物質及轉化教學中培育學科關鍵能力的實踐研究

法浩

摘要：在物質及轉化教學中將知識體系、認知方式和情境應用協調發(fā)展作為教學目標，以化學學科關鍵能力的應用、體驗與培養(yǎng)為價值取向設計知識建構、實驗探究、證據推理等類型的教學活動，依據問題解決途徑規(guī)劃教學任務，對二氧化硫及轉化進行教學實踐。

關鍵詞：物質及轉化;學科關健能力;教學實踐;二氧化硫

文章編號：1008-0546（2021）03-0008-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.002

一、問題的提出

物質及轉化是化學學科重要的學習內容，具有多元化的教學價值取向。傳統教學往往過于強調對物質及轉化的知識體系建構而忽略認知方式培養(yǎng)和情境應用遷移。2003版課標實施以來，教學設計逐漸關注知識體系、認知方式、情境應用的平衡、融合、轉換，認知方式和情境應用在教學中所占比例逐步提高，逐步突出情境創(chuàng)設對教學活動的作用，使學生在真實情境中主動探究、獲得知識、培養(yǎng)能力、發(fā)展素養(yǎng)。但深人一線教學實踐發(fā)現，知識體系、認知方式、情境應用的分配比例失當問題仍普遍存在，主要體現在：（1）過于注重物質及轉化知識細節(jié)的學習，將知識的習得作為課堂教學最重要的任務，忽略知識體系建構和認知思路形成;（2）真實情境的作用往往限于引出物質及轉化為學習對象，或基于相關知識說明、解釋情境中簡單問題，缺少聚焦情境問題深度解決的教學實踐;（3）學生對認知活動的過程體驗、方法指導亟待加強，實驗探究、證據推理活動內容缺乏有效設計。解決上述問題無疑需要有效提升學生基于學科理解的認知、應用能力。

2017年9月中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于深化教育體制機制改革的意見》中明確指出，要注重培養(yǎng)支撐終身發(fā)展、適應時代要求的關鍵能力。因此，關鍵能力也必然成為新時代學科育人的價值追求。已有研究多對化學學科關鍵能力的內涵、要素、框架、評價等進行闡釋，但對關鍵能力如何落地的教學實踐成果較少，因此物質及轉化教學中如何進行學生化學學科關鍵能力的培育實踐值得關注。以蘇教版《化學1》教材專題4第一單元“二氧化硫的性質和應用”為例進行實踐嘗試。

二、學科關鍵能力培育的教學設計思路

1.培育學科關鍵能力，規(guī)劃教學活動

研究表明，化學學科關鍵能力是基于化學特定認知或特定活動的學科能力發(fā)展目標具體化，是眾多化學學科能力要素中處于中心位置、最重要、最有價值、能起決定作用的能力[1]，可分為信息獲取與加工能力、證據識別與推理能力、模型建構與認知能力、實驗操作與探究能力等要素[2-4]。能力培育源于活動、指向分析解決問題，因此學科關鍵能力培育實踐的關鍵在于規(guī)劃基于問題解決的教學活動類型、內容及實施方式。

依據學科關鍵能力要素的活動指向，確定知識建構、證據推理和實驗探究為培育學科關鍵能力的主要活動類型（見圖1）。但任一活動類型都并非僅依賴相應能力要素，而需要多種能力要素互相融合、綜合運用。如知識建構信息獲取與加工、模型建構與應用能力，實驗探究活動中除實驗操作與探究能力外，信息獲取與加工能力、證據識別與推理能力不可或缺。證據推理活動不僅是證據識別與推理，也是模型建構與應用過程。況且知識建構、實驗探究和證據推理三類活動之間還存在相互關聯、相互轉化關系，因此教學活動中關鍵能力培育的要素指向可以有所側重，但不必孤立對待。

2.聚焦情境問題解決，設計教學任務

學科關鍵能力發(fā)展價值在于解決真實情境問題，依據問題解決的思路、策略，設計適宜知識建構、證據推理、實驗探究活動深入開展的教學任務，在完成教學任務的過程中實現學科關鍵能力的培育與提高。如二氧化硫及轉化教學以硫酸型酸雨成因及防治為教學情境，將問題解決途徑分解為“SO2如何轉化為H2SO4”“酸雨如何形成”“如何減少酸雨形成，減輕酸雨危害”“如何合理利用SO2→H2SO4轉化”的遞進過程，將其作為主線設計教學任務。

3.適切任務活動需求，組織教學內容

以教學任務的完成及相應教學活動的開展為取向，提供教學資源、組織教學活動內容，為學科關鍵能力培育提供保障（見圖2）。

三、教學實踐

1.教學目標

（1）認識二氧化硫具有辨識性的物理性質，能從酸性氧化物、還原性、特性視角認識二氧化硫的化學性質，會依據復分解反應、氧化還原反應原理分析二氧化硫主要轉化，嘗試初步建構基于酸性氧化物和元素化合價變化的二氧化硫轉化關系。

（2）形成認知二氧化硫性質及轉化關系的視角、思路、方法;通過實驗探究、情境問題分析、解決活動培養(yǎng)獲取有效信息、識別證據、推理分析的能力。

（3）形成對硫酸型酸雨形成及防治問題的科學認識，客觀、辯證地看待二氧化硫、二氧化硫至硫酸轉化的價值與危害，形成正確應用物質及轉化的意識。

2.教學實錄

（1）創(chuàng)設情境：聚焦問題的解決路徑

[教師]黨的十八大以來，生態(tài)文明建設成為我國治理的重要戰(zhàn)略任務，“綠水青山就是金山銀山”的理念深入人心、形成廣泛共識。美麗徐州、從我做起、人人有責。環(huán)境的保護和改善離不開化學，通過化學學習了解產生環(huán)境問題的根源，才能有的放矢、對癥下藥，真正解決問題。本節(jié)課探討當今環(huán)境治理中的一個典型問題——酸雨防治。

[問題解決]請同學們回答關于酸雨的三個問題：酸雨如何界定？酸雨成分有哪些？空氣中哪種物質含量增多會造成酸雨？

[教師]

①硫酸型酸雨形成的關鍵是SO2→H2SO4，若有效治理酸雨，必須深刻認識SO2，以及它如何轉化成HZSO4。

②認知物質的一般思路為：初步感知一類比參照一類別認知一特性辨識一應用實踐，在SO2的學習中注意應用。

設計意圖：確立酸雨問題為教學情境，聚焦化學學科學習對解決社會問題、推進社會發(fā)展的意義與價值?；趯W生對酸雨問題的已有知識進行繼續(xù)學習探究，體現學習的延續(xù)與發(fā)展。將情境問題分析與化學學科知識關聯，對如何進行物質性質的學習進行認知方式指導。

（2）知識獲?。河^念引領的信息加工

觀察試管中密封的二氧化硫，總結其顏色、狀態(tài)、氣味，推測密度。

[教師]

①二氧化硫的溶解性在后續(xù)學習中會有體驗;

②啟發(fā)學生聯想：在生活中哪些場合聞過二氧化硫的氣味？

[學生]在放鞭炮、燒煤的爐子等處曾聞到類似氣味。

[教師]火藥、燃煤中含硫元素，燃燒后均能產生二氧化硫。煤炭等含硫燃料燃燒是大氣中二氧化硫的主要來源之一。談及二氧化硫，人們總將其與有毒、酸雨、污染聯系一起，好像其存在就是危害，必須根除。其實二氧化硫有很多正面價值，是人類發(fā)展不可或缺的一種物質。從百度（見圖3）初步了解它的重要用途。

[教師]物質的用途由其性質直接決定，嘗試通過用途來推測二氧化硫具備的性質？

[學生]用于制亞硫酸，說明其為酸性氧化物;能抗氧化說明具有還原性;作漂白劑說明具有漂白性;通過SO2→H2SO4的轉化制硫酸及硫酸鹽。

[教師]①網絡資源雖便捷，但不少是片面甚至錯誤的，若真正學習知識還需借助教材、教輔、專業(yè)書籍、文獻等資料;

②SO2→H2SO4既可制硫酸（硫酸鹽），又可形成酸雨，可見任何事物都具有兩面性，同一轉化過程對社會造福還是危害，取決于人類如何利用。正確、合理地應用物質，必須從對物質的深度認知開始。

[學生實驗]將玻璃棒上的pH試紙、I2試紙、品紅試紙濕潤后放入裝有二氧化硫的試管（見圖4），塞緊橡皮塞后觀察現象，推測原因。

學生分組實驗、小組合作、交流討論、匯報補充。

[學生]pH試紙變紅，說明SO2水溶液呈酸性，SO2是酸性氧化物;I2試紙褪色，因碘單質是常見的氧化劑，說明SO2具有還原性;品紅試紙褪色，說明SO2具有漂白性。

[教師]通過實驗認識與用途推測等初步感知活動可獲得一致的結果：二氧化硫是酸性氧化物，具有還原性、漂白性，這是對二氧化硫性質須具備的觀念性認識。但初步感知后仍有不少并未解決的問題，對性質的認知還有待深入，需要進一步進行學習。

設計意圖：將二氧化硫性質的初步感知作為信息獲取與加工的訓練平臺，在常用教材文本、實驗基礎上補充創(chuàng)新實驗、網絡資源作為信息素材，豐富學生認知物質的信息視野，引導學生辨別有效信息，遵循一定的物質性質認知視角對獲取的信息進行提煉、加工，概括獲得基于核心視角的物質性質觀念性認知，從而訓練學生的信息獲取與加工能力。

（3）模型建構：價類二維的邏輯認知

[教師]通過初步感知得到的知識，需要經過思維的加工才能理解深刻，請同學們與我一同體驗類比（異中求同、同中求異）的樂趣。

①SO2組成、性質（酸性氧化物）類似CO2，模仿類推SO2：CO2→H2CO3推得SO2→H2SO3;CO2→CO32-推得SO2→SO32-。

[學生]由CO2+H2O=H2CO3、CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O模仿類推SO2與H2O、NaOH溶液反應的化學方程式。

②組成類似CO2的原因是S、C元素的化合價均為+4，但在化學反應中的變化趨并不相同：+4價C元素化合價只能降低，常降為+2價（CO）、O價（C）;+4價S元素化合價既可升高至+6價（SO3、H2SO4、SO42-），也可降低至0價（S）;實驗事實表明，+4價S元素化合價升高更易實現，可見SO2雖既有氧化性、也有還原性，但以還原性為主。

[學生]繪圖表述SO2至H2SO3、SO32-、SO3、H2SO4、SO42-、S的轉化關系，注意體現硫元素化合價的變化。

[教師]選擇合適的反應物及條件實現轉化。

（1）SO2→SO3：與O2（由組成變化分析），發(fā)生氧化還原反應（由硫元素化合價變化分析），需催化劑并加熱的條件，且為可逆反應。

（2）SO2-H2SO4：需氧化劑（由硫元素化合價變化分析）與水（由組成變化分析）兩者兼有，可通過①分別與O2、H2O反應，通過兩步轉化實現;②與氧化劑溶液直接反應實現，如氯水溶液（碘水溶液）、酸性KMnO4溶液、H2O2溶液等;③溶解少量O2的水。

展示推理的思維過程，書寫SO2與O2、氯水溶液反應的化學方程式，訓練依據組成、氧化還原反應原理進行符號表征能力。

設計意圖：引導學生從物質類別、元素化合價變化的視角，運用類比、演繹等推理方法進行認知物質的思維活動，通過符號表征方式外顯物質及轉化認知模型的建構過程，形成學生良好的物質認知結構、認知方式應用和模型建構經驗，提高學生模型建構與認知能力。應用認知模型并基于組成變化、反應原理和條件選擇對SO2→H2SO4轉化所形成的認知，有助于在后續(xù)情境應用中有效遷移。

（4）實驗探究：定性定量結合的證據推理

[學生質疑]溶解少量O2的水中沒有催化劑，能氧化SO2嗎？

[教師]有必要通過實驗解決這個問題。

[教師演示]

①用針筒收集80mL的SO2氣體，再吸入一定體積的水，觀察現象;

②在一試管中取約5mL SO2水溶液，滴入BaCl2溶液，觀察現象（可在一段時間內持續(xù)觀察，并用另一試管取5mL蒸餾水做對照）。

[教師]描述所觀察的實驗現象，尋找證據進行解釋。

[學生1]實驗1針筒體積迅速縮小至約30mL，說明SO2在水中大量溶解。

[學生2]實驗2無明顯現象，說明SO2溶液與BaCl2溶液不反應。

[學生3]實驗2放置一段時間后能看到有少量渾濁出現，說明SO2溶液與BaCl2溶液能反應。

[教師]你認為少量渾濁的成分是什么？

[學生3]我覺得是BaSO3。

[教師]你判斷的依據是？

[學生3]SO2與水反應生成H2SO3，與BaCl2發(fā)生復分解反應生成BaSO3。

[教師]為什么一開始無明顯現象，過一會才能產生少量渾濁？

[學生4]大概是因為H2SO3的含量較少，且與BaCl2反應比較慢。

[學生5]我不贊同渾濁是BaSO3，H2SO3與BaCl2如果反應得到BaSO3與HCl，違背了復分解反應弱酸不能制強酸的規(guī)律。

[教師]渾濁如果不是BaSO3，那會是什么？判斷的依據？

[學生6]我覺得是BaSOa，SO2水溶液中的H2SO3被溶液中的O2氧化為H2SO4，再與BaCl2反應得BaSO4，H2SO3與O2反應緩慢且O2量較少，所以產生渾濁較慢且少。

[教師]請同學們梳理同學3、4與同學5、6的推理過程與結論，做出自己的評價，你支持哪種判斷？兩種推理分析差異的焦點在于生成的渾濁是BaSO3還是BaSO4，能否設計實驗對渾濁進行鑒別？

學生獨立思考、交流討論、評價判斷、完善方案。

[學生7]BaSO3與BaCO3類似，都能與鹽酸反應。因此可向實驗2產生的渾濁中加入鹽酸，如果渾濁變澄清說明是BaSO3，如果無明顯變化則是BaSO4。

[教師]分析的很有道理。通過實驗判斷結果究竟如何。

[演示]③將實驗2的混合液分于兩支試管，取其中一支試管滴入少許稀鹽酸，與另一支試管中混合液進行對照。

[教師]實驗結果表明加入鹽酸后無明顯變化，渾濁應該是BaSO4 ，說明SO2水溶液中的H2SO3被溶液中的O2氧化為H2SO4的結論合理。盡管部分同學認為渾濁是BaSO3的結論是不妥的，但你們分析推理的過程值得肯定并堅持。要知道，不斷發(fā)現并糾正錯誤是自然科學發(fā)展的不竭動力。

[教師]由于氧氣在水中的溶解度較小，致使渾濁現象不夠明顯。使用雙氧水溶液，可以“增強”實驗效果。

[演示]④向實驗3對照試管的混合液中滴加雙氧水溶液，產生大量沉淀后再滴入鹽酸，沉淀不溶解。

學生解釋實驗4，強化H2SO3被氧化為H2SO4的認識，規(guī)范基于實驗的證據推理過程。

[教師]隨著實驗技術不斷發(fā)展，運用數字化實驗可以從微觀視角定量化探究實驗原理。使用傳感器對二氧化硫飽和溶液的電導率、溶解氧，pH、溫度變化進行監(jiān)測，通過數據分析體驗反應的過程，見圖5～7。

[學生8]從曲線變化趨勢看，SO2溶液中的H2SO3在02的作用（溶解氧逐漸降低）下逐漸轉化為H2SO4（電導率、酸性逐漸增強），反應放熱（溫度逐漸升高）。

[教師]綜合應用離子檢驗、數字化實驗的方式，從定性、定量相結合的角度進行探究，又可以認識到：SO2的溶解性較大，H2SO3酸性弱于HCl，也能被氧化為H2SO4，且還原性強于SO2，常溫下即可被O2氧化。

[學生]在含硫物質轉化關系圖中補充H2SO3-H2SO4的轉化，明確轉化條件。

設計意圖：組織學生通過師生、生生間廣泛、深入的互動研討，充分參與問題發(fā)現、分析、解決的實驗探究過程，認識實驗探究的內在邏輯是基于證據的推理，引導學生分析解決問題的關健證據，并對實驗信息進行證據識別與搜集，指導學生完成證實、證偽相結合的推理過程，通過探究實踐培養(yǎng)學生實驗探究、證據識別和邏輯推理能力;對教材設計探究實驗進行基于探究邏輯的拆分、重組，充分發(fā)揮實驗活動的問題引領和證據識別功能，并以補充研究視角、豐富證據類型為目的設計數字化實驗，讓學生全面感受實驗工具、技術對科學探究的作用與價值。

（5）辯證分析：基于知識理解的情境應用

[問題解決1]理解認知SO2性質的基礎上，可以嘗試向酸雨說“不”了。教材中對酸雨問題用插圖進行了很好的詮釋，同學們能夠讀懂多少信息？

[學生]對照教材圖片，解釋空氣中SO2的來源、轉化為酸雨的原理、酸雨對環(huán)境的危害等。在教師的引導下，明晰分析插圖信息的視角、思路。

[問題解決2]在了解酸雨成因的基礎上，即可見招拆招、對癥下藥，構思防治酸雨的基本思路了。請同學們認真思考，提出自己的觀點。

[學生1]可以想辦法吸收燃燒產生的S02。

[教師]你能否根據所學知識推薦一些可用的試劑？

[學生1]由于SO2是酸性氧化物，所以我想選擇NaOH來吸收。

組織學生討論，對常見的堿、氧化劑從成本、濃度、狀態(tài)等因素進行評價，選擇適合工業(yè)吸收SO2的試劑。

[學生2]可以設法將燃料中的硫元素除掉。

[學生3]也可以選擇新型燃料或能源。

[教師]如果已經形成酸雨并落到地面，如何減少對土壤的危害？

[學生]認識問題關鍵是中和酸雨中的硫酸，并選擇適合的堿性物質。

[教師]針對“含硫燃料→二氧化硫→酸雨形成”過程的每一個環(huán)節(jié)有的放矢、有序思考，從原理、效果、難度、成本等方面進行評價，從而尋找解決酸雨問題的合理方案。

[問題解決3]學習化學的重要目的不僅在于預防可能危害，更主要的是充分發(fā)揮物質及反應的正能量，試想如果通過SO2去制備H2SO4，需要在哪些方面精心設計？

[學生1]因為SO2轉化為SO3或H2SO3均為可逆反應，所以我覺得應該考慮如何讓SO2盡量多的轉化。

[學生2]因為生產H2SO4必須用到SO2，我考慮要注意防止它排放到空氣中。

[學生3]因為H2SO4有腐蝕性，所以應該選擇合適的材料制造生產設備。

[學生4]應該考慮選擇什么原料來制取S認。

[學生5]考慮生產H2SO4需要的原料、可能造成的危害，因此要考慮制H2SO4工廠的選址問題。

[教師]把反應原理轉化為實際生產，要考慮問題的角度更全面，過程更為復雜、深刻，但總要以化學知識為依據和基礎。同學們的討論很有價值，不過還需要用系統的方法對各種問題進行分類研究并解決，但可以確定的是，SO2-H2SO4的轉化有效利用、造福社會是完全可行的。

[總結]SO2的各種應用（正面、反面）均為其酸性氧化物、還原性及漂白性的具體體現，關鍵在于人類如何運用。學好化學知識對合理正確地使用物質、有效規(guī)避其風險危害彌足關鍵?；瘜W品不是危險品，化學不是災難，希望同學們都來做這一觀念的宣傳者、踐行者。

設計意圖：引導學生在真實情境中識別、應用、理解SO2的主要性質，運用SO2→H2SO4轉化的原理、條件控制進行情境問題的分析與解決，在情境應用中實現對物質及轉化知識的再理解、再認知。引導學生對情境問題進行多角度分析，基于證據提出自己的結論，指導學生規(guī)范思維過程，遵循問題的發(fā)展有序思考、把握問題的組成系統思考、關注問題的本質辯證思考，逐步優(yōu)化學生思維品質、發(fā)展學生思維素養(yǎng)，培養(yǎng)學生解決真實復雜問題的關健能力。

四、結語

依據情境問題解決思路設計教學任務，注重基于學科核心視角獲取觀念性知識、形成知識結構，強化知識在真實情境中的遷移應用，使學習不拘泥于知識;基于學科關鍵能力應用組織教學活動，關注知識獲取、問題解決過程的思維活動運行與優(yōu)化，豐富認知過程方式和問題解決策略體驗，使學習更指向素養(yǎng)。但應認識到，基于情境問題的教學并非減弱知識的重要地位，而是轉變知識教學的價值取向——由事實性知識轉向觀念性、結構性、遷移性知識。知識是學科關鍵能力的本源，學生對知識的理解是學科關鍵能力發(fā)展的起點[5]，即將使用的新版教材中增加二氧化硫內容，將含硫元素物質轉化置于酸雨問題認知前學習，是為了在情境問題解決前進行足夠的知識儲備。關鍵能力的培養(yǎng)具有進階性，應用關鍵能力解決問題的體驗、嘗試，具體思路、方法、策略的指導，真實復雜情境應用于教學的適配與整合，關鍵能力水平的評價，需要教師進行系統的設計、持久的實踐。

參考文獻

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*本文系江蘇省十三五規(guī)劃葉圣陶教育思想研究專項課題“基于‘教是為了不教思想的高中化學學習方式的變革研究”（課題編號：YZ-c/2016/18）階段性研究成果。