基于學(xué)科能力發(fā)展的元素化合物單元教學(xué)設(shè)計(jì)*
——以“含氯消毒劑的發(fā)展與應(yīng)用”為例

吳健華 楊綺琳

（1.佛山市第一中學(xué) 廣東 佛山 528000；2.佛山市順德區(qū)陳村鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué) 廣東 佛山 528000）

學(xué)科能力是指向素養(yǎng)發(fā)展的、多維多層的復(fù)雜系統(tǒng)。王磊將學(xué)科能力界定為：學(xué)生能順利進(jìn)行學(xué)科認(rèn)識(shí)活動(dòng)和問(wèn)題解決活動(dòng)所必需的、穩(wěn)定的心理調(diào)節(jié)機(jī)制，其內(nèi)涵是系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的學(xué)科知識(shí)技能及核心經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)對(duì)活動(dòng)的定向調(diào)節(jié)和執(zhí)行機(jī)制。［1］對(duì)學(xué)科能力的理論研究及發(fā)展培養(yǎng)，目標(biāo)在于建立知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與能力素養(yǎng)之間的實(shí)質(zhì)聯(lián)系，整合學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵本質(zhì)及外在表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)教學(xué)與能力培養(yǎng)的融合統(tǒng)一。

一、教學(xué)主題內(nèi)容分析

1.學(xué)科能力發(fā)展系統(tǒng)模型

無(wú)機(jī)元素化合物主題重點(diǎn)發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)等學(xué)科核心素養(yǎng)。王磊提出該主題的學(xué)科能力構(gòu)成及其表現(xiàn)水平，［2］對(duì)于無(wú)機(jī)物的研究對(duì)象及問(wèn)題情境，學(xué)生基于物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)、性質(zhì)轉(zhuǎn)化、周期律或反應(yīng)原理等認(rèn)識(shí)角度，調(diào)動(dòng)積累的元素化合物核心知識(shí)與概念原理，完成預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化、探究反應(yīng)規(guī)律等不同類型的活動(dòng)任務(wù)，進(jìn)而表現(xiàn)、評(píng)價(jià)并發(fā)展學(xué)生的學(xué)科能力水平。圖1為無(wú)機(jī)元素化合物主題的學(xué)科能力發(fā)展系統(tǒng)。

圖1 無(wú)機(jī)元素化合物主題的學(xué)科能力發(fā)展系統(tǒng)

2.新課標(biāo)分析

新課程標(biāo)準(zhǔn)［3］中關(guān)于“主題2 常見的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”提到，對(duì)于非金屬及其化合物的研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)、生活及環(huán)境中的應(yīng)用實(shí)例或?qū)嶒?yàn)探究，認(rèn)識(shí)非金屬元素的重要性質(zhì)，能從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)等角度，依據(jù)離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化關(guān)系，并能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；利用典型代表物的性質(zhì)與反應(yīng)，綜合設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化方案，解決真實(shí)情境中下的具體問(wèn)題任務(wù)。結(jié)合新課標(biāo)的建議要求，本主題內(nèi)容以氯及其重要化合物為研究對(duì)象，開展高三復(fù)習(xí)階段對(duì)非金屬元素化合物的單元教學(xué)。

3.學(xué)科能力表現(xiàn)水平分析

結(jié)合學(xué)情開展元素化合物主題的高三一輪復(fù)習(xí)，依據(jù)學(xué)科能力表現(xiàn)水平劃分（見表1），發(fā)展學(xué)生相應(yīng)的學(xué)科能力與進(jìn)階思維。本主題單元教學(xué)嘗試以含氯消毒劑的應(yīng)用與發(fā)展為真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生從不同視角深層理解氯及其重要化合物的性質(zhì)，對(duì)其轉(zhuǎn)化規(guī)律及應(yīng)用進(jìn)行邏輯推理，幫助學(xué)生建構(gòu)元素化合物知識(shí)的復(fù)習(xí)框架，形成基于非金屬典型物質(zhì)的制備、分離、提純、檢驗(yàn)、保存、使用為知識(shí)載體的認(rèn)知模型，達(dá)到解決問(wèn)題任務(wù)的認(rèn)識(shí)能力水平4～6，落實(shí)學(xué)科能力的發(fā)展，體現(xiàn)化學(xué)的社會(huì)發(fā)展價(jià)值。

表1 無(wú)機(jī)元素化合物的學(xué)科能力表現(xiàn)水平劃分

二、單元教學(xué)主題框架

根據(jù)單元教學(xué)主題內(nèi)容的結(jié)構(gòu)性、進(jìn)階性，本教學(xué)課例安排為3課時(shí)，單元主題教學(xué)目標(biāo)與課時(shí)目標(biāo)的設(shè)計(jì)框架如圖2所示：

圖2 單元主題教學(xué)目標(biāo)與課時(shí)目標(biāo)設(shè)計(jì)框架

其中第一課時(shí)以氯水的性質(zhì)研究、保存、檢驗(yàn)、提純及使用等實(shí)際問(wèn)題為載體，通過(guò)對(duì)客觀事實(shí)的分析應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、性質(zhì)轉(zhuǎn)化的定量分析等活動(dòng)，診斷并發(fā)展學(xué)生的無(wú)機(jī)元素化合物主題的認(rèn)識(shí)水平，幫助學(xué)生形成多角度、有序的認(rèn)識(shí)思路，圖3為第一課時(shí)的教學(xué)主題框架。

圖3 第一課時(shí)“氯水性質(zhì)的再探究”教學(xué)主題框架

三、單元教學(xué)實(shí)施過(guò)程

第一課時(shí) 氯水性質(zhì)的再探究

環(huán)節(jié)1 深思熟“氯”——氯的保存研究

【任務(wù)】回顧氯的基本性質(zhì)。

【情境】氯及其重要化合物在生產(chǎn)、生活中起著重要作用。為抗擊疫情，在生活場(chǎng)所可使用含氯消毒劑進(jìn)行消毒，如84消毒液、ClO2緩釋片等。

【問(wèn)題】結(jié)合原子結(jié)構(gòu)及元素周期律，對(duì)Cl2的性質(zhì)再回顧。

【活動(dòng)】教師：展示工業(yè)上儲(chǔ)存氯氣的鋼瓶，提出Cl2的保存方法。

學(xué)生：Cl2具有強(qiáng)氧化性，避免與還原劑接觸，儲(chǔ)存時(shí)注意保持干燥。

教師：提出問(wèn)題，分析潮濕Cl2中存在反應(yīng)及微粒；將氯水體系中的含氯微粒表示在價(jià)—類二維圖中。

學(xué)生：繪制氯元素的價(jià)—類二維圖，加深對(duì)氯元素典型物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

【意圖】搭建元素化合物的學(xué)習(xí)工具，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合價(jià)—類二維圖，從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)的認(rèn)識(shí)視角理解Cl2的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化，發(fā)展并診斷辨識(shí)記憶、概括關(guān)聯(lián)元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)理解能力，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)2 水中觀“氯”——氯水的性質(zhì)探究

【任務(wù)】實(shí)驗(yàn)探究氯水的組成及性質(zhì)。

【情境】為防治流行病，19世紀(jì)末開始使用氯氣對(duì)水體消毒。氯水含有多種微粒，能表現(xiàn)出多重性質(zhì)。

【問(wèn)題】結(jié)合體系中存在的微粒，討論氯水的性質(zhì)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

【活動(dòng)】學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：依據(jù)給定試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從“微觀、宏觀、符號(hào)及曲線”的四重表征視角完成表2的填寫。教師組織實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的有序開展。

表2 氯水中存在微粒及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)探究

可供選擇試劑：新制氯水、紫色石蕊試液、NaOH溶液（含酚酞）、淀粉KI 溶液、CaCO3固體、NaHCO3溶液、酸化AgNO3溶液、FeCl2溶液、KSCN溶液、pH試紙、有色布條等。

師生評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，論證氯水中存在微粒及呈現(xiàn)性質(zhì)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的合理解釋作進(jìn)一步的探究。

【拓展】教師提出問(wèn)題：新制氯水可使有色布條、滴加酚酞的NaOH溶液褪色，過(guò)量氯水可使淀粉KI溶液先變藍(lán)后褪色，是否均體現(xiàn)HClO的漂白性，嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究。

學(xué)生分組討論，提出探究氯水使不同物質(zhì)褪色原理的實(shí)驗(yàn)方案，完成表3的填寫，師生共同評(píng)價(jià)。

表3 氯水性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)再探究

【意圖】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究氯水性質(zhì)，進(jìn)一步掌握并運(yùn)用元素化合物知識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究及四重表征的手段，發(fā)展并診斷基于分析解釋、推論預(yù)測(cè)及簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐能力，建立結(jié)構(gòu)化的實(shí)驗(yàn)思維方式。

環(huán)節(jié)3 處心積“氯”——提高氯水的消毒效果

【任務(wù)】運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理的認(rèn)知視角，論證增強(qiáng)氯水消毒效果的合理方法。

【情境】實(shí)驗(yàn)證明，氯水中形成的HClO 起消毒作用，提高HClO濃度可有效提高氯水的消毒效果。

【問(wèn)題】結(jié)合資料信息，提出增強(qiáng)氯水消毒效果的方法。

【活動(dòng)】學(xué)生：氯水中存在反應(yīng)Cl2+ H2OHCl+HClO，從平衡角度考慮，促進(jìn)反應(yīng)正移可提高HClO濃度。

教師：提供電離常數(shù)及溶度積等的數(shù)據(jù)信息（見表4），引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)平衡常數(shù)的計(jì)算論證問(wèn)題。

表4 部分物質(zhì)的平衡常數(shù)［4］

學(xué)生甲：結(jié)合電離常數(shù)，可知酸性強(qiáng)弱：H2CO3＞HClO＞HC。往氯水中加入足量NaHCO3，HClO無(wú)法與HC反應(yīng)。加入Na2CO3可發(fā)生反應(yīng)C+HClO==HC+ClO－，因此推測(cè)Na2CO3、CaCO3等碳酸鹽可消耗HClO，不宜采用加入碳酸鹽來(lái)提高HClO濃度。

學(xué)生乙：CaCO3為難溶性碳酸鹽，體系中存在CaCO3，需結(jié)合CaCO3的沉淀溶解平衡進(jìn)行分析，論證反應(yīng)能否進(jìn)行。綜合計(jì)算該反應(yīng)的平衡常數(shù)2.9×10-6，遠(yuǎn)小于105，推斷CaCO3無(wú)法與HClO反應(yīng)。

歸納總結(jié)：加入NaHCO3、CaCO3均可提高HClO濃度，增強(qiáng)氯水消毒效果。師生歸納運(yùn)用反應(yīng)原理規(guī)律（平衡常數(shù)）論證元素化合物性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的方法。

【意圖】基于反應(yīng)原理的學(xué)科視角及定性、定量的思維策略，解決真實(shí)情境的問(wèn)題任務(wù)，培養(yǎng)系統(tǒng)觀、變化觀、平衡觀，發(fā)展復(fù)雜推理、系統(tǒng)探究等遷移創(chuàng)新能力。

環(huán)節(jié)4 深謀遠(yuǎn)“氯”——含氯消毒劑的發(fā)展

【任務(wù)】認(rèn)識(shí)含氯消毒劑的發(fā)展。

【情境】含氯消毒劑（氯水）的保存、使用注意事項(xiàng)。

【問(wèn)題】分析久置氯水的成分變化，討論氯水保存及使用方法。

【活動(dòng)】師生交流：展示氯水在光照下的變化曲線（見圖4）。分析圖象可知，光照條件下氯水的pH 降低，溶解氧、Cl-濃度及溶液電導(dǎo)率增加，發(fā)生反應(yīng)：；除此還可以通過(guò)測(cè)定溶液顏色、Cl2濃度等表征氯水在保存、使用時(shí)的變化。因此氯水需避光密封保存，避免長(zhǎng)時(shí)間放置導(dǎo)致消毒效率下降。

圖4 光照時(shí)氯水的變化曲線

【情境】Cl2直接作為生活用水的消毒劑，有可能形成對(duì)人體有害的有機(jī)氯化物，因此迫切需要研發(fā)其他高效、低毒的含氯消毒劑。

【活動(dòng)】學(xué)生簡(jiǎn)單回顧84消毒液的制備、保存及使用方法；教師展示含氯消毒劑的發(fā)展與應(yīng)用（見圖5），為第二課時(shí)“含氯消毒劑的測(cè)評(píng)”的進(jìn)行情境知識(shí)的鋪墊。

圖5 含氯消毒劑的發(fā)展與應(yīng)用

【意圖】發(fā)展并診斷圖像分析的關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)生以辯證的眼光審視化學(xué)事物發(fā)展對(duì)人類生活的影響，滲透科學(xué)態(tài)度及社會(huì)責(zé)任的素養(yǎng)發(fā)展。

環(huán)節(jié)5 建構(gòu)氯元素價(jià)—類—應(yīng)三維轉(zhuǎn)化圖

【任務(wù)】建構(gòu)氯元素價(jià)—類—應(yīng)三維轉(zhuǎn)化圖。

【活動(dòng)】結(jié)合單元教學(xué)活動(dòng)任務(wù)的推進(jìn)，師生完善基于“價(jià)態(tài)—類別—應(yīng)用”的氯元素三維轉(zhuǎn)化圖（見圖6），形成基于性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的元素化合物復(fù)習(xí)的工具模型。

【意圖】幫助學(xué)生有效建立元素觀，使學(xué)生面對(duì)大量元素化合物的事實(shí)性知識(shí)時(shí)由“散點(diǎn)式”機(jī)械記憶轉(zhuǎn)化為“結(jié)構(gòu)化”系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，深化物質(zhì)的認(rèn)識(shí)角度、認(rèn)識(shí)思路及認(rèn)識(shí)方式類型的形成，促進(jìn)元素化合物主題相關(guān)的核心素養(yǎng)的發(fā)展。

四、單元教學(xué)反思

基于學(xué)科能力發(fā)展的單元教學(xué)設(shè)計(jì)，教師應(yīng)站在較高的思維層次上，圍繞真實(shí)情境對(duì)教學(xué)素材、學(xué)科知識(shí)、驅(qū)動(dòng)問(wèn)題、活動(dòng)任務(wù)等進(jìn)行優(yōu)化整合，充分剖析教學(xué)主題的內(nèi)容層次與授課學(xué)生的學(xué)情特點(diǎn)，順應(yīng)知識(shí)邏輯及學(xué)科能力發(fā)展規(guī)律，設(shè)計(jì)、完善并實(shí)施單元教學(xué)案例，指向?qū)W科核心素養(yǎng)的進(jìn)階發(fā)展。對(duì)于高三學(xué)段的元素化合物主題復(fù)習(xí)，可嘗試打破傳統(tǒng)“漫灌式”教學(xué)，選取富有啟發(fā)的、貼近生產(chǎn)生活的真實(shí)情境，開展結(jié)構(gòu)化的單元教學(xué)。以含氯消毒劑的制備、分離、提純、檢驗(yàn)、保存、使用為研究主題，幾乎涵蓋氯元素化合物的核心知識(shí)，是開發(fā)“素養(yǎng)為本”的單元教學(xué)設(shè)計(jì)的豐富素材。教師應(yīng)注重以學(xué)生為主體的教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生從多角度認(rèn)識(shí)含氯物質(zhì)的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及應(yīng)用，結(jié)合理論認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)探究，運(yùn)用學(xué)科知識(shí)與思維經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際的問(wèn)題任務(wù)，建構(gòu)元素化合物的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)模型。單元教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施后，可設(shè)計(jì)具有梯度、分層的單元教學(xué)作業(yè)評(píng)價(jià)，診斷主題內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)科能力的發(fā)展與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。