基于真实问题情境培养化学学科核心素养的课堂研究

朱丽丽

摘要：以“金属钠的性质与应用”的教学为例，选择合适的真实情境，将零散的、无支撑的知识点串联起来。设置问题情境，激发学生思考的广度和深度，不断进行证据推理，达到构建完整的知识体系、建立科学的思维方法及提升能力的目的，实现学生化学学科核心素养的发展。

关键词：真实问题情境;证据推理;化学学科核心素养

文章编号：1008-0546（2021）01-0010-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.003

一、问题的提出

2018年教育部最新发布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》中明确提出五大化学学科核心素养，强调要重视开展“素养为本”的课堂教学。重视创设真实、具体的问题情境，重视课堂中知识与情境的结构化设计，注重转变学生的化学学习方式，引导学生积极主动开展建构学习、探究学习和问题解决学习，注重化学实验的绿色化设计，培养学生分析解决问题的能力[1]。如何将这一理念落实到日常教学中？对笔者来说是一个富有挑战的研究性课题。 本节课选自苏教版《化学1（必修）》专题二第2单元“钠、镁及其化合物”第1课时“金属钠的性质与应用”。本课时的主要知识结构关系图如图1：

知识内容多而杂，寻找合适、真实、有意义的学习情境，以问题为导向，既能将零散的知识串联起来，又能激趣和启思。查阅中国知网中关于本节课的教学情境研究，主要存在以下问题：①以金属钠的用途一如金属钠用于治疗肿瘤;用于冶炼贵金属钛;中国首座钠快中子实验堆等作为教学情境，虽然吸引了学生注意力，但只是引入新课，学生无法发现或提出有探究价值的化学问题;②以趣味实验一如滴水燃棉等作为教学情境，虽也让学生“因境生情”，但缺乏真实性和启思性，教学过程并不能围绕教学情境展开;③以钠起火的事故新闻作为教学情境，放大了负面效果[2];④以钠一空气电池作为教学情境[3]，贯穿始终，但已有的教学设计缺乏提问的深度与广度，并且情境素材若处理不当，很容易超纲，学生探究性趣味不浓。本研究基于真实问题情境，围绕学科核心素养的发展设计和实施教学，期望在真实情境中发现学科问题，在一步步的“猜想一推理一探究”中促进学科认识和核心观念的结构化，使学科核心素养开花结果。

二、设计思路

金属钠是高中学习的第一种金属，但之前学习的原子核外电子排布、氯气的性质以及氧化还原理论均为钠的学习做了铺垫。本节课，需要突破的重难点有①Na与O2在不同条件下的反应;②Na与水的反应;③Na202与水、CO2的反应。为了放大围绕核心知识的真实情境中的学科问题，笔者综合相关资料，最终选择用钠电池作为真实情境，并对信息素材进行符合认知发展的改编。因此，本课时教学主要分四个教学情境：钠一空气电池的提出一钠一空气电池的放电原理一钠一空气电池的工作环境一钠-CO2电池的工作原理。具体过程：首先，采用对比教学法，对比分析锂元素与钠元素的原子结构，理论推理钠一空气电池与锂一空气电池的放电原理可能存在相似性，从而激发学生主动进行实验探究。其次，以“钠一空气电池工作环境”为真实情境，提出问题一学生猜想一理论与实验相结合进行证据推理，核心物质一钠与钠的氧化物的性质及转化关系，在探究过程中逐步建立清晰的知识网络。为突破钠与水反应的实质，拓展钠与溶液的反应，深度挖掘教材素材，P15图1-10，从宏观与微观两个角度研究钠与硫酸铜溶液的反应，打开知识的深度与广度。最后，呈现钠-CO2电池，不仅体现知识的生长性，更体现化学应用之美。整个教学设计围绕一个真实情境一气呵成，核心知识更是在学生的头脑风暴中“呈现”出来，实现了“真实情境一提炼学科问题一证据推理一发展素养”的整体教学设计思路。具体教学流程设计如图2所示：

三、教学过程

任务一：分析钠一空气电池提出的原因

[情境导入]现在应用普及的锂离子电池大家都很亲切，但锂离子电池要想有大的电容量，其体积和质量都会很大，不便于使用。近几年科学家提出锂空气电池，其放电原理是锂与氧气的氧化还原反应。原料来源于空气，非常好地解决锂离子电池的问题，但是锂是稀有金属，价格较高。如何解决该问题呢？科学家又提出钠一空气电池。

[提出问题]科学家为什么能从锂电池联想到钠电池？请从原子结构、制备等角度思考。

[生1]锂的最外层电子数与钠相同，化学性质相似。

[生2]钠比锂便宜。

[追问]为什么钠比锂便宜？

[生3]钠元素在自然界中的储量丰富。

[追问]那么钠元素在自然界中的存在形式如何？制备原料又是什么？

[生4]钠元素以化合态形式存在。制备原料是NaCl。

[信息展示]每千克海水中氯化钠的含量。

[追问]如何通过NaCl制取钠？

[生5]电解熔融NaCl，2NaCl=电解=2Na+Cl2↑。

[小结]由于钠最外层只有一个电子，容易失去1个电子，具有较强的还原性，很难用还原法制备，常用电解法制备。因此，无论从结构还是制备角度，钠电池的推广都具有很高的价值。

设计意图：通过钠电池最新科技作为情境素材，内容经过重新设计后呈现给学生合适的刺激性材料信息，这些刺激性材料信息能够激发学生的好奇心。将书本上“裸露”的知識包装起来，使知识结合一定的情境材料呈现出来。本次情境使用的目的是让学生根据锂的信息，对比钠的学习，思考更具有方向性，同时，既提升信息提取能力、问题解决能力，又学习到钠的结构与制备等新知识。

任务二：分析钠一空气电池的放电原理

[提出问题]类比锂一空气电池，钠一空气电池中可能发生的反应是什么？

[材料呈现]锂一空气电池放电原理（电池内有催化剂）：4Li+O2=2Li2O

2Li+O2=Li2O2

[猜想]钠与O2反应产生Na2O、Na2O2

[学生实验1]探究钠与氧气反应

①取钠：观察钠保存环境，用镊子取出一块金属钠，并用滤纸擦干表面煤油。

②切钠：在玻璃片上用小刀切钠，观察切面光泽、颜色及发生的变化，将剩余钠放回瓶中。

③燃烧：将干燥的坩埚预热后，迅速放人绿豆大小的钠。继续加热坩埚待钠开始燃烧，撤去酒精灯，观察现象。

[结论]钠的物理性质有：银白色固体，质软，密度比煤油大，熔点比较低。

钠的化学性质有：与氧气反应条件不同，产物不同：

4Na+O2=2Na2O（白色）

2Na+O2=点燃=Na2O2（淡黄色）

[紧扣情境]钠一空气电池的放电原理（电池内有催化剂）：4Na+O2=2Na2O;2Na+O2=Na2O2

设计意图：通过对比锂一空气电池的放电原理，学生猜想钠与氧气反应的产物，主动探究钠与O2的反应，进而引出钠的物理性质。整个教学过程学生完成了问题驱动一合理猜想一实验探究一证据推理一得出结论一系列学习活动，既紧扣教学情境，又围绕核心知识，激发学生的学习兴趣和探究欲望。

任务三：分析钠一空气电池的工作环境

[资料呈现]①钠一空气电池的工作原理：

②工作环境：钠附近环境一无水;

氧气获得一去掉空气中的水蒸气、CO2成分。

[提出问题]请解释或猜想钠一空气电池为什么要处于这样的工作环境？

[生6]钠可能与水或CO2反应。

[生7] Na2O可能与水或CO2反应。

[追问]能否从物质类别角度评价你的猜想描述是否合理？

[生8]不合理。Na2O属于碱性氧化物，能与水反应生成可溶性碱，与酸性氧化物生成盐。不是可能是一定会反应。

[师点评]没错。Na2O+H2O=2NaOH;Na2O+CO2=Na2CO3。由于Na20更具有亲水性，因此在水蒸气和CO2气氛中，先与水蒸气反应生成NaOH，NaOH潮解后更容易吸收CO2。

[追问]还有其他合理的猜想吗？

[生9]Na2O2可能与水或CO2反应。

[师]接下来我们逐一验证猜想。

子任务1：检验钠与水反应的猜想

[学生实验2]探究钠与水的反应

用镊子取出一块绿豆大小金属钠，用滤纸吸干表面煤油。向一只盛约三分之一水的烧杯中投入钠。

[观察视角]钠在水中的位置、形状变化。

[实验现象]①钠浮在水面上;②熔成银白色小球;③四处游动;④冒白雾，发出嘶嘶响声。

[结论]①钠的密度比水小;②钠熔点低且反应放热;③钠与水反应剧烈，且产生气体。

[思考]请预测钠与水反应的产物，说出你的理论依据。

[生10]从物质组成分析，气体应该是H2或O2，还可能生成NaOH。

[生11]若生成NaOH，气体应该是H2，不可能是O2。理由①OH-来源于水电离，则H+被Na置换成H2。理由②从氧化还原理论思考，钠与水反应若生成NaOH，Na元素的化合价升高，必然存在化合价降低的元素，只能生成H2。

[追问]如何设计实验证明？

[生12]向反应后的溶液中滴加酚酞，若变红，说明生成碱性物质;用小试管收集反应产生的气体，用大拇指按住试管口，靠近火焰时，松开大拇指，若试管口产生清脆的爆鸣声，说明产生H2。

[点评]思路清晰，实验描述规范。我们只需要检验NaOH，理论分析气体肯定是H2。

[继续实验]向反应后的溶液中滴加2滴酚酞。

[实验现象]溶液变红。

[结论]钠与水反应生成碱性物质。

（板演）2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

[小結]钠与水反应实质是钠置换水电离的H+。这也解释了钠一空气电池要保持无水环境。

设计意图：选择钠一空气电池的工作环境作为情境素材，使学生的思辨具有广度：从反应物和生成物的角度，猜想与水蒸气或CO2的反应;又有深度：从物质类别角度解释Na22的化学性质，并思考在水蒸气和CO2混合气体中的反应顺序。对物质类别与转化、反应先后顺序增强认知。同时，在该教学过程中，学生经历了分析一猜想、解释一实验探究一现象分析一理论分析一再探究一再分析一得出结论的一系列学生活动。在理论分析钠与水的反应产物时，生生间相互补充观点，产生了非常良好的互动力。本阶段帮助学生建立两个学习视角：①从物质类别和氧化还原理论分析物质性质;②从宏微结合的视角推理、检验物质的性质。

子任务2：基于钠与水的反应事实，分析钠与溶液的反应

[提问]钠与CuSO4溶液又如何反应？

[生13]钠先与水反应，生成NaOH和H2，NaOH再和CuSO4反应产生Cu（OH）2。（观点1）

[生14]钠直接置换出Cu。（观点2）

[学生活动]板演方程式，用化学方程式表述反应过程。

[师]无法说服对方的观点时，我们又应该怎么办？

[异口同声]实验。

[学生实验3]钠与CuSO4溶液反应

用镊子取出一小块绿豆大小的金属钠，用滤纸吸干表面煤油。向一只盛约三分之一 CuSO4溶液的烧杯中投入钠。

[实验现象]①钠浮在水面上;②熔成银白色小球;③四处游动;④冒白雾，发出嘶嘶的响声;⑤溶液中产生蓝色絮状沉淀。

[提问]实验现象能证明是哪种观点？

[异口同声]观点1正确。