大概念导向下多角度认识元素化合物性质的教学实践

摘要：学科大概念是建构学科知识和核心素养的重要桥梁。大概念导向下的认识元素及其化合物性质的教学，可以将情境线、性质线、大概念线三线合一贯穿教学始终，引导学生从“价类二维观”“结构决定性质”“化学反应伴随能量变化”“化学反应需要条件”等多个角度研究物质的性质与用途，在学科大概念的引领下促进学生更好地认识、评价物质，实现知识、能力、素养的协同发展，达成“教—学—评”一体化的目标。关键词：学科大概念；氨气；元素化合物性质；认识视角《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）明确指出，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。大概念引领下的教学不仅让学生习得学科知识，还让学生超越学科知识本身发展学科观念，从而发展学生的学科核心素养。“无机化合物的性质与应用”这一主题能够很好地培育学生的元素观、能量观、转化观、微粒观等，元素化合物知识本身虽然是零散的，但是与其他主题的关联度很高。因此，大概念导向下的元素化合物学习尤为重要。笔者以中国知网中国学术期刊网络出版总库为数据来源，以“氮及其化合物”为主题，搜索2017年到2023年的相关教学设计，筛选出核心期刊中的教学案例进行分析发现，教师大多从“价类二维观”的视角教学“氮及其化合物”，没有提炼出更多与元素化合物相关的大概念进行教学，很少建立从多角度研究元素化合物的认知思维模型。基于以上分析，现以大概念为导向，从价类、能力、结构、反应条件等多角度对苏教版化学教材必修第二册中的“氨气”进行教学尝试，旨在发展学生多维度、系统化认识陌生物质的能力。一、氨气教学主题内容及教学现状分析本节课教学内容选自苏教版化学教材必修第二册专题七第二单元第一课时，氨气是学生在高中阶段接触到的唯一碱性气体，学生通过本节课的学习不仅能形成认识氢化物的基本思路，还能完善“氢化物—单质—氧化物—酸/碱—盐”的知识体系。学生在学习苏教版化学教材必修第一册期间已经掌握了物质的分类、氧化还原反应、离子反应、氯等非金属元素、化学反应与能量变化、化学反应的限度等相关知识，掌握这些知识不仅为学习本节课打牢了基础，而且能够促进学生形成结构决定性质、基于“价—类”认识物质、反应是有能量变化的、反应是有条件的等大概念，进一步发展上层大概念——多维度认识物质和反应；能发展学生的微粒观、价类观、能量观、调控观、绿色观等学科观念，帮助学生建立和完善认识物质及其转化的认知模型，真正实现化学学科核心素养的落地。此外，氨气是人类制备各种含氮物质的重要原料，在生产和生活中都发挥着极其重要的作用，借助前沿科技成果创设真实的情境探究氨的性质及其转化，具有重要的社会价值和学科价值。传统的课堂教学注重讲解氨气溶于水、氨气与酸反应和氨气具有还原性等知识，过于重视基本知识和基本概念的教学，缺乏根据《课程标准》和课程内容对学科大概念进行提炼、建构与迁移，缺乏对认识元素化合物的“认识思路”和“核心观念”的结构化设计。这样的教学方式容易导致学生机械地记忆知识，难以在陌生的问题情境中激活已有知识，无法实现高效率的迁移，难以把知识学习转化为化学学科核心素养发展，导致学生在化学学习中缺乏深度思考，难以将所学的知识运用于解决现实生活中的问题。二、教学思想与创新点（一）以大概念为引领，构建认识物质的基本框架根据《课程标准》的要求，培养学生的核心素养，应以大概念为引领，创设真实且富有价值的化学问题情境，在真实的情境中建构化学大概念，并学会运用建构的化学大概念解决实际问题。这就要求教师在围绕核心素养进行教学设计的过程中，将“认识思路”及“核心观念”贯穿课堂始终，基于学生发展需要，厚植学科大概念，开展结构化设计。元素化合物的知识虽然琐碎繁杂，但是仍然有很强的规律性和系统性，蕴含着丰厚的化学思维。为实现化学学科核心素养发展目标，笔者以大概念为核心进行教学设计，抽提“价类二维观”“结构决定性质”“化学反应伴随能量变化”“化学反应需要条件”等四个大概念，建构出大概念层级结构图（如图1所示）。通过创设“氨能源”真实问题情境，以大概念引领教学，整合知识，帮助学生将散乱的化学知识结构化处理，促进学生形成“基本概念—核心概念—大概念”层级清晰的完整知识结构，实现从解决具体的实际问题走向解决一类问题，达成知识的高效率迁移的目标。（二）情境线、性质线、大概念线三线合一指向学生核心素养发展的教学要求教师为学生创设真实情境，引领学生探索未知世界。笔者基于此设计三维线索（如图2所示）：以情境线为活动主线，以氨气的性质为明线，以大概念核心思想发展为暗线，三线合一，统领整个教学过程。通过“为什么氨是集经济、安全于一体的绿色能源？”这一核心问题，引导学生在探究氨气的性质的过程中建构研究物质的认知框架，并利用这一框架预测联氨这一陌生物质的性质，实现知识的有效迁移，发展学生的化学学科核心素养。三、教学目标通过分析氨气和氧气的反应选择和反应条件控制，形成从价态角度认识物质性质的意识，同时从能量、绿色等角度认识化学反应，认识到化学反应是有条件的、可调控的，从而发展证据推理与模型认知核心素养。通过探究氨气易液化，发展结构决定性质的思想，形成基于物质特性认识典型物质性质的视角，发展宏观辨识与微观探析核心素养。通过氨气与水反应、氨气与酸反应的实验探究，形成基于物质类别认识物质的视角，发展科学探究核心素养。能概括和运用典型物质性质的一般认识框架，分析和预测陌生物质可能具有的性质和用途，发展科学态度与社会责任核心素养。四、教学过程指向大概念的氨气教学共五个环节（如表1所示），引领学生循序渐进地探究氨气的性质及其在生产生活中的应用。（一）初识氨能源情境引趣：播放氨能源相关视频。提出核心问题：为什么氨气是集经济、安全于一体的绿色能源？（二）探析氨燃烧的原理思考与讨论：氨气与氧气反应可能生成什么产物？小组成果汇总：N2、NO、NO2、H2O。问题1：为什么能生成这些产物，依据是什么？生：NH3中N的化合价为-3价，具有还原性，与氧气反应价态升高，可以升到0、+2、+4价。问题2：你认为哪个反应最好，依据是什么？生：第一个反应最好，因为第一个反应的产物为N2，无污染。追问：氨作为燃料，在燃烧时除了要关注物质变化，还要关注什么变化？生：化学反应是有能量变化的，研究氨气燃烧还需考虑能量变化，燃烧放出的热量越多越好。提供证据：4NH3（g）+3O2（g）＝2N2（g）+6H2O（g）ΔH=-1269.0kJ·mol-14NH3（g）+5O2（g）＝4NO（g）+6H2O（g）ΔH=-907.0kJ·mol-14NH3（g）+7O2（g）＝4NO2（g）+6H2O（g）ΔH=-1133.0kJ·mol-1问题3：分析热化学方程式，你得出什么结论？能找出哪些判断反应的思路？师生总结：我们选择一个反应不仅要关注物质变化，还要关注能量变化。化学反应伴随着能量的变化，我们可以从能量的角度选择合适的燃料和反应。追问：如何控制反应生成氮气？生：控制氧气的量、改变反应条件。提供资料：4NH3+3O2[点燃]2N2+6H2O4NH3+5O2[催化剂△]4NO+6H2O问题4：观察这两个反应有何区别，说出你得到的启发。生：反应条件不同，产物不同，说明可以通过控制反应条件来实现对反应的调控。教师总结：反应是有条件的，但是我们可以通过改变条件调控反应从而实现目标产物的转化。（三）再探氨能源的经济性问题1：对比氨能源和氢能源，谁更经济？生1：氢能源来源于水，原料易得。生2：氨能源易液化，储存要求低，储运方便。提供证据如表2所示。表2氢能源、氨能源相关情况[项目

氨能源

氢能源

价格/元·吨-1

4000

60000

液化温度/℃

-33

-235液化条件

常压降温至-33℃或常温加压至700—800kPa

常压降温至-235℃

储运

方便

困难

]对比分析得出结论：由于氨气易液化、易储运、安全性高，综合考虑氨能源更经济。问题2：为什么NH3比H2更容易液化？生：由于氨分子间存在氢键，导致氨的沸点更高。教师归纳：这就是“结构决定性质”，氨分子间存在氢键这一特殊的结构决定了氨气易液化这一特殊的性质。（四）再识氨能源的安全性问题1：若液氨罐泄漏，如何处理泄漏的氨气？你能设计哪些方案？生：方案1，用水，因为氨气易溶于水；方案2，用酸，因为氨气能与酸反应；方案3，用氧化剂，例如高锰酸钾，因为氨气具有还原性。学生评价：方案1更合理，因为水容易获得；方案2中的酸有腐蚀性，会污染环境；方案3选择高锰酸钾，成本高。实验验证1：氨的喷泉实验。教师利用多媒体展示喷泉实验装置图。学生围绕问题小组讨论：这套装置由哪几部分组成？该实验的具体实验操作顺序是什么？可能会产生哪些现象？追问：为什么烧杯中的水会倒吸入烧瓶中？说明了什么？生：因为氨气易溶于水，使得烧瓶内的压强减小，水被大气压压入烧瓶中。师：现在就请一位同学来试一试，这样的操作是否可行。学生进行演示实验。问题2：为什么挤压胶头滴管那一点点水，能够引发喷泉？生：说明氨气在水中溶解度极大，造成了烧瓶内的压强急剧下降。问题3：结合实验现象，分析装置中压强变化过程及变化原因，画出p-t图。小组展示所画图像并汇报：胶头滴管内的水挤入烧瓶后，烧瓶内的压强急剧减小，所以曲线下降，而且应该比较陡。烧杯内的水被大气压压入烧瓶后，烧瓶中的压强会慢慢增大，且增大的过程比较平缓。问题4：如果没有胶头滴管，如何引发喷泉？生1：可以用手捂住烧瓶，气体受热膨胀，氨气会沿着长导管逸出接触到烧杯中的水，氨气溶于水就能引发喷泉。生2：可以用冷毛巾冰敷烧瓶使烧瓶内的压强减小。问题组：氨气溶于水仅仅是物理溶解吗？氨气溶于水的溶液可能呈什么性？如何检验？生：氨气溶于水应该会与水反应生成碱，可以用酚酞检验。追问：如何改进刚才的实验？实验验证2：向盛有水的烧杯中滴加酚酞后进行喷泉实验。追问：溶液变红，说明氨水呈碱性，那么OH-从哪里来？师生共同分析，得出反应式（如图3所示）。师：氨气能与水反应生成碱，说明氨是碱性气体，那么氨能否与酸反应？实验验证3：（实验装置如图4所示）注射器中已经分别吸取浓氨水和浓盐酸，把液体推进矿泉水瓶中，观察现象。实验现象：有白烟产生（NH3+HCl＝NH4Cl）。归纳总结：本节课从哪些视角研究了氨的性质？生：从价态和类别视角学习了氨具有还原性，能与水、酸反应；从结构决定性质的视角认识了氨易液化这一特殊的性质；从能量视角认识了氨能用作燃料，认识到反应是有条件的，但是反应是可控的。教师用多媒体展示图5，带领学生回忆所学内容。（五）预测联氨的性质和用途问题1：请根据联氨的结构预测它的性质和用途，并说明预测依据。小组汇报：联氨具有还原性，从价态来看，N为-2价，化合价能升高，能与氧气反应。联氨的热值应该比较高，能用作燃料。联氨沸点较高，具有一定的氧化性和还原性。从结构决定性质视角分析发现，联氨分子间存在氢键，所以它的沸点会比较高；从价态视角N为-2价，化合价既能降低又能升高，所以联氨既有氧化性又有还原性。提供证据：1.肼（N2H4），又称联氨，沸点113.5℃，无色油状液体，能很好地混溶于水中，吸水性强。2.联氨溶液呈弱碱性。3.N2H4中N显-2价，酸性溶液中以氧化性为主，还原产物是NH4+，但反应速率很慢；碱性溶液中以还原性为主，氧化产物一般是N2，常作强还原剂。4.具有很高的燃烧热，可用作火箭发射燃料。师：请你总结，可从哪些角度推测物质的性质？可从哪些角度评价物质？小结：（如图6所示）通过本节课的学习，我们明确了研究物质的一般思路，即可基于物质的结构、类别、元素价态、特性认识物质的性质和用途；可从物质能量、反应条件、经济安全、绿色环保等维度评价物质及其化学反应。五、教学反思（一）大概念导向下的化学教学应立足学科本质和化学观念课堂教学不仅需要关注学科知识，还应该关注学生的未来。学科知识应该是一种载体，是教师的教学目标，但不应该是最终的教学目标。要实现核心素养的发展，需要学生形成化学大概念。教师教给学生的内容不仅是学科知识，还是超越了知识与技能的、可迁移的观念和方法。其次，教师应该创设真实的问题情境。本节课从“氨为什么是集经济、安全于一体的绿色能源”这一真实的情境出发，在激发学生学习兴趣的同时，引领学生从价态、能量、反应条件的控制、绿色环保等角度思考和分析为什么氨是绿色燃料；从结构角度去解释为什么氨易液化；从类别的角度去思考解决氨泄漏问题的方法。通过在真实的情境中将大概念的形成与迁移、问题解决两者有机结合起来，不断地发展学生的化学学科核心素养。（二）大概念导向下的化学教学应充分挖掘课本实验的功能与价值本节课最重要的实验是喷泉实验，因此教师需要关注喷泉实验的每一个细节，需要充分挖掘和利用这个实验的功能和价值。本节课采用POE教学策略（Predict—预测，Observe—观察，Explain—解释，简称POE），先让学生解读实验的装置构成、实验操作步骤，预测实验现象，再进行实验验证。学生把静态的知识转化为动