隆路诗 宋来强

摘要：元素化合物是化学知识的核心部分，同样也是落实化学学科核心素养的重要知识载体。以硝酸的重要性质———与金属的反应为例，呈现以PBL方法为驱动、POE策略为学习主线的融合教学，深化学生对元素化合物性质及相关理论的思考，培养学生科学探究精神和证据意识，为高中元素化合物教学提供借鉴。

关键词：高中化学；元素化合物；PBL方法；POE策略

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中倡导“素养为本”的有效课堂教学模式和策略，提倡设计和开展多种形式的实验探究活动，有目的、有计划地引导学生运用化学科学思维方式和方法学习化学知识[1]。元素化合物作为中学化学的核心内容，其教学着重通过化学实验，从宏微结合、变化守恒的视角，运用证据推理与模型认知的思维方式，使学生获得结构化的核心元素化合物知识，提升学生的创新和实践能力[2]。因此，在元素及其化合物教学设计和实施中，科学制定具体可行、基于化学学科核心素养发展的教学策略尤为重要。

一、PBL教学方法和POE教学策略的意义

PBL教学方法（Problem-Based-Learning）是基于问题导向的教学方法，旨在创设的情境中提出复杂、有意义、真实的问题，进而寻找证据进行解释，充分发挥教师主导作用，体现学生主体性，培养学生发现、解决问题及合作探究的能力[3]。POE教学策略包括三个环节：Predict（预测）、Observe（观察）、Explain（解释），旨在使学生学会搜集各种证据，对物质的性质及其变化做出假设且能从问题和假设出发，设计相应的实验方案，对实验信息进行加工并获得结论，从而强化学生的证据推理能力，培养学生的科学探究精神[4]。

PBL教学方法和POE教学策略均着重于学生学习的主体性，強调在多角度、不断的探究过程中获取知识，并形成对知识的深度理解，均与元素化合物教学相契合。二者相融合，以PBL方法为驱动，提出复杂、有意义、真实的问题作为学生思维的起点，充分激发学生探索新知的欲望，再以POE策略为学习主线，引导学生运用性质预测———实验观察———解释的科学探究方法逐步解决问题，使学生积极主动地参与探究知识的过程，形成科学的思维方式，促进其核心素养的全面发展。

二、教学分析

（一）教学内容及学情

“硝酸与金属的反应”一课位于人教版（2019）化学教材必修二第五章第二节“氮及其化合物”，是体现硝酸强氧化性的重要部分。通过本节内容的学习，学生已经了解了有关N2、NO、NO2、NH3、铵盐的内容，初步建构了氮元素在不同化合价物质间转化的知识体系；通过以往内容的学习，学生了解了实验室制备氯气的方法、硫酸的性质，知道浓度、温度对酸的性质有影响，已具备氧化性、还原性等知识。虽然学生初步具备了分析问题、解决问题和实验探究的能力，但仍缺乏对证据的有效使用，很难独自根据已有知识对实验现象进行合理的解释，以致于课堂上的问题无法得到实际意义上的解决。因此，通过真实有效的问题，在预测、观察、解释各个环节中不断引导学生通过已知进行深度思考，实现知识的灵活运用、融会贯通十分重要。

（二）教学目标

1.能从价态角度合理预测硝酸的强氧化性及其与铜的反应产物，能联系已知合理分析处理实验现象，形成实验结论，提升发现、解决问题的能力。掌握从问题和假设出发进行实验到形成结论的科学探究方法，树立对物质性质及实验现象分析推理后，证实或证伪问题的证据意识。

2.能依据氧化还原反应的原理及实验事实归纳硝酸的强氧化性、不同浓度的还原产物、与金属的反应模型，提升根据研究对象的本质特征建立模型的能力。

3.能运用硝酸与金属反应模型预测不同浓度硝酸与铁的反应现象，揭示现象的本质和规律。能从理论角度深入分析实验异常，敢于提出自己的见解，树立实事求是的科学精神。

三、教学过程

PBL教学方法和POE教学策略融合教学的流程以问题为主线，最终目的在于引发学生的深度思考（见图1）。

（一）问题———预测———思考———解释

教学初始，教师利用学生原有认知，提出问题：“活泼金属与酸反应制备氢气，是H+作为氧化剂，而硝酸作为强电解质，在水溶液中可完全电离出H+，同样都是H+，为什么硝酸中的H+没有氧化金属产生氢气呢？”学生做出“或许有氧化性比H+强的物质先和金属反应了”的假设，教师继续追问假设的根据，逐渐引导学生认识到HNO3中N为+5价，为N最高价，氧化性可能强于H，形成初步的解释。

设计意图：利用制备氢气的离子反应实质与所需反应物之间的矛盾制造认知冲突，激发学生对硝酸性质的探索欲望。

（二）问题———预测———观察———解释

化学是一门以实验为基础的科学，实践是检验真理的唯一途径。为了避免H+可以氧化金属的干扰，引导学生设计硝酸与H+无法氧化的金属铜进行反应，从而验证解释。实验开始前，根据氧化还原反应的特征，提出问题，驱动学生预测，稀硝酸与铜反应可能会生成什么？会伴随着什么现象？学生带着自己的猜测观看教师演示实验，教师将铜丝下端绕成螺旋状，插入装有稀硝酸的试管中，无明显现象。学生通过观察，思考原因，不难得出反应或许过慢，加热再观察。加热后，学生通过实验现象以及之前的预测不难得出产物硝酸铜和一氧化氮。进而引导学生根据实验事实，进行理论解释：硝酸氧化性比较强，体现在N元素上，能氧化H氧化不了的金属。

设计意图：引导学生从元素价态的角度分析反应的产物，并根据产物性质预测反应现象，培养学生的证据意识。通过实验预测与现象的不符引发学生对化学反应及其现象的全面思考，培养学生面对意外情况的应变能力。通过稀硝酸与铜的反应事实，初步体会硝酸的强氧化性及体现氧化性的元素。

（三）迁移问题———预测———观察———解释

以问题“稀硝酸能与铜反应，浓硝酸能与铜反应吗？如果反应，相比稀硝酸，反应现象会有什么不同？”为引，继续驱动学生思考，利用知识的迁移，对浓硝酸的性质进行预测。学生通过观察教师演示实验，得出反应后有NO2生成，不是NO，溶液变为绿色，与预测性质相比产生很大出入。教师提示学生回顾学习铜在氯气中燃烧，最后用蒸馏水验证氯化铜时的现象，点明蓝色和黄色混合变为绿色的事实。学生再通过联系NO2和水合铜离子的颜色，得出溶液显绿色的原因。需要注意的是，关于浓硝酸与铜反应溶液颜色的解释众说纷纭，没有形成统一认识，教师从中选取易于理解的解释用于教学即可。

设计意图：利用学生惯性思维与实验现象的不同，引发认知冲突，突出不同浓度硝酸不仅反应剧烈程度不同，还原产物也不同。通过思考迁移将原有认知与当前认知建立联系，实现学生认知的意义建构，培养学生证据推理的思维方式。

（四）总结问题———解释———思考

教师结合上述内容归纳出问题，不同浓度硝酸与铜反应有什么不同？学生解释：稀硝酸还原产物是NO，浓硝酸还原产物是NO2，浓硝酸反应更剧烈、更容易。教师继续提问，引发思考，硝酸还可以和哪些金属反应？学生利用原有知识解决问题，并得到结论，按照金属活动性顺序表，Cu之前的金属都可以发生反应。

设计意图：通过氧化还原反应规律和不同浓度硝酸反应事实，延伸为硝酸与金属的反应模型，提升学生的建模能力。

（五）迁移问题———预测———观察———解释———思考

教师提出：“利用已有结论，提出新的问题，那铁和稀、浓硝酸反应，分别有什么现象呢？”学生按照思维惯性，预测铁和稀硝酸反应，会产生无色气体NO，在空气中被氧化成红棕色气体NO2，和浓硝酸直接就会产生红棕色气体NO2，而溶液不确定，可能是淡绿色的Fe（NO3）2，也有可能是淡黄色的Fe（NO3）3。教师演示铁与稀硝酸的反应实验，学生观察并发现下端绕成螺旋状的铁丝插入到稀硝酸当中，有无色气体生成，并在试管上端变为红棕色，溶液变黄。教师提出问题，引导学生解释该现象，这个反应能说明硝酸的哪些性质？学生不难答出，硝酸的氧化性强，可直接将Fe氧化为Fe3+。

问题再迁移，引导学生根据铁和稀硝酸的反应，预测铁与浓硝酸反应会产生怎样的现象。教师可以适时点拨，带领学生回忆上一章“硫及其化合物”学习时遇到的类似情况，即铜与浓硫酸反应可以生成SO2；换成了铁，却没有现象，是因为铁遇浓硫酸发生钝化，瞬间被氧化生成一层致密的氧化物薄膜，阻止铁与硫酸接触。进而提出课后思考问题：其实铁遇浓硝酸也发生了钝化，生成了一层氧化物保护层。那么如何让铁与浓硝酸持续反应？利用铁遇浓硝酸钝化在生产生活中有什么用呢？

设计意图：通过不同浓度硝酸与金属的反应模型及铁常见的氧化态推测铁与不同浓度硝酸的反应，巩固学生对硝酸性质的认识，锻炼学生的知识迁移能力。通过铁与稀硝酸的反应事实，突出硝酸氧化性强，一般将金属氧化为高价态，完善硝酸与金属的反应模型。通过铁和浓硫酸发生反应现象形成认知冲突，引导学生在事物本身性质和知识理论相结合的基础上综合分析并解决问题，培养学生证据推理意识，树立探索求知的科学精神。

四、教学反思

教师利用“酸与金属制备氢气”的问题冲突牵动整节课，在探究不同浓度硝酸与铜、铁的反应过程中，学生利用物质性质及实验事实寻求理论和实际双方面证据，形成并不断深化对硝酸的认识，构建不同浓度硝酸与金属反应的思维模型，面对“异常”现象敢于提出自己的见解，体会问题发现———已知推测———实验探究———形成结论的科学研究方式，达成了科学探究、证据推理、模型认知等方面的素养要求。

新时代拔尖创新人才的培养，需要突破当下的应试、竞赛等常规方式，加快指向现实情境下问题解决的综合性课程研发，建立一套科学、具体、行之有效的培养模式，以培养出适应新时代发展要求、德才兼备的一批高素质人才[5]。在化学学科当中，元素化合物是体现化学研究特点的核心内容，其内容呈现的方式方法不仅直接影响学生对知识的理解，更对学生科学研究思维的培养至关重要。PBL与POE融合教学以教材内容为基础，在真实情境中创设有效、复杂的驱动问题，在激发学生学习兴趣和动机的同时，引导学生以预测———观察———解释的科学学习方法，环环相扣，从而使学生在深度思考的过程中，完成对知识的理解和认知结构的完善，最终实现关键能力的发展和素养的提升。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020：2.

[2] 李靖轩.基于化学学科核心素养发展的元素化合物教学案例研究[J].化学教育（中英文），2022，43（16）.

[3] 任瑞洁，马娜，朱雪芳，等.PBL教学模式在化学教学中的应用[J].中学化学教学参考，2022（6）.

[4] 胡佳，王祖浩.基于POE教學策略的线上教学设计：以探究含氯消毒剂的性质和应用为例[J].中小学数字化教学，2021（8）.

[5] 芦咏莉.全面建设社会主义现代化国家呼唤新时代人才[J].

中国教育学刊，2022（11）.

见习编辑/张婷婷