華麗芬 周萍

摘要：知識的學(xué)習(xí)，素養(yǎng)的培育，始終離不開問題的解決，問題解決的過程，就是師生活動開展的過程。以“自然固氮”教學(xué)實踐為例，創(chuàng)設(shè)連貫性的問題情境，開展多樣化的教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生通過氮循環(huán)認識含氮物質(zhì)，研究自然固氮過程構(gòu)建含氮物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，實驗探究體會物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的重要價值。

關(guān)鍵詞：學(xué)科素養(yǎng);自然固氮;證據(jù)推理;模型認知;社會責(zé)任

文章編號：1008-0546（2021）02-0025-04 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.006

高中化學(xué)課堂是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“落地生根”的主陣地，學(xué)科知識和活動是素養(yǎng)形成的主要載體和途徑。知識的學(xué)習(xí)，素養(yǎng)的培育，始終離不開問題的解決。教師可以圍繞教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以適切的教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，通過創(chuàng)設(shè)連貫性的問題情境，開展多樣化的教學(xué)活動，充分調(diào)動與發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生開展問題解決學(xué)習(xí)，以問題的解決和任務(wù)的完成來實現(xiàn)知識的建構(gòu)和素養(yǎng)的提升。

一、依據(jù)課標(biāo)與學(xué)情制定適切的教學(xué)目標(biāo)

氮及其化合物是高中階段學(xué)生所學(xué)元素化合物知識的重要組成部分，在新課標(biāo)必修課程主題2“常見的無機物及其應(yīng)用”中的內(nèi)容要求為：結(jié)合真實情境中的應(yīng)用實例或通過實驗探究，了解氮及其重要化合物的主要性質(zhì)，認識這些物質(zhì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對生態(tài)環(huán)境的影響。以“自然固氮”為教學(xué)主題學(xué)習(xí)N2、NO、NO2的性質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生通過氮循環(huán)認識含氮物質(zhì)，研究自然固氮過程構(gòu)建含氮物質(zhì)問的轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過實驗探究體會物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的重要價值。

學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分知識前已具備以下能力：用電子式和結(jié)構(gòu)式表征物質(zhì)的能力，能夠理解結(jié)構(gòu)與性質(zhì)問的關(guān)系;對物質(zhì)進行分類的能力，能夠從化合價和物質(zhì)類別的視角認識含氮物質(zhì);依據(jù)氧化還原反應(yīng)基本概念與原理，能夠從化合價變化的視角認識含氮物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。學(xué)生還存在的學(xué)習(xí)障礙點主要有：NO和NO2不是酸性氧化物，不能完全類比酸性氧化物CO2、SO2和SO3的性質(zhì);將價態(tài)觀、分類觀、轉(zhuǎn)化觀應(yīng)用到具體物質(zhì)上，預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系。

基于以上分析，教師制定如下教學(xué)目標(biāo)：（1）通過對植物缺氮現(xiàn)象的討論以及對氮氣分子結(jié)構(gòu)特點的分析，從宏微結(jié)合的視角理解結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系;（2）通過對自然固氮路徑的分析探索，建立從物質(zhì)類別和化合價兩個維度研究物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系的認知模型;（3）通過對“雷雨發(fā)莊稼”原理的實驗探究培養(yǎng)證據(jù)意識，掌握N2、NO、NO2的主要性質(zhì);（4）通過對自然固氮價值的感悟以及人類活動對氮循環(huán)的影響，認識到合理使用含氮物質(zhì)的必要性和重要性，培養(yǎng)社會責(zé)任意識，樹立可持續(xù)發(fā)展理念。

二、指向?qū)W科素養(yǎng)培育的教學(xué)實踐

1.聯(lián)系生活創(chuàng)設(shè)問題情境

學(xué)習(xí)總是與問題相伴，讓學(xué)生在解決真實問題的過程中探究發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的性質(zhì)，進而建立應(yīng)用性質(zhì)解決問題的思路方法，是培育學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。從學(xué)生的生活實際發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計成真實的驅(qū)動性問題鏈，以問題貫穿整個教學(xué)過程，促使學(xué)生在設(shè)問和釋問的過程中萌生自主學(xué)習(xí)的動機和欲望，在分析和解決問題的過程中獲得知識和技能，逐漸形成問題解決能力。在課堂引入環(huán)節(jié)，教師以連續(xù)追問的方式引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題：生活中我們經(jīng)常會購買一些綠植，既能美化環(huán)境，又能凈化空氣。但是養(yǎng)了一段時間后，它就變成這樣了（展示葉片枯黃稀疏的一盆綠植），同學(xué)們有沒有遇到過類似的情況？（學(xué)生紛紛點頭），咨詢了專業(yè)人士說是“缺氮”的表現(xiàn)，同學(xué)們聽到這個答案有沒有什么疑問？（學(xué)生提出空氣里大部分是氮氣，植物為什么還會缺氮），空氣中存在大量游離態(tài)的氮，植物為什么難以吸收呢？植物需要的或是能夠吸收的又是哪種氮呢？植物究竟能不能從自然界中吸收氮元素？如果植物不能從自然界中吸收氮元素，有沒有其他途徑解決缺氮問題呢？在教師的啟發(fā)下，學(xué)生大腦中產(chǎn)生了一系列問題，于是教師將學(xué)生的這些問題設(shè)計成連貫性的問題鏈（圖1），并且圍繞這些問題開展多樣化的教學(xué)活動也是水到渠成的事。

2.核心概念引領(lǐng)知識建構(gòu)

化學(xué)鍵、物質(zhì)分類和氧化還原既是重要的概念理論知識，也是學(xué)生在高中階段形成的認識物質(zhì)的基本角度。從微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測、解釋物質(zhì)的宏觀表現(xiàn)，從元素及元素轉(zhuǎn)化的角度對物質(zhì)進行分類，從核心元素價態(tài)轉(zhuǎn)換的角度認識物質(zhì)性質(zhì)及反應(yīng)，從轉(zhuǎn)化的角度認識物質(zhì)性質(zhì)在解決實際問題中的重要作用，在微粒觀、分類觀、價態(tài)觀、轉(zhuǎn)化觀等核心概念的引領(lǐng)下幫助學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的途徑之一。

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生先由生活中常見的宏觀現(xiàn)象進而深入探析微觀本質(zhì)：氮原子之間存在著氮氮三鍵，通過共價鍵的鍵能這一數(shù)據(jù)素材（表1）進一步證實了氮氮三鍵的穩(wěn)定性。再從微觀本質(zhì)解釋宏觀現(xiàn)象：氮氣化學(xué)性質(zhì)很不活潑，植物難以直接吸收所以會有葉片發(fā)黃、生長稀疏等“缺氮”現(xiàn)象。宏觀與微觀相互聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科的最大特征，本環(huán)節(jié)著重培養(yǎng)學(xué)生從宏觀一微觀一宏微結(jié)合的科學(xué)思維與學(xué)習(xí)方法，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科觀念。

游離態(tài)的氮植物難以吸收，那么植物能夠吸收的又是哪種氮呢？接著教師展示了與學(xué)生的生活密切相關(guān)的氮循環(huán)示意圖（圖2），通過對氮循環(huán)的分析，學(xué)生知道了植物只能吸收化合態(tài)的氮然后制造植物蛋白。氮循環(huán)示意圖中涉及較多的含氮物質(zhì)，將其中的無機含氮物質(zhì)按照一定規(guī)律進行分類有利于進一步研究物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，所以教師給學(xué)生提供了一組氮循環(huán)中的無機含氮物質(zhì)卡片將學(xué)生思維外顯，通過將卡片按照一定規(guī)律擺放的互動環(huán)節(jié)來引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)所含核心元素的化合價和物質(zhì)類別兩個重要角度來研究物質(zhì)性質(zhì)，“價一類”二維圖是核心概念引領(lǐng)下將元素化合物知識結(jié)構(gòu)化的重要認知模型。

在學(xué)生對自然固氮的概念和主要方式有一定的了解之后，教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考農(nóng)業(yè)諺語“種豆肥田”和“雷雨發(fā)莊稼”蘊含的含氮物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，前者指向生物固氮，后者指向高能固氮，通過兩種自然固氮方式，性質(zhì)不活潑的氮氣轉(zhuǎn)化為含氮化合物參與氮循環(huán)，是植物獲得生長所需養(yǎng)分的重要方式。在本環(huán)節(jié)學(xué)生側(cè)重對“雷雨發(fā)莊稼”中含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系的探索，預(yù)測從氮氣到硝酸鹽的轉(zhuǎn)化途徑。這種教學(xué)方式以“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”為任務(wù)驅(qū)動，對學(xué)生有一定挑戰(zhàn)，教師在此過程中可以這樣引導(dǎo)學(xué)生：在雷電和雨水的共同作用下，氮氣最終轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，硝酸鹽可以通過硝酸與堿性物質(zhì)或是地表礦物質(zhì)反應(yīng)生成，那么氮氣轉(zhuǎn)化為硝酸的途徑中還需要哪類物質(zhì)的參與？基于已有知識和經(jīng)驗，學(xué)生能夠類比C→CO2→H2CO3、S→SO2→SO3→H2SO4的轉(zhuǎn)化關(guān)系，提出N2-NXOy-HNO3的轉(zhuǎn)化途徑，這樣將問題解決的重心聚焦到氮氧化物上來。隨后學(xué)生進一步提出了三種可能路徑：①N2→NO→HNO3、②N2→NO2→HNO3、③N2→NO→NO2→HNO3。在教師播放N2與O2放電條件下反應(yīng)的實驗視頻后，學(xué)生依據(jù)實驗中有紅棕色氣體生成，判斷最后氣體中一定有NO2，可以排除途徑①，根據(jù)資料卡（423K時NO2會分解為NO和O2）可判斷高能固氮生成的是NO，最終確定途徑③。N2→NO→NO2是氮元素化合價逐漸上升、被氧化的過程，學(xué)生能夠根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理書寫相關(guān)化學(xué)方程式。在NO2→HNO3的轉(zhuǎn)化過程中，部分學(xué)生容易受“酸性氧化物與水化合成酸”的前概念影響，認為NO2與水也發(fā)生了化合反應(yīng)生成HNO3，但從氧化還原反應(yīng)的原理來分析，氮元素價態(tài)上升了，必定還要有物質(zhì)的化合價下降，所以產(chǎn)物不止HNO3一種，可能還生成NO或是N2。當(dāng)學(xué)生的認知產(chǎn)生沖突時，教師指導(dǎo)學(xué)生通過實驗收集證據(jù)以便獲得真實、合理的結(jié)論。

3.實驗探究培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度

化學(xué)課堂不僅要教學(xué)生知識，還要教學(xué)生學(xué)科方法，化學(xué)學(xué)科是以實驗為基礎(chǔ)的，探究實驗不僅有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識和基本技能，也有利于培養(yǎng)學(xué)生安全意識與嚴(yán)謹踏實的科學(xué)態(tài)度。由于氮氧化物對空氣的污染性，教師在設(shè)計實驗時選用微型裝置，一支10mL注射器里預(yù)先收集6mL NO2，另一支5mL注射器里預(yù)裝2mLH2O（加入1滴石蕊試液），實驗過程中學(xué)生通過旋轉(zhuǎn)三通閥和推拉注射器就能清晰直觀地觀察到實驗現(xiàn)象（圖3及表2）。

在實驗過程中，學(xué)生觀察到NO2遇水后，紫色石蕊試液變紅的同時有無色氣體生成，而且無色氣體的體積約為2mL，在無色氣體中通入空氣后又變成了紅棕色。學(xué)生通過實驗獲得物質(zhì)轉(zhuǎn)化的證據(jù)（定性和定量），經(jīng)過推理論證得出最終結(jié)論，完善了“價一類”二維圖中的轉(zhuǎn)化關(guān)系（圖4）。

4.問題解決踐行社會責(zé)任

通常情況，得出結(jié)論后實驗探究到此結(jié)束，實驗儀器也就擱置一邊了，但此時教師還要拿注射器內(nèi)的氮氧化物繼續(xù)“做文章”，可以這樣引導(dǎo)學(xué)生：（師）自然界中NO-NO2-HNO3之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以使植物獲取少量含氮化合物作為養(yǎng)分，但是受到天氣制約，植物還是會有缺氮情況，如何解決這個問題？（生）可以模擬自然界中氮氧化物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，工業(yè)生產(chǎn)HO3。（師）工業(yè)生產(chǎn)中如何使NO2盡可能多地轉(zhuǎn)化為HNO3？（生）N02與H2O反應(yīng)后生成的NO繼續(xù)和O2反應(yīng)，將生成的N02再通入水中制HNO3，多次循環(huán)反應(yīng)。（師）沒能完全轉(zhuǎn)化的氮氧化物如何處理？（生）用堿液吸收。（師）注射器里的氮氧化物如何處理？

在教師引導(dǎo)下學(xué)生利用所學(xué)知識進行注射器內(nèi)氮氧化物的后續(xù)處理實驗，在此過程中不僅充分利用了實驗器材，給學(xué)生充裕的時間進行實驗探究，也培養(yǎng)學(xué)生從自身做起、從日常小事做起，形成節(jié)約資源、愛護環(huán)境的意識。

僅靠自然固氮遠遠不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氮元素的需要，化學(xué)家們通過化學(xué)反應(yīng)制得了植物可吸收的含氮化合物，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。但人工化肥的大量生產(chǎn)和使用也帶來了大氣、水質(zhì)、土壤污染等生態(tài)環(huán)境問題。二十世紀(jì)六十年代開始，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些金屬有機化合物能起到根瘤菌中固氮酶的作用，為此科學(xué)家們建立了化學(xué)模擬生物固氮模型，嘗試在實驗室中利用這些金屬有機物作催化劑實現(xiàn)常溫常壓下固氮。學(xué)生分析化學(xué)模擬生物固氮模型建立的實質(zhì)還是圍繞氮氮三鍵，整堂課首尾呼應(yīng)，從自然界中的氮循環(huán)走向有關(guān)含氮物質(zhì)的學(xué)習(xí)，最后引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識走向生產(chǎn)實際，思考和解決人類生存環(huán)境問題，從而樹立可持續(xù)發(fā)展理念。

三、實踐感悟

元素化合物模塊的知識內(nèi)容在以往的教學(xué)中教師大多采用課堂講述、知識歸類、習(xí)題鞏固等傳統(tǒng)方式傳遞給學(xué)生滿滿的“干貨”，老師是一腔熱忱，學(xué)生卻普遍感覺元素化合物內(nèi)容太瑣碎、記不住，難以掌握。高一是化學(xué)學(xué)習(xí)方法形成和學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變最為關(guān)鍵的一年，不論對高二確定選擇參加等級考還是合格考的學(xué)生來說，都是核心素養(yǎng)培育至關(guān)重要的一年。所以，在高一的日常教學(xué)中，教師在進行教學(xué)設(shè)計時尤其要關(guān)注兩個問題：一是要讓學(xué)生“知其所以然”，即在活動中完成知識的自主建構(gòu);二是要讓學(xué)生“學(xué)有所用”，即在問題解決中體會學(xué)科價值。本節(jié)課首先通過生活中綠植缺氮這一常見現(xiàn)象作為課堂引入，創(chuàng)設(shè)真實情境引導(dǎo)學(xué)生深入微觀結(jié)構(gòu)來解釋宏觀現(xiàn)象，側(cè)重“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)的培育;接著通過氮循環(huán)示意圖認識含氮物質(zhì)，從化合價和物質(zhì)類別兩個維度建立物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認知模型，運用“價一類”二維圖構(gòu)建物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維路徑，設(shè)計微型實驗尋找物質(zhì)轉(zhuǎn)化的實證，側(cè)重“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的培育;然后挖掘氮氧化物轉(zhuǎn)化關(guān)系在硝酸工業(yè)中的應(yīng)用價值，探討硝酸工業(yè)尾氣的處理方案，最后通過化學(xué)模擬生物固氮研究的介紹，感悟自然固氮的價值以及未來科學(xué)研究的方向，側(cè)重“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)的培育。