郝秀芳 何文杰 劉曉軍

摘要：以學生自主建構(gòu)“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”思維模型為目標來設(shè)計教學，以自然界中“氮循環(huán)”的真實情境來貫穿整個教學設(shè)計，引導學生開展科學性探究活動。通過氮循環(huán)中含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化的探究任務(wù)，促使學生自主調(diào)用價類二維的認識角度，經(jīng)歷多樣化的思維發(fā)展過程，建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，從而提高學生解決陌生物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題的能力，培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”“科學態(tài)度與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：思維模型建構(gòu);氮循環(huán);含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化;化學核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2020）01-0046-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.014

一、問題的提出

2017版《高中化學課程標準》以學科核心素養(yǎng)為導向，針對不同內(nèi)容主題進行了修訂。其中“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”屬于必修課程主題2“常見無機物及其應(yīng)用”，該部分是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。例如基于價類二維的元素觀認識物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化，能夠很好地發(fā)展學生宏觀辨識與微觀探析的素養(yǎng);通過化學反應(yīng)探索物質(zhì)性質(zhì)、實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，體會物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的價值，能夠培養(yǎng)學生科學態(tài)度和社會責任的核心素養(yǎng)。而“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)作為化學學科核心素養(yǎng)的思維核心，包括五大培育目標：學會假設(shè)、學會認證、學會分析、學會預測與建模、學會問題解決。其中建模的過程就是學生對學習的知識進行深入剖析，抓住其本質(zhì)內(nèi)容進行思維的建構(gòu)，最終用具有普遍意義的分析模型來解決一系列的相關(guān)問題。物質(zhì)轉(zhuǎn)化類問題綜合性強，對學生的思維能力要求高，因此對于新高一學生而言，如果能夠深入到知識的本質(zhì)，建構(gòu)起物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，則能夠?qū)崿F(xiàn)從認識角度到認識思路的提高，提升其解決復雜實際問題的化學學科能力。

物質(zhì)的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化主要體現(xiàn)在無機元素化合物的學習中，從金屬及其化合物（Na、Fe）到非金屬及其化合物（CI、S、N），內(nèi)容編排順序越靠后，其綜合性越強，越適合用于建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型。本文選擇“氮及其化合物”作為教學內(nèi)容，主要通過探究氮循環(huán)中含氮物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化來構(gòu)建研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，以使學生在陌生復雜的實際體系中能夠進行遷移應(yīng)用。教學以真實學習背景和整體性學習代替去情境化和碎片化的教學，以證據(jù)推理和實驗探究代替單一的“講與記”，以基于元素觀的物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的認識代替單一的具體代表物的性質(zhì)學習，促進學生正確價值觀、關(guān)鍵能力及必備品格的形成和發(fā)展。

二、解決“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”類問題的思維模型

解決“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”類問題的模型如圖1所示。首先觀察原料與目標產(chǎn)物，從物質(zhì)類別與核心元素價態(tài)的角度預測物質(zhì)性質(zhì)，然后依據(jù)復分解或者氧化還原的原理，選擇合適的反應(yīng)試劑、設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑，再通過實驗實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，最終檢驗?zāi)繕水a(chǎn)品。

三、基于思維模型建構(gòu)的“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”教學設(shè)計與實施

1.教學內(nèi)容分析

“氮及其化合物”是人教版必修1第四章第三節(jié)的內(nèi)容，是培養(yǎng)學生化學學科能力的重要內(nèi)容。作為必修1元素化合物學習中的最后一種元素，氮及其化合物充分體現(xiàn)了物質(zhì)類別和價態(tài)的豐富性與多樣性。同時，將含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化的知識主線貫穿于真實的氮循環(huán)情境中，也能夠讓學生在真實情境中實現(xiàn)學與用的融合。

本節(jié)課將“氮及其化合物”的內(nèi)容進行有機整合，以氮循環(huán)作為真實情境載體，以大氣中的氮氣到土壤中硝酸鹽的轉(zhuǎn)化、氮氣到氨氣的轉(zhuǎn)化作為驅(qū)動性任務(wù)，幫助學生自主調(diào)用價一類認識角度，通過路徑設(shè)計、實驗探究，最終建構(gòu)研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型。

2.學生情況分析

在學習本節(jié)課之前，學生已經(jīng)能夠從物質(zhì)類別和元素化合價態(tài)兩個角度認識物質(zhì)，預測物質(zhì)的化學性質(zhì)，但是尚未形成研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路和方法，主要障礙點在于：依據(jù)原料與目標產(chǎn)物設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑的能力有欠缺，還未能建立起研究物質(zhì)的兩個角度與轉(zhuǎn)化之間的關(guān)聯(lián)。

3.教學目標

通過探究含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，使學生能夠自主調(diào)用價—類認識角度，形成研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路和方法;

掌握N2、NO、NO2的化學性質(zhì);

建立從轉(zhuǎn)化的角度學習物質(zhì)性質(zhì)的新途徑，培養(yǎng)學生科學探究的精神;

通過人類參與氮循環(huán)帶來的利弊體現(xiàn)人與自然的關(guān)系，培養(yǎng)學生的社會責任感和可持續(xù)發(fā)展觀。

教學重點：N2、NO、NO2的性質(zhì)

教學難點：N2→NO3^-（硝酸鹽）轉(zhuǎn)化路徑的設(shè)計、NO2與水反應(yīng)的實驗探究

4.模型建構(gòu)策略及實施環(huán)節(jié)

（1）探究大氣中的氮氣到土壤中硝酸鹽的轉(zhuǎn)化（N2→NO3^-），初步建構(gòu)模型

①認識自然界的氮循環(huán)

【教師活動】展示自然界的氮循環(huán)圖（如圖2），讓學生解讀氮循環(huán)。

【學生活動】觀察并閱讀自然界的氮循環(huán)圖（如圖2），描述氮在自然界是如何循環(huán)的。

設(shè)計意圖：通過解讀氮循環(huán)圖，使學生了解氮在自然界的主要存在形式及含氮物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，培養(yǎng)學生解讀圖表的能力;同時認識到自然界的氮處于一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，為后續(xù)修復氮平衡做鋪墊。

②設(shè)計N2→NO3^-的轉(zhuǎn)化方案

【教師活動】分析自然界的兩條固氮路徑——雷電固氮和生物固氮，尋找與動植物密切相關(guān)的核心含氮化合物——硝酸鹽（NO3^-）、氨（或銨鹽），提出問題：雷電作用下，N2是如何轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的？

【學生任務(wù)】自然界一定條件下大氣中的氮氣可以轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。請參考所給資料卡片（如圖3），盡可能多地設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑，并寫出設(shè)計依據(jù)。

學生小組討論：從N2→NO3^-，氮元素的化合價升高，必然要先和氧化劑反應(yīng)，大氣中的氧化劑是O2，生成的物質(zhì)是氮氧化物NxOy。最終要得到硝酸鹽，可以先得到硝酸，硝酸在堿性條件下可以得到硝酸鹽。

方案1：N2→NO→NO2→HNO3→NO3^-，

方案2：N2→NO2→HNO3→NO3^-

教師追問：為什么最終的氮氧化物是NO2呢？

學生回答：因為資料顯示，NO2易溶于水，在水中發(fā)生歧化反應(yīng)，所以能夠得到HNO3，同時也必然生成一種低價態(tài)的含氮物質(zhì)。

繼續(xù)追問：NO2為什么能在水中發(fā)生歧化反應(yīng)呢？

學生回答：因為+4價是氮元素的中間價態(tài)，既可以升高，也可以降低。

教師：總結(jié)一下，你是基于哪個角度來設(shè)計轉(zhuǎn)化路線的？

學生回答：氮元素的化合價。

教師點評：設(shè)計物質(zhì)轉(zhuǎn)化路徑，可以基于核心元素的化合價。

教師追問：你是如何想到轉(zhuǎn)化過程中會有N2O5生成呢？

學生回答：因為資料中顯示N2O5的水溶液呈酸性，而N2O5中氮的化合價是+5價，而HNO3的化合價也恰好是+5價。

繼續(xù)追問：根據(jù)這個現(xiàn)象，你能推測出N2O5是一種什么物質(zhì)嗎？

學生：N2O5是酸性氧化物，它能夠和水反應(yīng)生成相應(yīng)的酸。

教師點評：你是從哪個角度來設(shè)計方案的？

學生：物質(zhì)的類別性質(zhì)

教師點評：可以依據(jù)物質(zhì)的類別性質(zhì)設(shè)計相應(yīng)的轉(zhuǎn)化路徑

設(shè)計意圖：讓學生解決復雜實際問題，明確價類認識角度，并且自主調(diào)用認識角度，預測含氮物質(zhì)的化學性質(zhì)，設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑。學生匯報轉(zhuǎn)化路徑時，教師通過不斷追問，能夠讓學生外顯出價類的認識角度和基于氧化還原反應(yīng)的推理思路。

③實驗探究N2→NO3^-的轉(zhuǎn)化

本環(huán)節(jié)中，學生將通過實驗探究來驗證所提方案的正確性。首先是驗證從N2→NxOy的猜想。課前，教師借助如圖4所示的高壓放電裝置，實時拍攝了10分鐘內(nèi)瓶中N2和O2在高壓放電條件下的反應(yīng)，并設(shè)置對照組。

通過課上播放視頻，學生能夠直觀、清晰地看到瓶中氣體的顏色逐漸由無色變?yōu)榧t棕色，且隨著時間的推移，紅棕色逐漸加深，證明反應(yīng)中確實生成了紅棕色的NO2氣體，但是這并不能說明沒有其他氮氧化物的存在，此時教師需要從科學事實的角度進行解釋：N2與O2的反應(yīng)經(jīng)歷了N2→NO→NO2的過程，并且讓學生書寫化學反應(yīng)方程式。

接下來探究的是NO2與H2O的反應(yīng)，布置學生實驗任務(wù)：先預測NO2與水反應(yīng)的氣體產(chǎn)物的成分，再設(shè)計實驗進行驗證。提供實驗用品：50mL注射器2支（編號①裝NO2，編號②裝水）、三通閥、pH試紙。

【學生活動】小組討論，根據(jù)氧化還原反應(yīng)，預測生成的還原性氣體可能是：NH3、N2、N2O、NO或H2。設(shè)計實驗方案，進行實驗探究，并觀察實驗現(xiàn)象，將實驗步驟和實驗現(xiàn)象填于實驗記錄表中（見表1）。

學生探究實驗的實物操作圖（圖5）和相應(yīng)的操作流程解說圖（圖6）如下。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)巧妙地將傳統(tǒng)的教師演示實驗轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放性的學生動手探究實驗。學生利用綠色的微型化實驗儀器進行小組合作探究，親身體會到NO和NO2之間的相互轉(zhuǎn)化，驗證了從NO2到HNO3的轉(zhuǎn)變，同時思考實驗改進，將化學知識與工業(yè)生產(chǎn)硝酸相聯(lián)系。

【學生活動】總結(jié)N2、NO、NO2的物理性質(zhì)（顏色、水溶性）和化學性質(zhì)。

設(shè)計意圖：階段性的小結(jié)能夠讓學生落實重要含氮物質(zhì)的性質(zhì)。

（2）探究N2→NH3的轉(zhuǎn)化，完善模型

提問1：采用雷電固氮的方式適合工業(yè)生產(chǎn)嗎？

學生回答：不適合，不僅成本高，而且不安全。

提問2：自然界還可以利用哪種方式進行固氮？

學生回答：利用生物固氮的方式，將氮氣轉(zhuǎn)化為氨氣或者銨鹽。

提問3：你能否利用化學方法，實現(xiàn)從氮氣到氨氣的轉(zhuǎn)化？

學生回答：N2和H2合成NH3。

【教師活動】結(jié)合史料講解科學史實——百年合成氨工業(yè)。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)旨在完善認識思路，引導學生全面看待物質(zhì)的化學性質(zhì)，能夠從N2氧化性出發(fā)設(shè)計新路線。教師通過講解科學史料——百年合成氨工業(yè)，能夠讓學生有創(chuàng)造性地體驗、感受到科學研究的偉大，同時也豐富了人類活動參與下的氮循環(huán)，如圖7所示。

（3）修復氮平衡，應(yīng)用模型

自然界的氮是守恒的，但是人類活動的參與破壞了原本的氮平衡，造成了一系列的污染問題。如機動車尾氣中含有大量對人體有害的氮氧化物，那么如何能夠減少氮氧化物的含量？

設(shè)計意圖：以社會熱點問題引發(fā)學生思考，使學生能夠應(yīng)用氧化一還原的化學原理解決環(huán)境問題，修復氮平衡，實現(xiàn)人與自然的和諧相處。

（4）知識總結(jié)

【學生活動】在價一類二維圖中完成氮循環(huán)過程中含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

【教師活動】講解自然界硝化細菌和反硝化細菌的作用，在價一類二維圖中呈現(xiàn)完整的氮循環(huán)圖（見圖8，其中氨、銨鹽、硝酸的性質(zhì)將在后續(xù)課程中講解），并提煉研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路和方法。

為檢驗本次教學改進的效果，以開放性試題對學生進行測試，其中以“亞硝酸的性質(zhì)推測及轉(zhuǎn)化路線設(shè)計”“亞硝酸鈉的定量檢測”及“生活污水中含氮物質(zhì)的處理”作為錨題，以傳統(tǒng)教學班和以模型建構(gòu)方式教學的試驗班為測試對象，通過對比兩個班前、后測的作答的正確率可以看出，在前測成績相差較小的基礎(chǔ)上，試驗班學生后測成績（正確率67.25%）遠高于傳統(tǒng)班（54.80%），如圖9所示。通過“模型建構(gòu)”方式學習的學生，其推理預測物質(zhì)性質(zhì)的能力和創(chuàng)造性解決實際問題的能力得到了大幅提升。

四、教學特色及反思

1.教學特色

（1）采用真實的氮循環(huán)情境貫穿教學設(shè)計，以含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化作為主線，以真實的驅(qū)動性問題促使學生自主調(diào)用“價一類”認識角度，引導學生進行性質(zhì)預測、方案設(shè)計、概括解釋等活動，最終形成建立研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，發(fā)展學生“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科核心素養(yǎng)。同時，借助固氮與修復氮，幫助學生體會物質(zhì)性質(zhì)及其變化在促進社會可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用，培養(yǎng)學生的辯證思維、“科學態(tài)度與社會責任”的核心素養(yǎng)。

（2）充分運用實驗觀察和啟迪思維的教學策略，組織和開展學生分組實驗探究活動，創(chuàng)新性地借助注射器的微型化裝置，將“NO2與水反應(yīng)”的演示實驗變?yōu)殚_放性的學生動手探究實驗，讓學生能夠親身體會NO、NO2、HNO3之間的轉(zhuǎn)化，實驗設(shè)計呈現(xiàn)出直觀、開放、環(huán)保、學生參與度高的特點。

2.教學反思

（1）教師應(yīng)該信任學生的能力，把握好學生活動的開放度

本次教學中，NO2→HNO3的實驗探究先后經(jīng)歷了兩次修改，由最初程序性的驗證性實驗→開放性大的實驗探究→搭臺階式的開放性實驗探究，最終的教學實踐表明：合適的開放度、具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)能夠更好地激發(fā)學生的探究熱情，培養(yǎng)科學探究的能力。

（2）任務(wù)的指向性應(yīng)該具體而明確

教師在布置任務(wù)時，任務(wù)的指向性要明確且具體。在轉(zhuǎn)化路徑設(shè)計環(huán)節(jié)中“寫出設(shè)計依據(jù)”較為籠統(tǒng)，應(yīng)表述為“寫出加入試劑的原因”，便于讓學生清晰地了解要求，更有針對性地思考和回答。