華麗芬

摘要：化學(xué)建模教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生建立解決各類問題的思路方法，用方法指導(dǎo)實踐，通過實踐積累經(jīng)驗。素養(yǎng)的落實需要以知識為載體，以“氮循環(huán)”為主題開展氮氧化物知識的深度學(xué)習(xí)，設(shè)計并實施了“認(rèn)識氮循環(huán)”“實現(xiàn)氮循環(huán)”以及“修復(fù)氮循環(huán)”三個環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過構(gòu)建“價一類”二維圖實現(xiàn)氮氧化物之間的相互轉(zhuǎn)化以及運用“價一類”二維圖解決氮氧化物過量排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，不僅提升了學(xué)生模型認(rèn)知能力，也增強了環(huán)保意識和社會責(zé)任感。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);模型認(rèn)知;氮氧化物

文章編號：1008-0546（2020）06-0014-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969（i.issn.1008-0546.2020.06.004

2014年“核心素養(yǎng)”的提出標(biāo)志著中國基礎(chǔ)教育從“知識時代”邁入“素養(yǎng)時代”，2017版新課標(biāo)的頒布更加具體地要求我們廣大教師要關(guān)注學(xué)科育人的價值。作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一的“模型認(rèn)知”，是要培養(yǎng)學(xué)生建立解決問題的思路方法，用方法指導(dǎo)實踐，通過實踐積累經(jīng)驗，為個人未來的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。但是不可否認(rèn)，目前在中學(xué)化學(xué)課堂中仍然存在“教師講、學(xué)生聽、課后練，階段考”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，教師側(cè)重知識的數(shù)量和教學(xué)的進(jìn)度，而不是知識的結(jié)構(gòu)和教學(xué)的深度，長此以往，學(xué)生不會獨立思考、不敢大膽質(zhì)疑、不善于解決問題，只能獲得淺層化的知識和表層化的思維。為了幫助學(xué)生建構(gòu)有邏輯、有體系、有價值的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)造性思維、合作能力和探究能力，以及未來社會生存和發(fā)展所需的其他關(guān)鍵能力與思維品質(zhì)，“深度學(xué)習(xí)”這一學(xué)習(xí)方式越來越受到重視。

一、“深度學(xué)習(xí)”引領(lǐng)下的化學(xué)建模教學(xué)

“深度學(xué)習(xí)”（deep learning）也稱為“深層學(xué)習(xí)”，最早是在1976年由瑞典學(xué)者Ference Marton和RogerSaljo提出的關(guān)于學(xué)習(xí)層次的一個概念。我國學(xué)者郭華教授認(rèn)為：所謂“深度學(xué)習(xí)”，就是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。胡久華教授結(jié)合化學(xué)這門學(xué)科的特點，對“深度學(xué)習(xí)”的內(nèi)涵進(jìn)一步做出界定（圖1）。

要實現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的“深度學(xué)習(xí)”需要落實四個環(huán)節(jié)：挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題的選擇、學(xué)習(xí)目標(biāo)的制定、學(xué)習(xí)活動的設(shè)計和持續(xù)性學(xué)習(xí)評價的開展。

學(xué)習(xí)主題是學(xué)科教學(xué)的“軸”，是“深度學(xué)習(xí)”能否真正落實的保障。本節(jié)課以自然界跟學(xué)生切身相關(guān)的“氮循環(huán)”為主題開展氮氧化物相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，設(shè)計了“認(rèn)識氮循環(huán)”“實現(xiàn)氮循環(huán)”和“修復(fù)氮循環(huán)”三個環(huán)節(jié)，既符合學(xué)生認(rèn)知水平、突出學(xué)科核心知識、體現(xiàn)學(xué)科價值，也有利于實踐活動的開展。本節(jié)課以課程標(biāo)準(zhǔn)、教材、學(xué)情為重要依據(jù)，結(jié)合學(xué)習(xí)主題挖掘知識承載的化學(xué)核心素養(yǎng)進(jìn)一步完善之后制定出如下學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過自然界中的“氮循環(huán)”認(rèn)識常見含氮物質(zhì)及其價態(tài)，知道從化合價和物質(zhì)類別兩個維度對物質(zhì)分類有助于研究物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系;通過對一氧化氮、二氧化氮性質(zhì)的實驗探究培養(yǎng)證據(jù)意識，認(rèn)識它們的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，能運用氧化還原反應(yīng)原理分析氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，會書寫主要反應(yīng)的化學(xué)方程式，能辯證地看待它們的應(yīng)用價值;通過了解人類活動對氮循環(huán)的影響，知道酸雨、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題的危害以及治理的方法，體會“價一類”二維圖在研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系中的使用價值，提升模型認(rèn)知能力，增強環(huán)保意識，培養(yǎng)社會責(zé)任感。學(xué)習(xí)活動是學(xué)科核心素養(yǎng)形成的主要路徑，為了讓“深度學(xué)習(xí)”真正發(fā)生，教師可以創(chuàng)設(shè)真實問題情境為學(xué)生搭建思維平臺，通過多個學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)置拓寬學(xué)生的認(rèn)識角度和解決問題的思路，發(fā)展高階思維。本節(jié)課圍繞“氮循環(huán)”設(shè)計了若干學(xué)習(xí)任務(wù)：找出“氮循環(huán)”中重要的無機(jī)含氮物質(zhì)一將含氮物質(zhì)按照化合價和類別分類一預(yù)測氮氣到硝酸的轉(zhuǎn)化途徑一分析酸雨的成因一運用“價一類”二維圖實現(xiàn)氮氧化物的轉(zhuǎn)化解決環(huán)境污染問題等。在整個教學(xué)過程中開展持續(xù)性學(xué)習(xí)評價，不但能及時診斷出學(xué)生的素養(yǎng)水平，還能根據(jù)診斷隋況調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)程和學(xué)習(xí)活動，提升學(xué)科素養(yǎng)。

二、教學(xué)過程

[課堂引入]請同學(xué)們對比一下國家環(huán)境保護(hù)“十一五”和“十二五”規(guī)劃的主要環(huán)保指標(biāo)（表1），有什么重大變化，說明什么問題？

[學(xué)生]增加了氨氮排放總量和氮氧化物排放總量，說明這兩類物質(zhì)的排放會影響生態(tài)環(huán)境。

[教師活動]展示本節(jié)課的課題：氮氧化物的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化

環(huán)節(jié)一：認(rèn)識氮循環(huán)（創(chuàng)設(shè)情境，建立模型）

[教師]氮是生物體的重要組成元素，也是維持高等動植物生命活動的必需元素。在自然界里，氮元素在不停地循環(huán)著，氮氧化物的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化過程與氮循環(huán)密切相關(guān)。什么是氮循環(huán)？讓我們一起認(rèn)識一下吧（圖2）。

[學(xué)生活動]分類：將氮循環(huán)中重要的無機(jī)含氮物質(zhì)的化學(xué)式填寫在“價一類”二維圖（圖3）中合適的位置上。

預(yù)測：雷電作用下，N₂轉(zhuǎn)化為HNO₃的途徑。

[學(xué)生表現(xiàn)]能識別出含氮的無機(jī)物：氮氣、硝酸、銨鹽、硝酸鹽，能根據(jù)含氮物質(zhì)中氮元素的價態(tài)以及物質(zhì)所屬類別進(jìn)行分類，能從氧化還原反應(yīng)原理的角度積極思考并提出氮氣轉(zhuǎn)化為硝酸的可能途徑：氮元素從零價上升到+5價是一個被氧化的過程，需要氧化劑的參與，空氣中最常見的氧化劑是氧氣，又因為氮氣是很穩(wěn)定的氣體，所以雷電可能是反應(yīng)引發(fā)的條件，另外硝酸中還有氫元素，所以還需要水的參與。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)“氮循環(huán)”這一真實情境可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生建立無機(jī)物知識學(xué)習(xí)的思路和方法：氮元素可以組成不同種類的物質(zhì)，根據(jù)物質(zhì)的組成和性質(zhì)可以對含氮物質(zhì)進(jìn)行分類，學(xué)習(xí)同類物質(zhì)中的典型物質(zhì)就能掌握這一類物質(zhì)的性質(zhì);氮元素的化合價多變，從化合價和物質(zhì)類別兩個維度對含氮物質(zhì)進(jìn)行分類學(xué)習(xí)，利用復(fù)分解反應(yīng)可以實現(xiàn)相同價態(tài)含氮物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，運用氧化還原反應(yīng)原理可以實現(xiàn)不同價態(tài)含氮物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化。

環(huán)節(jié)二：實現(xiàn)氮循環(huán)（證據(jù)推理，完善模型）

[學(xué)生活動]觀察：放電條件下N₂與O₂反應(yīng)的現(xiàn)象。判斷：紅棕色氣體是哪種氮氧化物？

[資料卡1]常見氮氧化物的性質(zhì)：N₂O（無色氣體，高溫易分解）;NO（五色氣體，在空氣中易被氧化）;N₂O₃（無色氣體，不穩(wěn)定易分解）;NO₂（紅棕色氣體，與水會反應(yīng)）;N₂O₅（固體，高于室溫時會分解）。

[學(xué)生]根據(jù)提供的資料，紅棕色氣體應(yīng)該是二氧化氮。

[教師]雷電天氣同時會伴隨著降雨，我們可以模擬一下雷雨天氣NO₂遇水的過程。

[學(xué)生活動]模擬：將針筒里2mL的水慢慢注入裝有NO₂的西林瓶，觀察現(xiàn)象;再用針筒注入約0.5mL的紫色石蕊試液，繼續(xù)觀察實驗現(xiàn)象（圖4）。書寫：NO₂與水反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式。

[學(xué)生表現(xiàn)]能結(jié)合反應(yīng)現(xiàn)象并使用所給資料卡進(jìn)行簡單的推理，確定紅棕色氣體的成分;能運用所給實驗器材開展探究活動并做好實驗記錄和觀察結(jié)果反饋工作;能根據(jù)實驗現(xiàn)象推測反應(yīng)產(chǎn)物有硝酸，但只有部分學(xué)生迅速思考后提出：從氧化還原反應(yīng)原理分析產(chǎn)物不止有硝酸，還應(yīng)該有元素化合價下降的物質(zhì)生成，可能是氮氣也可能是一氧化氮。學(xué)生能夠從宏觀和微觀結(jié)合的角度上收集證據(jù)，能依據(jù)證據(jù)從不同視角分析問題，得出合理真實的結(jié)論。部分學(xué)生能夠意識到證據(jù)不充分的情況下需要尋求外部幫助以收集更充足的證據(jù)來證明或證偽。

[教師活動]補充演示實驗（圖5）：將鹽水袋內(nèi)的NO₂與水反應(yīng)后再用針筒推人空氣，五色慢慢變成紅棕色。

[學(xué)生活動]書寫化學(xué)方程式：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO。

[資料卡2]閃電產(chǎn)生氮氧化物的機(jī)制：在閃電的高溫（30000K）通道內(nèi)及其臨近處，N₂和O₂的一部分分解為N和O，緊接著N和O₂或O和N₂迅速形成NO。閃電通道在幾秒鐘之內(nèi)快速冷卻到低于2000K左右，NO被進(jìn)一步氧化為NO₂，閃電中形成的NO和NO₂統(tǒng)稱為氮氧化物（NO₂）。

[學(xué)生活動]書寫：放電條件下N₂與O₂反應(yīng)的化學(xué)方程式;NO被進(jìn)一步氧化為NO₂的化學(xué)方程式。

討論：農(nóng)業(yè)上有句諺語“雷雨發(fā)莊稼”，體現(xiàn)物質(zhì)之間怎樣的轉(zhuǎn)化關(guān)系？在“價一類”二維圖中用箭頭標(biāo)出。

[教師]自然界產(chǎn)生的少量氮氧化物最終能夠轉(zhuǎn)化為硝酸鹽作為天然氮肥促進(jìn)植物的生長。如果人為排放大量氮氧化物會造成什么后果呢？隨著工業(yè)化社會的發(fā)展，煤炭等化石燃料的燃燒、城市機(jī)動車排放的尾氣中都含有大量的氮氧化物，其中大部分是NO，導(dǎo)致我國已成為全世界第三大酸雨區(qū)。酸雨會腐蝕建筑物、危害土壤、植物和人類健康。

[學(xué)生活動]分析：酸雨的成因。

[教師]機(jī)動車排放的尾氣中除了氮氧化物還有碳?xì)浠衔锏榷喾N物質(zhì)，它們混在一起在一定條件下會產(chǎn)生有毒的光化學(xué)煙霧。（視頻展示光化學(xué)煙霧的危害）。

[學(xué)生表現(xiàn)]能用化學(xué)方程式正確表示氮氧化物的主要化學(xué)性質(zhì)，能將氮氣、一氧化氮、二氧化氮以及硝酸之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系在“價一類”二維圖上呈現(xiàn)出來，能辯證看待氮氧化物的應(yīng)用價值，能正確分析人類活動的干預(yù)對“氮循環(huán)”產(chǎn)生的負(fù)面影響。

設(shè)計意圖：從氮元素到含氮物質(zhì)，從認(rèn)識物質(zhì)到實現(xiàn)物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，運用模型建構(gòu)一實驗探究一證據(jù)推理一完善模型的方式將學(xué)生碎片化的知識整合成有體系有邏輯的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了學(xué)生深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。通過“氮循環(huán)”的實現(xiàn)讓學(xué)生認(rèn)識到含氮物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系對自然界中的高等動植物維持生命活動的重要意義，引發(fā)學(xué)生愛護(hù)自然，保護(hù)環(huán)境的同理心。

環(huán)節(jié)三：修復(fù)氮循環(huán)（運用模型，解決問題）

[教師]大量的氮氧化物破壞生態(tài)環(huán)境，危害人類健康，那我們是不是應(yīng)該做些什么？我們又能做什么？

[學(xué)生]少開私家車，盡量用公共交通，比如共享單車、BRT（快速公交），還可以坐地鐵;使用清潔能源。

[教師]同學(xué)們的主意很好，說明大家很有環(huán)保意識。但是公交車也會排放尾氣，我們也不可能不使用煤作為燃料，比如冬天到了，北方居民要燒煤供暖。我們還有其他方法減少環(huán)境污染嗎？

[學(xué)生]把產(chǎn)生的氮氧化物反應(yīng)掉。

[教師]對的，我們還可以用化學(xué)知識將氮氧化物轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)減少大氣污染。那么轉(zhuǎn)化為哪些物質(zhì)呢？怎樣轉(zhuǎn)化呢？

[學(xué)生活動]討論：運用“價一類”二維圖將氮氧化物轉(zhuǎn)化為哪些物質(zhì)可以減少大氣污染。

[學(xué)生]可以轉(zhuǎn)化為氮氣繼續(xù)參與氮循環(huán);可以與堿反應(yīng)轉(zhuǎn)化為鹽類作為肥料;可以轉(zhuǎn)化為硝酸作為工業(yè)原料。

[學(xué)生活動]應(yīng)用：①治理汽車尾氣的方法之一是在汽車的排氣管上裝一個“催化轉(zhuǎn)化器”，它能使尾氣中的一氧化碳與氮氧化物分別反應(yīng)生成可參與大氣循環(huán)的無毒氣體。書寫CO與NO₂反應(yīng)的化學(xué)方程式____。

②燃煤煙氣中的氮氧化物大部分是NO，工業(yè)上可以采用綠色氧化劑H₂O₂將其氧化成HNO₃，從而減少氮氧化物的排放。書寫H₂O₂與NO反應(yīng)的離子反應(yīng)方程式____。

[教師]通過今天的學(xué)習(xí)，同學(xué)們有什么收獲？

[學(xué)生]我們在日常生活中要養(yǎng)成低碳的生活習(xí)慣，盡量利用公共交通;我們也要學(xué)好用好化學(xué)知識，造福社會;我們要保護(hù)地球的氮循環(huán)，因為保護(hù)氮循環(huán)，就是保護(hù)綠水青山。

[學(xué)生表現(xiàn)]能認(rèn)識到選擇綠色出行方式可以減少機(jī)動車尾氣排放;能有意識地運用“價一類”二維圖設(shè)計將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮氣等含氮物質(zhì)的途徑以解決環(huán)境污染問題（圖6）;能運用氧化還原反應(yīng)原理實現(xiàn)真實生活中的機(jī)動車尾氣和燃煤煙氣中的氮氧化物的治理;書寫一氧化碳與二氧化氮在催化劑作用下的化學(xué)方程式正確率高，部分學(xué)生對雙氧水作為氧化劑的認(rèn)識還有欠缺，導(dǎo)致離子反應(yīng)方程式書寫錯誤。

設(shè)計意圖：素養(yǎng)的培育離不開化學(xué)知識，化學(xué)知識的學(xué)習(xí)離不開真實問題的驅(qū)動。面對人類活動對“氮循環(huán)”的干預(yù)，面對環(huán)境問題，我們該采取怎樣的態(tài)度和行為？問題的提出引發(fā)學(xué)生深層次的思考，在尋求問題解決的過程中，學(xué)生通過分析、推理、探究等方法認(rèn)識了氮氧化物的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立了“價一類”認(rèn)知模型并運用模型最終實現(xiàn)了氮氧化物污染的治理，體會到了化學(xué)學(xué)科對于防治環(huán)境問題和保護(hù)環(huán)境中所起的積極作用。

三、教學(xué)感悟

蘇教版必修1“氮氧化物的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化”這一課時的化學(xué)知識不多，重要的化學(xué)方程式只有三個，如果是追求教學(xué)進(jìn)度的教師可能十來分鐘就可以完成教學(xué)任務(wù)，然后布置學(xué)生做幾道題鞏固一下知識點。古希臘生物學(xué)家普羅塔戈說“頭腦不是一個要被填滿的容器，而是一把需被點燃的火把?！北竟?jié)課以“氮循環(huán)”為主題開展氮氧化物知識的深度學(xué)習(xí)，充分挖掘知識蘊含的學(xué)科素養(yǎng)，并將之設(shè)計成有思維梯度的若干個學(xué)習(xí)任務(wù)，在活動中發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知能力?；瘜W(xué)教學(xué)不僅要讓學(xué)生掌握化學(xué)知識，更要教學(xué)生用化學(xué)思想和化學(xué)方法解決化學(xué)問題，在解決實際問題中體會化學(xué)學(xué)科的價值和魅力。