促进教学内容结构化的化学教学

2021-11-24王星乔滕瑛巧包朝龙

化学教与学 2021年3期

王星乔滕瑛巧包朝龙

摘要：依据课程标准“教学内容结构化”的要求，以“基于知识关联的结构化”“基于认识思路的结构化”“基于核心观念的结构化”等内容结构化的三种主要形式为切入点，以“搭建钠桥结构、铺垫知识关联，运用POE策略、明晰认识思路，强化性构相依、揭示核心观念，解决实际问题、构建认识模型”为教学主线，设计了“活波的金属单质——钠”一课，实现从“双基”教学到“素养为本”教学的变迁。

关键词：结构化;金属钠;POE策略;认识模型

文章编号：1008-0546（2021）03-0063-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.015

一、教学内容及现状分析

本课时是人教版新教材（2019年版）第一册“钠及其化合物”第1课时新授课。本课时主要内容包括钠单质与非金属单质及水的反应[1]。在这之前，教材已经安排学习了物质分类、离子反应、氧化还原反应等核心概念与理论知识。金属钠的学习既可以为前面所学习的物质分类、化学反应的分类补充丰富的感性认识材料，又可以为后面继续学习其他元素及其化合物、建构物质结构和元素周期律等理论知识打下基础。教材在编写本课题时注重引导学生建构研究思路和方法。例如，钠与水的反应，教材将其设计成探究性实验，要求学生从物质组成、元素价态的角度对金属钠的性质作出推断和预测，然后进行实验探究，对实验现象进行记录、分析与解释，最后得出结论。因此，教材以金属钠为载体，致力于建构元素及化合物的认识模型，有利于认识思路的结构化，为后续其他元素化合物内容的学习奠定了基础。

经文献检索，张迎霞运用建构主义理论和知识逻辑、研究物质的方法两条主线进行“金属钠的性质与应用”教学设计[2];成际宝、高翔以“金属钠的性质及应用”为例，阐述了如何运用思维导图提升学生的核心素养[3];刘文兵着重从培养学生风险认知和决策能力角度设计了本节课[4];张玉娟[5]、王保强[6]则以钠电池作为情境载体，通过问题的分析与解决完成相关知识的学习与理解，培养学科核心素养。综上，已有文章从不同视角开展素养为本的教学，但尚未发现以“教学内容结构化”为视角的“活泼的金属单质——钠”相关教学设计。

二、教学思想与创新点

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出：化学教学内容的组织，应有利于促进学生从化学学科知识向化学学科核心素养的转化，而内容的结构化则是实现这种转化的关键。“基于知识关联的结构化”“基于认识思路的结构化”“基于核心观念的结构化”是内容结构化的三种主要形式[7]。

1.基于知识关联的结构化

与“知识散点化”“知识碎片化”不同，基于知识关联的结构化是按照化学知识的内在逻辑关系构建知识网络，将零散、孤立的知识织成相互联系的一个整体，进而形成良好的知识结构。高中阶段常见的钠及其重要化合物有Na、Na2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3等，本节课利用“桥”的模型结构，依据钠与重要化合物的转化关系，按照“由点引线，由线连网”的方式搭建钠桥（见图1），促进知识结构化，有利于知识的提取与迁移。

2.基于认识思路的结构化

基于认识思路的结构化是从學科本原对物质及其变化认识过程的一种概括。知识只有变为自觉主动的认识角度和认识思路才能转化为学科能力和学科素养。因此，元素化合物的新课教学不能停留在介绍代表物性质的描述说明水平。相反，通过新授课的学习使学生初步形成基于物质类别、元素价态的认识角度，能依据认识角度预测物质性质。本节课通过精心设计的学习活动任务，运用POE教学策略[预测（P）-观察（O）-解释（E）][8]，帮助学生逐渐建立认识角度，形成特定认识角度的认识思路。

3.基于核心观念的结构化

化学基本观念是指学生所获得的对化学的总观性认识，具体表现为个体主动运用化学思想方法认识身边事物和处理问题的自觉意识或思维习惯，包含元素观、微粒观、变化观、实验观、分类观和化学价值观等[9]。化学核心观念对化学知识的学习具有自上而下的引领作用，与此同时，化学核心观念需要借助具体的化学知识由浅入深地揭示出来。

金属钠是高中阶段学生最先接触到活泼金属单质的典型代表，需充分发挥典例的价值，通过本节课的学习需帮助学生抽象出“结构决定性质”“化合价反映性质”“分类演绎性质”“性质决定用途、制备与保存”等物质性质认知的核心观念。为促进认识思路、核心观念的显性化、结构化，课堂教学中构建同类内容学习的认识模型、实践模型：利用物质的类别、价态及转化规律预测未知物质的性质，然后设计实验，获取证据，如果事实与理论不符，修正认识模型;物质的性质是由结构决定的，性质也决定了物质的用途、制备、保存。基于模型解决新情境下陌生问题，实现从化学学科知识向化学学科核心素养的转化（见图2）。

三、教学目标

（1）能够说出金属钠的物理性质、化学性质，能运用化学符号描述相关变化，初步形成“结构决定性质、性质决定用途”的观念;

（2）通过“钠桥”的构建形成钠及其化合物之间转化关系的认识;

（3）初步形成基于物质类别和元素价态对物质性质进行预测和检验的认识模型;

（4）通过天津港事故的分析及处理方案的设计，形成合理使用、保存化学品的意识，增强参与社会问题决策能力。

四、教学流程

教学流程见图3。

五、教学过程

1.搭建钠桥结构，铺垫知识关联——列举含钠的化合物

[教师]同学们好。我是王星乔老师，当然我是“乔”木的乔。今天我给同学们搭“木”建“桥”，利用桥这一模型学习金属钠。

[PPT]杭州湾跨海大桥图片（见图4）（在黑板上顺势画下斜拉桥的索塔和主梁）。

[设问]根据前面学习的物质分类，纯净物分为单质和化合物，单质指的就是金属钠，含钠的化合物又有哪些呢？请同学们列举你所知道的含钠化合物。

[学生]氧化钠、氢氧化钠、碳酸钠、氯化钠、碳酸氢钠等（学生边回答教师边在黑板上主梁相应位置写上化学式）。

2.运用POE策略，明晰认识思路——探究金属钠的化学性质

[设问]根据金属的通性以及我们前面所学物质转化内容，请你来预测下金属钠能否转化为氧化钠，如果可以，跟哪种物质反应可以实现这样的转化？你预测的依据是什么？

[预测（P）]氧气。根据第一章所学物质转化规律，金属单质可以与氧气反应转化为金属氧化物。

[学生实验]取一小块金属钠，用滤纸吸干表面的煤油，用小刀切去一端的表层，观察表面的颜色;将其放置在空气中，观察表面颜色的变化。

[教师]刚才实验中同学们观察到哪些现象？钠具有哪些性质？

[观察（O）]钠的质地较软，刚开始切面是银白色的，过一会儿就变暗了。

[追问]为什么会变暗呢？

[解释（E）]可能是被氧气氧化。

[教师]确实如此，宏观现象的本质是微观粒子的变化。金属钠露置在空气中与氧气反应生成了氧化钠。接下来我将改变反应的条件——对反应物进行加热，产物会变化吗？

[预测（P）]可能会发生变化，初中时学过铁在不同温度下与氧气反应产物就不同。

[演示实验]（见图5）

[观察（O）]易拉罐底部金属钠受热熔化，发出黄色火焰，冷却后得到淡黄色物质。

[解释（E）]金属钠在空气中燃烧得到的淡黄色物质是过氧化钠，反应条件不同产物不同。

[设问]氧化钠能与水反应转化成氢氧化钠，钠能否直接与水反应转化成氢氧化钠？

[学生实验]向一只盛有水的小烧杯中滴加几滴酚酞溶液，然后投入一小块（约绿豆般大小）金属钠。

[观察（O）]钠浮在水面上、熔成一个小球、四处游动，且发出“嘶嘶”的响声、滴有酚酞的水溶液逐渐变红。（浮在水面，熔成小球、四处游动、嘶嘶响声、溶液变红）谐音——芙蓉又想红。

[解释（E）]钠的熔点低、密度比水小，反应产生了气体推动钠移动，生成碱性物质。

[追问]刚才的实验证明确有氢氧化钠生成。产物除了氢氧化钠，另一种产物是什么呢？说说你的依据。

[预测（P）]从化合价来看，金属钠被氧化，化合价上升，必有另一种元素化合价下降，那只能是氢;从原子个数比来看，水中氢氧是2：1，而氢氧化钠中是1：1，应该是氢气。

[演示实验]收集、检验于一体的注射器改进实验[10]（图6）。

[观察（O）]有可燃性气体生成。

[解释（E）]钠的确可以与水反应生成氢气。钠与水反应的实质是与水中的氢离子反应，当然，金属钠也可与盐酸反应。

[练习]钠与盐酸反应方程式（2Na+2HCl=2NaCl+H2↑）。

[设问]钠与盐酸反应有氯化钠生成，金属单质与酸反应生成盐（NaCl）。除此之外，钠还能与哪种物质反应生成氯化钠？说说你的依据。

[学生]氯气。金属单质可以与非金属单质反应生成盐。

[设问]由金属活动性顺序可知钠是排在比较前面的金属，如果把钠放入硫酸铜溶液中，可能观察到什么现象？

[预测1（P）]可能观察到红色固体析出，金属钠置换出铜单质。

[预测2（P）]可能观察到蓝色絮状沉淀，因为钠能和水反应生成氢氧化钠。

[教师]那如何证明我们的推测是否正确呢？——实验是化学的最高法庭。

[活动探究]钠与硫酸铜溶液反应。

[观察（O）]钠四处游动，剧烈燃烧，产生蓝色絮状沉淀。

[设问]为什么会生成蓝色沉淀，这个反应的实质如何？

[解释（E）]钠先与水反应产生了氢氧化钠。在水溶液中，离子被水分子包围，金属钠先与水分子接触发生反应。

[追问]如果钠与盐要发生置换反应，应该在什么条件下？

[学生]无水条件下。

3.强化性构相依，揭示核心观念——钠的结构、用途、制备

[PPT]金屬钠用途的几张图片（见图7）。

[设问]金属钠的这些用途中体现了钠的哪些性质呢？

[学生]在熔融状态下钠可从钛、锆、铌、钽等金属的氯化物中置换出金属单质，体现了金属钠的强还原性;钠的导热性好，可用于快中子反应堆作热交换剂;高压钠灯常用于道路照明，说明钠可发出黄光且透雾能力强。

[教师]此外，钠可在氧气中燃烧生成过氧化钠，可作为呼吸面具中的供氧剂。这就体现了“性质决定用途，，。

[设问]为何钠的性质如此活泼，性质又是由什么因素决定的呢？

[学生]钠有11个核外电子，分三层排布，其中最外层电子数为1，非常容易失去一个电子变成最外层为8电子的稳定结构。

[教师]对，这就是结构决定性质。那么，在自然界钠以什么形式存在？有单质钠吗？我们是如何获得金属钠的？

[学生]都以化合态存在。

[教师]钠离子非常稳定，要使它变成钠单质很困难。人类很早就能冶炼铁、铜等金属，但钠直到19世纪戴维电解熔融氢氧化钠才制得。NaOH是否为最佳原料？

[学生]不是，NaCl要优于NaOH，其储量丰富、易得、价廉。

[设问]制得的金属钠如何保存？

[学生]金属钠应保存在煤油或石蜡油中，贮存于通风、阴凉、干燥处，不能与水接触。

4.解决实际问题，构建认识模型——妥善保存、合理使用化学品

[视频]主要内容：2015年8月12日晚，天津港发生大爆炸，爆炸原因基本确认，是仓库内金属钠遇到水后引发爆炸（见图8）。

[讨论]如果你是消防员，金属钠发生火灾后如何处理？

[学生]金属钠发生火灾后应在做好自我防护措施的基础上，将金属钠尽可能收集保存于煤油或石蜡中，不能用水、泡沫灭火器灭火，可以用沙子。

[资料]GB/T 22379-2017规定（节选）[川：

工业金属钠采用双层包装。外包装采用铁桶包装，内包装采用双层聚乙烯塑料袋。包装时将袋内空气排净后，扎紧袋口。运输时应用密闭的运输工具，严防有水进入包装桶内。运输中注意防水、防热、防撞击，远离易燃物。工业金属钠应贮存于通风、阴凉、干燥防火的库房内，要隔绝热源、火种与氧化剂、酸类。凡与金属钠接触的操作人员，应遵守下列规则：操作人员应佩戴安全防护面罩，穿化学防护服，戴橡胶手套。在发生火灾情况下，可使用干沙、干粉、石棉布灭火，不应使用水及泡沫、酸碱、四氯化碳、二氧化碳灭火器灭火。

[设问]今后遇到一种陌生无机物你将如何预测、研究其性质？

[学生]……

[总结]这节课从知识层面来看，我们学习了钠的性质、用途、制备、保存等内容;更重要的是希望同学们通过本节课的学习掌握元素化合物内容的学习方法，利用物质的类别、价态及转化规律预测未知物质的性质，然后设计实验，获取证据，如果事实与理论不符，修正认识模型。当然物质的性质是由结构决定的，性质也决定了物质的用途、制备、保存。今天的钠桥与我们的人生之桥何其相像，希望同学们能回首过去、把握现在、展望未来。

六、教学反思

教學内容的结构化是实现从化学学科知识向化学学科核心素养转化的关键。教师在进行教学设计时需进行深度思考：本单元、本节课核心知识间的逻辑关系如何？用何种方式表达核心知识间的逻辑关系（概念图、价类二维图等）？从哪些认识角度人手探求核心知识从而形成特定的认识思路？可否对认识思路进一步提炼、概括形成具有统摄性的核心观念？此外，教师应依据预设的教学目标，设计驱动性学习任务，融合核心知识、方法和观念等，连接核心知识间的逻辑关系，促进学生认识思路、核心观念的结构化，为今后同类问题解决提供认知模型，实现从“双基”教学到“素养为本”教学的变迁。

参考文献

[1]王晶，毕华林.普通高中教科书化学必修第一册（M）.北京：人民教育出版社，2019：32-35

[2]张迎霞.“金属钠的性质与应用”教学实录及反思[J].化学教与学，2016（6）：57-59

[3]成际宝、高翔.利用思维导图提升学生化学核心素养的探索——以“金属钠的性质与应用”为例[J].化学教学，2017（5）：41-45

[4]刘文兵.基于风险认知和决策能力培养的元素化合物教学——以“钠的性质”为例[J].化学教育，2018（11）：23-27

[5]张玉娟.基于化学学科核心素养的教学实践——以“钠的性质和应用”为例[J].中学化学教学参考，2017（6）：25-27

[6]王保强，陆广洁等.情境线和知识线融合的“金属钠的性质和应用”教学设计[J].化学教育，2019（1）：23-26

[7]中华人民共和国教育部普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：70-71

[8]孙宇红，耿亚萍.基于POE教学策略和比较思维的教学——以“碳酸钠和碳酸氢钠的性质”为例[J].北学教育，2020（1）：24-29

[9]毕华林，万延岚北学基本观念：内涵分析与教学建构[J].课程·教材·教法，2014（4）：76-83

[10]刘玉荣，王阳.钠与水反应的改进实验综述及新设计[J].化学教学，2018（12）：75-s0

[11]GB/T 22379-2017.工业金属钠[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，2017