建構(gòu)價(jià)—類二維坐標(biāo)進(jìn)行多視角研究。

【師】通過國家時(shí)政的落實(shí)、引入相關(guān)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活的真實(shí)案例（化肥、霧霾）感知現(xiàn)象，預(yù)測無機(jī)物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，再通過實(shí)驗(yàn)探究獲取證據(jù)來證實(shí)物質(zhì)的性質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用中趨利避害。最后通過哈伯對世界的貢獻(xiàn)與危害，樹立正確的價(jià)值觀。

設(shè)計(jì)意圖：首尾呼應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生自主歸納本節(jié)所學(xué)知識，落實(shí)進(jìn)階性的知識水平和認(rèn)識思路。本節(jié)課將氨和銨鹽知識之間的邏輯關(guān)系組織起來，實(shí)現(xiàn)知識的進(jìn)階；并通過侯氏制堿法為教學(xué)暗線，深化對氨和銨鹽及其變化的本質(zhì)的認(rèn)識，進(jìn)一步培養(yǎng)抽象思維，通過證據(jù)推理過程，促使學(xué)生建構(gòu)和形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念，實(shí)現(xiàn)核心知識的進(jìn)階性學(xué)習(xí)。提升對元素及其化合物知識的認(rèn)知水平。

四、設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1. 設(shè)置化學(xué)前沿性知識的教學(xué)情景

化學(xué)教育教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要以教師的教學(xué)為支撐。優(yōu)質(zhì)課堂教學(xué)是由創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景開始的。前沿性化學(xué)知識作為教學(xué)情境，貼切普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中對化學(xué)課程內(nèi)容有時(shí)代性的體現(xiàn)，[6] 使教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度都有所提高；不僅可以幫助教師提升自身科學(xué)素養(yǎng)與學(xué)科知識的擴(kuò)充，有利于教師的終身學(xué)習(xí)；還可以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，用化學(xué)界發(fā)展的最新知識吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的知識面，有利于激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。通過接觸氨的前沿性科研成果或正在研究的課題，既有利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)的落實(shí)，又進(jìn)一步加深了學(xué)生對學(xué)習(xí)化學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際生活的深刻認(rèn)知，同時(shí)也能對學(xué)生未來的職業(yè)規(guī)劃產(chǎn)生深刻的指引，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的科學(xué)態(tài)度與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)觀，通過國內(nèi)的化學(xué)家引導(dǎo)學(xué)生利用“氨柴油”發(fā)動機(jī)減少碳排放的時(shí)事熱點(diǎn)問題樹立崇高的職業(yè)理想與愛國情懷。

2. 在教學(xué)中淡化教師的演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的界限

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中關(guān)鍵能力的主要落實(shí)點(diǎn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、創(chuàng)新意識能力、證據(jù)推理能力、問題解決能力和科學(xué)思維能力等，其中問題解決能力是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力之一，也是養(yǎng)成高階思維能力的重要支撐。[7] 最好的教學(xué)過程就是激發(fā)學(xué)習(xí)興趣讓學(xué)生主動去學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，而學(xué)生親自動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范使用儀器和正確操作方法，讓學(xué)生全神貫注深刻理解化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象背后的原理，[8] 其對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中提出的問題要符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)要求，即提出的問題即能引發(fā)學(xué)生的思考，又能不超過學(xué)生知識及能力范圍的上限。本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)很好地貼切了學(xué)生現(xiàn)有水平，結(jié)合初中氮肥知識和硫、氯等非金屬元素的性質(zhì)來推測和用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生所做實(shí)驗(yàn)也不一定僅局限于課堂中，還可以在生活中尋找相似的現(xiàn)象用化學(xué)知識去解決，如銨鹽類化肥要埋在土壤中使用防止揮發(fā)出氨氣，且不可長期使用因?yàn)殇@鹽類氮肥多數(shù)呈酸性，會使土壤不適宜農(nóng)作物生長。

3. 基于學(xué)生最近發(fā)展區(qū)的知識進(jìn)階性學(xué)習(xí)

維果斯基曾說過“好的教學(xué)走在發(fā)展的前面”，教師在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)中的教學(xué)作用是有創(chuàng)造性的，不僅要?jiǎng)?chuàng)設(shè)最佳的教學(xué)情境，還要設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)背后蘊(yùn)含的知識，以及對應(yīng)素養(yǎng)能力的提升。[9]

通過最近發(fā)展區(qū)建構(gòu)學(xué)習(xí)模型可以將化學(xué)核心素養(yǎng)融入知識進(jìn)階性，而知識的進(jìn)階可以從基本概念、核心概念到大概念層級式學(xué)習(xí)無機(jī)化合物知識，建構(gòu)核心素養(yǎng)下的概念層級表，具體如表3所示：

概念間的整合是為了習(xí)得化學(xué)本源性知識，進(jìn)行知識的遷移，運(yùn)用所學(xué)習(xí)的知識解決問題并可以有一定的創(chuàng)新應(yīng)用，而主要運(yùn)用的是核心概念?？梢杂脠D7表示學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)階。[10]

知識的進(jìn)階性學(xué)習(xí)，不僅讓學(xué)生認(rèn)識思路呈層級發(fā)展，同時(shí)也揭示了學(xué)生的現(xiàn)有知識水平和生活經(jīng)驗(yàn)，可以真正地將學(xué)生所學(xué)的化學(xué)知識運(yùn)用到生活中，解決社會的熱點(diǎn)問題。如通過氨和銨鹽基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)與理解，分析氨和銨根的結(jié)構(gòu)用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證性質(zhì)，最后進(jìn)行所學(xué)知識的遷移——霧霾天氣怎樣緩解，從減少不必要氨氣釋放和污染物排放開始，幫助學(xué)生獲得高水平的認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，養(yǎng)成學(xué)生終身學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。在教學(xué)設(shè)計(jì)中知識的進(jìn)階性，應(yīng)盡量用較少的概念詮釋較深的教學(xué)內(nèi)容，以滿足不同層次學(xué)生的全面發(fā)展。[11]

4. 關(guān)注實(shí)驗(yàn)反思與創(chuàng)新促進(jìn)證據(jù)推理素養(yǎng)發(fā)展

證據(jù)推理是提升學(xué)生素養(yǎng)的外顯活動，活動是學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容也是學(xué)生創(chuàng)新的開端。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評價(jià)體系由三部分構(gòu)成，分別是教師評價(jià)，小組間評價(jià)和自我評價(jià)。三者分?jǐn)?shù)占比權(quán)重教師最大。通過對學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)的評價(jià)可以很好地激發(fā)學(xué)生的所學(xué)知識以外顯的實(shí)驗(yàn)表示出來，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，各證據(jù)間的推理。完善學(xué)生的認(rèn)知，通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)改變學(xué)生在固有認(rèn)知的偽科學(xué)觀點(diǎn)，彌補(bǔ)化學(xué)思維。通過適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作評價(jià)拓寬學(xué)生的認(rèn)識視角和認(rèn)識思路，深層次地培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力。[12]化學(xué)實(shí)驗(yàn)反思是反思學(xué)習(xí)的一個(gè)重要方面，促進(jìn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)邏輯認(rèn)識的進(jìn)一步深化。而實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新則是在反思的基礎(chǔ)上針對某一思想的啟發(fā)而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，是學(xué)生積極主動的學(xué)習(xí)化學(xué)知識、認(rèn)識化學(xué)本源性問題、解決實(shí)際化學(xué)問題的重要實(shí)踐活動，是拓展學(xué)生證據(jù)推理能力的重要方式。

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