高中化学课堂中指向核心素养的情境探究式教学

摘要：本节课从“配合物”课堂教学实践出发，遵循“素养为本”的教学理念，对教学内容进行结构优化设计，倡导真实问题情境创设，把握教学内容的内在联系，从高中学生现有的认知水平出发，开展以化学实验为主的多种活动，引导学生进行层层推进的科学探究，建构本节课的核心知识体系，发展学生的多元化学观，最终全面提升学生的化学核心素养。关键词：核心素养；情境探究；高中化学；配合物一、问题的提出《普通高中化学课程标准》（2017年版2020年修订）对于化学学科核心素养的培养，提出了如下要求：“真实、具体的问题情境是学生化学核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会”[1]，“培养和提升高中化学核心素养，本质上就是要培养和提升学生在特定情境中解决与化学相关问题的能力”[2]。化学作为一门以实验为基础的学科，理应围绕实验活动展开课堂教学。新课程标准倡导素养为本的教学，重视真实问题情境的创设，强调开展以化学实验为主的多种探究活动，促进学生学习方式的转变，激发学生的创新精神，培养学生的动手实践能力。“配合物”是人教版《物质结构与性质》第三章第四节内容，学习该节内容之前，学生已具备分析原子或离子核外电子排布以及水溶液中离子反应与平衡的能力，同时也具备一定的实验探究能力。故本节课没有完全照搬课本内容顺序授课，而是将教学内容进行结构优化设计，深度挖掘其内在联系，从高中学生现有的认知水平和真实学情出发，遵循高中学生的认知规律，充分挖掘化学学科核心素养的内涵，创设有效的问题情境，让学生进行层层推进的科学探究，从而建构本节课的核心知识体系。通过本节课的学习，帮助学生建立微粒观、物质转化观、分类观、结构观、平衡观、科学价值观等化学观，全面发展学生的化学核心素养[3]。二、教学过程（一）初探“蓝色之谜”——建立配合物的新概念探究一——创设情境：展示一瓶氯化铜溶液，让学生观察颜色。往氯化铜溶液中不断加水，让学生观察现象并分析。提出问题：氯化铜溶液绿色，加水后却变成蓝色溶液。加水前后阳离子是否有所不同？猜想与假设：分析铜原子和铜离子的价层电子轨道排布、氯离子和水分子的电子结构，得出：氯化铜溶液中铜离子与氯离子之间存在配位键，形成四氯合铜离子阳离子（显黄色）；而加水后铜离子和水分子之间形成配位键，形成四水合铜阳离子（显蓝色），而他们混合的状态就是绿色溶液（注意：绿=蓝+黄）。设计实验并验证：往“蓝色”溶液中再加入氯化钠粉末。得出实验结论：溶液颜色又变成绿色，猜想正确。交流与合作：加水后溶液中的阳离子由四氯合铜阳离子（显黄色）转化为四水合铜阳离子（显蓝色），和配体的量（水分子）增加有关。建构新知——初识“配合物”：板书配合物四氯合铜离子、四水合铜离子的结构示意图，投影配合物及配位键的概念。评价：从学生熟悉的物质入手，通过常规的稀释操作让学生发现“反常”的现象，引入“蓝色之谜”，让学生形成探索欲望，激发了学生对本课的学习兴趣和实验探究欲望，开启了本节课的探究之旅。探究过程中，学生自己设计实验方案并验证，并透过宏观实验现象分析其背后的微观本质，形成了基本的微粒观、结构观，发展了学生“宏观辨析与微观探析”的化学核心素养，为后面的实验探究做好了铺垫。探究二——创设情境：向盛有4ml0.1mol/L硫酸铜溶液的试管里逐滴滴加1mol/L氨水，边滴边振荡，观察并记录实验现象。提出问题：实验现象为什么是先立即有蓝色沉淀，继续滴加又生成深蓝色的透明溶液？猜想与假设：硫酸铜溶液中存在大量四水合铜离子（天蓝色），加入几滴氨水后有蓝色沉淀（氢氧化铜沉淀）产生，再继续滴加氨水，蓝色沉淀溶解产生深蓝色的透明溶液（含有四氨合铜离子）；阴离子硫酸根离子未发生变化。设计实验并验证：1.分别向天蓝色的硫酸铜溶液和上述深蓝色的透明溶液中加入铁钉，观察现象。2.分别向天蓝色的硫酸铜溶液和上述深蓝色的透明溶液中滴加稀硝酸，观察现象。3.分别向天蓝色的硫酸铜溶液和上述深蓝色的透明溶液中滴加氯化钡溶液，观察现象。得出实验结论：1.天蓝色的硫酸铜溶液中加入铁钉后，表面有红色的物质（金属铜）析出；而上述深蓝色的透明溶液中无明显现象。故深蓝色溶液中阳离子已经不是四水合铜离子（天蓝色），而是四氨合铜离子（深蓝色）。2.天蓝色的硫酸铜溶液滴加稀硝酸之后，无明显现象；而上述深蓝色的透明溶液中滴加稀硝酸后，先产生蓝色沉淀（氢氧化铜沉淀），后继续滴加，蓝色沉淀又溶解，形成天蓝色溶液。四氨合铜离子（深蓝色）在加入稀硝酸后，先转化为氢氧化铜沉淀，后又转化成四水合铜离子（天蓝色）。3.天蓝色的硫酸铜溶液和上述深蓝色的透明溶液中滴加氯化钡溶液，均有白色沉淀产生，均含有硫酸根离子。交流与合作：氢离子中和了四氨合铜离子中的配体（NH3），而使得四氨合铜离子又转化为四水合铜离子，而阴离子硫酸根未产生变化。建构新知：板书配离子四氨合铜离子结构示意图，对比四氯合铜离子、四水合铜离子，形成配合物中心离子的配体可以相互转化的思想，同时形成微观世界的变化观念和平衡思想。评价：对深蓝色的透明溶液进行探究，学生通过已有知识进行基于证据的推理，提出猜想，设计实验并进行验证，最终得出结论：此深蓝色的透明溶液中，四氨合铜离子转化为四水合铜离子，而阴离子硫酸根未产生变化，形成“物质转化观”。学生在探究过程中不仅建构了新知“配合物及配位键”，还形成了此类型探究的认知模型。这样的探究活动，培养了学生“证据推理与模型认知”的化学核心素养。（二）再探“蓝色之谜”——解析配合物的结构探究三——创设情境：展示绿色的溶液（CuCl2溶液）、天蓝色的溶液（CuSO4溶液）、深蓝色的透明溶液{[Cu（NH3）4]SO4}，对比三份含Cu（Ⅱ）物质形成的溶液的颜色，解释它们为何呈现出不同的颜色。提出问题：可能是所含的金属阳离子不同所致？猜想与假设：CuSO4溶液呈天蓝色，因含有四水合铜离子（天蓝色）；CuCl2溶液呈绿色，因溶液中既含有四氯合铜离子（显黄色），又含有四水合铜离子（天蓝色），而他们混合的状态就是绿色溶液（注意：绿=蓝+黄）；[Cu（NH3）4]SO4溶液为深蓝色的透明溶液，因含有四氨合铜离子（深蓝色）。设计实验并验证：1.取少量天蓝色的溶液（CuSO4溶液）于试管中，加入氯化钠粉末，观察现象；2.取少量天蓝色的溶液（CuSO4溶液）于试管中，加入1mol/L氨水，观察现象。得出实验结论：1.金属离子在水溶液中并不是以简单的离子形式存在，而可能与溶液中的微粒形成配离子，且由于产生作用力的微粒不同，形成的配离子种类也不同。2.配离子的形成与配体的浓度有关，配离子之间也会随着配体浓度的变化而进行相互转化。交流与合作——讨论并板书：常见配位体和中心离子。辨析内界（配离子）、外界（离子）、中心离子、配位体、配位原子或离子、配位数。建构新知：金属离子在水溶液中并不是以简单的离子形式存在，配离子的形成与配体的浓度有关，配离子之间也会随着配体浓度的变化而进行相互转化。评价：通过展示不同颜色的含Cu（Ⅱ）物质形成的溶液，让学生形成质疑，从而提出疑问，形成猜想，设计实验，运用已学的离子检验的方法，分别对溶液中可能的阴、阳离子进行检验，从而验证了不同配离子之间会随着配体浓度的变化而进行相互转化，同时也完成了对配合物、配位键、中心离子、配位体、配位数、内界和外界等新知的建构。本探究过程进一步巩固了学生的微粒观、结构观、物质转化观，同时又发展了学生的分类观、平衡观，培养了学生“实验探究与创新意识”的化学核心素养。（三）回味“蓝色之谜”——探究结构对性质的影响探究四——创设情境：类似“蓝色之谜”中所提及的配合物，日常生活以及工业生产中还有很多，如抗癌药物中的配合物。展示配合物，化学式为PtCl2（NH3）2的性质，让学生分析该配合物的中心离子、配位体、配位数。提出问题：该配合物的中心离子是Pt2+，配位体是NH3和Cl-，配位数是4。那么，它的构型是正方形，还是正四面体？猜想与假设：配合物化学式为PtCl2（NH3）2可能的构型为：1.正四面体。2.平面正方形。设计实验并验证：1.若构型为正四面体，那么它的结构只有一种，例如：甲烷的二氯代物只有一种。2.若构型为平面正方形，则有顺式反式两种结构。得出实验结论：根据图片中所提供的性质，配合物【化学式为PtCl2（NH3）2】为平面正方形结构。交流与合作：1.顺式结构中的正负电中心不重合，有极性，叫作顺铂，用作抗癌药物；反式结构中正负电中心重合，叫作反铂。看来，选择药物时要特别注意它的微观结构。2.配离子的空间结构不同，性质不同，结构决定性质。建构新知配合物化学式为PtCl2（NH3）2：为平面正方形结构，配合物的性质是由其结构决定的。评价：通过呈现图表中关于配合物化学式为PtCl2（NH3）2的不同性质，让学生形成质疑、提出猜想——正四面体形或平面正方形，运用已学的关于“同分异构体”的旧有知识进行推理验证，最终得出结论：配合物化学式为PtCl2（NH3）2为平面正方形结构。过程中教师没有简单告知其配合物的结构，而是让学生自己进行基于证据的推理，从宏观性质反推微观结构，进一步巩固学生的微粒观、结构观。对顺铂可用作抗癌药物等知识的介绍，让学生感受到配位化学的重要性，同时也让学生意识到化学与我们的生产生活紧密相关，鼓励他们参与到与化学有关的社会活动中，培养他们“科学精神与社会责任”的化学核心素养。探究五——创设情境：展示一氧化碳中毒的各种场景。提出问题：为什么人体吸入大量的一氧化碳会发生中毒？如何解毒？猜想与假设：O2分子通过配位键与血红蛋白中的Fe2+结合，所以亚铁血红蛋白具有携氧能力。由于CO中C的电负性弱于O2中O，所以C给出电子的能力强于O，所以当CO浓度较高时，CO通过配位键与Fe2+结合，使得血红蛋白失去携氧能力而中毒。设计实验并验证：具有一氧化碳中毒症状的患者在高压氧舱中症状可以得到明显的缓解。得出实验结论：高压氧舱中氧气浓度较大，可以实现血红蛋白配体的转化，恢复血红蛋白的携氧功能。交流与合作：我们可以控制配体的浓度，实现向我们所需要的配离子方向转化。建构新知：配合物的稳定是相对的，我们可以控制配体的浓度，实现向人们所需要的配离子的方向转化。评价：配合物的稳定是相对的，当外界条件（例如：配位体浓度等）改变时，就可能打破其原有的稳定状态。因此，学生必须多角度、动态分析，形成“科学价值观”。本探究不仅发展了学生的“平衡观”“科学价值观”，还培养了学生“变化观念与平衡思想”“科学精神与社会责任”的化学核心素养[4]。结束语新课程理念倡导“适当融合跨学科知识，发展学生解决综合问题的能力”。本节课的设计也尝试渗透其他学科如生物医药方面的内容，比如在对配合物【化学式为PtCl2（NH3）2】结构探究的同时，也介绍了顺铂可用作抗癌药物方面的知识。这让学生感受到了科学探索领域的无边界，并领会到了化学在促进人类文明可持续发展中的重要作用。这也大大激发了同学们学习化学的热情，同时也培养了他们的社会责任感。本节课中，教师以实验为抓手，创设情境，让学生通过“提出问题—猜想与假设—设计实验并验证—得出实验结论—交流与合作”等步骤来实施课堂情境式探