促进学科能力发展的化学教学实践

摘  要：  以ADDIE模式为基本范式，构建学科能力导向的教学设计模型。选择石化企业的克劳斯法处理H2S烟气工艺作为情境素材，围绕明晰氧化剂和还原剂、预测物质氧化性或还原性、探究物质氧化性或还原性、解决生产实际问题等教学板块，精心设计驱动性问题和多样化、梯度化的能力发展任务，使学生在问题解决、任务完成的学习过程中逐步建立认知角度，形成认识思路。

关键词：  学科能力； ADDIE； 氧化剂和还原剂； 教学设计模型

文章编号： 10056629（2024）08005506

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

浙江省高层次人才特殊支持计划、宁波市领军和拔尖人才培养工程资助；浙江省教研课题“素养视域下发展化学学科能力的教学改进研究”（编号：G2024075）；浙江省教育科学规划课题“学科能力导向下普通高中教学改进研究”（编号：2023SC162）；浙江省教育信息化研究课题“学科能力视域下名师网络工作室助力乡村学校教学改进研究”（编号：2024ETD62）；宁波市教师教育科研课题“基于项目化研修的名师乡村工作室建设研究”（编号：NJP2024067）；浙江省包朝龙名师网络工作室研究或研修成果之一。

1  教学内容与现状分析

“氧化剂和还原剂”为人教版必修第一册第一章第三节第二课时的新授课［1］，主要内容如表1所示。

在这之前，教材已经安排学习了物质的分类及转化、氧化还原反应等内容，为本节课的学习奠定了基础。在认识氧化还原反应本质的基础上，教材从化合价升降和电子转移的角度定义氧化剂和还原剂，并以CuO与H2、 Na与Cl2的反应为例，说明氧化剂和还原剂的关系，同时介绍了中学化学中常用的氧化剂和还原剂等。随后，教材安排了“思考与讨论”，以汽车尾气系统的催化转化器中发生的化学反应为例，引导学生从STSE视角感受氧化还原反应的社会价值，形成“绿色化学”的理念，增强社会责任感。

从已有的文献来看，有多篇教学设计以“模型认知”为切入点探讨氧化还原反应概念教学的优化与改进［2］，也有采取创设真实问题情境，引导学生开展问题解决式学习的“素养为本”的教学［3］，但尚未发现以学科能力为主题的相关教学设计。

2  教学思想与创新点

ADDIE模式是教学系统设计的基本范式，分为分析（A）、设计（D）、开发（D）、实施（I）和评价（E）五个模块［4］，学科能力导向的化学教学设计模型也遵照了这一经典范式，具体如图1所示。

2.1  确立能力发展目标

以王磊教授提出的“3×3四维”学科能力模型为理论依据［5］，从研究对象和化学问题、能力活动任务类型、知识基础、认识方式四个维度分析课程标准和教材，综合考虑学生学情等因素，确立本节课的能力发展目标，具体如表2所示。

表2  “氧化剂和还原剂”涉及的能力发展目标

能力要素学习表现

A学习理解能力A1辨识记忆能说出氧化剂和还原剂的概念；能列举常见的氧化剂和还原剂。

A2概括关联能建立核心元素化合价的变化与氧化剂、还原剂之间的关联。

A3说明论证能从化合价升降、电子得失、氧化剂和还原剂等角度说明论证物质的性质及物质间的转化关系；能从类别、价态角度说明无机物性质研究思路。

B应用实践能力B1分析解释能从氧化还原的角度分析氧化还原反应及物质的性质；解释生产生活中的现象，解决实际问题。

B2推论预测能根据所含核心元素化合价升降的趋势预测陌生物质可能具有的氧化性或还原性，推测氧化还原反应。

B3简单设计能根据氧化还原反应原理设计实验方案，探究物质的氧化性或还原性。

C迁移创新能力C1复杂推理能综合运用氧化还原反应原理解决陌生情境中的实际问题。

C2系统探究（新授课不做要求）

C3创新思维（新授课不做要求）

2.2  创设真实问题情境

研究对象及问题情境是化学学科能力培养的重要载体，教学过程中应选择真实、适当的问题情境素材。本节课选择克劳斯法作为情境素材的主要原因：一是克劳斯法涉及多种硫及其化合物，是认识氧化剂、还原剂的良好载体，能承载学科认识方式的发展；二是克劳斯法是石化企业处理硫化氢的主要工艺，学习过程有助于发展学生资源化利用、绿色无污染等工程思维，增强社会责任感。教学过程中围绕克劳斯法的原理、工艺产品、尾气处理、弊端等方面精心设计问题和能力发展任务，促使学生在问题解决、活动任务完成过程中确立认识角度，逐步形成认识思路。

2.3  设计能力发展任务

依据上述确立的学科能力发展目标，精心设计了多样化、梯度化的能力发展任务，体现从“学习理解”到“应用实践”再到“迁移创新”的进阶。与此同时，学生在学习活动中的表现可作为达成能力发展目标的证据支撑，将评价嵌入教学过程中，发挥评价的诊断与发展功能，有效促进认知角度、认识思路等学科认识方式的确立和发展，具体如表3所示。

表3  “氧化剂和还原剂”涉及的能力发展任务、

评价活动及对应的能力要素、认识方式发展价值

序列能力发展任务评价活动能力要素认识方式发展价值

1分析克劳斯法基本原理涉及的两个主要反应。教师对学生回答的反馈：判断的准确性以及依据的合理性。A1建立认知角度——价态。

2利用贴磁贴活动从宏观特征、微观实质、物质性质、反应类型的角度概括概念之间的关联。生生互评以及教师对学生活动的反馈：概念之间关联的精准性和认识方式水平层次的合理性（宏观水平、微观水平）。A2认识方式类别进阶：从宏观到微观。

3预测硫磺可能具有的氧化性或还原性，并说明依据。  教师对学生回答的反馈：预测的准确性以及认识思路的结构化。A3、 B1、 B2形成认识思路。

4预测O2、 H2、 FeCl3、 KMnO4、 Na2S、 Cl2、 CO、 H2O2、 KI可能具有的性质并进行类别概括。生生互评以及教师对学生活动的反馈：预测的准确性以及分类的结构化水平（孤立水平、系统水平）。A2、 A3、 B2诊断认识思路是否建立。

5设计实验方案探究Na2SO3的氧化性和还原性。生生互评以及教师对学生活动的反馈：结论、证据、推理等的适切性以及实验方案的严谨性。B3巩固认识思路。

6提出工业上处理硫化氢尾气的其他方法并说明理由；提出Fe3+吸收剂循环再生方案并说明理由；书写离子方程式。  生生互评以及教师对学生回答的反馈：结论、证据、推理等的适切性。C1迁移应用学科认识方式。

3  教学目标

（1） 能分析氧化还原反应中的氧化剂、还原剂及其对应的性质，列举常见的氧化剂和还原剂，建立概念之间相互关联的认知模型；

（2） 能从核心元素化合价的视角预测陌生物质的氧化性、还原性，并设计实验方案进行验证，形成探究物质氧化性和还原性的认识思路；

（3） 通过设计宁波镇海炼化烟气中H2S处理方案的相关活动，能从氧化还原的角度解释生产生活中的现象，解决实际问题，形成“绿色化学”的理念，增强社会责任感。

4  教学流程

设计教学流程如图2所示。

5  教学过程

5.1  教学板块一：明晰氧化剂和还原剂

［引入］这是全国规模最大的炼化企业——宁波镇海炼化，每年炼油量达到2000多万吨。石油炼制过程中会产生大量含硫化氢烟气，不仅会使催化剂中毒、致使生产条件恶化、设备腐蚀，而且会造成严重的环境污染。目前，镇海炼化企业采用克劳斯法处理硫化氢。

［展示］克劳斯法的基本原理（如图3所示）［6］。

［提问］观察这两个反应的方程式，判断它们是否属于氧化还原反应，并说出你的依据。

［学生1］都是氧化还原反应，因为有硫元素的化合价发生变化。

［教师］通过氧化还原反应可以实现含不同价态同种元素的物质的转化。我把两个反应中的反应物分为了两组（SO2和O2一组，H2S一组），请指出分类依据。

［学生2］在反应中SO2和O2中所含元素的化合价下降，H2S所含元素的化合价升高。

［学生3］SO2和O2在反应中都得到电子，H2S在反应中失去电子。

［教师］两位同学分别从宏观和微观的角度说出了分类依据。为了更好地区分反应物，教材定义了两个新的概念：氧化剂和还原剂。

［学习任务］呈现打乱的相关概念：氧化反应、得到电子、还原反应、化合价降低、被还原、氧化性、失去电子、被氧化、化合价升高、还原性，按照氧化剂和还原剂对应整理，从宏观特征、微观实质、反应类型、物质性质这几个角度明晰氧化剂和还原剂。

［学生展示］学生上黑板贴相关概念的磁贴，师生共同评价，构建氧化还原反应的认知模型（如图4所示）。

［小结］氧化还原反应为我们认识和研究物质增添了新的视角——从氧化性、还原性的角度对物质进行分类和性质研究。

设计意图：以宁波家喻户晓的镇海炼化作为引入，一方面引起学生关注家乡企业，增强自豪感，另一方面创设真实问题情境，让学生意识到本节课内容与生产实际密切相关，充分调动学生的积极性。本环节通过克劳斯法中的两个核心反应引出氧化剂和还原剂，用贴磁贴活动引导学生从宏观特征、微观实质、反应类型、物质性质等角度构建氧化还原反应的认知模型。

5.2  教学板块二：预测物质的氧化性或还原性

［展示］克劳斯法工艺产品——硫磺的用途。

［学习任务］预测硫磺可能具有的氧化性或还原性并说出依据。

［学生4］硫是非金属单质，有氧化性。

［学生5］硫单质是0价，可以升高到+4、 +6价，也可以降低到-2价，化合价有升高、降低的趋势，既有氧化性又有还原性。

［教师］作为非金属单质，是从物质类别的角度来推测；学习了氧化还原反应，也要建立从元素价态进行分析的视角。

［师生归纳］价性认知模型（如图5所示）：当某物质所含元素处于较高价态时，元素有降低价态的趋势，该物质可能具有氧化性；当某物质所含元素处于较低价态时，元素有升高价态的趋势，该物质可能具有还原性。

［学习任务］预测下列物质可能具有的氧化性或还原性：O2、 H2、 FeCl3、 KMnO4、 Na2S、 Cl2、 CO、 H2O2、 KI。

［小结］归纳常见的氧化剂和还原剂。

设计意图：引导学生从关注化学反应中具体元素化合价的变化到关注含有变价元素的物质，并从氧化性、还原性的角度认识物质的性质。通过具体实例，帮助学生建立基于核心元素价态预测物质性质的认识视角，构建价性认知模型，运用所学方法判断常见物质的氧化性或还原性，并从物质类别视角形成结构化认识。

5.3  教学板块三：探究物质的氧化性或还原性

［提供信息］经克劳斯法处理未完全转化的硫化氢需点燃处理，尾气中通常含有二氧化硫，钠碱法是处理尾气常用方法之一。碱洗脱硫过程分为吸收过程、中和过程和氧化过程［7］。

［教师］Na2SO3是中和过程的主要产物，请从氧化还原角度预测其性质，并设计实验方案进行验证。

［学习任务］设计实验方案探究Na2SO3的氧化性和还原性，完成表4。