基于核心素养培育的高三化学复习教学研究——以“铝及其化合物复习”为例

福 建 省 漳 平 第 一 中 学(364400) 陈权富

福建教育学院化学教育研究所(350025) 张贤金

《普通高中化学课程标准 (2017 年版)》(以下简称 “2017 年版课程标准”)提出了化学学科5个方面的核心素养。因此,高三化学复习教学不应只重视课本知识技能的重现,只重视知识的归纳总结与系统化,而更应该重视探究意识、思维能力的提升,以落实发展和提升学生化学核心素养目标。要落实化学核心素养就需要在化学复习教学中挖掘教学内容价值,选取真实情境,创设真实的化学问题,将知识结构化、网络化,建立思维模型,将真实情境素材与必备知识和关键能力有机整合,设计实验探究和构建工艺流程模型等形式的高阶思维活动,使发展核心素养融合在真实情境问题的解决过程中。基于此,以高三化学复习教学,以铝及其化合物复习为例,挖掘铝及其化合物在化学核心知识中的价值,设计3个主要教学活动,精选 “无机阻燃添加剂 (氢氧化铝)”“探究铝元素的两性实验”“由铝土矿生产铝的工艺流程”等真实教学情境,设计实验探究和构建工艺流程模型的高阶思维活动。通过本教学案例研究,提出实施基于核心素养培育的高三化学复习教学建议。

1 教学设计思路

在铝及其化合物的复习教学中,首先设计建构性化学学习情境,以一种应用广泛的阻燃添加剂(氢氧化铝)为设计情境,引导学生分析物质的性质和用途,建立铝及其化合物之间转化关系图,目的是帮助学生建构化学学科的核心概念和基本观念；其次,设计探究溶液中pH 变化对铝元素存在形式影响的实验方案,通过实验探究和问题讨论培养学生高阶思维能力；第三设计真实工业生产流程,引导学生建构工艺流程模型,利用模型解决实际问题,从而在本节的学习中掌握必备知识,发展关键能力,使学生的化学学科核心素养得到提升和发展。具体教学设计思路见图1。

图1 教学设计思路

2 教学流程

2.1 创设情境，构建转化图

学生活动：观看无机阻燃添加剂相关视频。

交流研讨：①指出含铝元素的物质,讨论建立铝及其化合物之间的转化关系图 (见图2)；②运用铝及其化合物之间的转化关系图,用反应化学方程式和简要的语言解释氢氧化铝的阻燃原理。

图2 铝及其化合物之间的转化关系

设计意图：创设真实情境,引导学生基于经验和已有知识建立铝及其化合物之间的转化关系图。引导学生重新建构铝及其化合物的基本概念和基本转化,通过认识氢氧化铝在生活生产中的用途,体现铝及其化合物的价值,增强学生的社会责任感。

2.2 探究实验，培养学生高阶思维

学生活动：理论计算。

(1)已 知：Ksp[Al(OH)3]＝1.3×10－33,在0.1mol/LAl2(SO4)3溶液中,溶液pH 为多少时可使Al3＋完全沉淀? (注：30.13＝0.5,lg5.0＝0.7)

(2)将1 mol/L 的NaOH 溶 液 滴 入50 mL 0.1mol/L Al2(SO4)3溶液中,当生成的Al(OH)3完全溶解时消耗的NaOH 溶液的体积是多少,并作图说明。

探究实验：研究溶液pH 变化对铝元素存在形式的影响。实验装置见图3,实验测得数据见图4。

问题研讨：

(1)用离子方程式解释a 点溶液呈酸性的原因。

(2)b点到c点pH 变化很小的原因是什么? d点到e点呢?

(3)铝元素在溶液中存在形式与溶液pH 变化有什么关系?

(4)分析实验探究得到的实验数据与理论计算数据有哪些差异? 为什么?

(5)常温下浓氨水(pH 约为12.04)能溶解Al(OH)3吗? 制备Al(OH)3过程中为什么要用氨水来沉淀Al3＋?

图3 实验装置

图4 滴加NaOH 溶液体积与溶液pH 变化的关系

设计意图：铝及其化合物区别于另外4种常见金属的特点是：Al、Al2O3、Al(OH)3既能与酸反应生成以Al3＋形式存在的铝盐,又能与碱反应生成一种以[Al(OH)4]－形式存在的含铝元素盐,之所以具备这样性质原因之一是Al(OH)3具有两性。因此,设计有关“溶液的pH 变化对铝元素存在形式不同”的探究实验,引导学生结合实验数据交流研讨有价值的问题。这种“铝三角及有关图像分析”的复习教学不同于常规课,有利于学生形成知识源于客观实验事实的观念。

2.3 建构原料到产品工艺流程模型

学生活动：交流研讨。分析以下制备铝单质的工艺流程,建构原料到产品工艺流程模型。

常见的2种从铝土矿(主要成分是Al2O3,还含有SiO2、Fe2O3等杂质)制备铝的工艺流程见图5。已知SiO2碱溶时转化为铝硅酸钠沉淀。

图5 铝土矿制备铝的工艺流程

模型建构：原料到产品工艺流程模型见图6。

图6 原料到产品工艺流程模型

迁移应用：工业上利用水钴矿制备草酸钴晶体(CoC2O4·2H2O)的工艺流程见图7。

已知：①水钴矿主要成分为Co2O3、Co(OH)3,还含有少量Fe2O3、Al2O3、MnO 等杂质；②浸出液含有的阳离子主要有H＋、Co2＋、Fe2＋、Mn2＋、Al3＋等；③当金属离子浓度为0.01mol/L时,以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH(见表1)。

图7 制备草酸钴晶体(CoC2O4·2H2O)的工艺流程

表1 金属离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH

交流研讨：

(1)列出过程中钴元素的主要存在形式；

(2)指出主要操作步骤原理和作用,讨论各步加入试剂的目的；

(3)综合分析各步的化工生产条件,写出主要转化的化学方程式。

设计意图：通过构建工艺流程模型和迁移应用等活动,让学生掌握基本知识和技能,掌握化工工艺流程题解题的一般思路和方法。能运用离子反应、化学平衡分析解决化工生产问题。通过高阶思维活动建构工艺流程模型,设计真实情境迁移应用提高模型认识水平,促进学科核心素养的有效发展。

3 教学反思与建议

2017年版课程标准提出了5个维度的化学学科核心素养,将基本知识技能学习、化学思想观念建构、科学探究和问题解决能力结合起来,回答了“教什么”“怎么教”的问题。本教学案例,不仅帮助学生重建铝及其化合物转化关系图,还培养学生科学探究和证据推理等化学学科核心素养,是基于核心素养培育的高三化学复习教学案例。因此,结合本案例就高三化学复习教学,提出以下几点教学建议。

3.1 善于构建主题，突出核心概念

根据2017年版课程标准设置,构建合适的主题,实现从知识到核心素养的转化。如本案例中铝及其化合物复习教学的主题,设计3 个活动。第一,设计情境重整铝及其化合物转化关系图和基础知识网络；第二,设计溶液中pH 变化对铝元素存在形式影响的实验探究,突破铝及其化合物的教学难点,提升学生的科学探究能力；第三,设计工艺流程模型,巩固相关内容,达到迁移应用知识的目的,提升学生化学学科核心素养。

3.2 充分挖掘教学内容中特定价值，创设真实情境

这是高三化学复习有效教学的关键。既要有建构性的化学学习情境,如本案例中“无机阻燃添加剂”和“探究溶液中pH 变化对铝元素存在形式的影响实验”,又要有迁移性的化学学习情境,如本案例中“工艺流程模型的迁移应用”。同时,结合科学、技术、社会和环境问题的解决过程,实施教、学、评一体化的复习教学活动。

3.3 落实核心素养目标，优化教学主线

要明确教学内容主题和学习任务,结合真实情境,设计有价值的问题和教学评价。从核心知识、真实情境和核心素养3个方面设计教学主线,对一节课进行整体规划。如本案例中通过 “无机阻燃添加剂”建构铝及其化合物转化关系图,主要是落实 “宏观辨识与微观探析”素养；通过“探究溶液中pH 变化对铝元素存在形式的影响实验”,主要是落实 “科学探究与创新意识”素养；通过“构建工艺流程模型和迁移应用”,主要是落实“证据推理与模型认知”素养。基于核心素养培育的化学复习教学设计与实施,使高三化学复习教学不再是 “炒冷饭”式的教学,不再是只有知识的归纳整理,也不再是讲练的简单结合。提高了高三化学复习的有效性,更好地完成 “立德树人”的根本任务。