在化学实验教学中培养师范生的化学学科核心素养——以氨的催化氧化制取硝酸为例

高兆芬,余焕焕

(上饶师范学院 化学与环境科学学院,江西 上饶334001)

《普通高中化学课程标准》(2017年版)(以下简称《课程标准》)从目标、内涵和素养水平等三个层面上描述了化学学科核心素养,要求在化学教学中培养学生学科的思维方法,具备创新意识,学会科学探究,具有科学的态度和社会的责任。化学实验作为化学学科特有的、重要的实践活动,是落实学科核心素养的重要途径,具有不可替代的支撑作用。作为高等师范生的必修课程——《中学化学实验研究》的教学,就要本着培养学生化学学科核心素养的理念去进行教学设计,让师范生通过本课程的学习,提高对学科核心素养的认识,为未来从事教育事业打下坚实的基础。

1 借助实验,培养化学学科思维方式

《课程标准》明确指出：“化学学科核心素养是学生必备的科学素养,是学生终身学习和发展的基础。”学科核心素养是学科育人价值的集中体现,学科核心素养视域下的化学实验教学强调化学实验的独特作用和特有的教学功能。通过实验不仅要学生辨识实验现象,掌握实验的操作方法,而且要从实验的宏观现象中辨识反应的微观实质,清楚反应的原理及反应中涉及的诸多问题,运用学科思维的方式认识化学反应。

1．1 学会从多角度思考反应物的用量配比

在实施化学实验时,传统的教学会把反应原理的分析作为唯一的理论分析。化学学科素养的核心之一,是要学生掌握学科的思维方式,教师要引领师范生进行多角度多方位的分析,让学生学会分析的方法,增进对化学学科的理解。

如中学化学实验利用催化氧化氨气制硝酸的第一步反应为：4NH3＋5O2==4NO ＋6H2O,要在实验室实现这个反应,首先要考虑反应物的来源,NH3可以由氨水提供,也可以由铵盐与熟石灰或生石灰反应制得；O2可以从空气中获得,亦可通过KMnO4等药品反应制得。通过实验证明在常见的铵盐中氯化铵分解得到氨气的产率较高,教材中制备氨气选用的药品为氯化铵与氢氧化钙,通过实验对比用氯化铵与生石灰反应效果更好,反应生成的其他产物(如氯化氢气体、水蒸气等)能被生石灰吸收,有效地避免了反应的副产物对实验的干扰,所以,采用氯化铵与生石灰制取氨气较为合适。而氧气的制备则选用高锰酸钾分解制得,因为用高锰酸钾制取氧气快捷且高效。选定了反应物之后,就要考虑反应物原料的配比。所涉及的反应如下：

依据化学方程式的计量关系,如果不要考虑NO 转化为NO2所需要的氧气由KMnO4提供,而由集气瓶中空气中所含的氧气将NO 转化为NO2的话,那么所需原材料的质量m 比为m(KMnO4)∶m(NH4Cl)＝(10×158)∶(4×53．5)≈7．4∶1；如果要考虑NO 转化为NO2所需要的氧气由KMn O4提供,从氮原子利用率看,氨氧化产物与水反应生成硝酸的反应方程式为：4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3,则m(KMnO4)∶m(NH4Cl)＝(16×158)∶(4×53．5)≈11．8∶1。因考虑集气瓶中的氧气量较少,所以要增加KMnO4的量,而选用m(KMnO4)∶m(NH4Cl)＝12∶1。由上述反应可知氯化铵与氧化钙的质量比为m(NH4Cl)∶m(CaO)＝(2×53．5)∶56＝2∶1.05,因CaO 要吸收反应生成的HCl、H2O 及原料中带来的水分,所以在配料上要增加CaO 的用量。通过理论分析和实验探究得出最佳的用料质量配比为12 g的KMn O4、1 g NH4Cl和3 g CaO 作为氨的催化氧化反应物的最佳方案。

上述分析不仅让学生理清了反应原理,还从相关反应方程式中找到了药品用量配比的理论依据,使学生在认识化学反应的过程中掌握学科的思维方法,从而提升科学素养。

1．2 学会从多角度认识催化剂

催化剂是一种能改变化学反应速率的物质。在传统的化学教学中,教师只引导学生从催化剂本身的性质认识它：催化剂既可以加快反应速度也可以减慢反应速度,催化剂能参与化学反应,反应后又再现出来,质量和化学性质都不会改变。而忽视了从多角度的思维方式认识催化剂：一种催化剂可以催化不同化学反应,如Mn O2可以催化KCl O3的分解,亦可催化氨的氧化；同一个化学反应也可以用不同的催化剂进行催化,如氨的催化氧化,就可以选择不同的催化剂如Pt、Cu、Mn O2、Cr2O3、Fe3O4、Fe2O3、CoO、Cu O 等催化。因不同的催化剂其催化效果不同,要选择适宜的催化剂,则需要考虑多方面的因素。在氨的氧化中,有的催化剂毒性较大,使用时会造成环境污染,则需要进行实验残渣的处理(如Cr2O3),因而这类催化剂一般不会选用；有的催化剂在实验前要经过较复杂的预处理才能有好的催化性能(如Fe2O3和Co O),这种催化剂使用起来不方便,一般也不会用；有的催化剂比较昂贵,受条件限制也不会采用(如Pt)；有的催化剂不理想,达不到预期的实验效果亦不会采用(如铜丝Cu),等等。除了考虑这些因素外,还要考虑其安全性能和环保性能,据资料记载,如果选用氧化铜作为氨氧化的催化剂,不但催化效果好,而且在高温下氧化铜能被氨还原成铜：3Cu O＋2NH3＝3Cu＋3H2O＋N2,产生的铜可以防止实验发生爆炸。在高温下,铜又与氧气反应生成氧化铜。氧化铜是中学实验常用的化学药品,毒性较小,其价格也相对较便宜,选用氧化铜作为本实验的催化剂,无论是从理论、环保和安全等方面考虑都较为科学[1]。

引导师范生进行上述分析,一方面让师范生全面充分地认识催化剂,另一方面从思维的视角培养学生开拓思路,学会化学科学思维方法去分析相关问题。托尔斯泰认为：“知识,只有当它靠积极的思维得来,而不是凭记忆得来的时候,才是真正的知识。”也只有通过思维获得的知识,才是理解了的知识,知识的学习并不仅限于知识本身,更重要的是在学习过程中思维的培养。

2 借助实验,培养学生的创新意识

创新是科学发展的灵魂,有创新才有发展,培养学生创新意识是现代课程设计的重要目标。创新意识是指人类意识活动中的一种积极的表现形式,是人们进行创造活动的内在动力,并在创造活动中表现出的意向、愿望和设想。创新意识是化学学科核心素养的构成要素之一,教师应根据“科学探究与创新意识”素养发展水平和学业质量标准设计教学,培养师范生的创新意识,增强其创新能力,为将来从事中学教学工作做好准备。

如在氨的催化氧化的实验中,教材中没有相关实验装置图,我们就引导师范生自己设计实验装置,根据前面探究得出的结论,原料用12 g的KMn O4、1 g NH4Cl和3 g CaO,催化剂用CuO,反应中催化剂需要预热,制备氨气、氧气均要加热,那么就有三处地方需要加热。另外,通过多次实践,如果催化剂没有成柱状,氨气和氧气接触催化剂就不充分,实验效果就会较差,才有了将催化剂用玻璃纤维堵成柱状的思路,设计了如下装置(如下图1)[2]：

图1 实验装置(一)

考虑到上述装置比较复杂,且在课堂教学中不宜摆放,又引导师范生设计了较为简单的装置如图2。

图2 实验装置(二)

装置设计好后再引导师范生归纳选择氨的催化氧化装置需要考虑的因素：(1)反应物的状态；(2)反应条件；(3)催化剂的放置(要形成柱状)；(4)证明产物的性质；(5)尾气的吸收等。

实验完成后再组织师范生对实验的关键点进行梳理,得出下列结论：

(1)催化剂放入到硬质玻璃管中一定要形成柱状,并且松紧适中；

(2)要先对催化剂加热5 min左右,再加热KMn O4固体制取氧气,待烧杯中有连续不断的气泡产生时,再加热NH4Cl和CaO 固体混合物；

(3)控制好温度,尤其是要保持催化剂在较高温度下进行反应。

学科知识需要经过学习和理解(掌握知识的内在规律)、应用和实践(将知识运用到实践)、迁移和创新(知识的拓展)等关键能力活动,才能完成从具体知识到认识方式的外部定向、独立操作和自觉内化。通过实验的创新设计,一是使师范生完成知识的内化,二是培养科学创新的品质。

化学实验设计是实现培养化学学科核心素养的环节之一。传统教学模式下只重视教学的结果,而往往忽略了学习过程,不利于学生思维的开发以及创新意识的培养。在教学中有意识地让师范生参与实验设计并且进行实验的探究,就是要给他们以示范作用,使他们明确化学学科的特征是以实验为基础的,化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有着极为重要的作用,它不但可以启迪学生的科学思想,训练科学方法,还能培养科学探究的精神和创新意识。

3 借助实验,培养学生的社会责任感

化学课程学习的最终目的和价值追求,是要落实“立德树人”的根本任务。培养学生建立起对社会担当负责的意识是落实“立德树人”的根本任务之一,也是学科核心素养“科学态度和社会责任”所倡导的。让学生正视化学及其技术应用既有有利的一面,又可能存在危害,建立“绿色化学”的观念和培养“社会责任感”,是当前教学所必须关注的问题。化学是一门以实验为基础的学科,在实验教学之中,渗透社会责任感教育有其独特的优势。师范生是未来的中学教师,在高校培养他们的“社会责任感”尤其显得非常重要。

践行社会责任感,并不一定要做“高大上”的事情,保家卫国是践行社会责任感,爱岗敬业也是社会责任感,遵守实验规则,注意实验安全,注意环境保护也是社会责任感的体现。化学实验教学中常涉及危险品和高危风险操作,学生较容易涉及危险的相关操作和有毒有害试剂,通过化学实验室安全教育,我们可以让学生清醒地认识到：化学安全与我们每一个人都息息相关,它不仅关系到自身的安全,还关系到同处一室同学的安全,只有实验室里的每一个人都有安全的意识,整个实验室才有了安全的保障。正如在社会上,只有每个人都有社会责任感,每个人的行为举止都符合社会风范,符合社会安全的需要,这个社会中的群体才能活得有尊严、有安全感。

在高等师范的实验的教学中,要抓住时机让师范生树立安全意识,提高其社会责任感。如在氨的催化氧化的实验中,从安全角度让学生认识到几点问题：(1)涉及气体实验,要确保整个装置气体通畅,连接装置的橡胶导管在操作时不能发生扭曲,以免发生气体聚集而引发爆炸；(2)不用毒性较强的试剂(如Cr2O3),一方面可避免危害同学们的身体,另一方面避免造成环境污染,而选择毒性小的氧化铜(氧化铜在高温条件下被氨还原产生的铜还可避免实验发生爆炸)；(3)产生的尾气不能排放到空气中,要用药品吸收；(4)实验后残渣及废水要倒在指定的容器中集中处理,绝对不可随意倒入垃圾桶或下水道中,以免污染环境,等等。只有这样,学生才会在长期的学习中,增强社会责任心,培养其社会主人翁精神,进而提升师范生的社会责任行为能力。

在新课程理念下,人才的培养目标要求不仅要储备科学知识,更要提升学科素养,尤其对师范生而言,学科素养的培养更加要引起重视,因为他们的学科素养的达成直接关系到未来教育的发展和人才的培养。