促進教學內容結構化的化學教學

王星喬 滕瑛巧 包朝龍

摘要：依據課程標準“教學內容結構化”的要求，以“基于知識關聯的結構化”“基于認識思路的結構化”“基于核心觀念的結構化”等內容結構化的三種主要形式為切入點，以“搭建鈉橋結構、鋪墊知識關聯，運用POE策略、明晰認識思路，強化性構相依、揭示核心觀念，解決實際問題、構建認識模型”為教學主線，設計了“活波的金屬單質——鈉”一課，實現從“雙基”教學到“素養為本”教學的變遷。

關鍵詞：結構化;金屬鈉;POE策略;認識模型

文章編號：1008-0546（2021）03-0063-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.015

一、教學內容及現狀分析

本課時是人教版新教材（2019年版）第一冊“鈉及其化合物”第1課時新授課。本課時主要內容包括鈉單質與非金屬單質及水的反應[1]。在這之前，教材已經安排學習了物質分類、離子反應、氧化還原反應等核心概念與理論知識。金屬鈉的學習既可以為前面所學習的物質分類、化學反應的分類補充豐富的感性認識材料，又可以為后面繼續學習其他元素及其化合物、建構物質結構和元素周期律等理論知識打下基礎。教材在編寫本課題時注重引導學生建構研究思路和方法。例如，鈉與水的反應，教材將其設計成探究性實驗，要求學生從物質組成、元素價態的角度對金屬鈉的性質作出推斷和預測，然后進行實驗探究，對實驗現象進行記錄、分析與解釋，最后得出結論。因此，教材以金屬鈉為載體，致力于建構元素及化合物的認識模型，有利于認識思路的結構化，為后續其他元素化合物內容的學習奠定了基礎。

經文獻檢索，張迎霞運用建構主義理論和知識邏輯、研究物質的方法兩條主線進行“金屬鈉的性質與應用”教學設計[2];成際寶、高翔以“金屬鈉的性質及應用”為例，闡述了如何運用思維導圖提升學生的核心素養[3];劉文兵著重從培養學生風險認知和決策能力角度設計了本節課[4];張玉娟[5]、王保強[6]則以鈉電池作為情境載體，通過問題的分析與解決完成相關知識的學習與理解，培養學科核心素養。綜上，已有文章從不同視角開展素養為本的教學，但尚未發現以“教學內容結構化”為視角的“活潑的金屬單質——鈉”相關教學設計。

二、教學思想與創新點

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出：化學教學內容的組織，應有利于促進學生從化學學科知識向化學學科核心素養的轉化，而內容的結構化則是實現這種轉化的關鍵。“基于知識關聯的結構化”“基于認識思路的結構化”“基于核心觀念的結構化”是內容結構化的三種主要形式[7]。

1.基于知識關聯的結構化

與“知識散點化”“知識碎片化”不同，基于知識關聯的結構化是按照化學知識的內在邏輯關系構建知識網絡，將零散、孤立的知識織成相互聯系的一個整體，進而形成良好的知識結構。高中階段常見的鈉及其重要化合物有Na、Na2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3等，本節課利用“橋”的模型結構，依據鈉與重要化合物的轉化關系，按照“由點引線，由線連網”的方式搭建鈉橋（見圖1），促進知識結構化，有利于知識的提取與遷移。

2.基于認識思路的結構化

基于認識思路的結構化是從學科本原對物質及其變化認識過程的一種概括。知識只有變為自覺主動的認識角度和認識思路才能轉化為學科能力和學科素養。因此，元素化合物的新課教學不能停留在介紹代表物性質的描述說明水平。相反，通過新授課的學習使學生初步形成基于物質類別、元素價態的認識角度，能依據認識角度預測物質性質。本節課通過精心設計的學習活動任務，運用POE教學策略[預測（P）-觀察（O）-解釋（E）][8]，幫助學生逐漸建立認識角度，形成特定認識角度的認識思路。

3.基于核心觀念的結構化

化學基本觀念是指學生所獲得的對化學的總觀性認識，具體表現為個體主動運用化學思想方法認識身邊事物和處理問題的自覺意識或思維習慣，包含元素觀、微粒觀、變化觀、實驗觀、分類觀和化學價值觀等[9]。化學核心觀念對化學知識的學習具有自上而下的引領作用，與此同時，化學核心觀念需要借助具體的化學知識由淺入深地揭示出來。

金屬鈉是高中階段學生最先接觸到活潑金屬單質的典型代表，需充分發揮典例的價值，通過本節課的學習需幫助學生抽象出“結構決定性質”“化合價反映性質”“分類演繹性質”“性質決定用途、制備與保存”等物質性質認知的核心觀念。為促進認識思路、核心觀念的顯性化、結構化，課堂教學中構建同類內容學習的認識模型、實踐模型：利用物質的類別、價態及轉化規律預測未知物質的性質，然后設計實驗，獲取證據，如果事實與理論不符，修正認識模型;物質的性質是由結構決定的，性質也決定了物質的用途、制備、保存。基于模型解決新情境下陌生問題，實現從化學學科知識向化學學科核心素養的轉化（見圖2）。

三、教學目標

（1）能夠說出金屬鈉的物理性質、化學性質，能運用化學符號描述相關變化，初步形成“結構決定性質、性質決定用途”的觀念;

（2）通過“鈉橋”的構建形成鈉及其化合物之間轉化關系的認識;

（3）初步形成基于物質類別和元素價態對物質性質進行預測和檢驗的認識模型;

（4）通過天津港事故的分析及處理方案的設計，形成合理使用、保存化學品的意識，增強參與社會問題決策能力。

四、教學流程

教學流程見圖3。

五、教學過程

1.搭建鈉橋結構，鋪墊知識關聯——列舉含鈉的化合物

[教師]同學們好。我是王星喬老師，當然我是“喬”木的喬。今天我給同學們搭“木”建“橋”，利用橋這一模型學習金屬鈉。

[PPT]杭州灣跨海大橋圖片（見圖4）（在黑板上順勢畫下斜拉橋的索塔和主梁）。

[設問]根據前面學習的物質分類，純凈物分為單質和化合物，單質指的就是金屬鈉，含鈉的化合物又有哪些呢？請同學們列舉你所知道的含鈉化合物。

[學生]氧化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、氯化鈉、碳酸氫鈉等（學生邊回答教師邊在黑板上主梁相應位置寫上化學式）。

2.運用POE策略，明晰認識思路——探究金屬鈉的化學性質

[設問]根據金屬的通性以及我們前面所學物質轉化內容，請你來預測下金屬鈉能否轉化為氧化鈉，如果可以，跟哪種物質反應可以實現這樣的轉化？你預測的依據是什么？

[預測（P）]氧氣。根據第一章所學物質轉化規律，金屬單質可以與氧氣反應轉化為金屬氧化物。

[學生實驗]取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的煤油，用小刀切去一端的表層，觀察表面的顏色;將其放置在空氣中，觀察表面顏色的變化。

[教師]剛才實驗中同學們觀察到哪些現象？鈉具有哪些性質？

[觀察（O）]鈉的質地較軟，剛開始切面是銀白色的，過一會兒就變暗了。

[追問]為什么會變暗呢？

[解釋（E）]可能是被氧氣氧化。

[教師]確實如此，宏觀現象的本質是微觀粒子的變化。金屬鈉露置在空氣中與氧氣反應生成了氧化鈉。接下來我將改變反應的條件——對反應物進行加熱，產物會變化嗎？

[預測（P）]可能會發生變化，初中時學過鐵在不同溫度下與氧氣反應產物就不同。

[演示實驗]（見圖5）

[觀察（O）]易拉罐底部金屬鈉受熱熔化，發出黃色火焰，冷卻后得到淡黃色物質。

[解釋（E）]金屬鈉在空氣中燃燒得到的淡黃色物質是過氧化鈉，反應條件不同產物不同。

[設問]氧化鈉能與水反應轉化成氫氧化鈉，鈉能否直接與水反應轉化成氫氧化鈉？

[學生實驗]向一只盛有水的小燒杯中滴加幾滴酚酞溶液，然后投入一小塊（約綠豆般大小）金屬鈉。

[觀察（O）]鈉浮在水面上、熔成一個小球、四處游動，且發出“嘶嘶”的響聲、滴有酚酞的水溶液逐漸變紅。（浮在水面，熔成小球、四處游動、嘶嘶響聲、溶液變紅）諧音——芙蓉又想紅。

[解釋（E）]鈉的熔點低、密度比水小，反應產生了氣體推動鈉移動，生成堿性物質。

[追問]剛才的實驗證明確有氫氧化鈉生成。產物除了氫氧化鈉，另一種產物是什么呢？說說你的依據。

[預測（P）]從化合價來看，金屬鈉被氧化，化合價上升，必有另一種元素化合價下降，那只能是氫;從原子個數比來看，水中氫氧是2：1，而氫氧化鈉中是1：1，應該是氫氣。

[演示實驗]收集、檢驗于一體的注射器改進實驗[10]（圖6）。

[觀察（O）]有可燃性氣體生成。

[解釋（E）]鈉的確可以與水反應生成氫氣。鈉與水反應的實質是與水中的氫離子反應，當然，金屬鈉也可與鹽酸反應。

[練習]鈉與鹽酸反應方程式（2Na+2HCl=2NaCl+H2↑）。

[設問]鈉與鹽酸反應有氯化鈉生成，金屬單質與酸反應生成鹽（NaCl）。除此之外，鈉還能與哪種物質反應生成氯化鈉？說說你的依據。

[學生]氯氣。金屬單質可以與非金屬單質反應生成鹽。

[設問]由金屬活動性順序可知鈉是排在比較前面的金屬，如果把鈉放入硫酸銅溶液中，可能觀察到什么現象？

[預測1（P）]可能觀察到紅色固體析出，金屬鈉置換出銅單質。

[預測2（P）]可能觀察到藍色絮狀沉淀，因為鈉能和水反應生成氫氧化鈉。

[教師]那如何證明我們的推測是否正確呢？——實驗是化學的最高法庭。

[活動探究]鈉與硫酸銅溶液反應。

[觀察（O）]鈉四處游動，劇烈燃燒，產生藍色絮狀沉淀。

[設問]為什么會生成藍色沉淀，這個反應的實質如何？

[解釋（E）]鈉先與水反應產生了氫氧化鈉。在水溶液中，離子被水分子包圍，金屬鈉先與水分子接觸發生反應。

[追問]如果鈉與鹽要發生置換反應，應該在什么條件下？

[學生]無水條件下。

3.強化性構相依，揭示核心觀念——鈉的結構、用途、制備

[PPT]金屬鈉用途的幾張圖片（見圖7）。

[設問]金屬鈉的這些用途中體現了鈉的哪些性質呢？

[學生]在熔融狀態下鈉可從鈦、鋯、鈮、鉭等金屬的氯化物中置換出金屬單質，體現了金屬鈉的強還原性;鈉的導熱性好，可用于快中子反應堆作熱交換劑;高壓鈉燈常用于道路照明，說明鈉可發出黃光且透霧能力強。

[教師]此外，鈉可在氧氣中燃燒生成過氧化鈉，可作為呼吸面具中的供氧劑。這就體現了“性質決定用途，，。

[設問]為何鈉的性質如此活潑，性質又是由什么因素決定的呢？

[學生]鈉有11個核外電子，分三層排布，其中最外層電子數為1，非常容易失去一個電子變成最外層為8電子的穩定結構。

[教師]對，這就是結構決定性質。那么，在自然界鈉以什么形式存在？有單質鈉嗎？我們是如何獲得金屬鈉的？

[學生]都以化合態存在。

[教師]鈉離子非常穩定，要使它變成鈉單質很困難。人類很早就能冶煉鐵、銅等金屬，但鈉直到19世紀戴維電解熔融氫氧化鈉才制得。NaOH是否為最佳原料？

[學生]不是，NaCl要優于NaOH，其儲量豐富、易得、價廉。

[設問]制得的金屬鈉如何保存？

[學生]金屬鈉應保存在煤油或石蠟油中，貯存于通風、陰涼、干燥處，不能與水接觸。

4.解決實際問題，構建認識模型——妥善保存、合理使用化學品

[視頻]主要內容：2015年8月12日晚，天津港發生大爆炸，爆炸原因基本確認，是倉庫內金屬鈉遇到水后引發爆炸（見圖8）。

[討論]如果你是消防員，金屬鈉發生火災后如何處理？

[學生]金屬鈉發生火災后應在做好自我防護措施的基礎上，將金屬鈉盡可能收集保存于煤油或石蠟中，不能用水、泡沫滅火器滅火，可以用沙子。

[資料]GB/T 22379-2017規定（節選）[川：

工業金屬鈉采用雙層包裝。外包裝采用鐵桶包裝，內包裝采用雙層聚乙烯塑料袋。包裝時將袋內空氣排凈后，扎緊袋口。運輸時應用密閉的運輸工具，嚴防有水進入包裝桶內。運輸中注意防水、防熱、防撞擊，遠離易燃物。工業金屬鈉應貯存于通風、陰涼、干燥防火的庫房內，要隔絕熱源、火種與氧化劑、酸類。凡與金屬鈉接觸的操作人員，應遵守下列規則：操作人員應佩戴安全防護面罩，穿化學防護服，戴橡膠手套。在發生火災情況下，可使用干沙、干粉、石棉布滅火，不應使用水及泡沫、酸堿、四氯化碳、二氧化碳滅火器滅火。

[設問]今后遇到一種陌生無機物你將如何預測、研究其性質？

[學生]……

[總結]這節課從知識層面來看，我們學習了鈉的性質、用途、制備、保存等內容;更重要的是希望同學們通過本節課的學習掌握元素化合物內容的學習方法，利用物質的類別、價態及轉化規律預測未知物質的性質，然后設計實驗，獲取證據，如果事實與理論不符，修正認識模型。當然物質的性質是由結構決定的，性質也決定了物質的用途、制備、保存。今天的鈉橋與我們的人生之橋何其相像，希望同學們能回首過去、把握現在、展望未來。

六、教學反思

教學內容的結構化是實現從化學學科知識向化學學科核心素養轉化的關鍵。教師在進行教學設計時需進行深度思考：本單元、本節課核心知識間的邏輯關系如何？用何種方式表達核心知識間的邏輯關系（概念圖、價類二維圖等）？從哪些認識角度人手探求核心知識從而形成特定的認識思路？可否對認識思路進一步提煉、概括形成具有統攝性的核心觀念？此外，教師應依據預設的教學目標，設計驅動性學習任務，融合核心知識、方法和觀念等，連接核心知識間的邏輯關系，促進學生認識思路、核心觀念的結構化，為今后同類問題解決提供認知模型，實現從“雙基”教學到“素養為本”教學的變遷。

參考文獻

[1]王晶，畢華林.普通高中教科書化學必修第一冊（M）.北京：人民教育出版社，2019：32-35

[2]張迎霞.“金屬鈉的性質與應用”教學實錄及反思[J].化學教與學，2016（6）：57-59

[3]成際寶、高翔.利用思維導圖提升學生化學核心素養的探索——以“金屬鈉的性質與應用”為例[J].化學教學，2017（5）：41-45

[4]劉文兵.基于風險認知和決策能力培養的元素化合物教學——以“鈉的性質”為例[J].化學教育，2018（11）：23-27

[5]張玉娟.基于化學學科核心素養的教學實踐——以“鈉的性質和應用”為例[J].中學化學教學參考，2017（6）：25-27

[6]王保強，陸廣潔等.情境線和知識線融合的“金屬鈉的性質和應用”教學設計[J].化學教育，2019（1）：23-26

[7]中華人民共和國教育部普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：70-71

[8]孫宇紅，耿亞萍.基于POE教學策略和比較思維的教學——以“碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質”為例[J].北學教育，2020（1）：24-29

[9]畢華林，萬延嵐北學基本觀念：內涵分析與教學建構[J].課程·教材·教法，2014（4）：76-83

[10]劉玉榮，王陽.鈉與水反應的改進實驗綜述及新設計[J].化學教學，2018（12）：75-s0

[11]GB/T 22379-2017.工業金屬鈉[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會，2017

*本文得到寧波市領軍和拔尖人才培養工程資助;浙江省教育科學重點規劃課題“高中化學學業水平試題擬制對教與學影響的實踐研究”（編號2015SB025）研究成果之一;浙江省包朝龍網絡名師工作室研修成果之一。