物质及转化教学中培育学科关键能力的实践研究

法浩

摘要：在物质及转化教学中将知识体系、认知方式和情境应用协调发展作为教学目标，以化学学科关键能力的应用、体验与培养为价值取向设计知识建构、实验探究、证据推理等类型的教学活动，依据问题解决途径规划教学任务，对二氧化硫及转化进行教学实践。

关键词：物质及转化;学科关健能力;教学实践;二氧化硫

文章编号：1008-0546（2021）03-0008-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.002

一、问题的提出

物质及转化是化学学科重要的学习内容，具有多元化的教学价值取向。传统教学往往过于强调对物质及转化的知识体系建构而忽略认知方式培养和情境应用迁移。2003版课标实施以来，教学设计逐渐关注知识体系、认知方式、情境应用的平衡、融合、转换，认知方式和情境应用在教学中所占比例逐步提高，逐步突出情境创设对教学活动的作用，使学生在真实情境中主动探究、获得知识、培养能力、发展素养。但深人一线教学实践发现，知识体系、认知方式、情境应用的分配比例失当问题仍普遍存在，主要体现在：（1）过于注重物质及转化知识细节的学习，将知识的习得作为课堂教学最重要的任务，忽略知识体系建构和认知思路形成;（2）真实情境的作用往往限于引出物质及转化为学习对象，或基于相关知识说明、解释情境中简单问题，缺少聚焦情境问题深度解决的教学实践;（3）学生对认知活动的过程体验、方法指导亟待加强，实验探究、证据推理活动内容缺乏有效设计。解决上述问题无疑需要有效提升学生基于学科理解的认知、应用能力。

2017年9月中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化教育体制机制改革的意见》中明确指出，要注重培养支撑终身发展、适应时代要求的关键能力。因此，关键能力也必然成为新时代学科育人的价值追求。已有研究多对化學学科关键能力的内涵、要素、框架、评价等进行阐释，但对关键能力如何落地的教学实践成果较少，因此物质及转化教学中如何进行学生化学学科关键能力的培育实践值得关注。以苏教版《化学1》教材专题4第一单元“二氧化硫的性质和应用”为例进行实践尝试。

二、学科关键能力培育的教学设计思路

1.培育学科关键能力，规划教学活动

研究表明，化学学科关键能力是基于化学特定认知或特定活动的学科能力发展目标具体化，是众多化学学科能力要素中处于中心位置、最重要、最有价值、能起决定作用的能力[1]，可分为信息获取与加工能力、证据识别与推理能力、模型建构与认知能力、实验操作与探究能力等要素[2-4]。能力培育源于活动、指向分析解决问题，因此学科关键能力培育实践的关键在于规划基于问题解决的教学活动类型、内容及实施方式。

依据学科关键能力要素的活动指向，确定知识建构、证据推理和实验探究为培育学科关键能力的主要活动类型（见图1）。但任一活动类型都并非仅依赖相应能力要素，而需要多种能力要素互相融合、综合运用。如知识建构信息获取与加工、模型建构与应用能力，实验探究活动中除实验操作与探究能力外，信息获取与加工能力、证据识别与推理能力不可或缺。证据推理活动不仅是证据识别与推理，也是模型建构与应用过程。况且知识建构、实验探究和证据推理三类活动之间还存在相互关联、相互转化关系，因此教学活动中关键能力培育的要素指向可以有所侧重，但不必孤立对待。

2.聚焦情境问题解决，设计教学任务

学科关键能力发展价值在于解决真实情境问题，依据问题解决的思路、策略，设计适宜知识建构、证据推理、实验探究活动深入开展的教学任务，在完成教学任务的过程中实现学科关键能力的培育与提高。如二氧化硫及转化教学以硫酸型酸雨成因及防治为教学情境，将问题解决途径分解为“SO2如何转化为H2SO4”“酸雨如何形成”“如何减少酸雨形成，减轻酸雨危害”“如何合理利用SO2→H2SO4转化”的递进过程，将其作为主线设计教学任务。

3.适切任务活动需求，组织教学内容

以教学任务的完成及相应教学活动的开展为取向，提供教学资源、组织教学活动内容，为学科关键能力培育提供保障（见图2）。

三、教学实践

1.教学目标

（1）认识二氧化硫具有辨识性的物理性质，能从酸性氧化物、还原性、特性视角认识二氧化硫的化学性质，会依据复分解反应、氧化还原反应原理分析二氧化硫主要转化，尝试初步建构基于酸性氧化物和元素化合价变化的二氧化硫转化关系。

（2）形成认知二氧化硫性质及转化关系的视角、思路、方法;通过实验探究、情境问题分析、解决活动培养获取有效信息、识别证据、推理分析的能力。

（3）形成对硫酸型酸雨形成及防治问题的科学认识，客观、辩证地看待二氧化硫、二氧化硫至硫酸转化的价值与危害，形成正确应用物质及转化的意识。

2.教学实录

（1）创设情境：聚焦问题的解决路径

[教师]党的十八大以来，生态文明建设成为我国治理的重要战略任务，“绿水青山就是金山银山”的理念深入人心、形成广泛共识。美丽徐州、从我做起、人人有责。环境的保护和改善离不开化学，通过化学学习了解产生环境问题的根源，才能有的放矢、对症下药，真正解决问题。本节课探讨当今环境治理中的一个典型问题——酸雨防治。

[问题解决]请同学们回答关于酸雨的三个问题：酸雨如何界定？酸雨成分有哪些？空气中哪种物质含量增多会造成酸雨？

[教师]

①硫酸型酸雨形成的关键是SO2→H2SO4，若有效治理酸雨，必须深刻认识SO2，以及它如何转化成HZSO4。

②认知物质的一般思路为：初步感知一类比参照一类别认知一特性辨识一应用实践，在SO2的学习中注意应用。

设计意图：确立酸雨问题为教学情境，聚焦化学学科学习对解决社会问题、推进社会发展的意义与价值。基于学生对酸雨问题的已有知识进行继续学习探究，体现学习的延续与发展。将情境问题分析与化学学科知识关联，对如何进行物质性质的学习进行认知方式指导。

（2）知识获取：观念引领的信息加工

观察试管中密封的二氧化硫，总结其颜色、状态、气味，推测密度。

[教师]

①二氧化硫的溶解性在后续学习中会有体验;

②启发学生联想：在生活中哪些场合闻过二氧化硫的气味？

[学生]在放鞭炮、烧煤的炉子等处曾闻到类似气味。

[教师]火药、燃煤中含硫元素，燃烧后均能产生二氧化硫。煤炭等含硫燃料燃烧是大气中二氧化硫的主要来源之一。谈及二氧化硫，人们总将其与有毒、酸雨、污染联系一起，好像其存在就是危害，必须根除。其实二氧化硫有很多正面价值，是人类发展不可或缺的一种物质。从百度（见图3）初步了解它的重要用途。

[教师]物质的用途由其性质直接决定，尝试通过用途来推测二氧化硫具备的性质？

[学生]用于制亚硫酸，说明其为酸性氧化物;能抗氧化说明具有还原性;作漂白剂说明具有漂白性;通过SO2→H2SO4的转化制硫酸及硫酸盐。

[教师]①网络资源虽便捷，但不少是片面甚至错误的，若真正学习知识还需借助教材、教辅、专业书籍、文献等资料;

②SO2→H2SO4既可制硫酸（硫酸盐），又可形成酸雨，可见任何事物都具有两面性，同一转化过程对社会造福还是危害，取决于人类如何利用。正确、合理地应用物质，必须从对物质的深度认知开始。

[学生实验]将玻璃棒上的pH试纸、I2试纸、品红试纸湿润后放入装有二氧化硫的试管（见图4），塞紧橡皮塞后观察现象，推测原因。

学生分组实验、小组合作、交流讨论、汇报补充。

[學生]pH试纸变红，说明SO2水溶液呈酸性，SO2是酸性氧化物;I2试纸褪色，因碘单质是常见的氧化剂，说明SO2具有还原性;品红试纸褪色，说明SO2具有漂白性。

[教师]通过实验认识与用途推测等初步感知活动可获得一致的结果：二氧化硫是酸性氧化物，具有还原性、漂白性，这是对二氧化硫性质须具备的观念性认识。但初步感知后仍有不少并未解决的问题，对性质的认知还有待深入，需要进一步进行学习。

设计意图：将二氧化硫性质的初步感知作为信息获取与加工的训练平台，在常用教材文本、实验基础上补充创新实验、网络资源作为信息素材，丰富学生认知物质的信息视野，引导学生辨别有效信息，遵循一定的物质性质认知视角对获取的信息进行提炼、加工，概括获得基于核心视角的物质性质观念性认知，从而训练学生的信息获取与加工能力。

（3）模型建构：价类二维的逻辑认知

[教师]通过初步感知得到的知识，需要经过思维的加工才能理解深刻，请同学们与我一同体验类比（异中求同、同中求异）的乐趣。

①SO2组成、性质（酸性氧化物）类似CO2，模仿类推SO2：CO2→H2CO3推得SO2→H2SO3;CO2→CO32-推得SO2→SO32-。

[学生]由CO2+H2O=H2CO3、CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O模仿类推SO2与H2O、NaOH溶液反应的化学方程式。

②组成类似CO2的原因是S、C元素的化合价均为+4，但在化学反应中的变化趋并不相同：+4价C元素化合价只能降低，常降为+2价（CO）、O价（C）;+4价S元素化合价既可升高至+6价（SO3、H2SO4、SO42-），也可降低至0价（S）;实验事实表明，+4价S元素化合价升高更易实现，可见SO2虽既有氧化性、也有还原性，但以还原性为主。

[学生]绘图表述SO2至H2SO3、SO32-、SO3、H2SO4、SO42-、S的转化关系，注意体现硫元素化合价的变化。

[教师]选择合适的反应物及条件实现转化。

（1）SO2→SO3：与O2（由组成变化分析），发生氧化还原反应（由硫元素化合价变化分析），需催化剂并加热的条件，且为可逆反应。

（2）SO2-H2SO4：需氧化剂（由硫元素化合价变化分析）与水（由组成变化分析）两者兼有，可通过①分别与O2、H2O反应，通过两步转化实现;②与氧化剂溶液直接反应实现，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。

展示推理的思维过程，书写SO2与O2、氯水溶液反应的化学方程式，训练依据组成、氧化还原反应原理进行符号表征能力。

设计意图：引导学生从物质类别、元素化合价变化的视角，运用类比、演绎等推理方法进行认知物质的思维活动，通过符号表征方式外显物质及转化认知模型的建构过程，形成学生良好的物质认知结构、认知方式应用和模型建构经验，提高学生模型建构与认知能力。应用认知模型并基于组成变化、反应原理和条件选择对SO2→H2SO4转化所形成的认知，有助于在后续情境应用中有效迁移。

（4）实验探究：定性定量结合的证据推理

[学生质疑]溶解少量O2的水中没有催化剂，能氧化SO2吗？

[教师]有必要通过实验解决这个问题。

[教师演示]

①用针筒收集80mL的SO2气体，再吸入一定体积的水，观察现象;

②在一试管中取约5mL SO2水溶液，滴入BaCl2溶液，观察现象（可在一段时间内持续观察，并用另一试管取5mL蒸馏水做对照）。

[教师]描述所观察的实验现象，寻找证据进行解释。

[学生1]实验1针筒体积迅速缩小至约30mL，说明SO2在水中大量溶解。

[学生2]实验2无明显现象，说明SO2溶液与BaCl2溶液不反应。

[学生3]实验2放置一段时间后能看到有少量浑浊出现，说明SO2溶液与BaCl2溶液能反应。

[教师]你认为少量浑浊的成分是什么？

[学生3]我觉得是BaSO3。

[教师]你判断的依据是？

[学生3]SO2与水反应生成H2SO3，与BaCl2发生复分解反应生成BaSO3。

[教师]为什么一开始无明显现象，过一会才能产生少量浑浊？

[学生4]大概是因为H2SO3的含量较少，且与BaCl2反应比较慢。

[学生5]我不赞同浑浊是BaSO3，H2SO3与BaCl2如果反应得到BaSO3与HCl，违背了复分解反应弱酸不能制强酸的规律。

[教师]浑浊如果不是BaSO3，那会是什么？判断的依据？

[学生6]我觉得是BaSOa，SO2水溶液中的H2SO3被溶液中的O2氧化为H2SO4，再与BaCl2反应得BaSO4，H2SO3与O2反应缓慢且O2量较少，所以产生浑浊较慢且少。

[教师]请同学们梳理同学3、4与同学5、6的推理过程与结论，做出自己的评价，你支持哪种判断？两种推理分析差异的焦点在于生成的浑浊是BaSO3还是BaSO4，能否设计实验对浑浊进行鉴别？

学生独立思考、交流讨论、评价判断、完善方案。

[学生7]BaSO3与BaCO3类似，都能与盐酸反应。因此可向实验2产生的浑浊中加入盐酸，如果浑浊变澄清说明是BaSO3，如果无明显变化则是BaSO4。

[教师]分析的很有道理。通过实验判断结果究竟如何。

[演示]③将实验2的混合液分于两支试管，取其中一支试管滴入少许稀盐酸，与另一支试管中混合液进行对照。

[教师]实验结果表明加入盐酸后无明显变化，浑浊应该是BaSO4 ，说明SO2水溶液中的H2SO3被溶液中的O2氧化为H2SO4的结论合理。尽管部分同学认为浑浊是BaSO3的结论是不妥的，但你们分析推理的过程值得肯定并坚持。要知道，不断发现并纠正错误是自然科学发展的不竭动力。

[教师]由于氧气在水中的溶解度较小，致使浑浊现象不够明显。使用双氧水溶液，可以“增强”实验效果。

[演示]④向实验3对照试管的混合液中滴加双氧水溶液，产生大量沉淀后再滴入盐酸，沉淀不溶解。

学生解释实验4，强化H2SO3被氧化为H2SO4的认识，规范基于实验的证据推理过程。

[教师]随着实验技术不断发展，运用数字化实验可以从微观视角定量化探究实验原理。使用传感器对二氧化硫饱和溶液的电导率、溶解氧，pH、温度变化进行监测，通过数据分析体验反应的过程，见图5～7。

[学生8]从曲线变化趋势看，SO2溶液中的H2SO3在02的作用（溶解氧逐渐降低）下逐渐转化为H2SO4（电导率、酸性逐渐增强），反应放热（温度逐渐升高）。

[教师]综合应用离子检验、数字化实验的方式，从定性、定量相结合的角度进行探究，又可以认识到：SO2的溶解性较大，H2SO3酸性弱于HCl，也能被氧化为H2SO4，且还原性强于SO2，常温下即可被O2氧化。

[学生]在含硫物质转化关系图中补充H2SO3-H2SO4的转化，明确转化条件。

设计意图：组织学生通过师生、生生间广泛、深入的互动研讨，充分参与问题发现、分析、解决的实验探究过程，认识实验探究的内在逻辑是基于证据的推理，引导学生分析解决问题的关健证据，并对实验信息进行证据识别与搜集，指导学生完成证实、证伪相结合的推理过程，通过探究实践培养学生实验探究、证据识别和逻辑推理能力;对教材设计探究实验进行基于探究逻辑的拆分、重组，充分发挥实验活动的问题引领和证据识别功能，并以补充研究视角、丰富证据类型为目的设计数字化实验，让学生全面感受实验工具、技术对科学探究的作用与价值。

（5）辩证分析：基于知识理解的情境应用

[问题解决1]理解认知SO2性质的基础上，可以尝试向酸雨说“不”了。教材中对酸雨问题用插图进行了很好的诠释，同学们能够读懂多少信息？

[学生]对照教材图片，解释空气中SO2的来源、转化为酸雨的原理、酸雨对环境的危害等。在教师的引导下，明晰分析插图信息的视角、思路。

[问题解决2]在了解酸雨成因的基础上，即可见招拆招、对症下药，构思防治酸雨的基本思路了。请同学们认真思考，提出自己的观点。

[学生1]可以想办法吸收燃烧产生的S02。

[教师]你能否根据所学知识推荐一些可用的试剂？

[学生1]由于SO2是酸性氧化物，所以我想选择NaOH来吸收。

组织学生讨论，对常见的碱、氧化剂从成本、浓度、状态等因素进行评价，选择适合工业吸收SO2的试剂。

[学生2]可以设法将燃料中的硫元素除掉。

[学生3]也可以选择新型燃料或能源。

[教师]如果已经形成酸雨并落到地面，如何减少对土壤的危害？

[学生]认识问题关键是中和酸雨中的硫酸，并选择适合的碱性物质。

[教师]针对“含硫燃料→二氧化硫→酸雨形成”过程的每一个环节有的放矢、有序思考，从原理、效果、难度、成本等方面进行评价，从而寻找解决酸雨问题的合理方案。

[问题解决3]学习化学的重要目的不仅在于预防可能危害，更主要的是充分发挥物质及反应的正能量，试想如果通过SO2去制备H2SO4，需要在哪些方面精心设计？

[学生1]因为SO2转化为SO3或H2SO3均为可逆反应，所以我覺得应该考虑如何让SO2尽量多的转化。

[学生2]因为生产H2SO4必须用到SO2，我考虑要注意防止它排放到空气中。

[学生3]因为H2SO4有腐蚀性，所以应该选择合适的材料制造生产设备。

[学生4]应该考虑选择什么原料来制取S认。

[学生5]考虑生产H2SO4需要的原料、可能造成的危害，因此要考虑制H2SO4工厂的选址问题。

[教师]把反应原理转化为实际生产，要考虑问题的角度更全面，过程更为复杂、深刻，但总要以化学知识为依据和基础。同学们的讨论很有价值，不过还需要用系统的方法对各种问题进行分类研究并解决，但可以确定的是，SO2-H2SO4的转化有效利用、造福社会是完全可行的。

[总结]SO2的各种应用（正面、反面）均为其酸性氧化物、还原性及漂白性的具体体现，关键在于人类如何运用。学好化学知识对合理正确地使用物质、有效规避其风险危害弥足关键。化学品不是危险品，化学不是灾难，希望同学们都来做这一观念的宣传者、践行者。

设计意图：引导学生在真实情境中识别、应用、理解SO2的主要性质，运用SO2→H2SO4转化的原理、条件控制进行情境问题的分析与解决，在情境应用中实现对物质及转化知识的再理解、再认知。引导学生对情境问题进行多角度分析，基于证据提出自己的结论，指导学生规范思维过程，遵循问题的发展有序思考、把握问题的组成系统思考、关注问题的本质辩证思考，逐步优化学生思维品质、发展学生思维素养，培养学生解决真实复杂问题的关健能力。

四、结语

依据情境问题解决思路设计教学任务，注重基于学科核心视角获取观念性知识、形成知识结构，强化知识在真实情境中的迁移应用，使学习不拘泥于知识;基于学科关键能力应用组织教学活动，关注知识获取、问题解决过程的思维活动运行与优化，丰富认知过程方式和问题解决策略体验，使学习更指向素养。但应认识到，基于情境问题的教学并非减弱知识的重要地位，而是转变知识教学的价值取向——由事实性知识转向观念性、结构性、迁移性知识。知识是学科关键能力的本源，学生对知识的理解是学科关键能力发展的起点[5]，即将使用的新版教材中增加二氧化硫内容，将含硫元素物质转化置于酸雨问题认知前学习，是为了在情境问题解决前进行足够的知识储备。关键能力的培养具有进阶性，应用关键能力解决问题的体验、尝试，具体思路、方法、策略的指导，真实复杂情境应用于教学的适配与整合，关键能力水平的评价，需要教师进行系统的设计、持久的实践。

参考文献

[1][2]杨季冬，王后雄.高中化学关健能力的内涵及构成要素研究[J].化学教学，2019（4）：3-6

[3]单旭峰.科学命题，深化改革——2018年高考化学试题解析[J].中学化学教学参考，2018（7）：62-65

[4]江合佩.高中化学学科关键能力的测评及教学建议[J].教育测量与评价，2019（6）：42-49

[5]喻平.学科关键能力的生成与评价[J].教育学报，2018（4）：34-40

*本文系江苏省十三五规划叶圣陶教育思想研究专项课题“基于‘教是为了不教思想的高中化学学习方式的變革研究”（课题编号：YZ-c/2016/18）阶段性研究成果。