基于真實(shí)問題情境 指向?qū)W科核心素養(yǎng)
——“酸雨及其防治”教學(xué)實(shí)錄

福建省龍巖第一中學(xué)(364000) 鄒國華

福建省長汀一中(366300) 童文昭

福建省龍巖市教育科學(xué)研究院(364000) 楊梓生

課程標(biāo)準(zhǔn)在課程實(shí)施建議中提出，要挖掘教學(xué)內(nèi)容在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展方面的獨(dú)特價值；有目的、有計劃地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)學(xué)科思維方式和方法學(xué)習(xí)化學(xué)知識；設(shè)計基于真實(shí)情境的問題解決任務(wù)，使學(xué)生在解決問題的活動中逐步發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[1]。國務(wù)院辦公廳發(fā)布的文件《關(guān)于新時代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》(〔2019〕29號)強(qiáng)調(diào)，深化課堂教學(xué)改革，要積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學(xué)?？梢?，新課程倡導(dǎo)的“素養(yǎng)為本”的教學(xué)載體是真實(shí)而富有價值的情境，過程是靈活多樣的學(xué)習(xí)活動，目標(biāo)是發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

酸雨是人們普遍關(guān)注的社會性議題，研究酸雨的形成及防治，既涉及硫及其化合物知識，又蘊(yùn)含研究無機(jī)物性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的思維與方法。創(chuàng)設(shè)酸雨形成及防治相關(guān)的真實(shí)情境，以活動任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生對酸雨的形成及防治展開討論，使學(xué)生的變化觀念、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任等核心素養(yǎng)在探究學(xué)習(xí)中得以發(fā)展。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

魯科版化學(xué)教材必修第一冊中“酸雨及其防治”一節(jié)內(nèi)容安排在認(rèn)識自然界和實(shí)驗室不同價態(tài)的硫及其化合物的相互轉(zhuǎn)化之后，其教學(xué)功能豐富。從承載的化學(xué)核心知識層面看，與含硫物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化和氧化還原均有重要關(guān)聯(lián)，討論酸雨的形成及防治，是鞏固和提升含硫物質(zhì)間轉(zhuǎn)化及氧化還原等知識的載體；從蘊(yùn)含的化學(xué)學(xué)科思維層面來看，酸雨的形成和防治是在價-類二維思維的引導(dǎo)下研究含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、發(fā)展和提升價-類二維思維的重要平臺；從滲透的價值觀念層面來看，認(rèn)識酸雨的形成、危害，并探討防治途徑，滲透了環(huán)境保護(hù)教育，能引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注環(huán)境問題，形成“人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展”的價值觀念。另外，在教學(xué)過程中可以引導(dǎo)學(xué)生了解關(guān)于二氧化硫排放、酸雨防控等方面的法律法規(guī)，在拓展學(xué)生視野的同時，增強(qiáng)學(xué)生依法依規(guī)辦事的法律意識。

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)的確立

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和課程標(biāo)準(zhǔn)，確立學(xué)習(xí)目標(biāo)和核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)(見表1)。

表1 “酸雨及其防治”的學(xué)習(xí)目標(biāo)及核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)

3 教學(xué)構(gòu)思

酸雨是一個受到廣泛關(guān)注的社會性議題，我國的酸雨屬于典型的硫酸型酸雨，研究硫酸型酸雨的形成及防治具有重要意義。燃煤發(fā)電廠中二氧化硫的排放量占總排放量的50%左右，火電廠二氧化硫的排放量控制，對于酸雨的防控至關(guān)重要。福建屬沿海省份，龍巖地區(qū)一年有兩百天以上空氣質(zhì)量優(yōu)。與學(xué)生交流發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為酸雨問題更多發(fā)生在重型工業(yè)發(fā)達(dá)的中西部地區(qū)，離自己比較遙遠(yuǎn)；學(xué)生對于控制酸雨及二氧化硫排放的有關(guān)法律法規(guī)了解較少。因此，在教學(xué)設(shè)計時采用課前、課堂、課后聯(lián)動的形式，課前預(yù)先設(shè)計調(diào)查任務(wù)，主要目的是引導(dǎo)學(xué)生對酸雨及其危害、我市近幾年二氧化硫排放及酸雨污染等情況有大體的認(rèn)識。課堂立足本地教學(xué)資源，以我市的兩個火電廠為載體設(shè)置真實(shí)教學(xué)情境，讓學(xué)生感受環(huán)境問題就是自己身邊的問題，探討酸雨及其防治有意義且有必要。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從含硫物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化角度，結(jié)合氧化還原知識和“價-類”二維思維，探討二氧化硫轉(zhuǎn)化為酸雨的途徑及防治方案；在“探究火電廠預(yù)防酸雨途徑”環(huán)節(jié)，緊緊圍繞我市火電廠的脫硫方案和本地上市環(huán)保公司的脫硫設(shè)備，介紹火電廠預(yù)防酸雨的方法和原理，讓學(xué)生體會化學(xué)知識在環(huán)境保護(hù)方面的運(yùn)用，感受化學(xué)知識的實(shí)用價值。課后，要求學(xué)生通過訪談、資料查找等途徑，了解科學(xué)、技術(shù)以及觀念、法治在防治酸雨中的作用，并形成一篇1 500字左右論文，引導(dǎo)學(xué)生樹立“綠水青山就是金山銀山”的理念，以實(shí)際行動保護(hù)生態(tài)環(huán)境。教學(xué)主體活動圍繞酸雨是什么(是什么)，為什么會形成酸雨(為什么)，如何防治酸雨(怎么辦)這一主線，設(shè)計進(jìn)階的探究活動。本節(jié)課涉及研究無機(jī)物性質(zhì)、轉(zhuǎn)化的思維和方法(如價-類二維思維)，教學(xué)中關(guān)注思維方法的進(jìn)階學(xué)習(xí)。從學(xué)習(xí)理解到應(yīng)用實(shí)踐，最終內(nèi)化提升為穩(wěn)定的心智模型，以實(shí)現(xiàn)靈活遷移應(yīng)用。

4 教學(xué)實(shí)錄

教學(xué)活動1：分組匯報調(diào)查研究成果

教學(xué)任務(wù)：圍繞課前調(diào)查任務(wù)進(jìn)行分組展示研究成果。

教學(xué)過程：[教師]課前，各小組積極開展了任務(wù)調(diào)查，下面，先請A小組代表匯報本組的調(diào)查成果。

[A小組]酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。酸雨會影響植物生長，使湖泊中魚蝦死亡，破壞土壤成分，使農(nóng)作物減產(chǎn)甚至死亡；損壞露天的文物古跡，腐蝕建筑、工業(yè)設(shè)備等。2018年我國酸雨分布情況如圖1，我省是酸雨高發(fā)區(qū)；治理已酸化的湖泊、土壤或者保護(hù)文物、建筑，要先嚴(yán)格控制附近二氧化硫及氮氧化物的排放，向已酸化的湖泊、土壤中加堿性物質(zhì)以降低湖泊土壤的酸度，在石雕、石刻及建筑物表面涂蓋防護(hù)層、保護(hù)膜。

[教師]A小組已大體介紹了酸雨及其危害、我省的酸雨污染情況，但還比較籠統(tǒng)，也未展示我省、市SO2排放情況，哪個小組有更具體的補(bǔ)充？

[B小組]福建省2018年SO2排放量12.10萬噸，其中，工業(yè)SO2排放量9.78萬噸，占總排放量的80.8%。龍巖有多家大燃煤量企業(yè)，SO2排放量為2.17萬噸。

[C小組]從生態(tài)環(huán)境廳、環(huán)保局等網(wǎng)站了解到，2017年全省23個城市酸雨出現(xiàn)頻率平均為39.8%。福安、龍海、永安和漳州4個城市沒有出現(xiàn)過酸雨，其余19個城市均出現(xiàn)過酸雨，占比82.6%，其中我市漳平區(qū)域出現(xiàn)酸雨頻率大于80%。據(jù)《福州晚報》(2016年)介紹，酸雨對我省環(huán)境造成較大破壞，如：①龍巖、三明等地森林退化；湖泊酸化，魚類死亡，水生生物種群減少；農(nóng)田土壤酸化，糧食、蔬菜、瓜果減產(chǎn)；②泉州、廈門等地由于酸雨對降塵重金屬的淋溶，導(dǎo)致有毒重金屬污染增強(qiáng)；③福州從2007年以來強(qiáng)酸雨的發(fā)生頻率高，已造成部分建筑物、橋梁、文物損壞。

[教師]B、C小組對我省、市SO2排放、酸雨的危害等情況作了更深入的調(diào)查研究，通過課前的調(diào)查大家已感受到，我省、市屬酸雨的高發(fā)區(qū)，并且酸雨已經(jīng)對身邊的環(huán)境造成了一定的破壞，探究酸雨的形成及防治很有必要。

設(shè)計意圖：沿海地區(qū)給人空氣好、環(huán)境美的印象，本地區(qū)大部分學(xué)生總感覺酸雨離自己很遙遠(yuǎn)，課前設(shè)計調(diào)查任務(wù)，目的就是要讓學(xué)生通過收集資料意識到酸雨離我們并不遙遠(yuǎn)，在初步認(rèn)識酸雨及其危害等問題的基礎(chǔ)上，激發(fā)學(xué)生探究酸雨及其防治等問題的興趣。

教學(xué)活動2：討論酸雨防治需要的保障條件

教學(xué)任務(wù)：討論酸雨的防治需要哪些保障條件，了解與SO2排放、酸雨防治等有關(guān)的法律法規(guī)。

教學(xué)過程：[過渡]我市也是酸雨高發(fā)區(qū)，酸雨的防治需要多方面的支持和保障，大家覺得需要哪些保障條件呢？

[學(xué)生]討論后回答：需要法律法規(guī)的保障、科技的支撐和公眾的參與……

[教師]是的，酸雨的防治需要社會各界的共同參與。大家知道與SO2排放、酸雨防治有關(guān)的法律法規(guī)有哪些嗎？

[學(xué)生]《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國大氣污染防治法》

[教師]是的，除此之外，還有《鍋爐大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等。大家知道工業(yè)SO2排放的標(biāo)準(zhǔn)嗎？

[介紹]2012年1月1日生效的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)規(guī)定：對于新建燃煤鍋爐，SO2排放限值100 mg/m3；對嚴(yán)重空氣污染的地區(qū)限值為50 mg/m3。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到酸雨的防治需要社會各界共同努力，鼓勵學(xué)生共同參與酸雨防治，增強(qiáng)學(xué)生社會責(zé)任意識，同時，拓展學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生依法辦事、遵紀(jì)守法的意識。

教學(xué)活動3：探究火電廠與酸雨的關(guān)聯(lián)

教學(xué)任務(wù)：探討火電廠與酸雨之間有何聯(lián)系；了解我市的火電廠發(fā)電量及燃煤情況；運(yùn)用“價-類”二維思維分析酸雨形成的途徑。

教學(xué)過程：[過渡]大家知道我國大氣中的SO2主要來源有哪些嗎？

[介紹]我國酸雨是典型的硫酸型酸雨，工業(yè)SO2是排放的主體(見圖1)，其中燃煤火電廠SO2排放量占SO2總排放量的50%左右。因此，控制排放SO2的對象主要是大型火電廠。

圖1 我國SO2排放情況

[教師]我市是否有火電廠？是否進(jìn)入?yún)⒂^過？每年發(fā)電量、燃煤量多大？

[學(xué)生]交流、談?wù)?、回答：我市有兩座火電廠，分別位于雁石和漳平，兩座火電廠每年燃煤約200萬噸。

[追問]燃煤火電廠為何會產(chǎn)生SO2？

[學(xué)生]煤中含S的有機(jī)物和無機(jī)物，燃燒時會產(chǎn)生SO2。

[追問]SO2如何轉(zhuǎn)化為酸雨？請結(jié)合硫元素的“價-類”二維圖進(jìn)行分析，并寫出相應(yīng)轉(zhuǎn)化途徑的反應(yīng)過程。

[學(xué)生]思考、分析：SO2轉(zhuǎn)化為H2SO4，價態(tài)和類別均發(fā)生了變化?？上劝l(fā)生價態(tài)變化，再進(jìn)行類別轉(zhuǎn)化，即SO2→SO3→H2SO4；亦可先發(fā)生類別轉(zhuǎn)化，再進(jìn)行價態(tài)變化，即SO2→H2SO3→H2SO4(見圖2)。繼而書寫兩種轉(zhuǎn)化途徑相應(yīng)的方程式。

圖2 硫的“價-類”二維圖

設(shè)計意圖：以本地兩座火電廠為載體創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生意識到SO2排放及酸雨形成等問題就是自己身邊的問題，控制SO2排放、研究酸雨的防治有必要也有意義。探究活動圍繞酸雨如何形成展開，在學(xué)習(xí)理解“價-類”二維思維的基礎(chǔ)上，初步應(yīng)用“價-類”二維思維解決實(shí)際問題，發(fā)展研究和解決無機(jī)化合物的能力水平。

教學(xué)活動4：探究火電廠預(yù)防酸雨途徑

教學(xué)任務(wù)：應(yīng)用“價-類”二維思維探究火電廠控制SO2排放的途徑；認(rèn)識本地火電廠中石灰石粉脫硫的原理、堿液脫硫設(shè)備脫硫原理；了解源頭脫硫的技術(shù)。

教學(xué)過程：[過渡]《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中有SO2排放標(biāo)準(zhǔn)，我市火電廠應(yīng)遵守法律法規(guī)，SO2排放應(yīng)達(dá)標(biāo)，以消除酸雨問題。我市火電廠采用多種方式脫硫。

[教師]我市火電廠要減少SO2排放，理論上有哪些脫硫途徑？結(jié)合硫元素的“價-類”二維圖分析。

[學(xué)生]思考、分析：可將SO2轉(zhuǎn)化為H2S、S、H2SO3、H2SO4及硫酸鹽、亞硫酸鹽等，并完成轉(zhuǎn)化見圖3。

圖3 火電廠脫硫途徑

[追問]探討以上6種脫硫途徑的合理性，并說明具體理由。

[學(xué)生]思考、討論后回答：H2SO3不穩(wěn)定，分解后又生成SO2，H2S是污染環(huán)境的氣體，因此圖4中的脫硫途徑①和④不合理；途徑②、③、⑤、⑥不僅可以減少SO2排放，還能獲得有價值的物質(zhì)，相比之下更合理。

[教師]是的，回答很到位。請大家以脫硫途徑⑥SO2→硫酸鹽為例，設(shè)計具體的脫硫方案。

[學(xué)生]思考、分析：從價態(tài)維度看，為使硫元素化合價升高，應(yīng)加入氧化劑，從經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，選擇O2較合適；從類別角度看，酸性氧化物轉(zhuǎn)化為鹽，要加入堿或堿性氧化物，從經(jīng)濟(jì)成本考慮選擇氧化鈣、氨水等。

[教師]很好，大家已會用“價-類”二維思維研究物質(zhì)的轉(zhuǎn)化了。實(shí)地參觀發(fā)現(xiàn)，我市火電廠安裝有石灰石粉倉，能向鍋爐噴石灰石粉參與燃燒，除去煤中的硫。與我們課堂中所設(shè)計的用生石灰脫硫的方案相比，此法有哪些優(yōu)點(diǎn)？

[學(xué)生]思考、討論后回答：石灰石價格更低，能節(jié)約成本。

[教師]對！脫硫后的產(chǎn)物硫酸鈣還能用作生產(chǎn)水泥的輔料。

[過渡]當(dāng)然，火電廠還有其他脫硫方式，比如購買我市環(huán)保公司的脫硫設(shè)備進(jìn)行煙氣脫硫。大家知道我市哪家企業(yè)能生產(chǎn)脫硫設(shè)備嗎？

[學(xué)生]聆聽、回答(略)。

[教師]你們是否了解過其生產(chǎn)銷售的產(chǎn)品？我們一起打開該公司官網(wǎng)了解一下吧。

[學(xué)生]在教師的帶領(lǐng)下瀏覽公司該網(wǎng)頁，了解環(huán)保公司的煙氣脫硫、脫硝產(chǎn)品。

[教師]我市火電廠有購買該公司的堿液脫硫設(shè)備(見圖4)，脫硫過程為：NaOH溶液以霧狀形式在塔內(nèi)與煙氣中的SO2接觸并發(fā)生反應(yīng)；生成物Na2SO3排入氧化池，曝氣風(fēng)機(jī)把高壓空氣送入池底曝氣系統(tǒng)，使Na2SO3溶液和空氣充分接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成物Na2SO4進(jìn)入中和池與石灰漿反應(yīng)：Na2SO4+ Ca(OH)2=CaSO4↓+2NaOH。請分析脫硫原理，并寫出對應(yīng)的化學(xué)方程式。

圖4 堿液脫硫設(shè)備工作示意圖

[學(xué)生]分析思考脫硫原理，并書寫對應(yīng)方程式：SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O，2Na2SO3+O2=2Na2SO4。

[追問]該堿液脫硫設(shè)備有何優(yōu)點(diǎn)？為何使用價格較高的NaOH作為脫硫原料？

[學(xué)生]思考、討論后回答：堿液為霧狀進(jìn)行反應(yīng)，可節(jié)約藥品和充分吸收SO2……

[師生總結(jié)]該設(shè)備、工藝的優(yōu)點(diǎn)：噴淋堿液，氣液逆流，使脫硫更充分且節(jié)約堿液；Na2SO4與石灰漿反應(yīng)，使NaOH得以循環(huán)使用，大大降低了脫硫成本，并且CaSO4能用作水泥行業(yè)的輔料。

[追問]除了將燃燒產(chǎn)生的SO2脫除處理之外，是否還有其他方式能減少SO2排放？

[學(xué)生]在煤燃燒前將其含硫物質(zhì)除去。

[教師]太棒了，這種也是行之有效的脫硫方式。目前可通過物理、化學(xué)和生物技術(shù)將煤炭在其燃燒前脫去硫磺達(dá)到這一目的，如浮選法、堿處理法、微生物分解法等。感興趣的同學(xué)課后可通過書籍、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步了解。

設(shè)計意圖：以本市資源為載體，通過煙氣脫硫途徑、方案的設(shè)計和脫硫原理的探究等活動，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)無機(jī)化合物知識和“價-類”二維思維解決實(shí)際問題，體會化學(xué)知識之于環(huán)境保護(hù)的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境的社會責(zé)任。

教學(xué)活動5：總結(jié)提升、踐行環(huán)保理念

教學(xué)任務(wù)：從酸雨形成和防治的案例中，總結(jié)如何運(yùn)用“價-類”二維思維研究和設(shè)計無機(jī)物之間的轉(zhuǎn)化；思考作為一名高中生，能為酸雨的防治做些什么。

教學(xué)活動：[教師]這節(jié)課我們在探究酸雨的形成途徑和煙氣脫硫方案中，都使用了“價-類”二維思維，請大家回顧我們的分析、思考過程，談?wù)勅绾芜\(yùn)用“價-類”二維思維研究和設(shè)計無機(jī)物之間的轉(zhuǎn)化。

[學(xué)生]討論、總結(jié)后回答(略)。

[師生總結(jié)]研究無機(jī)物之間的轉(zhuǎn)化可從物質(zhì)類別和元素化合價兩個角度入手，觀察物質(zhì)類別和元素價態(tài)是否發(fā)生了變化，分析實(shí)現(xiàn)類別、價態(tài)變化分別需要加入的物質(zhì)，進(jìn)而設(shè)計出可行的制備路線。

[過渡]以后我們遇到陌生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化時，就可以運(yùn)用這個思路進(jìn)行方案設(shè)計。酸雨的防治需要社會各界的共同努力，請大家談?wù)勛鳛橐幻咧猩覀兡茏鲂┦裁矗?/p>

[學(xué)生]我們首先要樹立環(huán)保意識，要綠色出行；多向親友和市民宣傳酸雨的危害、防治知識及相關(guān)法律法規(guī)；及時檢舉超標(biāo)排放的企業(yè)……

[教師]看來我們能做的還是很多的，我們要為酸雨防治多做貢獻(xiàn)，希望同學(xué)們要“像保護(hù)眼睛一樣保護(hù)生態(tài)環(huán)境；像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境”，以實(shí)際行動踐行環(huán)保理念。

設(shè)計意圖：總結(jié)和提升本節(jié)課所學(xué)習(xí)的知識和技能，以便靈活遷移應(yīng)用“價-類”二維思維方法；從自身角度，探討能為環(huán)保做哪些事，引導(dǎo)學(xué)生身體力行，踐行環(huán)保理念，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任。

課后作業(yè)：結(jié)合本節(jié)課內(nèi)容，請通過訪談或資料查找等途徑，寫一篇約1 500字的論文，談?wù)効茖W(xué)、技術(shù)以及觀念、法治在防治酸雨中的作用。提示：①若選擇訪談途徑，應(yīng)提前制定提綱，包括訪談目標(biāo)、對象、問題等，訪談過程中做好記錄、錄音或錄像。②查找資料的途徑有網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫、圖書館等。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課以“基于真實(shí)問題解決，指向?qū)W科核心素養(yǎng)”為基本設(shè)計思路，充分挖掘本市的教學(xué)資源，將教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況相結(jié)合，起到了很好的教學(xué)效果。課前各小組準(zhǔn)備充分，展示的成果數(shù)據(jù)詳實(shí)，觀點(diǎn)有理有據(jù)。課堂的探究活動中，學(xué)生深度思考問題，討論激烈，回答踴躍。課后作業(yè)即引導(dǎo)學(xué)生以酸雨防治為例，建立起科學(xué)、技術(shù)、觀念、法規(guī)與環(huán)保之間的聯(lián)系。

本節(jié)課仍有幾處可以改進(jìn)：為了讓學(xué)生體會酸雨就在自己身邊，課前布置學(xué)生調(diào)查了解本地區(qū)酸雨污染情況，但學(xué)生還是缺乏真實(shí)的體驗，若能在教學(xué)前讓學(xué)生多次收集本市不同區(qū)域的雨水，并測定其pH，做好記錄，學(xué)生對酸雨的認(rèn)識會更深刻。