摘 要：學科大概念是建構學科知識和核心素養(yǎng)的重要橋梁。大概念導向下的認識元素及其化合物性質的教學，可以將情境線、性質線、大概念線三線合一貫穿教學始終，引導學生從“價類二維觀”“結構決定性質”“化學反應伴隨能量變化”“化學反應需要條件”等多個角度研究物質的性質與用途，在學科大概念的引領下促進學生更好地認識、評價物質，實現(xiàn)知識、能力、素養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展，達成“教—學—評”一體化的目標。

關鍵詞：學科大概念；氨氣；元素化合物性質；認識視角

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）14-0128-05

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確指出，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養(yǎng)的落實。大概念引領下的教學不僅讓學生習得學科知識，還讓學生超越學科知識本身發(fā)展學科觀念，從而發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)?！盁o機化合物的性質與應用”這一主題能夠很好地培育學生的元素觀、能量觀、轉化觀、微粒觀等，元素化合物知識本身雖然是零散的，但是與其他主題的關聯(lián)度很高。因此，大概念導向下的元素化合物學習尤為重要。

筆者以中國知網中國學術期刊網絡出版總庫為數據來源，以“氮及其化合物”為主題，搜索2017年到2023年的相關教學設計，篩選出核心期刊中的教學案例進行分析發(fā)現(xiàn)，教師大多從“價類二維觀”的視角教學“氮及其化合物”，沒有提煉出更多與元素化合物相關的大概念進行教學，很少建立從多角度研究元素化合物的認知思維模型?；谝陨戏治?，現(xiàn)以大概念為導向，從價類、能力、結構、反應條件等多角度對蘇教版化學教材必修第二冊中的“氨氣”進行教學嘗試，旨在發(fā)展學生多維度、系統(tǒng)化認識陌生物質的能力。

一、氨氣教學主題內容及教學現(xiàn)狀分析

本節(jié)課教學內容選自蘇教版化學教材必修第二冊專題七第二單元第一課時，氨氣是學生在高中階段接觸到的唯一堿性氣體，學生通過本節(jié)課的學習不僅能形成認識氫化物的基本思路，還能完善“氫化物—單質—氧化物—酸/堿—鹽”的知識體系。學生在學習蘇教版化學教材必修第一冊期間已經掌握了物質的分類、氧化還原反應、離子反應、氯等非金屬元素、化學反應與能量變化、化學反應的限度等相關知識，掌握這些知識不僅為學習本節(jié)課打牢了基礎，而且能夠促進學生形成結構決定性質、基于“價—類”認識物質、反應是有能量變化的、反應是有條件的等大概念，進一步發(fā)展上層大概念——多維度認識物質和反應；能發(fā)展學生的微粒觀、價類觀、能量觀、調控觀、綠色觀等學科觀念，幫助學生建立和完善認識物質及其轉化的認知模型，真正實現(xiàn)化學學科核心素養(yǎng)的落地。此外，氨氣是人類制備各種含氮物質的重要原料，在生產和生活中都發(fā)揮著極其重要的作用，借助前沿科技成果創(chuàng)設真實的情境探究氨的性質及其轉化，具有重要的社會價值和學科價值。

傳統(tǒng)的課堂教學注重講解氨氣溶于水、氨氣與酸反應和氨氣具有還原性等知識，過于重視基本知識和基本概念的教學，缺乏根據《課程標準》和課程內容對學科大概念進行提煉、建構與遷移，缺乏對認識元素化合物的“認識思路”和“核心觀念”的結構化設計。這樣的教學方式容易導致學生機械地記憶知識，難以在陌生的問題情境中激活已有知識，無法實現(xiàn)高效率的遷移，難以把知識學習轉化為化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展，導致學生在化學學習中缺乏深度思考，難以將所學的知識運用于解決現(xiàn)實生活中的問題。

二、教學思想與創(chuàng)新點

（一）以大概念為引領，構建認識物質的基本框架

根據《課程標準》的要求，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，應以大概念為引領，創(chuàng)設真實且富有價值的化學問題情境，在真實的情境中建構化學大概念，并學會運用建構的化學大概念解決實際問題。這就要求教師在圍繞核心素養(yǎng)進行教學設計的過程中，將“認識思路”及“核心觀念”貫穿課堂始終，基于學生發(fā)展需要，厚植學科大概念，開展結構化設計。元素化合物的知識雖然瑣碎繁雜，但是仍然有很強的規(guī)律性和系統(tǒng)性，蘊含著豐厚的化學思維。為實現(xiàn)化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展目標，筆者以大概念為核心進行教學設計，抽提“價類二維觀”“結構決定性質”“化學反應伴隨能量變化”“化學反應需要條件”等四個大概念，建構出大概念層級結構圖（如圖1所示）。通過創(chuàng)設“氨能源”真實問題情境，以大概念引領教學，整合知識，幫助學生將散亂的化學知識結構化處理，促進學生形成“基本概念—核心概念—大概念”層級清晰的完整知識結構，實現(xiàn)從解決具體的實際問題走向解決一類問題，達成知識的高效率遷移的目標。

（二）情境線、性質線、大概念線三線合一

指向學生核心素養(yǎng)發(fā)展的教學要求教師為學生創(chuàng)設真實情境，引領學生探索未知世界。筆者基于此設計三維線索（如圖2所示）：以情境線為活動主線，以氨氣的性質為明線，以大概念核心思想發(fā)展為暗線，三線合一，統(tǒng)領整個教學過程。通過“為什么氨是集經濟、安全于一體的綠色能源？”這一核心問題，引導學生在探究氨氣的性質的過程中建構研究物質的認知框架，并利用這一框架預測聯(lián)氨這一陌生物質的性質，實現(xiàn)知識的有效遷移，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

三、教學目標

通過分析氨氣和氧氣的反應選擇和反應條件控制，形成從價態(tài)角度認識物質性質的意識，同時從能量、綠色等角度認識化學反應，認識到化學反應是有條件的、可調控的，從而發(fā)展證據推理與模型認知核心素養(yǎng)。

通過探究氨氣易液化，發(fā)展結構決定性質的思想，形成基于物質特性認識典型物質性質的視角，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析核心素養(yǎng)。

通過氨氣與水反應、氨氣與酸反應的實驗探究，形成基于物質類別認識物質的視角，發(fā)展科學探究核心素養(yǎng)。

能概括和運用典型物質性質的一般認識框架，分析和預測陌生物質可能具有的性質和用途，發(fā)展科學態(tài)度與社會責任核心素養(yǎng)。

四、教學過程

指向大概念的氨氣教學共五個環(huán)節(jié)（如表1所示），引領學生循序漸進地探究氨氣的性質及其在生產生活中的應用。

（一）初識氨能源

情境引趣：播放氨能源相關視頻。

提出核心問題：為什么氨氣是集經濟、安全于一體的綠色能源？

（二）探析氨燃燒的原理

思考與討論：氨氣與氧氣反應可能生成什么產物？

小組成果匯總：N2、NO、NO2、H2O。

問題1：為什么能生成這些產物，依據是什么？

生：NH3中N的化合價為-3價，具有還原性，與氧氣反應價態(tài)升高，可以升到0、+2、+4價。

問題2：你認為哪個反應最好，依據是什么？

生：第一個反應最好，因為第一個反應的產物為N2，無污染。

追問：氨作為燃料，在燃燒時除了要關注物質變化，還要關注什么變化？

生：化學反應是有能量變化的，研究氨氣燃燒還需考慮能量變化，燃燒放出的熱量越多越好。

提供證據：4NH3（g）+3O2（g）＝2N2（g）+6H2O（g） ΔH=-1 269.0 kJ·mol-1

4NH3（g）+5O2（g）＝4NO（g）+6H2O（g）

ΔH=-907.0 kJ·mol-1

4NH3（g）+7O2（g）＝4NO2（g）+6H2O（g）

ΔH=-1 133.0 kJ·mol-1

問題3：分析熱化學方程式，你得出什么結論？能找出哪些判斷反應的思路？

師生總結：我們選擇一個反應不僅要關注物質變化，還要關注能量變化?；瘜W反應伴隨著能量的變化，我們可以從能量的角度選擇合適的燃料和反應。

追問：如何控制反應生成氮氣？

生：控制氧氣的量、改變反應條件。

提供資料：4NH3+3O2[點燃]2N2+6H2O

4NH3+5O2[催化劑△]4NO+6H2O

問題4：觀察這兩個反應有何區(qū)別，說出你得到的啟發(fā)。

生：反應條件不同，產物不同，說明可以通過控制反應條件來實現(xiàn)對反應的調控。

教師總結：反應是有條件的，但是我們可以通過改變條件調控反應從而實現(xiàn)目標產物的轉化。

（三）再探氨能源的經濟性

問題1：對比氨能源和氫能源，誰更經濟？

生1：氫能源來源于水，原料易得。

生2：氨能源易液化，儲存要求低，儲運方便。

提供證據如表2所示。

表2 氫能源、氨能源相關情況

[項目????? 氨能源??? 氫能源??? 價格/元·噸-1?????? 4 000????? 60 000??? 液化溫度/℃?? -33? -235 液化條件?????? 常壓降溫至-33 ℃或常溫加壓至700—800 kPa??? 常壓降溫至-235 ℃????? 儲運?????? 方便?????? 困難?????? ]

對比分析得出結論：由于氨氣易液化、易儲運、安全性高，綜合考慮氨能源更經濟。

問題2：為什么NH3比H2更容易液化？

生：由于氨分子間存在氫鍵，導致氨的沸點更高。

教師歸納：這就是“結構決定性質”，氨分子間存在氫鍵這一特殊的結構決定了氨氣易液化這一特殊的性質。

（四）再識氨能源的安全性

問題1：若液氨罐泄漏，如何處理泄漏的氨氣？你能設計哪些方案？

生：方案1，用水，因為氨氣易溶于水；方案2，用酸，因為氨氣能與酸反應；方案3，用氧化劑，例如高錳酸鉀，因為氨氣具有還原性。

學生評價：方案1更合理，因為水容易獲得；方案2中的酸有腐蝕性，會污染環(huán)境；方案3選擇高錳酸鉀，成本高。

實驗驗證1：氨的噴泉實驗。

教師利用多媒體展示噴泉實驗裝置圖。

學生圍繞問題小組討論：這套裝置由哪幾部分組成？該實驗的具體實驗操作順序是什么？可能會產生哪些現(xiàn)象？

追問：為什么燒杯中的水會倒吸入燒瓶中？說明了什么？

生：因為氨氣易溶于水，使得燒瓶內的壓強減小，水被大氣壓壓入燒瓶中。

師：現(xiàn)在就請一位同學來試一試，這樣的操作是否可行。

學生進行演示實驗。

問題2：為什么擠壓膠頭滴管那一點點水，能夠引發(fā)噴泉？

生：說明氨氣在水中溶解度極大，造成了燒瓶內的壓強急劇下降。

問題3：結合實驗現(xiàn)象，分析裝置中壓強變化過程及變化原因，畫出p-t圖。

小組展示所畫圖像并匯報：膠頭滴管內的水擠入燒瓶后，燒瓶內的壓強急劇減小，所以曲線下降，而且應該比較陡。燒杯內的水被大氣壓壓入燒瓶后，燒瓶中的壓強會慢慢增大，且增大的過程比較平緩。

問題4：如果沒有膠頭滴管，如何引發(fā)噴泉？

生1：可以用手捂住燒瓶，氣體受熱膨脹，氨氣會沿著長導管逸出接觸到燒杯中的水，氨氣溶于水就能引發(fā)噴泉。

生2：可以用冷毛巾冰敷燒瓶使燒瓶內的壓強減小。

問題組：氨氣溶于水僅僅是物理溶解嗎？氨氣溶于水的溶液可能呈什么性？如何檢驗？

生：氨氣溶于水應該會與水反應生成堿，可以用酚酞檢驗。

追問：如何改進剛才的實驗？

實驗驗證2：向盛有水的燒杯中滴加酚酞后進行噴泉實驗。

追問：溶液變紅，說明氨水呈堿性，那么OH-從哪里來？

師生共同分析，得出反應式（如圖3所示）。

師：氨氣能與水反應生成堿，說明氨是堿性氣體，那么氨能否與酸反應？

實驗驗證3：（實驗裝置如圖4所示）注射器中已經分別吸取濃氨水和濃鹽酸，把液體推進礦泉水瓶中，觀察現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：有白煙產生（NH3+HCl＝NH4Cl）。

歸納總結：本節(jié)課從哪些視角研究了氨的性質？

生：從價態(tài)和類別視角學習了氨具有還原性，能與水、酸反應；從結構決定性質的視角認識了氨易液化這一特殊的性質；從能量視角認識了氨能用作燃料，認識到反應是有條件的，但是反應是可控的。

教師用多媒體展示圖5，帶領學生回憶所學內容。

（五）預測聯(lián)氨的性質和用途

問題1：請根據聯(lián)氨的結構預測它的性質和用途，并說明預測依據。

小組匯報：聯(lián)氨具有還原性，從價態(tài)來看，N為-2價，化合價能升高，能與氧氣反應。聯(lián)氨的熱值應該比較高，能用作燃料。聯(lián)氨沸點較高，具有一定的氧化性和還原性。從結構決定性質視角分析發(fā)現(xiàn)，聯(lián)氨分子間存在氫鍵，所以它的沸點會比較高；從價態(tài)視角N為-2價，化合價既能降低又能升高，所以聯(lián)氨既有氧化性又有還原性。

提供證據：

1.肼（N2H4），又稱聯(lián)氨，沸點113.5 ℃，無色油狀液體，能很好地混溶于水中，吸水性強。

2.聯(lián)氨溶液呈弱堿性。

3. N2H4中N顯-2價，酸性溶液中以氧化性為主，還原產物是NH4+，但反應速率很慢；堿性溶液中以還原性為主，氧化產物一般是N2，常作強還原劑。

4.具有很高的燃燒熱，可用作火箭發(fā)射燃料。

師：請你總結，可從哪些角度推測物質的性質？可從哪些角度評價物質？

小結：（如圖6所示）通過本節(jié)課的學習，我們明確了研究物質的一般思路，即可基于物質的結構、類別、元素價態(tài)、特性認識物質的性質和用途；可從物質能量、反應條件、經濟安全、綠色環(huán)保等維度評價物質及其化學反應。

五、教學反思

（一）大概念導向下的化學教學應立足學科本質和化學觀念

課堂教學不僅需要關注學科知識，還應該關注學生的未來。學科知識應該是一種載體，是教師的教學目標，但不應該是最終的教學目標。要實現(xiàn)核心素養(yǎng)的發(fā)展，需要學生形成化學大概念。教師教給學生的內容不僅是學科知識，還是超越了知識與技能的、可遷移的觀念和方法。其次，教師應該創(chuàng)設真實的問題情境。本節(jié)課從“氨為什么是集經濟、安全于一體的綠色能源”這一真實的情境出發(fā)，在激發(fā)學生學習興趣的同時，引領學生從價態(tài)、能量、反應條件的控制、綠色環(huán)保等角度思考和分析為什么氨是綠色燃料；從結構角度去解釋為什么氨易液化；從類別的角度去思考解決氨泄漏問題的方法。通過在真實的情境中將大概念的形成與遷移、問題解決兩者有機結合起來，不斷地發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

（二）大概念導向下的化學教學應充分挖掘課本實驗的功能與價值

本節(jié)課最重要的實驗是噴泉實驗，因此教師需要關注噴泉實驗的每一個細節(jié)，需要充分挖掘和利用這個實驗的功能和價值。本節(jié)課采用POE教學策略（Predict—預測，Observe—觀察，Explain—解釋，簡稱POE），先讓學生解讀實驗的裝置構成、實驗操作步驟，預測實驗現(xiàn)象，再進行實驗驗證。學生把靜態(tài)的知識轉化為動態(tài)的動手操作，理解實驗過程就是創(chuàng)新的開始，能夠很好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。后續(xù)教師從微觀角度引發(fā)學生思考：氨氣僅僅是溶于水嗎？如何改進這個實驗？先讓學生想象在燒杯中滴加酚酞沒有現(xiàn)象，但是液體被壓入燒瓶中卻能形成紅色噴泉，然后再進行實驗驗證，發(fā)現(xiàn)這一次的實驗現(xiàn)象比第一次的更美麗，在給予學生視覺沖擊的同時刺激學生不斷發(fā)散思維。此外，噴泉實驗還包含有數學、物理等學科的相關知識，通過讓學生畫出p-t圖，用數形結合的方式實現(xiàn)跨學科融合教學，學生在畫圖的過程中需要思考起點、拐點、坡度等問題，培養(yǎng)了學生的思維品質，圖形反映了學生對整個實驗過程的細致研究和理解，突出了學生的深度思考。

參考文獻

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（責編 劉小瑗）

作者簡介：薛巧，1986年生，廣西靈山人，研究生，一級教師，主要研究方向為中學化學教學。