韋驍珉

【摘 要】本文以“硝酸的性質(zhì)”為例，論述如何通過巧妙的設(shè)計，將宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等素養(yǎng)融入課堂，以培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué) 核心素養(yǎng) 硝酸的性質(zhì) 實驗探究? 問題情境

【中圖分類號】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）09B-0098-03

自 20 世紀(jì) 90 年代起，教學(xué)大綱就提出需要培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思考能力和實驗?zāi)芰Φ谋匾浴?013 年，提出培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。2015 年，教育部啟動修訂普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)，提出要發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)和學(xué)科核心素養(yǎng)。此外，國際科學(xué)教育課程文獻(xiàn)中也提出學(xué)科素養(yǎng)的概念，核心素養(yǎng)和學(xué)科能力是國內(nèi)外共同研究的焦點。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任五個方面。通過學(xué)習(xí)硝酸的有關(guān)性質(zhì)，一方面能完善學(xué)生元素及其化合物的知識體系，幫助學(xué)生逐步掌握學(xué)習(xí)化學(xué)的一些基本方法;另一方面在聯(lián)系實際內(nèi)容的基礎(chǔ)上鞏固氧化還原、離子反應(yīng)等理論，還能使學(xué)生真正認(rèn)識化學(xué)在促進(jìn)社會發(fā)展，改善人類生活條件方面所起的重要作用，也為必修 2 學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素周期律、化學(xué)反應(yīng)與能量等理論知識打下重要的基礎(chǔ)。

一、巧用問題情境融入化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的元素化合物教學(xué)

硝酸是必修 1 最后一個內(nèi)容。學(xué)生已經(jīng)掌握了酸的通性，并熟悉金屬活動性順序表;學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等原理;儲備了很多元素化合物性質(zhì)的感性材料;具備一定的實驗分析能力，可以設(shè)計簡單的探究實驗。然而，學(xué)生容易誤認(rèn)為活潑金屬與酸反應(yīng)的產(chǎn)物一定是氫氣，以及越活潑的金屬與酸反應(yīng)現(xiàn)象越明顯等。教師可以設(shè)計巧妙的問題情境，讓學(xué)生多次在“意外”中發(fā)現(xiàn)問題，再運用化學(xué)基本思想和方法設(shè)計實驗方案。

情境一

在本節(jié)課中，利用硝酸泄露新聞視頻與新制、久置濃硝酸實物進(jìn)行對比。學(xué)生容易得出久置硝酸發(fā)生分解反應(yīng)。這是自然界物質(zhì)處于不斷運動與變化狀態(tài)的結(jié)果，且化學(xué)的變化需要一定的條件，加熱就是硝酸分解的條件之一。這也是學(xué)科素養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”的體現(xiàn)。利用硝酸泄漏事故的情境作為出發(fā)點，介紹硝酸的工業(yè)用途以及泄露過程中消防員使用氧化鈣處理現(xiàn)場情況。在幫助學(xué)生對社會熱點問題作出正確的價值判斷和提高學(xué)生的安全意識的同時，融入“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”這一素養(yǎng)。

情境二

讓學(xué)生在認(rèn)知沖突中發(fā)現(xiàn)硝酸具有強氧化性。學(xué)生從酸的通性中歸納出濃硝酸可以使石蕊試劑變紅，但在具體分組實驗中發(fā)現(xiàn)是先變紅后變淡。教師創(chuàng)造了這個“突發(fā)”的問題情境，并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個有價值的問題。聯(lián)系已學(xué)的二氧化硫、石墨、新制氯水均具有漂白性類比假設(shè)出濃硝酸的漂白原理可能是暫時性漂白，也可能是永久性漂白，具有強氧化性。確定研究目的后，學(xué)生根據(jù)兩種不同類型的漂白性設(shè)計出特定的探究實驗，并從自己設(shè)計的實驗中找到答案。這鼓勵學(xué)生在探究中學(xué)會合作，正視異常現(xiàn)象，敢于提出自己的看法。值得一提的是，在科學(xué)探究的過程中，認(rèn)識角度和認(rèn)識方式?jīng)Q定學(xué)生探究活動的邏輯起點。因此教師在設(shè)計探究實驗前并不是突兀地拋出問題，而是從學(xué)生已有的“酸的通性”漂白原理總結(jié)的角度引導(dǎo)學(xué)生探究。探究硝酸氧化性這一部分更是引導(dǎo)學(xué)生從分析溶液中存在的離子入手，幫助學(xué)生建立思考的邏輯起點。這一環(huán)節(jié)，從真實問題和假設(shè)出發(fā)設(shè)計對應(yīng)探究方案，運用化學(xué)實驗進(jìn)行實驗探究能提高學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的素養(yǎng)。

情境三

在探究硝酸氧化性本質(zhì)的過程中，創(chuàng)設(shè)新的問題情境：在過量 Cu 與稀硝酸反應(yīng)結(jié)束后的容器中加入稀硫酸，為什么和 Cu 與稀硝酸反應(yīng)現(xiàn)象一致？從宏觀現(xiàn)象的一致性引導(dǎo)學(xué)生推測微觀反應(yīng)的一致性。無論是何種溶液，均存在氫離子與硝酸根離子。再從量的角度分析 Cu 與稀硝酸反應(yīng)的離子方程式，學(xué)生很快就能發(fā)現(xiàn)硫酸的作用是補充氫離子，Cu 和硝酸反應(yīng)的實質(zhì)是 Cu 和氫離子與硝酸根共同作用的結(jié)果。這個探究過程從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決了實際突發(fā)問題，提升學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的素養(yǎng)。

二、教學(xué)過程分析

環(huán)節(jié)一

創(chuàng)設(shè)情境：介紹硝酸的工業(yè)用途，播放雙遼市那木鄉(xiāng)發(fā)生濃硝酸泄露事件。展示剛?cè)〕龅臐庀跛針悠?，打開瓶塞，請學(xué)生聞氣味后歸納其物理性質(zhì)后再展示一瓶久置的濃硝酸樣品。

〖思考 1〗視頻中久置濃硝酸中為什么會出現(xiàn)黃色氣體？

在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生大致能根據(jù)實物歸納出硝酸的物理性質(zhì)。而黃色的氣體學(xué)生則猜測是硝酸分解產(chǎn)生的。

教師演示：將少量濃硝酸置于試管中加熱，無色濃硝酸變黃色。

〖思考 2〗分解產(chǎn)物是什么？你能設(shè)計實驗來證明你的猜想嗎？

學(xué)生剛學(xué)習(xí)過氮的氧化物，故他們可以輕易設(shè)計出實驗方案。向久置的濃硝酸試劑瓶中加入少量的水后得到無色溶液即可證明硝酸的分解產(chǎn)物是 NO2 。

〖思考 3〗已知硝酸分解的產(chǎn)物是 NO2，你能利用氧化還原有關(guān)知識補充分解方程式嗎？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從宏觀色彩變化中，將守恒思想與微觀粒子聯(lián)系起來，并利用氧化還原理論得出宏觀微觀的橋梁—— 硝酸分解的反應(yīng)式。在這過程中，學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)變化的本質(zhì)是有新物質(zhì)生成，并伴有能量變化，硝酸受熱分解產(chǎn)生了二氧化氮。

〖思考 4〗影片中的消防員如何處理泄露的硝酸？為什么？

學(xué)生很容易從酸的通性得出消防員使用堿石灰處理泄露的硝酸。

探究 1：能否設(shè)計實驗證明硝酸具有酸的通性？

學(xué)生小組匯報酸的通性可以通過硝酸與堿，金屬氧化物，某些鹽，酸堿指示劑反應(yīng)等實驗驗證，并開始進(jìn)行小組實驗。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)問題情境，在激發(fā)學(xué)生興趣的同時提升他們的提取信息的能力。從消防員使用堿石灰處理現(xiàn)場，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新物質(zhì)可以從物質(zhì)的分類角度歸納其通性，并用其簡單的性質(zhì)鍛煉學(xué)生完成簡單實驗設(shè)計的能力，也滲透了綠色化學(xué)的思想。

環(huán)節(jié)二

創(chuàng)設(shè)問題情境：在小組報告中，一些小組報告將紫色石蕊試液滴入含有濃硝酸的試管中，振蕩，發(fā)現(xiàn)溶液顏色先變紅后變淡這“意外”結(jié)果。

教師演示：將石蕊試驗溶液放入含有濃硝酸的試管中，稍后稍稍加熱試管。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生在胸有成竹的驗證試驗中得到“出乎意外”的結(jié)果，并立即建立基于真實情景的實驗探究活動，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

〖思考 1〗在濃硝酸中滴入幾滴石蕊混合后出現(xiàn)褪色現(xiàn)象，從量的角度分析，是誰過量？是誰少量？這一結(jié)果可能是由誰造成的？

〖思考 2〗如何設(shè)計實驗證明你的猜想？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從量的角度分析得出褪色的主要原因來自石蕊，學(xué)生受到啟發(fā)后很容易設(shè)計出：（1）向褪色的溶液補充適量硝酸，無明顯變化;（2）將過量的石蕊滴入褪色溶液中，溶液呈紅色。得出結(jié)論，濃硝酸能和石蕊反應(yīng)使其褪色。

〖思考 3〗聯(lián)系已學(xué)知識，硝酸的漂白原理與什么類似？請設(shè)計一個實驗驗證。

設(shè)計意圖：學(xué)生根據(jù)教師引導(dǎo)很容易從漂白的三大類：吸附漂白、化合漂白、強氧化漂白中對比出可能與二氧化硫或次氯酸漂白原理類似。故能設(shè)計出加熱無色溶液觀察，紅色是否恢復(fù)即可得出結(jié)論。該環(huán)節(jié)巧妙利用了學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，激發(fā)學(xué)生的求知欲且使得實驗探究更具有針對性和目的性，也為后續(xù)重點硝酸的強氧化性的學(xué)習(xí)做了一個鋪墊。

環(huán)節(jié)三

教師演示 1：改進(jìn)實驗裝置，使用注射器和輸液管形成一套密閉的實驗裝置，如圖 1 所示。銅片放置于大管中，少量濃硝酸放置于小管中，輕推輸液管開關(guān)，將濃硝酸推至大管，觀察實驗現(xiàn)象。在實驗結(jié)束時，剩余的氣體和溶液被排放到含有氫氧化鈉的燒杯中。

〖思考 1〗根據(jù)實驗現(xiàn)象，銅和濃硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物是什么？你能否根據(jù)氧化還原相關(guān)規(guī)律，結(jié)合實驗現(xiàn)象寫出反應(yīng)方程式？

教師演示 2：另取一套裝置，如圖 2 所示。將濃硝酸改成稀硝酸。重復(fù)上述操作后，推動輸液管開關(guān)以保持密閉環(huán)境，觀察實驗現(xiàn)象。在學(xué)生觀察到藍(lán)色溶液上方出現(xiàn)有無色氣體存在后，將液體輸送管輕輕從小管中取出，并將大管支架的活塞拉起來，讓空氣進(jìn)入，如圖 3。實驗結(jié)束后，殘余氣體和溶液排放到含有氫氧化鈉的燒杯中。

〖思考 2〗稀硝酸與 Cu 反應(yīng)的產(chǎn)物是否仍然是氫氣？請根據(jù)實驗現(xiàn)象，寫出銅與稀硝酸反應(yīng)的方程式。

〖思考 3〗你認(rèn)為這個實驗的設(shè)計有哪些優(yōu)點？

〖思考 4〗將少量稀硫酸注入該裝置剩余的 Cu 和稀硝酸中，能否發(fā)生反應(yīng)？

設(shè)計意圖：在同一套裝置上進(jìn)行實驗，在 Cu 片過剩裝置中，通過移動注射管添加新的稀硫酸，使其與剩余溶液和 Cu 混合。學(xué)生能從“意料之中”的不反應(yīng)，到“意料之外”的加入稀硫酸后竟然產(chǎn)生了 Cu 與稀硝酸相同的實驗現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生探究 Cu 與稀硝酸反應(yīng)的本質(zhì)的欲望。將剩余的廢液注入盛有氫氧化鈉的燒杯中，向?qū)W生滲透綠色化學(xué)的思想。

〖思考 5〗請寫出 Cu 與稀硝酸反應(yīng)中的主要離子和實驗中的離子方程式，并根據(jù)實驗現(xiàn)象，推測稀硫酸的作用以及硝酸具有強氧化性的本質(zhì)原因是什么？

設(shè)計意圖：利用相同的實驗現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生從溶液中存在的離子以及離子反應(yīng)方程式的角度來看待問題，學(xué)生很容易想到反應(yīng)的原因是氫離子與硝酸根。在等量的銅與稀硝酸的反應(yīng)中，硝酸提供的氫離子不足以將銅反應(yīng)完全，故稀硫酸加入后過量的氫離子與剩余的硝酸根可以繼續(xù)與銅片反應(yīng)產(chǎn)生同一現(xiàn)象。

〖思考 6〗你能設(shè)計實驗來驗證上述猜想嗎？請分組設(shè)計探究硝酸氧化性的實驗。

本班學(xué)生探究結(jié)果展示：

利用 Y 型管，銅片與稀硫酸在左邊管，酸鉀硝在右邊管，并用橡膠塞塞緊管口。此時無現(xiàn)象，再向左傾斜 Y 型管將硝酸鉀溶液與銅片、稀硫酸混合。此時得到的現(xiàn)象和銅片與稀硫酸反應(yīng)一致，如圖 4 所示（見上頁）。說明銅與硝酸的反應(yīng)是氫離子與硝酸根共同作用的結(jié)果。

設(shè)計意圖：沿著“發(fā)現(xiàn)問題—提出假設(shè)—實驗探究”這一流程，引導(dǎo)學(xué)生從微觀離子角度思考問題，滲透微粒觀的同時激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，突破本節(jié)課的重點與難點，升華離子反應(yīng)的有關(guān)內(nèi)容。

課后探究：

從金屬活動順序表來看，硝酸與 Cu、Al 反應(yīng)誰更劇烈？請到實驗室完成 Al、Cu 與濃、稀硝酸反應(yīng)的實驗。然后查閱相關(guān)資料，在下一節(jié)以小組的形式匯報本組的探究結(jié)果。

三、教學(xué)反思

（一）巧妙設(shè)計問題情境

讓每一次的探究都發(fā)生在學(xué)生自己“意外”的實驗中，并在教師幫助下，建立正確的認(rèn)識方式和角度。通過自己的努力完成對“意外”現(xiàn)象的解密，能讓整節(jié)課在“發(fā)現(xiàn)問題—提出假設(shè)—實驗探究—得出結(jié)論”流程中將本節(jié)課知識串聯(lián)成線。

（二）巧妙改進(jìn)實驗

在硝酸和銅的實驗中，不用教科書的開放實驗，而是用注射器形成了非污染的實驗環(huán)境。注射器的使用可以大大減少氧氣的存在，讓 NO 能穩(wěn)定存在，上拉活塞將空氣注入后可以明顯看到無色變?yōu)榧t色。這使得原本模糊不清的現(xiàn)象更清晰，幫助學(xué)生更接近反應(yīng)的本質(zhì)。注射器的輸注管可以提供類止水夾的功能，并且容易形成閉合的系統(tǒng)。反應(yīng)結(jié)束后，將剩余的氣體和溶液注入強鈉試劑中除去，不污染環(huán)境，讓這個本來很多教師敬而遠(yuǎn)之的實驗變得更安全、更有操控性、更符合綠色化學(xué)的要求。

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（責(zé)編 盧建龍）