PBL和POE融合下的元素化合物教學

隆路詩 宋來強

摘要：元素化合物是化學知識的核心部分，同樣也是落實化學學科核心素養的重要知識載體。以硝酸的重要性質———與金屬的反應為例，呈現以PBL方法為驅動、POE策略為學習主線的融合教學，深化學生對元素化合物性質及相關理論的思考，培養學生科學探究精神和證據意識，為高中元素化合物教學提供借鑒。

關鍵詞：高中化學；元素化合物；PBL方法；POE策略

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中倡導“素養為本”的有效課堂教學模式和策略，提倡設計和開展多種形式的實驗探究活動，有目的、有計劃地引導學生運用化學科學思維方式和方法學習化學知識[1]。元素化合物作為中學化學的核心內容，其教學著重通過化學實驗，從宏微結合、變化守恒的視角，運用證據推理與模型認知的思維方式，使學生獲得結構化的核心元素化合物知識，提升學生的創新和實踐能力[2]。因此，在元素及其化合物教學設計和實施中，科學制定具體可行、基于化學學科核心素養發展的教學策略尤為重要。

一、PBL教學方法和POE教學策略的意義

PBL教學方法（Problem-Based-Learning）是基于問題導向的教學方法，旨在創設的情境中提出復雜、有意義、真實的問題，進而尋找證據進行解釋，充分發揮教師主導作用，體現學生主體性，培養學生發現、解決問題及合作探究的能力[3]。POE教學策略包括三個環節：Predict（預測）、Observe（觀察）、Explain（解釋），旨在使學生學會搜集各種證據，對物質的性質及其變化做出假設且能從問題和假設出發，設計相應的實驗方案，對實驗信息進行加工并獲得結論，從而強化學生的證據推理能力，培養學生的科學探究精神[4]。

PBL教學方法和POE教學策略均著重于學生學習的主體性，強調在多角度、不斷的探究過程中獲取知識，并形成對知識的深度理解，均與元素化合物教學相契合。二者相融合，以PBL方法為驅動，提出復雜、有意義、真實的問題作為學生思維的起點，充分激發學生探索新知的欲望，再以POE策略為學習主線，引導學生運用性質預測———實驗觀察———解釋的科學探究方法逐步解決問題，使學生積極主動地參與探究知識的過程，形成科學的思維方式，促進其核心素養的全面發展。

二、教學分析

（一）教學內容及學情

“硝酸與金屬的反應”一課位于人教版（2019）化學教材必修二第五章第二節“氮及其化合物”，是體現硝酸強氧化性的重要部分。通過本節內容的學習，學生已經了解了有關N2、NO、NO2、NH3、銨鹽的內容，初步建構了氮元素在不同化合價物質間轉化的知識體系；通過以往內容的學習，學生了解了實驗室制備氯氣的方法、硫酸的性質，知道濃度、溫度對酸的性質有影響，已具備氧化性、還原性等知識。雖然學生初步具備了分析問題、解決問題和實驗探究的能力，但仍缺乏對證據的有效使用，很難獨自根據已有知識對實驗現象進行合理的解釋，以致于課堂上的問題無法得到實際意義上的解決。因此，通過真實有效的問題，在預測、觀察、解釋各個環節中不斷引導學生通過已知進行深度思考，實現知識的靈活運用、融會貫通十分重要。

（二）教學目標

1.能從價態角度合理預測硝酸的強氧化性及其與銅的反應產物，能聯系已知合理分析處理實驗現象，形成實驗結論，提升發現、解決問題的能力。掌握從問題和假設出發進行實驗到形成結論的科學探究方法，樹立對物質性質及實驗現象分析推理后，證實或證偽問題的證據意識。

2.能依據氧化還原反應的原理及實驗事實歸納硝酸的強氧化性、不同濃度的還原產物、與金屬的反應模型，提升根據研究對象的本質特征建立模型的能力。

3.能運用硝酸與金屬反應模型預測不同濃度硝酸與鐵的反應現象，揭示現象的本質和規律。能從理論角度深入分析實驗異常，敢于提出自己的見解，樹立實事求是的科學精神。

三、教學過程

PBL教學方法和POE教學策略融合教學的流程以問題為主線，最終目的在于引發學生的深度思考（見圖1）。

（一）問題———預測———思考———解釋

教學初始，教師利用學生原有認知，提出問題：“活潑金屬與酸反應制備氫氣，是H+作為氧化劑，而硝酸作為強電解質，在水溶液中可完全電離出H+，同樣都是H+，為什么硝酸中的H+沒有氧化金屬產生氫氣呢？”學生做出“或許有氧化性比H+強的物質先和金屬反應了”的假設，教師繼續追問假設的根據，逐漸引導學生認識到HNO3中N為+5價，為N最高價，氧化性可能強于H，形成初步的解釋。

設計意圖：利用制備氫氣的離子反應實質與所需反應物之間的矛盾制造認知沖突，激發學生對硝酸性質的探索欲望。

（二）問題———預測———觀察———解釋

化學是一門以實驗為基礎的科學，實踐是檢驗真理的唯一途徑。為了避免H+可以氧化金屬的干擾，引導學生設計硝酸與H+無法氧化的金屬銅進行反應，從而驗證解釋。實驗開始前，根據氧化還原反應的特征，提出問題，驅動學生預測，稀硝酸與銅反應可能會生成什么？會伴隨著什么現象？學生帶著自己的猜測觀看教師演示實驗，教師將銅絲下端繞成螺旋狀，插入裝有稀硝酸的試管中，無明顯現象。學生通過觀察，思考原因，不難得出反應或許過慢，加熱再觀察。加熱后，學生通過實驗現象以及之前的預測不難得出產物硝酸銅和一氧化氮。進而引導學生根據實驗事實，進行理論解釋：硝酸氧化性比較強，體現在N元素上，能氧化H氧化不了的金屬。

設計意圖：引導學生從元素價態的角度分析反應的產物，并根據產物性質預測反應現象，培養學生的證據意識。通過實驗預測與現象的不符引發學生對化學反應及其現象的全面思考，培養學生面對意外情況的應變能力。通過稀硝酸與銅的反應事實，初步體會硝酸的強氧化性及體現氧化性的元素。

（三）遷移問題———預測———觀察———解釋

以問題“稀硝酸能與銅反應，濃硝酸能與銅反應嗎？如果反應，相比稀硝酸，反應現象會有什么不同？”為引，繼續驅動學生思考，利用知識的遷移，對濃硝酸的性質進行預測。學生通過觀察教師演示實驗，得出反應后有NO2生成，不是NO，溶液變為綠色，與預測性質相比產生很大出入。教師提示學生回顧學習銅在氯氣中燃燒，最后用蒸餾水驗證氯化銅時的現象，點明藍色和黃色混合變為綠色的事實。學生再通過聯系NO2和水合銅離子的顏色，得出溶液顯綠色的原因。需要注意的是，關于濃硝酸與銅反應溶液顏色的解釋眾說紛紜，沒有形成統一認識，教師從中選取易于理解的解釋用于教學即可。

設計意圖：利用學生慣性思維與實驗現象的不同，引發認知沖突，突出不同濃度硝酸不僅反應劇烈程度不同，還原產物也不同。通過思考遷移將原有認知與當前認知建立聯系，實現學生認知的意義建構，培養學生證據推理的思維方式。

（四）總結問題———解釋———思考

教師結合上述內容歸納出問題，不同濃度硝酸與銅反應有什么不同？學生解釋：稀硝酸還原產物是NO，濃硝酸還原產物是NO2，濃硝酸反應更劇烈、更容易。教師繼續提問，引發思考，硝酸還可以和哪些金屬反應？學生利用原有知識解決問題，并得到結論，按照金屬活動性順序表，Cu之前的金屬都可以發生反應。

設計意圖：通過氧化還原反應規律和不同濃度硝酸反應事實，延伸為硝酸與金屬的反應模型，提升學生的建模能力。

（五）遷移問題———預測———觀察———解釋———思考

教師提出：“利用已有結論，提出新的問題，那鐵和稀、濃硝酸反應，分別有什么現象呢？”學生按照思維慣性，預測鐵和稀硝酸反應，會產生無色氣體NO，在空氣中被氧化成紅棕色氣體NO2，和濃硝酸直接就會產生紅棕色氣體NO2，而溶液不確定，可能是淡綠色的Fe（NO3）2，也有可能是淡黃色的Fe（NO3）3。教師演示鐵與稀硝酸的反應實驗，學生觀察并發現下端繞成螺旋狀的鐵絲插入到稀硝酸當中，有無色氣體生成，并在試管上端變為紅棕色，溶液變黃。教師提出問題，引導學生解釋該現象，這個反應能說明硝酸的哪些性質？學生不難答出，硝酸的氧化性強，可直接將Fe氧化為Fe3+。

問題再遷移，引導學生根據鐵和稀硝酸的反應，預測鐵與濃硝酸反應會產生怎樣的現象。教師可以適時點撥，帶領學生回憶上一章“硫及其化合物”學習時遇到的類似情況，即銅與濃硫酸反應可以生成SO2；換成了鐵，卻沒有現象，是因為鐵遇濃硫酸發生鈍化，瞬間被氧化生成一層致密的氧化物薄膜，阻止鐵與硫酸接觸。進而提出課后思考問題：其實鐵遇濃硝酸也發生了鈍化，生成了一層氧化物保護層。那么如何讓鐵與濃硝酸持續反應？利用鐵遇濃硝酸鈍化在生產生活中有什么用呢？

設計意圖：通過不同濃度硝酸與金屬的反應模型及鐵常見的氧化態推測鐵與不同濃度硝酸的反應，鞏固學生對硝酸性質的認識，鍛煉學生的知識遷移能力。通過鐵與稀硝酸的反應事實，突出硝酸氧化性強，一般將金屬氧化為高價態，完善硝酸與金屬的反應模型。通過鐵和濃硫酸發生反應現象形成認知沖突，引導學生在事物本身性質和知識理論相結合的基礎上綜合分析并解決問題，培養學生證據推理意識，樹立探索求知的科學精神。

四、教學反思

教師利用“酸與金屬制備氫氣”的問題沖突牽動整節課，在探究不同濃度硝酸與銅、鐵的反應過程中，學生利用物質性質及實驗事實尋求理論和實際雙方面證據，形成并不斷深化對硝酸的認識，構建不同濃度硝酸與金屬反應的思維模型，面對“異常”現象敢于提出自己的見解，體會問題發現———已知推測———實驗探究———形成結論的科學研究方式，達成了科學探究、證據推理、模型認知等方面的素養要求。

新時代拔尖創新人才的培養，需要突破當下的應試、競賽等常規方式，加快指向現實情境下問題解決的綜合性課程研發，建立一套科學、具體、行之有效的培養模式，以培養出適應新時代發展要求、德才兼備的一批高素質人才[5]。在化學學科當中，元素化合物是體現化學研究特點的核心內容，其內容呈現的方式方法不僅直接影響學生對知識的理解，更對學生科學研究思維的培養至關重要。PBL與POE融合教學以教材內容為基礎，在真實情境中創設有效、復雜的驅動問題，在激發學生學習興趣和動機的同時，引導學生以預測———觀察———解釋的科學學習方法，環環相扣，從而使學生在深度思考的過程中，完成對知識的理解和認知結構的完善，最終實現關鍵能力的發展和素養的提升。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：2.

[2] 李靖軒.基于化學學科核心素養發展的元素化合物教學案例研究[J].化學教育（中英文），2022，43（16）.

[3] 任瑞潔，馬娜，朱雪芳，等.PBL教學模式在化學教學中的應用[J].中學化學教學參考，2022（6）.

[4] 胡佳，王祖浩.基于POE教學策略的線上教學設計：以探究含氯消毒劑的性質和應用為例[J].中小學數字化教學，2021（8）.

[5] 蘆詠莉.全面建設社會主義現代化國家呼喚新時代人才[J].

中國教育學刊，2022（11）.

見習編輯/張婷婷