真實問題情境下的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)

汪雪

摘要：以氧化還原反應(yīng)專題復(fù)習(xí)為例，探究真實問題情境教學(xué)方式，從學(xué)生的實際生活經(jīng)驗和認(rèn)知水平出發(fā)，選取學(xué)生容易理解和接受的真實問題情境，將化學(xué)知識融于其中，把生活中的真實問題植入化學(xué)課堂教學(xué)，相互滲透促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。課堂始終貫穿氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，通過聯(lián)系真實問題情境，解釋氧化還原反應(yīng)在生活中的應(yīng)用，提升學(xué)生的宏微觀念以及理論聯(lián)系實際的能力。

關(guān)鍵詞： 真實問題情境; 氧化還原; 凈水處理; 核心素養(yǎng)

文章編號： 1005-6629（2022）03-0057-05

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 真實問題情境與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

問題，意為要求解答的題目，或需要研究解決的疑難和矛盾等。情境，是指教師精心創(chuàng)設(shè)，有利于課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的情感氛圍[1]。問題情境是個人自我覺察到的一種“有目的但不知如何達(dá)到”的心理困境。在化學(xué)教學(xué)中，“問題情境”應(yīng)該是指教師結(jié)合學(xué)生情況和教學(xué)目標(biāo)等，深度挖掘與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的素材，提煉出化學(xué)學(xué)科問題，創(chuàng)設(shè)能促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展和思維提升的學(xué)習(xí)氛圍。

創(chuàng)設(shè)真實問題情境，將教學(xué)與學(xué)生的生活聯(lián)系起來，讓學(xué)生產(chǎn)生共情，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識分析和解決實際的生活問題，讓學(xué)生在實際問題的分析與解決過程中，最終學(xué)會用化學(xué)的眼光看世界，用科學(xué)的觀念指導(dǎo)生活[2]，有效落實學(xué)科核心素養(yǎng)。

情境越真實，學(xué)習(xí)主體建構(gòu)的知識就越可靠，越容易在真實的情境中運用，從而達(dá)到教學(xué)的預(yù)期目的[3]。因此，化學(xué)實驗、社會熱點事件、自然生活現(xiàn)象、化工生產(chǎn)和化學(xué)史[4]等都是創(chuàng)設(shè)真實問題情境的良好素材。

2 真實問題情境下的“氧化還原反應(yīng)專題復(fù)習(xí)”

2.1 問題情境的創(chuàng)設(shè)及教學(xué)策略

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，工業(yè)廢水的排放、重金屬等有害物質(zhì)通過各種渠道進(jìn)入水體，對水體造成了不同程度的污染。本節(jié)課選擇社會熱點事件——生活中水質(zhì)的凈化為素材創(chuàng)設(shè)情境，在一系列比較復(fù)雜的真實情境中，引導(dǎo)并提煉出與學(xué)生認(rèn)知相匹配的問題鏈。問題鏈的設(shè)置從簡單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)地促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。在各個問題的解決中引導(dǎo)學(xué)生開展實驗探究，引發(fā)學(xué)生深度思考氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，認(rèn)識氧化還原反應(yīng)在凈化水質(zhì)中的作用，感受化學(xué)知識的價值，并在上述過程中提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。具體教學(xué)流程見圖1。

2.2 教學(xué)過程

2.2.1 環(huán)節(jié)一： 創(chuàng)設(shè)真實問題情境，激發(fā)學(xué)習(xí)動機

[視頻導(dǎo)入]2019年10月，陜西某化工有限公司污水處理站6人掉入污水池遇難，最后調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由于中毒窒息引發(fā)的悲劇。

[提出問題]污水處理站中什么物質(zhì)會讓人窒息中毒？

[學(xué)生思考]易揮發(fā)的有毒物質(zhì)。

設(shè)計意圖： 真實情境導(dǎo)入，同時提出問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生積極思考。

活動評價： 本環(huán)節(jié)中學(xué)生基本可以得出是污水池中易揮發(fā)的有毒物質(zhì)讓人窒息中毒，但是具體的物質(zhì)名稱需要教師進(jìn)一步引導(dǎo)。

2.2.2 環(huán)節(jié)二： 真實問題情境，構(gòu)建化學(xué)觀念

[教師引導(dǎo)]污水中的硫化物水解產(chǎn)生易揮發(fā)的硫化氫，會使水體發(fā)臭。由于硫化氫氣體有毒，如何除去水中的硫化氫呢？

[交流與討論]利用硫化氫的還原性，可以選擇一些具有氧化性的物質(zhì)。例如氯氣、氧氣、硝酸、雙氧水、高錳酸鉀。如何選擇最優(yōu)的氧化劑呢？

[學(xué)生]不能用氧氣做氧化劑，因為氧氣將硫化氫氧化成硫沉淀，會產(chǎn)生新的污染物;選擇合適的氧化劑，應(yīng)該結(jié)合氧化性強弱以及價格、綠色環(huán)保等角度進(jìn)行分析。

[教師展示]

[學(xué)生]雙氧水是比較理想的氧化劑。因為價格比較適中，產(chǎn)物也比較綠色環(huán)保。

[教師提問]我們應(yīng)該如何設(shè)計實驗探究硫化物與雙氧水的反應(yīng)，實驗設(shè)計中應(yīng)該注意什么問題？

[學(xué)生回答]因為硫化氫有毒性，所以要注意整個實驗體系應(yīng)該在密閉環(huán)境中進(jìn)行，同時應(yīng)該保持良好的通風(fēng)環(huán)境。

[教師總結(jié)]所以這個實驗我們選擇用青霉素密閉小瓶和注射器注射來進(jìn)行加料操作。

[學(xué)生實驗]向1個青霉素小瓶中加入一定量的Na2S溶液，然后慢慢加入一定量的過氧化氫溶液，觀察并描述現(xiàn)象（溶液中先有黃色沉淀產(chǎn)生，然后又變成無色）。

[教師提問]黃色沉淀是什么？最后無色溶液中的硫元素以什么形式存在？怎么驗證？

[學(xué)生回答]黃色沉淀是硫單質(zhì)，最后無色溶液中的硫元素應(yīng)該以硫酸根形式存在?？梢杂名}酸酸化的氯化鋇檢驗硫酸根的存在。

[學(xué)生實驗]向反應(yīng)后的青霉素瓶中加入鹽酸酸化的氯化鋇溶液，觀察并描述實驗現(xiàn)象（有白色沉淀產(chǎn)生，說明有硫酸根存在）。

[教師提問]為什么先有硫沉淀產(chǎn)生，后又變成了硫酸根，如何書寫反應(yīng)的方程式。

[學(xué)生回答]過氧化氫的量不同，產(chǎn)物不同。

Na2S+H2O22NaOH+S↓

Na2S+4H2O2Na2SO4+4H2O

[教師總結(jié)]對于一個真實的實際問題，如污水中的硫化物，可以選擇適合的氧化劑來進(jìn)行處理。如何判斷選擇的試劑是否合適，可以設(shè)計合適的實驗來進(jìn)行驗證，同時也要注意反應(yīng)物的量，因為反應(yīng)物量的不同，產(chǎn)物也不同。

設(shè)計意圖： 通過創(chuàng)設(shè)真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗探究來解決問題。在探究過程中逐步認(rèn)識選取氧化劑時應(yīng)該同時兼顧環(huán)保和經(jīng)濟等多方面因素，并了解過氧化氫的量不同，會導(dǎo)致產(chǎn)物也不同，以此提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

活動評價： 本實驗由于硫化鈉水解能力較強，所以氣味較臭，學(xué)生容易得出應(yīng)該在密閉環(huán)境中進(jìn)行實驗的結(jié)論。本實驗選擇用青霉素密閉小瓶和注射器加料，感受到實驗裝置創(chuàng)新的趣味性。

2.2.3 環(huán)節(jié)三： 結(jié)合真實情境，發(fā)現(xiàn)問題

[教師展示]凈水處理除了選用過氧化氫外，也會選用含氯消毒劑，例如用次氯酸鈉消毒游泳池。那么，是不是同時使用雙氧水和含氯消毒劑，可以使得凈水作用增強呢？

[視頻]2016年里約奧運泳池一夜之間由藍(lán)色變?yōu)榫G色。官方解釋的原因是因為水池中加入了過氧化氫消毒，而此前水池中已經(jīng)用過含氯消毒劑。

[教師提問]過氧化氫和次氯酸鈉都具有比較好的消毒殺菌能力，為什么在一起使用會使水池中的水變綠了呢？

[交流與討論]可能是兩者發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使兩者喪失了凈化水質(zhì)的作用，這可以通過實驗驗證。

[學(xué)生實驗]向一定量的84消毒液中滴加一定濃度的雙氧水，觀察并描述現(xiàn)象（有無色氣泡產(chǎn)生）。

[教師提問]無色氣泡是什么？如何驗證？

[學(xué)生回答]可能是氧氣，可以用燃著的木條檢驗。

[學(xué)生實驗]用燃著的木條檢驗排出的氣體，發(fā)現(xiàn)燃著的木條復(fù)燃。

[教師]實驗證明大家的猜測是對的。寫出反應(yīng)的方程式并用單線橋法標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目。

[學(xué)生]NaClO+H2O22eNaCl+O2↑+H2O。

[教師提問]游泳池的水為什么會由藍(lán)色變?yōu)榫G色呢？

[學(xué)生回答]過氧化氫和次氯酸鈉反應(yīng)，產(chǎn)生氧氣，使得池中的水體富營養(yǎng)化，從而浮藻滋生，最終變成綠色。

設(shè)計意圖： 學(xué)生通過探究游泳池水由藍(lán)色變綠色的原因，進(jìn)一步了解探究的過程與方法，同時體會過氧化氫與不同的物質(zhì)（硫化鈉和次氯酸鈉）反應(yīng)作用不同，培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念;通過對實驗問題和現(xiàn)象的逐步分析，培養(yǎng)學(xué)生觀察宏觀現(xiàn)象探析微觀本質(zhì)以及證據(jù)推理的能力。

活動評價： 學(xué)生在觀看視頻資料時非常有熱情，對探究游泳池水由藍(lán)色變綠色的原因產(chǎn)生了強烈的興趣，分組討論和探究進(jìn)行得較為順利。

2.2.4 環(huán)節(jié)四： 設(shè)置問題，拓展延伸

[教師]凈水處理中除了常見的過氧化氫、含氯氧化劑等，目前有一種新型的氧化劑也越來越受到人們的關(guān)注——高鐵酸鉀。高鐵酸鉀有很強的氧化性，可以廣泛用于水和廢水的氧化、消毒、殺菌。如果將高鐵酸鉀和過氧化氫同時加到污水里面，能夠增強凈水效果嗎？

[學(xué)生回答]不一定，兩者可能會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，可以設(shè)計兩者反應(yīng)的實驗進(jìn)行驗證。

[學(xué)生小組實驗]向一定濃度的高鐵酸鉀溶液中加入一定量過氧化氫溶液，觀察并描述現(xiàn)象（溶液由紫紅色變?yōu)樽攸S色）。

[實驗結(jié)論]兩者發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，高鐵酸鉀中的鐵元素被還原成三價的鐵離子，證明高鐵酸鉀的氧化性比過氧化氫強。

[教師總結(jié)]過氧化氫是比較強的氧化劑，但是遇到高鐵酸鉀這樣更強的氧化劑時，就成了還原劑。我們可以通過一系列的實驗來定性判斷不同物質(zhì)的氧化性強弱。有沒有定量的方法可以比較物質(zhì)氧化性強弱呢？

[學(xué)生]產(chǎn)生質(zhì)疑，思考。

[教師展示]標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（standard electrode potential）： 定量地表示電極得失電子能力的數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（25.0℃，101.325kPa）是相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢的值。標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢被規(guī)定為0V。同時給出酸性和堿性條件下，不同物質(zhì)的電極電勢值。

設(shè)計意圖： 初步認(rèn)識一種新型的凈水劑，了解其能夠作為凈水劑的原因，同時進(jìn)一步掌握科學(xué)探究的過程與方法。通過過氧化氫與三種不同物質(zhì)的反應(yīng)，了解過氧化氫在不同的氧化還原反應(yīng)中作用不同，并通過三組實驗，能夠定性地判斷物質(zhì)的氧化性強弱;通過了解標(biāo)準(zhǔn)電極電勢，知道如何定量地判斷物質(zhì)的氧化性，使學(xué)生思維實現(xiàn)從定性判斷到定量判斷的跨越，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念，促使學(xué)生高階思維運行的深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

活動評價： 本環(huán)節(jié)整個探究過程都在學(xué)生小組討論下完成，進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生的科學(xué)探究能力。隨著接觸的氧化性物質(zhì)的增多，學(xué)生自然產(chǎn)生疑問： 具有氧化性的物質(zhì)很多，如何更好地了解氧化性的強弱順序？通過對標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的了解和應(yīng)用，學(xué)生可以感受到科學(xué)發(fā)展的過程一般是由表及里，由定性到定量。

2.2.5 環(huán)節(jié)五： 探究新知，感受氧化還原的意義

[新聞?wù)故綸2018年12月，彰化市一家電鍍廠9年來偷排廢水，其中六價鉻、總鉻等有害物質(zhì)最高濃度超過排放標(biāo)準(zhǔn)的4000倍以上。六價鉻排放會誘發(fā)基因突變、癌癥等疾病危害。

[教師提問]思考如何處理污水中的六價鉻？

[學(xué)生回答]鉻是高價態(tài)，需要利用還原劑將其還原。

[課題小組分享]展示學(xué)生課題“納米鈀顆粒組裝修飾的濾紙材料制備及催化應(yīng)用”： 首先利用濾紙作為載體負(fù)載三價鐵離子，然后原位還原合成零價的納米鐵，隨后利用零價鐵還原鈀離子，最終合成得到濾紙負(fù)載的鐵為核、鈀為殼的納米顆粒催化材料，用于模擬污染物，對人體有毒的六價鉻催化還原成毒性較低的三價鉻的研究。反應(yīng)式如下：

Fe+Pd2+Fe2++Pd

6Fe2++Cr2O2-7+14H+6Fe3++2Cr3++7H2O

設(shè)計意圖： 通過展示學(xué)生課題小組的成果，讓學(xué)生初步掌握其中的氧化還原反應(yīng)的原理，同時鼓勵學(xué)生像課題小組的同學(xué)一樣勇于探索，為社會發(fā)展做貢獻(xiàn)。由此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感，并體會氧化還原反應(yīng)在實際問題解決中的重要意義。

活動評價： 通過分享同班同學(xué)的小課題研究，大部分學(xué)生受到了很大的鼓舞和激勵，體會到了化學(xué)知識的價值，將所學(xué)知識應(yīng)用于實際生產(chǎn)生活，為社會進(jìn)步做貢獻(xiàn)的社會使命感和責(zé)任感油然而生。

2.2.6 環(huán)節(jié)六： 了解全球飲用水現(xiàn)狀，總結(jié)水污染處理方法

[教師]展示圖片數(shù)據(jù)等資料： 發(fā)展中國家約有10億人喝不清潔水，每年約有2500多萬人死于飲用不潔水;歐洲55條河流中僅有5條水質(zhì)勉強能用。目前全球飲用水受污染非常嚴(yán)重，我們應(yīng)該怎么做？

[學(xué)生交流]應(yīng)該在平時的生活中注意節(jié)約水資源，不污染水資源。

[小結(jié)與作業(yè)]總結(jié)水污染處理中氧化還原的方法;請查閱資料，了解污水中Hg2+的危害以及處理方法。

設(shè)計意圖： 通過了解目前全球水污染的現(xiàn)狀，讓學(xué)生體會目前水資源污染的形勢十分嚴(yán)峻，提高學(xué)生的環(huán)保意識和社會責(zé)任感，培養(yǎng)合理應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)的科學(xué)態(tài)度?？偨Y(jié)本節(jié)課的核心知識，同時啟發(fā)學(xué)生思考，通過布置作業(yè)進(jìn)一步鞏固氧化還原反應(yīng)的核心知識，同時進(jìn)一步掌握探究的方法，注重課后的學(xué)習(xí)評價。

活動評價： 學(xué)生通過一組組數(shù)據(jù)對比，較具體地了解目前水資源現(xiàn)狀，進(jìn)一步激發(fā)起他們的社會責(zé)任感。交流中都能夠說出一些如何節(jié)約用水、正確用水的做法。通過學(xué)生的課后作業(yè)完成情況，診斷出學(xué)生能夠初步正確地將本節(jié)課所學(xué)的知識應(yīng)用于某些實際問題的處理，基本達(dá)成了本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.3 教學(xué)效果與反思

本節(jié)課主要研究基于真實問題情境下學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，設(shè)計了多個教學(xué)環(huán)節(jié)。通過創(chuàng)設(shè)真實問題情境、實驗探究等方法不斷調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，每個教學(xué)環(huán)節(jié)的開展過程都潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。在整個教學(xué)過程中，學(xué)生的參與度高，基本完成了本節(jié)課預(yù)設(shè)的目標(biāo)。通過本節(jié)課，筆者有以下幾點思考：

2.3.1 創(chuàng)設(shè)主題式真實問題教學(xué)情境，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)

化學(xué)知識作為科學(xué)知識，具有一定的系統(tǒng)性和邏輯性。作為知識的載體，真實問題情境最好也能夠形成體系。在化學(xué)教學(xué)中，可以選取一些適切的新聞、身邊的環(huán)境、生活中的物質(zhì)等真實情境，在一個主題下進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，既可以保障學(xué)生學(xué)習(xí)的流暢性，促進(jìn)學(xué)生全身心地投入到課堂中，又可以通過情境的不斷深入，問題難度的不斷加強，促進(jìn)學(xué)生深度理解化學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。例如本節(jié)課始終圍繞凈水處理中的一些氧化劑和還原劑，基于真實問題情境，提煉出符合學(xué)生認(rèn)知的“問題鏈”，不斷提高學(xué)生分析、解決問題及邏輯推理能力，加深對氧化還原反應(yīng)的理解。通過解決實際問題，學(xué)生也認(rèn)識到了化學(xué)在實際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用價值。

2.3.2 明確真實問題情境的探究方向，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究精神

真實問題情境一般涉及的問題比較多，有時也會包含一些與教學(xué)主題不太相關(guān)的信息。這些信息會干擾學(xué)生的探究方向，所以需要教師去繁化簡，提煉出適切的問題，幫助學(xué)生明確探究方向，讓學(xué)生自己探究實驗方案解決問題，得出結(jié)論。這樣既可以排除一些無用信息對學(xué)生的干擾，提高課堂的有效性，又可通過對實際問題的探究，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，讓他們在學(xué)習(xí)的過程中真切感受到學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的價值和意義。例如，本節(jié)課中學(xué)生對里約奧運泳池一夜之間由藍(lán)色變?yōu)榫G色的視頻產(chǎn)生了非常濃厚的興趣，但是池水為什么由藍(lán)色變?yōu)榫G色，需要教師幫助提供有用信息，提出符合學(xué)生認(rèn)知的更加“化學(xué)”的問題，然后學(xué)生分小組討論，設(shè)計實驗方案，得出結(jié)論。這樣學(xué)生不僅了解并掌握了氧化還原反應(yīng)的知識原理，同時也感知到在實際生活中，不是凈水劑疊加使用就會增加凈水效果，有時候還可能會適得其反。

2.3.3 創(chuàng)設(shè)真實問題情境的習(xí)題，落實學(xué)科核心素養(yǎng)

習(xí)題在化學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)中具有非常重要的作用，它是一堂課知識點的延伸和拓展。化學(xué)教學(xué)不應(yīng)該只重視教學(xué)過程中的形成性評價，也要注重課后作業(yè)的結(jié)果評價。因此，積極探索與實踐“教、學(xué)、評”一體化，對學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展水平給予正確地把握極為重要。創(chuàng)設(shè)真實問題情境的習(xí)題，不僅能幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固課堂所學(xué)知識，還能促使學(xué)生將所學(xué)的化學(xué)知識和實際生活聯(lián)系起來，提高完成習(xí)題的興趣，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性。例如，本節(jié)課布置的習(xí)題中有一道題是請學(xué)生查閱資料，了解污水中Hg2+的危害以及處理方法。這樣生活化的習(xí)題，不僅可以強化學(xué)生已有的化學(xué)知識，也能夠引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)知識滲透到實際生活中，增強他們理論聯(lián)系實際的能力，同時在實際問題的解決中，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的社會參與意識和社會責(zé)任感。

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