基于STSE的主题式教学实践——以新授课“钠的性质与应用”为例

洪鹏波 任乃林

在传统的元素化合物版块的新授课中，往往通过创设一定教学情境的方式来引入元素化合物知识，但是不同情境相互之间没有关联，不能体现出教学情境之间的关联性，缺乏教学情境的整体性。主题式教学是指课堂教学以“项目探究形式”或“真实情境的问题解决”来统整书本知识与现实生活生产和社会中的学科问题，以某个具体主题为主线，创设几个具有关联性的真实问题情境，把化学知识融入关联性情境中，使问题情境贯穿整个课堂，而情境问题的解决过程也是教学内容逐步展开的过程。主题式教学与传统的讲授式教学存在一定的差异，前者强调基于真实问题情境，课堂上把“情境”一以贯之，并多次利用情境关联的问题，使学科知识呈现结构化。主题式教学有助于拓宽学生视野、激发探究欲望，有助于使学生认识到化学既源于生活又服务于生活，体会化学学科的社会价值，增强社会责任感，提升学生学科能力，促进化学学科核心素养的发展。

对于元素化合物板块教学，《普通高中化学课程标准（2017 年版）》（以下简称为课标）提出，要引导学生将知识转化成解决生产生活中真实情境问题的能力，突出元素化合物特有的STSE（Science Technology Society Enviroment）教育价值，从而更好地培养学生的化学学科核心素养。基于上述背景，笔者以该版块中的新授课“钠的性质与应用”为例，进行了基于STSE 的主题式教学实践。

课标倡导“教、学、评”一体化，注重教学目标、评价目标与学习任务的一致性。教师既要重视输入性化学教学目标的设计，也要重视输出性化学评价目标的设计。参照课标对本节内容的要求，结合教材和具体的学情分析，确定了本节课的教学目标和评价目标，如表1 所示：

表1 “钠的性质与应用”教学目标和评价目标

重点：钠与水反应，钠的研究思路的建构。

难点：钠与水反应的探究实验。

“钠的性质与应用”的STSE 主题式教学的设计思路（如图1 所示）是以钠电池为载体，创设符合钠电池的一系列具有真实性和关联性的情境，将钠的性质与应用融入其中，以情境线、任务线、评价线、素养线四线贯穿整个教学过程。

图1 “钠的性质与应用”STSE主题式教学设计思路

在进行新授课之前，事先让学生5～6 人组成小组，通过上网查阅资料（主要是文献），了解钠电池的相关知识（如钠电池的种类、构造、原理、优势等）。

（一）阅读科技新闻材料，引入新课

创设与日常生产生活紧密联系的真实情境，引出本节课的探究任务——钠的性质与应用，拓宽学生视野，激发学生探究兴趣。

【引入】创设情境，提供科技新闻材料以及图片（2018 年6 月，中国首辆钠离子电池低速电动车在中国科学院物理研究所园区问世）。在钠离子电池商业化之前，科研工作者首先要研究钠电池的相关性质。这一节课我们就通过了解钠电池的相关性质进而学习钠的性质与应用。

（二）任务一：钠的存在形式及含量

提供文献中的相关数据，让学生思考钠电池为什么有可能取代锂电池，从而让学生了解钠元素在地球上含量高，在自然界以化合物的形式存在；
钠单质可以通过化学反应制得；
通过查阅资料，了解了钠单质的部分物理性质。

【提供情境线一】有科学家预测，钠电池有可能取代锂电池。结合下面表2 中提供的信息，思考钠电池为什么有可能取代锂电池。

表2 Li和Na的相关信息

【追问】联系日常生活，我们接触最多的钠的化合物有哪些？

【拓展】从表2 中我们还可以知道钠单质的密度小、熔点低等部分物理性质。

（三）任务二：从物质类别和结构两个角度预测钠的性质

从物质类别和结构两个角度对钠的性质进行预测，让学生形成“同一类别物质性质相似”“结构决定性质”的观念，培养学生学会从宏微结合的角度分析和解决问题。

【提供情境线二】通过查阅文献可知钠电池中有钠硫电池，但是钠硫电池存在一个弊端：若在300 ℃以上的高温环境下工作，当电解质管破裂或者渗漏时，高温的液态钠和液态硫直接接触会发生剧烈反应，释放大量热，甚至引起电池爆炸。

【提问】我们从物质类别角度来预测：钠属于金属单质，除了上述文献讲到的可以与硫反应外，还能否与O、Cl反应？

【追问】初中时，我们已经知道了钠原子的结构。请画出其原子结构示意图，并结合已有知识，预测钠的性质。

（四）任务三：钠与氧气反应

学生亲自动手切割金属钠，感受钠的硬度，获取钠的部分物理性质；
观察教师做的演示实验“钠与氧气在不同条件下的反应”，使学生意识到反应条件不同，生成物可能不同，知道反应条件对结果的影响，培养学生的变化观念。值得注意的是，在学生进行实验前，教师要强化实验的安全意识，培养学生科学态度与社会责任素养。

【提供情境线三】“金属-空气”电池是以金属作为负极活性物质，以氧气作为正极活性物质，氧气通过气体扩散电极到达“气-液-固”三相界面，并与金属负极反应而放出电能。请同学们结合所学知识预测：是否存在钠空气电池？下面我们先通过实验来探究钠能否与氧气反应。

【提示】在接下来要进行的实验中要注意：不要用手直接接触钠，而要用镊子夹取。

【学生实验1】①观察钠的光泽和颜色；
②用刀切去外皮，观察钠表面的变化。

【讨论】通过实验，你认为金属钠具有哪些物理性质和化学性质（同时用方程式表示）？根据实验现象，解析钠保存在煤油中的原因。

【过渡】钠与氧气在常温下生成氧化钠，在加热条件下是否也生成氧化钠？

【教师演示实验】钠与氧气加热反应

【学生活动】记录实验现象，书写方程式。

【播放视频】钠与氯气、硫等非金属单质反应。

【小结】钠能和氧气、氯气、硫等非金属单质反应，证明钠具有强还原性。

（五）任务四：钠与水反应

通过钠与水反应这个探究实验，改变以往探究实验中学生动手多而思考少的状态，更加注重培养学生的高阶思维。在预测环节，要求学生从物质组成和氧化还原两个角度进行预测，实际上是引导学生作出有依据的预测。探究实验通过预测、实验、结论这三个环节，发展学生的探究能力，培养学生证据推理的化学学科核心素养。同时，通过钠与水反应实验和港口爆炸事件来提升学生的安全意识，让安全意识根植于头脑中。由钠能够与水反应这个性质决定了钠可用作强除水剂，建立“性质决定用途”的思想。通过正反两个案例，可以使学生懂得要一分为二地看待物质，正确认识物质的性质，合理看待化学物质。

【提供情境线四】钠电池的开发应用离不开钠的生产。工业生产金属钠时，除了要防止钠与空气反应以外，还要严格防水、防潮，因此，操作现场不可以安装水暖和汽暖。

【思考与讨论】钠的生产为何如此严格？钠除了与氧气反应外，是否还能与水发生反应？

【预测】钠的还原性很强，能还原HCl 中的H 元素，能由此推测它也可以还原HO 中的H元素吗？如果能，从物质类别和氧化还原反应的角度预测钠与水反应的生成物。

【生1】从物质类别角度来预测，钠为活泼金属单质，能把HO 电离出来的H置换成H。

【生2】从氧化还原反应的角度来预测，钠有强的还原性，反应中会失去电子，形成Na，Na与HO 电离出来的OH结合形成NaOH。同时，HO 中H得电子，形成H。

【学生实验2】探究钠与水的反应

【提示】从钠在水中的位置、钠的形状变化、溶液颜色的变化等方面观察和描述实验现象。分析实验现象，你能得出哪些结论?

【追问】怎么从氧化还原角度证明气体为H而不是O，并书写方程式。

【思考】钠保存在煤油或石蜡油中还有其他目的吗？当火灾现场存放大量活泼金属时，能用水灭火吗？

【播放视频】《港口爆炸事件》，专家认为最有可能的原因是金属钠遇水爆炸。

【联系生产】钠可用作强除水剂。例如，乙醚不与钠反应，制备无水乙醚时，在初步干燥后，用金属钠除去乙醚中少量的水。

（六）通过价类二维图归纳钠的化学性质，总结金属单质的研究思路

元素化合物内容的结构化，是促进学生从知识向核心素养转化的关键。在组织教学内容时，应从低级的、基于元素化合物知识关联的结构化到基于认识元素化合物思路的结构化，从而提升学生元素化合物知识的结构化水平。通过小结总结金属单质的研究思路，可以使学生在以后学习一种陌生金属单质时，能够有序地从四个方面对其进行研究，形成自己的研究思路。

【小结】最后，我们从钠的价态和类别两个角度来巩固钠的化学性质，然后画出钠的价类二维图（如图2 所示）。

图2 钠的价类二维图

【拓展】Na 有强的还原性，所以Na氧化性很弱，因此，Na要转化成金属Na 需要进行电解。而近现代才有电解技术，所以现代才有钠电池。

【小结】总结金属单质的研究思路：第一步，通过查阅资料以及观察物质外观，了解物理性质；
第二步，从物质类别和结构两个角度来预测金属单质的化学性质；
第三步，通过实验探究金属单质的相关性质，其中在探究金属单质与某种物质反应的产物之前，可以从物质类别和氧化还原两个角度来预测产物；
最后，通过性质来掌握用途或保存方式。

【课后作业】课后查阅：钠除了做钠电池、制无水乙醚时使用，在生产生活中的其他应用及原理。如高压钠灯、金属钠和钾实现肿瘤高温消融治疗的新方法等。

【设计意图】这项课后作业是一个发展性、开放性的作业，将学习活动从课内延伸到课外，可以拓宽学生视野，赞赏化学对社会发展的重大贡献，培养学生“科学态度与社会责任”的学科核心素养。

“钠的性质与应用”的STSE 主题式教学设计是以钠电池的一系列兼具真实性和关联性的情境为载体，把钠的存在形式及含量、钠的性质、钠与氧气反应、钠与水反应等知识串联起来。教学实践表明，为了更好地发展学生的化学学科核心素养，在进行主题式教学时，除了应基于学生的真实体验和认知规律外，还应注重以下三个方面：

（一）重视创设情境的真实性，培养学生的核心素养

课标强调在教学时要创设真实情境，以化学知识为工具来解决基于真实情境的实际问题，真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台。真实情境素材可以从STSE、化学史料、化学实验等有利于体现知识的育人价值和功能价值的真实情境素材中选取。如本教学设计创设的四个情境均为钠电池生产中存在的真实问题情境。创设这些真实情境能让学生认识化学对社会发展、科技进步的重大贡献，感悟化学学科的社会价值，培养学生正确的学科价值观念，激发学生解决问题的兴趣。

（二）重视创设情境的关联性，促进学生知识结构化

知识本身具有很强的逻辑性、系统性，作为知识载体的教学情境也应具有系统性、关联性。如本教学设计通过创设四个与钠电池有关联性的问题情境，把钠的性质与应用的知识融入关联性情境中，问题情境贯穿整个课堂，在情境问题的解决过程中，教学内容逐步展开，形成主题式教学。学生在具有关联性的情境中学习，知识结构的建构也逐级完成。

（三）创设多样化活动，培养学生的高阶思维

为了培养学生的高阶思维能力，教师应尽可能地让学生在多样化的学习活动中进行分析、对比、调研、归纳、创造。本教学设计有两个地方体现了对学生高阶思维的培养：第一，在进行钠的性质教学之前，从物质的类别和结构两个角度对钠的性质进行预测，让学生形成“同一类别物质性质相似”“结构决定性质”的观念；
第二，钠与水反应的探究实验，在预测环节，要求学生从物质组成和氧化还原两个角度对生成物进行预测，实际上是引导学生作出有依据的预测，改变了以往探究实验中学生动手多而思考少的状态，培养了学生的高阶思维。

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