基于核心素养提升的课堂驱动性问题设计

惠海涛

摘 要：在物质的量复习课中，创设以火箭推进剂为背景的问题情境，以物质的量为工具探讨了不同推进剂产生气体的体积、放热量及火箭有效载重等问题。通过驱动性问题链的设计，体验了真实情境下用化学解决问题的方法和过程，体会了物质的量在生活及科学领域的应用和价值，提升了学生的化学学科核心素养。

关键词：核心素养；驱动性问题；物质的量

《普通高中化学课程标准（2017年版）》于近日颁布，课程标准以发展化学学科核心素养为主旨，构建了全面发展学生化学学科核心素养的高中化学课程目标体系。其中第六部分“实施建议”中指出，“真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。因此，教师在教学中应重视创设真实且富有价值的问题情境，促进学生化学学科核心素养的形成和发展”。笔者在苏教版化学1“物质的量”复习课一节的教学中，精心创设问题情境、设计课堂驱动性问题，通过问题引领学生思维发展，努力提升学生的核心素养。

一、教材与学情分析

“物质的量”位于苏教版化学1第一专题，它是定量研究化学反应的基础，也是生产、科研领域必备的计算基础。物质的量具有微观的粒子数和宏观的质量双重意义，它像一座桥梁把单个的、肉眼看不见的微粒和可称量的物质的质量联系起来。熟练掌握物质的量与质量、微粒数目、气体体积等物理量之间的关系有助于使学生建立起宏观和微观的联系，也能使学生对物质和微粒从宏观表征、微观表征、符号表征角度产生深刻的认识。

学生刚进入高一，物质的量这部分概念比较抽象，对他們而言有较大难度。学生掌握了一些化学基本实验方法，初步具备了微观想象能力，但是其科学思维方法尚未完全形成。虽然在思维上有所欠缺，但对于刚进入高中阶段的学生，他们在学习上有强烈的好奇心和追求成功的愿望，所以在教学过程中，应多创设问题情境，注意引导学生，让他们学会解决问题的方法和思路。在物质的量的单元复习课中，笔者通过创设驱动性问题情境，帮助学生形成以物质的量为核心的计算体系，在培养学生的核心素养上做出了有益的尝试。

二、教学目标

1.掌握物质的量、微粒数目、物质的质量、气体体积之间的关系。

2.培养物质表征、逻辑推理和运用化学知识进行计算和解决实际问题的能力。

3.通过对概念的透彻理解，培养严谨认真的学习态度，体会和欣赏物质的量及其相关计算在生活中的应用。

三、教学过程

【导入】近年来，我国在航空领域发展迅速。今天老师要和大家介绍一种物质：肼，它被广泛地应用于航天航空领域，大家猜猜它可能有什么用途？

【展示】资料卡片

肼，N2H4，常温下是一种无色油状液体，沸点113.5℃。肼又称联氨，由两个氨基结合而成。肼作为火箭发动机燃料时，可发生反应：2N2H4+N2O4=3N2+4H2O。

【展示】对比展示肼和氨分子的球棍模型，两者都由氮原子和氢原子组成，氮、氢原子的结合方式不同，形成了不同的分子，体现出了不同的化学性质，并且产生了不同的用途。

【创设问题】

问题1：等物质的量（或等质量）的NH3和N2H4中，原子总数之比为多少？电子数之比为多少？

问题2：上述反应中，产生的氮气和水蒸气在同温、同压下的体积之比为多少？

【学生计算】根据计算公式及阿伏加德罗定律进行计算。

【讲解】除了肼和四氧化二氮可以作为火箭发动机的推进剂以外，常见的火箭推进剂组合还有液氢和液氧、偏二甲肼和液氧、偏二甲肼和四氧化二氮，它们反应产生大量的气体，给火箭以巨大的反推力，有关反应分别如下：

①肼和四氧化二氮：2N2H4（l）+N2O4（l）=3N2（g）+4H2O（g） ΔH=-1048.9 kJ/mol

②液氢和液氧：2H2（l）+O2（l）=2H2O（g） ΔH=-483.6kJ/mol

③偏二甲肼和液氧：（CH3）2NNH2（l）+4O2（l）

=N2（g）+2CO2（g）+4H2O（g）

ΔH=-1803.1 kJ/mol

④偏二甲肼和四氧化二氮：（CH3）2NNH2（l）+2N2O4（l）=3N2（g）+2CO2（g）+4H2O（g）

ΔH=-1764.1 kJ/mol

【创设问题】若分别取1g上述不同组合的推进剂，其反应产生气体的体积在标准状况下分别为多少？

【学生思考】上述4个反应中，1g推进剂各产生1.00L、1.24L、0.83L、0.83L气体。

【创设问题】从等质量的推进剂产生气体体积的角度，选择哪种推进剂最优？

【学生评价】液氢和液氧产生的气体最多，它们是最好的推进剂组合。

【创设问题】推进剂的选择还需要考虑什么因素？从产物的环境友好角度，如何评价上述4个反应？

【学生评价】液氢和液氧反应只产生水，为最佳的推进剂；其次为产生氮气的肼和四氧化二氮；而③、④两个反应中生成二氧化碳，不是推进剂的最优选择。

【创设问题】

问题1：事实上，在发生2N2H4+N2O4=3N2+4H2O时，N2O4会产生红棕色的有毒气体NO2，我们可以选用什么物质替代N2O4将N2H4氧化？

问题2：已知2N2H4+N2O4=3N2+4H2O；N2H4+O2=N2+2H2O；N2H4+2H2O2=N2+4H2O，从火箭有效载重的角度看，当消耗等量的N2H4时，选择哪种氧化剂更合适？

【学生计算并评价】若氧化1mol N2H4，消耗N2O4 、O2 、H2O2的质量各为46g、32g、68g，从火箭的有效载重方面考虑，O2作为氧化剂最好。

【讲解】事实上，在火箭发射过程中，四氧化二氮、氧气、双氧水与肼的三个反应都有应用，这是一个很复杂的问题，既涉及到氧化剂液化难易问题、反应放热多少问题，也涉及到很多工程问题。

【创设问题】说到反应放热问题，火箭推进剂燃烧后产生的气体受热而膨胀，根据上述4个热化学方程式，能否求出每当产生1mol气体时的热效应？如何进行评价？

【学生计算】上述4个反应中，每当产生1mol气体，分别放热149.8kJ、241.8kJ、257.6kJ、196.0kJ。从放热量来看，用偏二甲肼和液氧组合或液氢和液氧组合做推进剂放热最多，是推进剂的合适选择。

【总结】我们通过火箭推进剂中的相关计算，体会到物质的量这一物理量在科学研究中的意义和作用。请整理物质的量（n）、质量（m）、微粒个数（N）、气体体积（V）之间的转化关系图。

四、教学反思

本节课以火箭推进剂为背景进行了物质的量的单元复习，以培养学生核心素养为出发点，以驱动性问题贯穿课堂、启发思维，取得了较好的教学效果。

1.從认知思路设计问题，促进学生对物质表征能力的提升

NH3和N2H4是由相同元素按照不同的成键方式结合而成的化合物，在教学中从学生较熟悉的NH3分子转入到对火箭推进剂燃料N2H4的学习，从资料卡片中肼物理性质的宏观表征转入到肼和氨分子球棍模型的微观表征，让学生亲历宏微结合的认知物质的思路，体会到“结构决定性质、性质决定用途”这一化学基本规律。创设的问题，通过比较等物质的量或等质量的NH3和N2H4中某些物理量和特定微粒数目的差别，建立了物质的量和质量、微粒数目的联系。通过反应方程式中氮气和水蒸气的化学计量数之比求算出两者体积之比，复习了阿伏伽德罗定律及其推论，也实现了宏观辨识与微观探析素养的提升。

2.从学科观念设计问题，促进学生对化学核心观念的建构

教学中，通过列举不同的火箭推进剂发生的反应，引导学生认识到物质变化的复杂性和多样性。“1g上述不同组合的推进剂，其反应产生气体的体积在标准状况下分别为多少”、“从火箭有效载重的角度看，当消耗等量N2H4时，选哪种氧化剂更合适”、“根据上述4个热化学方程式，能否求出每当产生1mol气体时的热效应”等问题引发学生从量变与质变的角度较全面地分析物质的化学变化，引导学生关注到化学变化中的能量转化，促使学生能从不同视角对纷繁复杂的化学变化进行分类研究，并能结合实际做出合理的评价和选择。

3.设计逻辑严密的问题链，帮助学生养成严密的逻辑推理习惯

教学过程中，设计了一环接一环的问题链，使学生对推进剂的选择逐步深入。学生以推进剂中的化学反应方程式和热化学方程式为依据，以物质的量的相关计算为手段，基于证据进行分析推理，选择和评价了火箭推进剂。在这一过程中，他们知道了形成科学结论需要证据，了解了寻找证据的途径与方法，建立了解决复杂化学问题的思维模型和框架。当然在选择和评价推进剂的过程中，学生也进一步熟练了物质的量的相关计算，体会了物质的量的科学价值。

4.设计基于任务的驱动性问题，鼓励学生的分享和表达

本节课的课堂教学线索是在物质的量的计算支撑下，寻找合适的火箭推进剂及对不同的推进剂做出适当的评价。在多个驱动性问题的引领下，学生能从已有知识和信息出发，尊重事实和证据，大胆地提出设想并相互交流、相互质疑、逐步完善，有利于养成独立思考、敢于质疑和勇于创新的精神。

5.关注生活实际中的化学问题，使学生充分认识化学科学的价值

本节课以我国当前迅速发展的航空领域中的火箭推进剂为背景、以物质的量的计算为依托，很好地体现了化学、技术、社会之间的相互关系。在本节课中，学生能通过自己的分析和讨论对实际问题做出选择、判断和评价，能运用已有知识和方法综合分析不同化学反应的特点，能权衡利弊，认识到化学对社会发展的重大贡献，有利于形成良好的科学精神和社会责任。