基于STSE的主題式教學實踐
——以新授課“鈉的性質(zhì)與應用”為例

洪鵬波 任乃林

一、問題的提出

在傳統(tǒng)的元素化合物版塊的新授課中，往往通過創(chuàng)設(shè)一定教學情境的方式來引入元素化合物知識，但是不同情境相互之間沒有關(guān)聯(lián)，不能體現(xiàn)出教學情境之間的關(guān)聯(lián)性，缺乏教學情境的整體性。主題式教學是指課堂教學以“項目探究形式”或“真實情境的問題解決”來統(tǒng)整書本知識與現(xiàn)實生活生產(chǎn)和社會中的學科問題，以某個具體主題為主線，創(chuàng)設(shè)幾個具有關(guān)聯(lián)性的真實問題情境，把化學知識融入關(guān)聯(lián)性情境中，使問題情境貫穿整個課堂，而情境問題的解決過程也是教學內(nèi)容逐步展開的過程。主題式教學與傳統(tǒng)的講授式教學存在一定的差異，前者強調(diào)基于真實問題情境，課堂上把“情境”一以貫之，并多次利用情境關(guān)聯(lián)的問題，使學科知識呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)化。主題式教學有助于拓寬學生視野、激發(fā)探究欲望，有助于使學生認識到化學既源于生活又服務于生活，體會化學學科的社會價值，增強社會責任感，提升學生學科能力，促進化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

對于元素化合物板塊教學，《普通高中化學課程標準（2017 年版）》（以下簡稱為課標）提出，要引導學生將知識轉(zhuǎn)化成解決生產(chǎn)生活中真實情境問題的能力，突出元素化合物特有的STSE（Science Technology Society Enviroment）教育價值，從而更好地培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。基于上述背景，筆者以該版塊中的新授課“鈉的性質(zhì)與應用”為例，進行了基于STSE 的主題式教學實踐。

二、教學目標和評價目標

課標倡導“教、學、評”一體化，注重教學目標、評價目標與學習任務的一致性。教師既要重視輸入性化學教學目標的設(shè)計，也要重視輸出性化學評價目標的設(shè)計。參照課標對本節(jié)內(nèi)容的要求，結(jié)合教材和具體的學情分析，確定了本節(jié)課的教學目標和評價目標，如表1 所示：

表1 “鈉的性質(zhì)與應用”教學目標和評價目標

三、教學重難點

重點：鈉與水反應，鈉的研究思路的建構(gòu)。

難點：鈉與水反應的探究實驗。

四、教學設(shè)計思路

“鈉的性質(zhì)與應用”的STSE 主題式教學的設(shè)計思路（如圖1 所示）是以鈉電池為載體，創(chuàng)設(shè)符合鈉電池的一系列具有真實性和關(guān)聯(lián)性的情境，將鈉的性質(zhì)與應用融入其中，以情境線、任務線、評價線、素養(yǎng)線四線貫穿整個教學過程。

圖1 “鈉的性質(zhì)與應用”STSE主題式教學設(shè)計思路

五、教學設(shè)計

在進行新授課之前，事先讓學生5～6 人組成小組，通過上網(wǎng)查閱資料（主要是文獻），了解鈉電池的相關(guān)知識（如鈉電池的種類、構(gòu)造、原理、優(yōu)勢等）。

（一）閱讀科技新聞材料，引入新課

創(chuàng)設(shè)與日常生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系的真實情境，引出本節(jié)課的探究任務——鈉的性質(zhì)與應用，拓寬學生視野，激發(fā)學生探究興趣。

【引入】創(chuàng)設(shè)情境，提供科技新聞材料以及圖片（2018 年6 月，中國首輛鈉離子電池低速電動車在中國科學院物理研究所園區(qū)問世）。在鈉離子電池商業(yè)化之前，科研工作者首先要研究鈉電池的相關(guān)性質(zhì)。這一節(jié)課我們就通過了解鈉電池的相關(guān)性質(zhì)進而學習鈉的性質(zhì)與應用。

（二）任務一：鈉的存在形式及含量

提供文獻中的相關(guān)數(shù)據(jù)，讓學生思考鈉電池為什么有可能取代鋰電池，從而讓學生了解鈉元素在地球上含量高，在自然界以化合物的形式存在；鈉單質(zhì)可以通過化學反應制得；通過查閱資料，了解了鈉單質(zhì)的部分物理性質(zhì)。

【提供情境線一】有科學家預測，鈉電池有可能取代鋰電池。結(jié)合下面表2 中提供的信息，思考鈉電池為什么有可能取代鋰電池。

表2 Li和Na的相關(guān)信息

【追問】聯(lián)系日常生活，我們接觸最多的鈉的化合物有哪些？

【拓展】從表2 中我們還可以知道鈉單質(zhì)的密度小、熔點低等部分物理性質(zhì)。

（三）任務二：從物質(zhì)類別和結(jié)構(gòu)兩個角度預測鈉的性質(zhì)

從物質(zhì)類別和結(jié)構(gòu)兩個角度對鈉的性質(zhì)進行預測，讓學生形成“同一類別物質(zhì)性質(zhì)相似”“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念，培養(yǎng)學生學會從宏微結(jié)合的角度分析和解決問題。

【提供情境線二】通過查閱文獻可知鈉電池中有鈉硫電池，但是鈉硫電池存在一個弊端：若在300 ℃以上的高溫環(huán)境下工作，當電解質(zhì)管破裂或者滲漏時，高溫的液態(tài)鈉和液態(tài)硫直接接觸會發(fā)生劇烈反應，釋放大量熱，甚至引起電池爆炸。

【提問】我們從物質(zhì)類別角度來預測：鈉屬于金屬單質(zhì)，除了上述文獻講到的可以與硫反應外，還能否與O、Cl反應？

【追問】初中時，我們已經(jīng)知道了鈉原子的結(jié)構(gòu)。請畫出其原子結(jié)構(gòu)示意圖，并結(jié)合已有知識，預測鈉的性質(zhì)。

（四）任務三：鈉與氧氣反應

學生親自動手切割金屬鈉，感受鈉的硬度，獲取鈉的部分物理性質(zhì)；觀察教師做的演示實驗“鈉與氧氣在不同條件下的反應”，使學生意識到反應條件不同，生成物可能不同，知道反應條件對結(jié)果的影響，培養(yǎng)學生的變化觀念。值得注意的是，在學生進行實驗前，教師要強化實驗的安全意識，培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任素養(yǎng)。

【提供情境線三】“金屬-空氣”電池是以金屬作為負極活性物質(zhì)，以氧氣作為正極活性物質(zhì)，氧氣通過氣體擴散電極到達“氣-液-固”三相界面，并與金屬負極反應而放出電能。請同學們結(jié)合所學知識預測：是否存在鈉空氣電池？下面我們先通過實驗來探究鈉能否與氧氣反應。

【提示】在接下來要進行的實驗中要注意：不要用手直接接觸鈉，而要用鑷子夾取。

【學生實驗1】①觀察鈉的光澤和顏色；②用刀切去外皮，觀察鈉表面的變化。

【討論】通過實驗，你認為金屬鈉具有哪些物理性質(zhì)和化學性質(zhì)（同時用方程式表示）？根據(jù)實驗現(xiàn)象，解析鈉保存在煤油中的原因。

【過渡】鈉與氧氣在常溫下生成氧化鈉，在加熱條件下是否也生成氧化鈉？

【教師演示實驗】鈉與氧氣加熱反應

【學生活動】記錄實驗現(xiàn)象，書寫方程式。

【播放視頻】鈉與氯氣、硫等非金屬單質(zhì)反應。

【小結(jié)】鈉能和氧氣、氯氣、硫等非金屬單質(zhì)反應，證明鈉具有強還原性。

（五）任務四：鈉與水反應

通過鈉與水反應這個探究實驗，改變以往探究實驗中學生動手多而思考少的狀態(tài)，更加注重培養(yǎng)學生的高階思維。在預測環(huán)節(jié)，要求學生從物質(zhì)組成和氧化還原兩個角度進行預測，實際上是引導學生作出有依據(jù)的預測。探究實驗通過預測、實驗、結(jié)論這三個環(huán)節(jié)，發(fā)展學生的探究能力，培養(yǎng)學生證據(jù)推理的化學學科核心素養(yǎng)。同時，通過鈉與水反應實驗和港口爆炸事件來提升學生的安全意識，讓安全意識根植于頭腦中。由鈉能夠與水反應這個性質(zhì)決定了鈉可用作強除水劑，建立“性質(zhì)決定用途”的思想。通過正反兩個案例，可以使學生懂得要一分為二地看待物質(zhì)，正確認識物質(zhì)的性質(zhì)，合理看待化學物質(zhì)。

【提供情境線四】鈉電池的開發(fā)應用離不開鈉的生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)金屬鈉時，除了要防止鈉與空氣反應以外，還要嚴格防水、防潮，因此，操作現(xiàn)場不可以安裝水暖和汽暖。

【思考與討論】鈉的生產(chǎn)為何如此嚴格？鈉除了與氧氣反應外，是否還能與水發(fā)生反應？

【預測】鈉的還原性很強，能還原HCl 中的H 元素，能由此推測它也可以還原HO 中的H元素嗎？如果能，從物質(zhì)類別和氧化還原反應的角度預測鈉與水反應的生成物。

【生1】從物質(zhì)類別角度來預測，鈉為活潑金屬單質(zhì)，能把HO 電離出來的H置換成H。

【生2】從氧化還原反應的角度來預測，鈉有強的還原性，反應中會失去電子，形成Na，Na與HO 電離出來的OH結(jié)合形成NaOH。同時，HO 中H得電子，形成H。

【學生實驗2】探究鈉與水的反應

【提示】從鈉在水中的位置、鈉的形狀變化、溶液顏色的變化等方面觀察和描述實驗現(xiàn)象。分析實驗現(xiàn)象，你能得出哪些結(jié)論?

【追問】怎么從氧化還原角度證明氣體為H而不是O，并書寫方程式。

【思考】鈉保存在煤油或石蠟油中還有其他目的嗎？當火災現(xiàn)場存放大量活潑金屬時，能用水滅火嗎？

【播放視頻】《港口爆炸事件》，專家認為最有可能的原因是金屬鈉遇水爆炸。

【聯(lián)系生產(chǎn)】鈉可用作強除水劑。例如，乙醚不與鈉反應，制備無水乙醚時，在初步干燥后，用金屬鈉除去乙醚中少量的水。

（六）通過價類二維圖歸納鈉的化學性質(zhì)，總結(jié)金屬單質(zhì)的研究思路

元素化合物內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，是促進學生從知識向核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。在組織教學內(nèi)容時，應從低級的、基于元素化合物知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化到基于認識元素化合物思路的結(jié)構(gòu)化，從而提升學生元素化合物知識的結(jié)構(gòu)化水平。通過小結(jié)總結(jié)金屬單質(zhì)的研究思路，可以使學生在以后學習一種陌生金屬單質(zhì)時，能夠有序地從四個方面對其進行研究，形成自己的研究思路。

【小結(jié)】最后，我們從鈉的價態(tài)和類別兩個角度來鞏固鈉的化學性質(zhì)，然后畫出鈉的價類二維圖（如圖2 所示）。

圖2 鈉的價類二維圖

【拓展】Na 有強的還原性，所以Na氧化性很弱，因此，Na要轉(zhuǎn)化成金屬Na 需要進行電解。而近現(xiàn)代才有電解技術(shù)，所以現(xiàn)代才有鈉電池。

【小結(jié)】總結(jié)金屬單質(zhì)的研究思路：第一步，通過查閱資料以及觀察物質(zhì)外觀，了解物理性質(zhì)；第二步，從物質(zhì)類別和結(jié)構(gòu)兩個角度來預測金屬單質(zhì)的化學性質(zhì)；第三步，通過實驗探究金屬單質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，其中在探究金屬單質(zhì)與某種物質(zhì)反應的產(chǎn)物之前，可以從物質(zhì)類別和氧化還原兩個角度來預測產(chǎn)物；最后，通過性質(zhì)來掌握用途或保存方式。

【課后作業(yè)】課后查閱：鈉除了做鈉電池、制無水乙醚時使用，在生產(chǎn)生活中的其他應用及原理。如高壓鈉燈、金屬鈉和鉀實現(xiàn)腫瘤高溫消融治療的新方法等。

【設(shè)計意圖】這項課后作業(yè)是一個發(fā)展性、開放性的作業(yè)，將學習活動從課內(nèi)延伸到課外，可以拓寬學生視野，贊賞化學對社會發(fā)展的重大貢獻，培養(yǎng)學生“科學態(tài)度與社會責任”的學科核心素養(yǎng)。

六、教學啟示

“鈉的性質(zhì)與應用”的STSE 主題式教學設(shè)計是以鈉電池的一系列兼具真實性和關(guān)聯(lián)性的情境為載體，把鈉的存在形式及含量、鈉的性質(zhì)、鈉與氧氣反應、鈉與水反應等知識串聯(lián)起來。教學實踐表明，為了更好地發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)，在進行主題式教學時，除了應基于學生的真實體驗和認知規(guī)律外，還應注重以下三個方面：

（一）重視創(chuàng)設(shè)情境的真實性，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)

課標強調(diào)在教學時要創(chuàng)設(shè)真實情境，以化學知識為工具來解決基于真實情境的實際問題，真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺。真實情境素材可以從STSE、化學史料、化學實驗等有利于體現(xiàn)知識的育人價值和功能價值的真實情境素材中選取。如本教學設(shè)計創(chuàng)設(shè)的四個情境均為鈉電池生產(chǎn)中存在的真實問題情境。創(chuàng)設(shè)這些真實情境能讓學生認識化學對社會發(fā)展、科技進步的重大貢獻，感悟化學學科的社會價值，培養(yǎng)學生正確的學科價值觀念，激發(fā)學生解決問題的興趣。

（二）重視創(chuàng)設(shè)情境的關(guān)聯(lián)性，促進學生知識結(jié)構(gòu)化

知識本身具有很強的邏輯性、系統(tǒng)性，作為知識載體的教學情境也應具有系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性。如本教學設(shè)計通過創(chuàng)設(shè)四個與鈉電池有關(guān)聯(lián)性的問題情境，把鈉的性質(zhì)與應用的知識融入關(guān)聯(lián)性情境中，問題情境貫穿整個課堂，在情境問題的解決過程中，教學內(nèi)容逐步展開，形成主題式教學。學生在具有關(guān)聯(lián)性的情境中學習，知識結(jié)構(gòu)的建構(gòu)也逐級完成。

（三）創(chuàng)設(shè)多樣化活動，培養(yǎng)學生的高階思維

為了培養(yǎng)學生的高階思維能力，教師應盡可能地讓學生在多樣化的學習活動中進行分析、對比、調(diào)研、歸納、創(chuàng)造。本教學設(shè)計有兩個地方體現(xiàn)了對學生高階思維的培養(yǎng)：第一，在進行鈉的性質(zhì)教學之前，從物質(zhì)的類別和結(jié)構(gòu)兩個角度對鈉的性質(zhì)進行預測，讓學生形成“同一類別物質(zhì)性質(zhì)相似”“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念；第二，鈉與水反應的探究實驗，在預測環(huán)節(jié)，要求學生從物質(zhì)組成和氧化還原兩個角度對生成物進行預測，實際上是引導學生作出有依據(jù)的預測，改變了以往探究實驗中學生動手多而思考少的狀態(tài)，培養(yǎng)了學生的高階思維。