论文部分内容阅读
摘要：知识的学習，素养的培育，始终离不开问题的解决，问题解决的过程，就是师生活动开展的过程。以“自然固氮”教学实践为例，创设连贯性的问题情境，开展多样化的教学活动，引导学生通过氮循环认识含氮物质，研究自然固氮过程构建含氮物质间的转化关系，实验探究体会物质及其转化的重要价值。
关键词：学科素养;自然固氮;证据推理;模型认知;社会责任
文章编号：1008-0546（2021）02-0025-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.006
高中化学课堂是化学学科核心素养“落地生根”的主阵地，学科知识和活动是素养形成的主要载体和途径。知识的学习，素养的培育，始终离不开问题的解决。教师可以围绕教学的关键环节，以适切的教学目标为导向，通过创设连贯性的问题情境，开展多样化的教学活动，充分调动与发挥学生的主观能动性，引导学生开展问题解决学习，以问题的解决和任务的完成来实现知识的建构和素养的提升。
一、依据课标与学情制定适切的教学目标
氮及其化合物是高中阶段学生所学元素化合物知识的重要组成部分，在新课标必修课程主题2“常见的无机物及其应用”中的内容要求为：结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。以“自然固氮”为教学主题学习N2、NO、NO2的性质，引导学生通过氮循环认识含氮物质，研究自然固氮过程构建含氮物质问的转化关系，通过实验探究体会物质及其转化的重要价值。
学生在学习这部分知识前已具备以下能力：用电子式和结构式表征物质的能力，能够理解结构与性质问的关系;对物质进行分类的能力，能够从化合价和物质类别的视角认识含氮物质;依据氧化还原反应基本概念与原理，能够从化合价变化的视角认识含氮物质之间的转化关系。学生还存在的学习障碍点主要有：NO和NO2不是酸性氧化物，不能完全类比酸性氧化物CO2、SO2和SO3的性质;将价态观、分类观、转化观应用到具体物质上，预测物质的性质及其转化关系。
基于以上分析，教师制定如下教学目标：（1）通过对植物缺氮现象的讨论以及对氮气分子结构特点的分析，从宏微结合的视角理解结构与性质之间的关系;（2）通过对自然固氮路径的分析探索，建立从物质类别和化合价两个维度研究物质性质及其转化关系的认知模型;（3）通过对“雷雨发庄稼”原理的实验探究培养证据意识，掌握N2、NO、NO2的主要性质;（4）通过对自然固氮价值的感悟以及人类活动对氮循环的影响，认识到合理使用含氮物质的必要性和重要性，培养社会责任意识，树立可持续发展理念。
二、指向学科素养培育的教学实践
1.联系生活创设问题情境
学习总是与问题相伴，让学生在解决真实问题的过程中探究发现物质的性质，进而建立应用性质解决问题的思路方法，是培育学科核心素养的有效途径。从学生的生活实际发现问题，设计成真实的驱动性问题链，以问题贯穿整个教学过程，促使学生在设问和释问的过程中萌生自主学习的动机和欲望，在分析和解决问题的过程中获得知识和技能，逐渐形成问题解决能力。在课堂引入环节，教师以连续追问的方式引导学生发现问题：生活中我们经常会购买一些绿植，既能美化环境，又能净化空气。但是养了一段时间后，它就变成这样了（展示叶片枯黄稀疏的一盆绿植），同学们有没有遇到过类似的情况？（学生纷纷点头），咨询了专业人士说是“缺氮”的表现，同学们听到这个答案有没有什么疑问？（学生提出空气里大部分是氮气，植物为什么还会缺氮），空气中存在大量游离态的氮，植物为什么难以吸收呢？植物需要的或是能够吸收的又是哪种氮呢？植物究竟能不能从自然界中吸收氮元素？如果植物不能从自然界中吸收氮元素，有没有其他途径解决缺氮问题呢？在教师的启发下，学生大脑中产生了一系列问题，于是教师将学生的这些问题设计成连贯性的问题链（图1），并且围绕这些问题开展多样化的教学活动也是水到渠成的事。
2.核心概念引领知识建构
化学键、物质分类和氧化还原既是重要的概念理论知识，也是学生在高中阶段形成的认识物质的基本角度。从微观结构预测、解释物质的宏观表现，从元素及元素转化的角度对物质进行分类，从核心元素价态转换的角度认识物质性质及反应，从转化的角度认识物质性质在解决实际问题中的重要作用，在微粒观、分类观、价态观、转化观等核心概念的引领下帮助学生建构结构化的化学知识，是发展学生核心素养的途径之一。
在教师的引导下，学生先由生活中常见的宏观现象进而深入探析微观本质：氮原子之间存在着氮氮三键，通过共价键的键能这一数据素材（表1）进一步证实了氮氮三键的稳定性。再从微观本质解释宏观现象：氮气化学性质很不活泼，植物难以直接吸收所以会有叶片发黄、生长稀疏等“缺氮”现象。宏观与微观相互联系是化学学科的最大特征，本环节着重培养学生从宏观一微观一宏微结合的科学思维与学习方法，形成“结构决定性质”的学科观念。
游离态的氮植物难以吸收，那么植物能够吸收的又是哪种氮呢？接着教师展示了与学生的生活密切相关的氮循环示意图（图2），通过对氮循环的分析，学生知道了植物只能吸收化合态的氮然后制造植物蛋白。氮循环示意图中涉及较多的含氮物质，将其中的无机含氮物质按照一定规律进行分类有利于进一步研究物质性质及其转化关系，所以教师给学生提供了一组氮循环中的无机含氮物质卡片将学生思维外显，通过将卡片按照一定规律摆放的互动环节来引导学生从物质所含核心元素的化合价和物质类别两个重要角度来研究物质性质，“价一类”二维图是核心概念引领下将元素化合物知识结构化的重要认知模型。
在学生对自然固氮的概念和主要方式有一定的了解之后，教师继续引导学生思考农业谚语“种豆肥田”和“雷雨发庄稼”蕴含的含氮物质之间的转化关系，前者指向生物固氮，后者指向高能固氮，通过两种自然固氮方式，性质不活泼的氮气转化为含氮化合物参与氮循环，是植物获得生长所需养分的重要方式。在本环节学生侧重对“雷雨发庄稼”中含氮物质转化关系的探索，预测从氮气到硝酸盐的转化途径。这种教学方式以“物质转化”为任务驱动，对学生有一定挑战，教师在此过程中可以这样引导学生：在雷电和雨水的共同作用下，氮气最终转化为硝酸盐，硝酸盐可以通过硝酸与碱性物质或是地表矿物质反应生成，那么氮气转化为硝酸的途径中还需要哪类物质的参与？基于已有知识和经验，学生能够类比C→CO2→H2CO3、S→SO2→SO3→H2SO4的转化关系，提出N2-NXOy-HNO3的转化途径，这样将问题解决的重心聚焦到氮氧化物上来。随后学生进一步提出了三种可能路径：①N2→NO→HNO3、②N2→NO2→HNO3、③N2→NO→NO2→HNO3。在教师播放N2与O2放电条件下反应的实验视频后，学生依据实验中有红棕色气体生成，判断最后气体中一定有NO2，可以排除途径①，根据资料卡（423K时NO2会分解为NO和O2）可判断高能固氮生成的是NO，最终确定途径③。N2→NO→NO2是氮元素化合价逐渐上升、被氧化的过程，学生能够根据氧化还原反应原理书写相关化学方程式。在NO2→HNO3的转化过程中，部分学生容易受“酸性氧化物与水化合成酸”的前概念影响，认为NO2与水也发生了化合反应生成HNO3，但从氧化还原反应的原理来分析，氮元素价态上升了，必定还要有物质的化合价下降，所以产物不止HNO3一种，可能还生成NO或是N2。当学生的认知产生冲突时，教师指导学生通过实验收集证据以便获得真实、合理的结论。 3.實验探究培养科学态度
化学课堂不仅要教学生知识，还要教学生学科方法，化学学科是以实验为基础的，探究实验不仅有利于激发学生学习化学的兴趣、帮助学生理解和掌握化学知识和基本技能，也有利于培养学生安全意识与严谨踏实的科学态度。由于氮氧化物对空气的污染性，教师在设计实验时选用微型装置，一支10mL注射器里预先收集6mL NO2，另一支5mL注射器里预装2mLH2O（加入1滴石蕊试液），实验过程中学生通过旋转三通阀和推拉注射器就能清晰直观地观察到实验现象（图3及表2）。
在实验过程中，学生观察到NO2遇水后，紫色石蕊试液变红的同时有无色气体生成，而且无色气体的体积约为2mL，在无色气体中通入空气后又变成了红棕色。学生通过实验获得物质转化的证据（定性和定量），经过推理论证得出最终结论，完善了“价一类”二维图中的转化关系（图4）。
4.问题解决践行社会责任
通常情况，得出结论后实验探究到此结束，实验仪器也就搁置一边了，但此时教师还要拿注射器内的氮氧化物继续“做文章”，可以这样引导学生：（师）自然界中NO-NO2-HNO3之间的转化关系可以使植物获取少量含氮化合物作为养分，但是受到天气制约，植物还是会有缺氮情况，如何解决这个问题？（生）可以模拟自然界中氮氧化物间的转化关系，工业生产HO3。（师）工业生产中如何使NO2尽可能多地转化为HNO3？（生）N02与H2O反应后生成的NO继续和O2反应，将生成的N02再通入水中制HNO3，多次循环反应。（师）没能完全转化的氮氧化物如何处理？（生）用碱液吸收。（师）注射器里的氮氧化物如何处理？
在教师引导下学生利用所学知识进行注射器内氮氧化物的后续处理实验，在此过程中不仅充分利用了实验器材，给学生充裕的时间进行实验探究，也培养学生从自身做起、从日常小事做起，形成节约资源、爱护环境的意识。
仅靠自然固氮远远不能满足农业生产对氮元素的需要，化学家们通过化学反应制得了植物可吸收的含氮化合物，提高了农作物的产量。但人工化肥的大量生产和使用也带来了大气、水质、土壤污染等生态环境问题。二十世纪六十年代开始，科学家发现一些金属有机化合物能起到根瘤菌中固氮酶的作用，为此科学家们建立了化学模拟生物固氮模型，尝试在实验室中利用这些金属有机物作催化剂实现常温常压下固氮。学生分析化学模拟生物固氮模型建立的实质还是围绕氮氮三键，整堂课首尾呼应，从自然界中的氮循环走向有关含氮物质的学习，最后引导学生利用所学知识走向生产实际，思考和解决人类生存环境问题，从而树立可持续发展理念。
三、实践感悟
元素化合物模块的知识内容在以往的教学中教师大多采用课堂讲述、知识归类、习题巩固等传统方式传递给学生满满的“干货”，老师是一腔热忱，学生却普遍感觉元素化合物内容太琐碎、记不住，难以掌握。高一是化学学习方法形成和学习方式转变最为关键的一年，不论对高二确定选择参加等级考还是合格考的学生来说，都是核心素养培育至关重要的一年。所以，在高一的日常教学中，教师在进行教学设计时尤其要关注两个问题：一是要让学生“知其所以然”，即在活动中完成知识的自主建构;二是要让学生“学有所用”，即在问题解决中体会学科价值。本节课首先通过生活中绿植缺氮这一常见现象作为课堂引入，创设真实情境引导学生深入微观结构来解释宏观现象，侧重“宏观辨识与微观探析”素养的培育;接着通过氮循环示意图认识含氮物质，从化合价和物质类别两个维度建立物质转化的认知模型，运用“价一类”二维图构建物质转化的思维路径，设计微型实验寻找物质转化的实证，侧重“证据推理与模型认知”素养的培育;然后挖掘氮氧化物转化关系在硝酸工业中的应用价值，探讨硝酸工业尾气的处理方案，最后通过化学模拟生物固氮研究的介绍，感悟自然固氮的价值以及未来科学研究的方向，侧重“科学态度与社会责任”素养的培育。
关键词：学科素养;自然固氮;证据推理;模型认知;社会责任
文章编号：1008-0546（2021）02-0025-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.006
高中化学课堂是化学学科核心素养“落地生根”的主阵地，学科知识和活动是素养形成的主要载体和途径。知识的学习，素养的培育，始终离不开问题的解决。教师可以围绕教学的关键环节，以适切的教学目标为导向，通过创设连贯性的问题情境，开展多样化的教学活动，充分调动与发挥学生的主观能动性，引导学生开展问题解决学习，以问题的解决和任务的完成来实现知识的建构和素养的提升。
一、依据课标与学情制定适切的教学目标
氮及其化合物是高中阶段学生所学元素化合物知识的重要组成部分，在新课标必修课程主题2“常见的无机物及其应用”中的内容要求为：结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。以“自然固氮”为教学主题学习N2、NO、NO2的性质，引导学生通过氮循环认识含氮物质，研究自然固氮过程构建含氮物质问的转化关系，通过实验探究体会物质及其转化的重要价值。
学生在学习这部分知识前已具备以下能力：用电子式和结构式表征物质的能力，能够理解结构与性质问的关系;对物质进行分类的能力，能够从化合价和物质类别的视角认识含氮物质;依据氧化还原反应基本概念与原理，能够从化合价变化的视角认识含氮物质之间的转化关系。学生还存在的学习障碍点主要有：NO和NO2不是酸性氧化物，不能完全类比酸性氧化物CO2、SO2和SO3的性质;将价态观、分类观、转化观应用到具体物质上，预测物质的性质及其转化关系。
基于以上分析，教师制定如下教学目标：（1）通过对植物缺氮现象的讨论以及对氮气分子结构特点的分析，从宏微结合的视角理解结构与性质之间的关系;（2）通过对自然固氮路径的分析探索，建立从物质类别和化合价两个维度研究物质性质及其转化关系的认知模型;（3）通过对“雷雨发庄稼”原理的实验探究培养证据意识，掌握N2、NO、NO2的主要性质;（4）通过对自然固氮价值的感悟以及人类活动对氮循环的影响，认识到合理使用含氮物质的必要性和重要性，培养社会责任意识，树立可持续发展理念。
二、指向学科素养培育的教学实践
1.联系生活创设问题情境
学习总是与问题相伴，让学生在解决真实问题的过程中探究发现物质的性质，进而建立应用性质解决问题的思路方法，是培育学科核心素养的有效途径。从学生的生活实际发现问题，设计成真实的驱动性问题链，以问题贯穿整个教学过程，促使学生在设问和释问的过程中萌生自主学习的动机和欲望，在分析和解决问题的过程中获得知识和技能，逐渐形成问题解决能力。在课堂引入环节，教师以连续追问的方式引导学生发现问题：生活中我们经常会购买一些绿植，既能美化环境，又能净化空气。但是养了一段时间后，它就变成这样了（展示叶片枯黄稀疏的一盆绿植），同学们有没有遇到过类似的情况？（学生纷纷点头），咨询了专业人士说是“缺氮”的表现，同学们听到这个答案有没有什么疑问？（学生提出空气里大部分是氮气，植物为什么还会缺氮），空气中存在大量游离态的氮，植物为什么难以吸收呢？植物需要的或是能够吸收的又是哪种氮呢？植物究竟能不能从自然界中吸收氮元素？如果植物不能从自然界中吸收氮元素，有没有其他途径解决缺氮问题呢？在教师的启发下，学生大脑中产生了一系列问题，于是教师将学生的这些问题设计成连贯性的问题链（图1），并且围绕这些问题开展多样化的教学活动也是水到渠成的事。
2.核心概念引领知识建构
化学键、物质分类和氧化还原既是重要的概念理论知识，也是学生在高中阶段形成的认识物质的基本角度。从微观结构预测、解释物质的宏观表现，从元素及元素转化的角度对物质进行分类，从核心元素价态转换的角度认识物质性质及反应，从转化的角度认识物质性质在解决实际问题中的重要作用，在微粒观、分类观、价态观、转化观等核心概念的引领下帮助学生建构结构化的化学知识，是发展学生核心素养的途径之一。
在教师的引导下，学生先由生活中常见的宏观现象进而深入探析微观本质：氮原子之间存在着氮氮三键，通过共价键的键能这一数据素材（表1）进一步证实了氮氮三键的稳定性。再从微观本质解释宏观现象：氮气化学性质很不活泼，植物难以直接吸收所以会有叶片发黄、生长稀疏等“缺氮”现象。宏观与微观相互联系是化学学科的最大特征，本环节着重培养学生从宏观一微观一宏微结合的科学思维与学习方法，形成“结构决定性质”的学科观念。
游离态的氮植物难以吸收，那么植物能够吸收的又是哪种氮呢？接着教师展示了与学生的生活密切相关的氮循环示意图（图2），通过对氮循环的分析，学生知道了植物只能吸收化合态的氮然后制造植物蛋白。氮循环示意图中涉及较多的含氮物质，将其中的无机含氮物质按照一定规律进行分类有利于进一步研究物质性质及其转化关系，所以教师给学生提供了一组氮循环中的无机含氮物质卡片将学生思维外显，通过将卡片按照一定规律摆放的互动环节来引导学生从物质所含核心元素的化合价和物质类别两个重要角度来研究物质性质，“价一类”二维图是核心概念引领下将元素化合物知识结构化的重要认知模型。
在学生对自然固氮的概念和主要方式有一定的了解之后，教师继续引导学生思考农业谚语“种豆肥田”和“雷雨发庄稼”蕴含的含氮物质之间的转化关系，前者指向生物固氮，后者指向高能固氮，通过两种自然固氮方式，性质不活泼的氮气转化为含氮化合物参与氮循环，是植物获得生长所需养分的重要方式。在本环节学生侧重对“雷雨发庄稼”中含氮物质转化关系的探索，预测从氮气到硝酸盐的转化途径。这种教学方式以“物质转化”为任务驱动，对学生有一定挑战，教师在此过程中可以这样引导学生：在雷电和雨水的共同作用下，氮气最终转化为硝酸盐，硝酸盐可以通过硝酸与碱性物质或是地表矿物质反应生成，那么氮气转化为硝酸的途径中还需要哪类物质的参与？基于已有知识和经验，学生能够类比C→CO2→H2CO3、S→SO2→SO3→H2SO4的转化关系，提出N2-NXOy-HNO3的转化途径，这样将问题解决的重心聚焦到氮氧化物上来。随后学生进一步提出了三种可能路径：①N2→NO→HNO3、②N2→NO2→HNO3、③N2→NO→NO2→HNO3。在教师播放N2与O2放电条件下反应的实验视频后，学生依据实验中有红棕色气体生成，判断最后气体中一定有NO2，可以排除途径①，根据资料卡（423K时NO2会分解为NO和O2）可判断高能固氮生成的是NO，最终确定途径③。N2→NO→NO2是氮元素化合价逐渐上升、被氧化的过程，学生能够根据氧化还原反应原理书写相关化学方程式。在NO2→HNO3的转化过程中，部分学生容易受“酸性氧化物与水化合成酸”的前概念影响，认为NO2与水也发生了化合反应生成HNO3，但从氧化还原反应的原理来分析，氮元素价态上升了，必定还要有物质的化合价下降，所以产物不止HNO3一种，可能还生成NO或是N2。当学生的认知产生冲突时，教师指导学生通过实验收集证据以便获得真实、合理的结论。 3.實验探究培养科学态度
化学课堂不仅要教学生知识，还要教学生学科方法，化学学科是以实验为基础的，探究实验不仅有利于激发学生学习化学的兴趣、帮助学生理解和掌握化学知识和基本技能，也有利于培养学生安全意识与严谨踏实的科学态度。由于氮氧化物对空气的污染性，教师在设计实验时选用微型装置，一支10mL注射器里预先收集6mL NO2，另一支5mL注射器里预装2mLH2O（加入1滴石蕊试液），实验过程中学生通过旋转三通阀和推拉注射器就能清晰直观地观察到实验现象（图3及表2）。
在实验过程中，学生观察到NO2遇水后，紫色石蕊试液变红的同时有无色气体生成，而且无色气体的体积约为2mL，在无色气体中通入空气后又变成了红棕色。学生通过实验获得物质转化的证据（定性和定量），经过推理论证得出最终结论，完善了“价一类”二维图中的转化关系（图4）。
4.问题解决践行社会责任
通常情况，得出结论后实验探究到此结束，实验仪器也就搁置一边了，但此时教师还要拿注射器内的氮氧化物继续“做文章”，可以这样引导学生：（师）自然界中NO-NO2-HNO3之间的转化关系可以使植物获取少量含氮化合物作为养分，但是受到天气制约，植物还是会有缺氮情况，如何解决这个问题？（生）可以模拟自然界中氮氧化物间的转化关系，工业生产HO3。（师）工业生产中如何使NO2尽可能多地转化为HNO3？（生）N02与H2O反应后生成的NO继续和O2反应，将生成的N02再通入水中制HNO3，多次循环反应。（师）没能完全转化的氮氧化物如何处理？（生）用碱液吸收。（师）注射器里的氮氧化物如何处理？
在教师引导下学生利用所学知识进行注射器内氮氧化物的后续处理实验，在此过程中不仅充分利用了实验器材，给学生充裕的时间进行实验探究，也培养学生从自身做起、从日常小事做起，形成节约资源、爱护环境的意识。
仅靠自然固氮远远不能满足农业生产对氮元素的需要，化学家们通过化学反应制得了植物可吸收的含氮化合物，提高了农作物的产量。但人工化肥的大量生产和使用也带来了大气、水质、土壤污染等生态环境问题。二十世纪六十年代开始，科学家发现一些金属有机化合物能起到根瘤菌中固氮酶的作用，为此科学家们建立了化学模拟生物固氮模型，尝试在实验室中利用这些金属有机物作催化剂实现常温常压下固氮。学生分析化学模拟生物固氮模型建立的实质还是围绕氮氮三键，整堂课首尾呼应，从自然界中的氮循环走向有关含氮物质的学习，最后引导学生利用所学知识走向生产实际，思考和解决人类生存环境问题，从而树立可持续发展理念。
三、实践感悟
元素化合物模块的知识内容在以往的教学中教师大多采用课堂讲述、知识归类、习题巩固等传统方式传递给学生满满的“干货”，老师是一腔热忱，学生却普遍感觉元素化合物内容太琐碎、记不住，难以掌握。高一是化学学习方法形成和学习方式转变最为关键的一年，不论对高二确定选择参加等级考还是合格考的学生来说，都是核心素养培育至关重要的一年。所以，在高一的日常教学中，教师在进行教学设计时尤其要关注两个问题：一是要让学生“知其所以然”，即在活动中完成知识的自主建构;二是要让学生“学有所用”，即在问题解决中体会学科价值。本节课首先通过生活中绿植缺氮这一常见现象作为课堂引入，创设真实情境引导学生深入微观结构来解释宏观现象，侧重“宏观辨识与微观探析”素养的培育;接着通过氮循环示意图认识含氮物质，从化合价和物质类别两个维度建立物质转化的认知模型，运用“价一类”二维图构建物质转化的思维路径，设计微型实验寻找物质转化的实证，侧重“证据推理与模型认知”素养的培育;然后挖掘氮氧化物转化关系在硝酸工业中的应用价值，探讨硝酸工业尾气的处理方案，最后通过化学模拟生物固氮研究的介绍，感悟自然固氮的价值以及未来科学研究的方向，侧重“科学态度与社会责任”素养的培育。