基于思维模型建构的“物质转化”的教学实践

郝秀芳 何文杰 刘晓军

摘要：以学生自主建构“物质转化”思维模型为目标来设计教学，以自然界中“氮循环”的真实情境来贯穿整个教学设计，引导学生开展科学性探究活动。通过氮循环中含氮物质转化的探究任务，促使学生自主调用价类二维的认识角度，经历多样化的思维发展过程，建构物质转化的思维模型，从而提高学生解决陌生物质转化问题的能力，培养学生“证据推理与模型认知”“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

关键词：思维模型建构;氮循环;含氮物质转化;化学核心素养

文章编号：1008-0546（2020）01-0046-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.014

一、问题的提出

2017版《高中化学课程标准》以学科核心素养为导向，针对不同内容主题进行了修订。其中“物质转化”属于必修课程主题2“常见无机物及其应用”，该部分是培养学生学科核心素养的重要内容之一。例如基于价类二维的元素观认识物质性质及转化，能够很好地发展学生宏观辨识与微观探析的素养;通过化学反应探索物质性质、实现物质转化，体会物质性质及转化的价值，能够培养学生科学态度和社会责任的核心素养。而“证据推理与模型认知”素养作为化学学科核心素养的思维核心，包括五大培育目标：学会假设、学会认证、学会分析、学会预测与建模、学会问题解决。其中建模的过程就是学生对学习的知识进行深入剖析，抓住其本质内容进行思维的建构，最终用具有普遍意义的分析模型来解决一系列的相关问题。物质转化类问题综合性强，对学生的思维能力要求高，因此对于新高一学生而言，如果能够深入到知识的本质，建构起物质转化的思维模型，则能够实现从认识角度到认识思路的提高，提升其解决复杂实际问题的化学学科能力。

物质的性质及转化主要体现在无机元素化合物的学习中，从金属及其化合物（Na、Fe）到非金属及其化合物（CI、S、N），内容编排顺序越靠后，其综合性越强，越适合用于建构物质转化的思维模型。本文选择“氮及其化合物”作为教学内容，主要通过探究氮循环中含氮物质的相互转化来构建研究物质转化的思维模型，以使学生在陌生复杂的实际体系中能够进行迁移应用。教学以真实学习背景和整体性学习代替去情境化和碎片化的教学，以证据推理和实验探究代替单一的“讲与记”，以基于元素观的物质性质和转化的认识代替单一的具体代表物的性质学习，促进学生正确价值观、关键能力及必备品格的形成和发展。

二、解决“物质转化”类问题的思维模型

解决“物质转化”类问题的模型如图1所示。首先观察原料与目标产物，从物质类别与核心元素价态的角度预测物质性质，然后依据复分解或者氧化还原的原理，选择合适的反应试剂、设计转化路径，再通过实验实现物质的转化，最终检验目标产品。

三、基于思维模型建构的“物质转化”教学设计与实施

1.教学内容分析

“氮及其化合物”是人教版必修1第四章第三节的内容，是培养学生化学学科能力的重要内容。作为必修1元素化合物学习中的最后一种元素，氮及其化合物充分体现了物质类别和价态的丰富性与多样性。同时，将含氮物质转化的知识主线贯穿于真实的氮循环情境中，也能够让学生在真实情境中实现学与用的融合。

本节课将“氮及其化合物”的内容进行有机整合，以氮循环作为真实情境载体，以大气中的氮气到土壤中硝酸盐的转化、氮气到氨气的转化作为驱动性任务，帮助学生自主调用价一类认识角度，通过路径设计、实验探究，最终建构研究物质转化的思维模型。

2.学生情况分析

在学习本节课之前，学生已经能够从物质类别和元素化合价态两个角度认识物质，预测物质的化学性质，但是尚未形成研究物质转化的一般思路和方法，主要障碍点在于：依据原料与目标产物设计转化路径的能力有欠缺，还未能建立起研究物质的两个角度与转化之间的关联。

3.教学目标

通过探究含氮物质的转化，使学生能够自主调用价—类认识角度，形成研究物质转化的一般思路和方法;

掌握N2、NO、NO2的化學性质;

建立从转化的角度学习物质性质的新途径，培养学生科学探究的精神;

通过人类参与氮循环带来的利弊体现人与自然的关系，培养学生的社会责任感和可持续发展观。

教学重点：N2、NO、NO2的性质

教学难点：N2→NO3^-（硝酸盐）转化路径的设计、NO2与水反应的实验探究

4.模型建构策略及实施环节

（1）探究大气中的氮气到土壤中硝酸盐的转化（N2→NO3^-），初步建构模型

①认识自然界的氮循环

【教师活动】展示自然界的氮循环图（如图2），让学生解读氮循环。

【学生活动】观察并阅读自然界的氮循环图（如图2），描述氮在自然界是如何循环的。

设计意图：通过解读氮循环图，使学生了解氮在自然界的主要存在形式及含氮物质间的转化关系，培养学生解读图表的能力;同时认识到自然界的氮处于一个稳定的平衡状态，为后续修复氮平衡做铺垫。

②设计N2→NO3^-的转化方案

【教师活动】分析自然界的两条固氮路径——雷电固氮和生物固氮，寻找与动植物密切相关的核心含氮化合物——硝酸盐（NO3^-）、氨（或铵盐），提出问题：雷电作用下，N2是如何转化为硝酸盐的？

【学生任务】自然界一定条件下大气中的氮气可以转化为硝酸盐。请参考所给资料卡片（如图3），尽可能多地设计转化路径，并写出设计依据。

学生小组讨论：从N2→NO3^-，氮元素的化合价升高，必然要先和氧化剂反应，大气中的氧化剂是O2，生成的物质是氮氧化物NxOy。最终要得到硝酸盐，可以先得到硝酸，硝酸在碱性条件下可以得到硝酸盐。

方案1：N2→NO→NO2→HNO3→NO3^-，

方案2：N2→NO2→HNO3→NO3^-

教师追问：为什么最终的氮氧化物是NO2呢？

学生回答：因为资料显示，NO2易溶于水，在水中发生歧化反应，所以能够得到HNO3，同时也必然生成一种低价态的含氮物质。

继续追问：NO2为什么能在水中发生歧化反应呢？

学生回答：因为+4价是氮元素的中间价态，既可以升高，也可以降低。

教师：总结一下，你是基于哪个角度来设计转化路线的？

学生回答：氮元素的化合价。

教师点评：设计物质转化路径，可以基于核心元素的化合价。

教师追问：你是如何想到转化过程中会有N2O5生成呢？

学生回答：因为资料中显示N2O5的水溶液呈酸性，而N2O5中氮的化合价是+5价，而HNO3的化合价也恰好是+5价。

继续追问：根据这个现象，你能推测出N2O5是一种什么物质吗？

学生：N2O5是酸性氧化物，它能够和水反应生成相应的酸。

教师点评：你是从哪个角度来设计方案的？

学生：物质的类别性质

教师点评：可以依据物质的类别性质设计相应的转化路径

设计意图：让学生解决复杂实际问题，明确价类认识角度，并且自主调用认识角度，预测含氮物质的化学性质，设计转化路径。学生汇报转化路径时，教师通过不断追问，能够让学生外显出价类的认识角度和基于氧化还原反应的推理思路。

③实验探究N2→NO3^-的转化

本环节中，学生将通过实验探究来验证所提方案的正确性。首先是验证从N2→NxOy的猜想。课前，教师借助如图4所示的高压放电装置，实时拍摄了10分钟内瓶中N2和O2在高压放电条件下的反应，并设置对照组。

通过课上播放视频，学生能够直观、清晰地看到瓶中气体的颜色逐渐由无色变为红棕色，且随着时间的推移，红棕色逐渐加深，证明反应中确实生成了红棕色的NO2气体，但是这并不能说明没有其他氮氧化物的存在，此时教师需要从科学事实的角度进行解释：N2与O2的反应经历了N2→NO→NO2的过程，并且让学生书写化学反应方程式。

接下来探究的是NO2与H2O的反应，布置学生实验任务：先预测NO2与水反应的气体产物的成分，再设计实验进行验证。提供实验用品：50mL注射器2支（编号①装NO2，编号②装水）、三通阀、pH试纸。

【学生活动】小组讨论，根据氧化还原反应，预测生成的还原性气体可能是：NH3、N2、N2O、NO或H2。设计实验方案，进行实验探究，并观察实验现象，将实验步骤和实验现象填于实验记录表中（见表1）。

学生探究实验的实物操作图（图5）和相应的操作流程解说图（图6）如下。

设计意图：本环节巧妙地将传统的教师演示实验转变为开放性的学生动手探究实验。学生利用绿色的微型化实验仪器进行小组合作探究，亲身体会到NO和NO2之间的相互转化，验证了从NO2到HNO3的转变，同时思考实验改进，将化学知识与工业生产硝酸相联系。

【学生活动】总结N2、NO、NO2的物理性质（颜色、水溶性）和化学性质。

设计意图：阶段性的小结能够让学生落实重要含氮物质的性质。

（2）探究N2→NH3的转化，完善模型

提问1：采用雷电固氮的方式适合工业生产吗？

学生回答：不适合，不仅成本高，而且不安全。

提问2：自然界还可以利用哪种方式进行固氮？

学生回答：利用生物固氮的方式，将氮气转化为氨气或者铵盐。

提问3：你能否利用化学方法，实现从氮气到氨气的转化？

学生回答：N2和H2合成NH3。

【教师活动】结合史料讲解科学史实——百年合成氨工业。

设计意图：本环节旨在完善认识思路，引导学生全面看待物质的化学性质，能够从N2氧化性出发设计新路线。教师通过讲解科学史料——百年合成氨工业，能够让学生有创造性地体验、感受到科学研究的伟大，同时也丰富了人类活动参与下的氮循环，如图7所示。

（3）修复氮平衡，应用模型

自然界的氮是守恒的，但是人类活动的参与破坏了原本的氮平衡，造成了一系列的污染问题。如机动车尾气中含有大量对人体有害的氮氧化物，那么如何能够减少氮氧化物的含量？

设计意图：以社会热点问题引发学生思考，使学生能够应用氧化一还原的化学原理解决环境问题，修复氮平衡，实现人与自然的和谐相处。

（4）知识总结

【学生活动】在价一类二维图中完成氮循环过程中含氮物质的转化关系。

【教师活动】讲解自然界硝化细菌和反硝化细菌的作用，在价一类二维图中呈现完整的氮循环图（见图8，其中氨、铵盐、硝酸的性质将在后续课程中讲解），并提炼研究物质转化的一般思路和方法。

为检验本次教学改进的效果，以开放性试题对学生进行测试，其中以“亚硝酸的性质推测及转化路线设计”“亚硝酸钠的定量检测”及“生活污水中含氮物质的处理”作为锚题，以传统教学班和以模型建构方式教学的试验班为测试对象，通过对比两个班前、后测的作答的正确率可以看出，在前测成绩相差较小的基础上，试验班学生后测成绩（正确率67.25%）远高于传统班（54.80%），如图9所示。通过“模型建构”方式学习的学生，其推理预测物质性质的能力和创造性解决实际问题的能力得到了大幅提升。

四、教学特色及反思

1.教学特色

（1）采用真实的氮循环情境贯穿教学设计，以含氮物质的转化作为主线，以真实的驱动性问题促使学生自主调用“价一类”认识角度，引导学生进行性质预测、方案设计、概括解释等活动，最终形成建立研究物质转化的思维模型，发展学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。同时，借助固氮与修复氮，帮助学生體会物质性质及其变化在促进社会可持续发展方面的应用，培养学生的辩证思维、“科学态度与社会责任”的核心素养。

（2）充分运用实验观察和启迪思维的教学策略，组织和开展学生分组实验探究活动，创新性地借助注射器的微型化装置，将“NO2与水反应”的演示实验变为开放性的学生动手探究实验，让学生能够亲身体会NO、NO2、HNO3之间的转化，实验设计呈现出直观、开放、环保、学生参与度高的特点。

2.教学反思

（1）教师应该信任学生的能力，把握好学生活动的开放度

本次教学中，NO2→HNO3的实验探究先后经历了两次修改，由最初程序性的验证性实验→开放性大的实验探究→搭台阶式的开放性实验探究，最终的教学实践表明：合适的开放度、具有挑战性的任务能够更好地激发学生的探究热情，培养科学探究的能力。

（2）任务的指向性应该具体而明确

教师在布置任务时，任务的指向性要明确且具体。在转化路径设计环节中“写出设计依据”较为笼统，应表述为“写出加入试剂的原因”，便于让学生清晰地了解要求，更有针对性地思考和回答。