探讨社会性科学议题 实施素养为本的教学

郑璇 欧阳志斌

摘要：在当前“论证重污染天气汽车限行的合理性”议题的教学中，议题抛出、问题设置等主要是教师的单向行为，学生的主体地位不突出;在科学论证的过程中，事实佐证较多，深入学科知识的分析较少。通过课前学生搜索信息、认识议题;课中利用价类二维图及分析氮及其化合物的转化关系，深入探讨汽车尾气的危害与处理，推理论证汽车限行的利弊，对汽车限行做出决策;课后反思，总结思路，形成成果汇报，培养决策能力和责任意识。

关键词：社会性科学议题;汽车限行;科学论证;素养为本

文章编号：1008-0546（2022）08-0022-05   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.005

一、教学主题及现状分析

社会性科学议题（Socio- Scientific Issues，简称 SSI）通常指与科学领域相关的，具有社会性、复杂性、开放性和争议性的问题，如气候变暖、环境污染、基因工程等问题[1]。SSI是真实的、广为热议的、结构不佳的科学问题，与政治、经济、文化、环境等社会因素紧密相关;SSI 涉及科学知识、原理与技术，研究过程需要科学思维与实践能力的支撑;SSI 的决策受个人态度与价值观的影响较大，结果常常是无固定答案，多种合理方案并存的。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中六次提及“社会性议题”：“结合学生已有的经验和将要经历的社会生活实际，引导学生关注人类面临的与化学有关的社会问题”“有意识运用所学的知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论”“促进学生辩证地看待问题，培养学生参与社会决策的意识”阐明了高中化学教学中实施 SSI 教学的重要性[2]。李诺等学者指出：探索SSI教学框架与模型是我国科学教育的需求，将理论认知转化为有效的教学实践是新的挑战[3]。

“论证重污染天气汽车限行的合理性”这一议题隶属鲁科版高中化学必修一微项目的内容，取材源于真实的社会问题，与学生生活密切相关。议题覆盖氮及其化合物的相关性质及转化关系，体现研究物质性质及其转化的角度和思路，蕴含绿色化学思想和可持续发展理念，承载“变化观念”“证据推理”“科学态度与社会责任”的学科核心素养。目前，知网所能检索到与该议题相关的教学设计鲜见，有代表性的是罗铖吉[4]和范晓媛[5]的设计，前者侧重“探讨汽车尾气与雾霾是否存在关系，探讨汽车尾气是不是导致雾霾的主要原因”，以此建立含氮物质间的转化关系，形成从物质类别和化合价视角研究物质转化的思路，提升推理和论证能力;但是，议题抛出、资料展示、问题设置更多是教师行为，学生在教师预设的教学框架中活动，较缺乏学生自主学习的空间。后者通过“课前准备—课堂论证—课后反思”三个环节完成整个微项目，着重展示了学生证据推理、质疑反驳、再论证的多轮次反复论证活动，为SSI 的教学模式提供了范例;遗憾的是，在科学论证的过程中，事实佐证较多，深入学科知识的分析较少，即“社会味”太浓而“学科味”稍显不足，学生对化学知识的应用价值和社会价值难以形成强烈的感知。

二、教学思想与创新点

（1）发挥学生主体作用，激发学生的主观能动性。课前布置学习任务、激发学习热情，学生检索资料、认识议题;课中利用价类二维认识模型分析和预测物质性质、建立结构化的知识体系，并运用结构化的知识解决实际问题，促进学生的深度学习，增进对科学内涵和本质的理解;课后反思，总结思路，形成成果汇报。

（2）深入学科内容探讨，彰显论证过程的科学性、合理性。教师在课前准备时收集学生检索的有效信息和具有代表性的观点，整合教学资源，重构教学内容，设置驱动性的任务。学生在真实具体的问题情境中践行“利用资料推理—应用知识推理—运用模型推理”的科学论证，发展高阶思维能力和科学决策能力。

基于以上分析，设计了如图1所示的教学思路。

三、教学目标

（1）从物质类别、元素价态的角度论证汽车尾气促进雾霾的形成，认识氮及其化合物的转化关系，培养证据推理意识和科学论证能力。

（2）通过尾气的净化技术的学习，认识化学科学为可持续发展做出的重要贡献，发展“科学态度与社会责任”素养。

（3）通過议题论证活动，利用“价类二维”的研究思路和方法，发展“变化观念”素养;正确书写反应方程式，发展“宏观辨识与微观探析”素养。

（4）从多视角分析汽车限行所带来的影响，树立可持续发展理念，合理做出决策。

四、教学流程

议题教学分为四个环节，分别对应四个阶段的学生活动，第一环节是课前查阅资料，课堂阐述观点，该环节目的在于驱动学生自主学习;第二、三环节是利用氮及其化合物知识和价类二维模型论证汽车尾气如何促进雾霾形成、汽车尾气能否彻底净化，促进学生利用学科思维和方法深度分析实际问题，培养模型推理、科学探究和科学论证能力;第四环节是树立科学观点，旨在培养学生“科学态度与社会责任”。简要的教学流程如图2所示。

五、教学实录

环节一：认识议题，发现利弊

【情境引入】据公安部统计，2021年全国机动车保有量达3.95亿辆。全国79个城市汽车保有量超过100万辆，35个城市超过200万辆。为应对重污染天气或缓解交通压力，北京、广州等多个城市采取了“汽车限行”。

【学习任务1】通过课前资料的查阅和学习，你支持“汽车限行”吗？说明原因。

【学生阐述】甲方：支持汽车限行。

理由1：汽车限行能缓解交通拥堵，减少交通事故的发生。

理由2：汽车限行能减少汽车尾气的排放，缓解雾霾现象，改善环境质量。有报道，北京奥运期间汽车限行对空气质量有很大的改善。

乙方：不支持汽车限行。

理由1：汽车限行会让个人出行不便。

理由2：《中国气象报》报道，以煤炭为主的不清洁能源的过量使用是我国雾霾严重的最根本原因。因此，汽车尾气不是雾霾形成的主要原因。

【即时评价】学生各执一方，说明他们的认识是片面的、有局限性的，也说明他们考虑问题常常是想当然的、凭借直觉的。并且，学生信息渠道较为单一，所查找的资料不够系统全面，即使有少数同学找到了信息支持，也是停留在浅层次的认知，不能从学科角度深度分析议题。

设计意图：本环节通过课前查阅资料、整理信息的任务，促使学生养成利用信息资源获取知识的学习习惯。学生形成两种截然不同的观点，其理由恰好体现汽车限行的利与弊。

环节二：科学论证，认识利弊

【信息资料】雾霾主要由可吸入颗粒物（PM）、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和碳氢化合物（CXHY ）组成，它能使大气浑浊，视野模糊并导致能见度恶化。

汽车尾气中主要成分是 CO、NOx、碳氢化合物等。公安部的数据显示，近年来，北京、上海、深圳等大中型城市，机动车排放污染已成为细颗粒物污染的重要来源。

【学习任务2-1】汽车尾气中的 NOx 是从哪里来的？

【交流讨论】汽油的成分是碳氢化合物，不完全燃烧产生的是 CO。从元素守恒、价态变化和物质类别变化思考，NOx应是N2在气缸中被O2氧化所致。

【学习任务2-2】依据氮及其化合物的“价类二维图”预测汽车尾气如何转化为雾霾中硝酸盐、铵盐？并写出可能的转化路径。

【交流讨论】汽车尾气转化为硝酸盐、铵盐的路径可能为：N2→NO→NO2→HNO3→NO 3（-）、N2→NH3→NH3· H2O→NH4（+），如圖3所示。

【学生质疑】HNO3→NO3（-），这是为何呢？

【合理猜想】从物质类别转化角度，酸转化为盐需要碱性物质，如碱或碱性氧化物。空气中存在碱性气体NH3，NH3和HNO3化合成硝酸盐。

【学生质疑】空气中为何存在NH3？

【合理猜想】从化合价变化角度，N2→NH3需要还原剂，汽车尾气中可能还含有还原性气体，还原性气体可能是烃，或由烃形成的。

【资料证据】近20年，我国一直是全球最大的氨排放国。在重污染期间，氨并不是主要来自农牧业，而是来自工业化石燃料燃烧过程和机动车排放。汽车尾气中的CO 和H2O在发动机富燃料运行条件下会反应生成 H2，H2和 NO 在催化剂表面产生 NH3。氨气极大地促进了硫酸铵、硝酸铵等二次无机颗粒物的生成，因此氨气是雾霾形成的重要推手。

【即时评价】有部分学生在陌生情境中的分析能力是比较薄弱的，需要交流、讨论、纠错、补充等互助活动，才能完善结果。学生有分析障碍时，如 N2转化为铵盐需要的还原剂，可以引导学生合理猜想，并提供证据支持，让学生充分体验陌生情境下的氧化还原反应的推理。

【信息资料】中国科学院大气物理所研究员王跃思指出，在京津冀地区，大量燃煤燃烧排放二氧化硫，而工业和汽车尾气排放的氮氧化物，可以激发二氧化硫向硫酸盐的快速转化，在沙尘的媒介下，气体就变成了颗粒物，重霾污染就来了。

【学习任务2-3】利用“价类二维图”探讨 NO2将 SO2转化为硫酸盐的可能路径。

【交流讨论】

路径一：

【即时评价】多数同学基于学习经验，推理出路径一。少数同学借助酸雨形成的路径，还推理出路径二。其中，SO2被 NO2氧化生成 SO3，氧化物之间的转化，学生缺乏知识背景，可鼓励学生从价态转变的角度思考，形成开放的价类观。

设计意图：本环节将议题的争议转化为学科问题。创设信息情境，设置有梯度的学习任务，引导学生利用价类二维的分析思路和方法、从氮及其化合物的转化路径深度剖析问题，完善基于氧化还原反应规律的推理路径。学生通过科学分析汽车尾气与重污染天气的关联，认识到汽车尾气的危害，感受到汽车限行的“利”。

环节三：科学探究，论证利弊

【学习任务3-1】用“价类二维图”预测尾气中NOx 能否转化为无害物质后再排放。

【学生预测】NOx 可以在还原剂的作用下转化为 N2，而汽车尾气中就存在还原剂 CO，如：2NO +2CO =2CO2+ N2。

【教师说明】该反应的反应程度很大，可是反应速率极慢。

【学生交流】信息检索可知：三元催化器可以加快尾气处理的速率，汽油机车排气系统中普遍使用三元催化器。

【学习任务3-2】根据如图4所示的三元催化器结构图分析其工作原理。

【交流讨论】三元催化器可将汽车尾气排出的 CO、CXHY 和 NOx 三种主要污染物在高温条件下转变为CO2、H2O 和N2。三元催化器内部呈蜂窝状结构，上面沉积了铂、钯、铑等贵金属涂层，是为了增大气体与催化剂的接触面积，提高催化效率。

【学习任务3-3】结合催化剂的特点，分析三元催化系统可能存在的缺点。

【交流讨论】铂、钯、铑等贵金属成本高;催化剂可能会失效，存在使用周期。

【资料证据】三元催化器能处理90%的废气，但无法限制氨气的形成;催化剂使用时间长了会老化、失活，原因有高温失效、催化剂中毒、催化剂表面积碳等。一般2年便需要更换1次三元催化器。

【信息资料】一辆柴油机车 NOx 的排放量约为小汽车的20倍。对于中重型柴油机车，广泛使用的尾气处理技术是SCR（选择性催化还原技术），其工作原理如图5所示。

【学习任务3-4】分析SCR工作原理。

【交流讨论】CO（NH2）2热分解为 NH3和 CO2，再利用 NH3转化 NOx：8NH3+6NO27N2+12H2O。但在空气过量条件下，会发生副反应：4NH3+5O24NO +6H2O

【学习任务3-5】分析SCR技术的缺点。

【交流讨论】NH3催化氧化再生成 NO，降低了 NO 的脱除率;柴油车需要定期加注车用尿素溶液;也可能存在氨泄漏的问题。

【学习任务3-6】NSR（NOx储存还原技术）适用于稀燃汽油机和轻型柴油机的NOx 的去除。根据如图6所示的NSR工作原理图分析其工作原理。

【交流讨论】储存阶段，NOx 在催化剂 Pt 表面被BaO结合形成 Ba（NO3）2;还原阶段，被还原性尾气还原生成N2。

【教师追问】还原性尾气可能是何种气体？

【学生思考】可能是CO、H2、CXHY。

【资料证据】在催化器前端尾气中直接喷入燃油，燃油在催化剂上发生重整、裂化及部分氧化反应产生还原剂。

【学习任务3-7】分析NSR技术的优缺点。

【交流讨论】优点：不用外加还原剂、脱 NOx效率较高。

缺点：NSR活性组分通常是贵金属，成本较高，也存在硫中毒、积碳、热老化等失活情况。

【即时评价】三种尾气处理技术是当前汽油机车和柴油机车的主流技术，体现了化学科学对人类可持续发展有重要作用，虽然每一种技术都存在缺点，但正是这些不足促进研究者不断技术创新。

设计意图：本环节科学论证汽车尾气能否完全净化，旨在深化发展基于价类二维的转化观，诊断、评价学生运用价类二维模型分析实际问题的能力，提升科学探究、论证与推理、信息有效辨识等能力。通过分析汽车尾气是难以被净化完全的，论证了汽车限行的“利”。

环节四：科学决策，权衡利弊

【信息资料】《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知（国发〔2018〕22号）》《交通运输部等十二部门和单位关于印发绿色出行行动计划（2019-2022年）的通知（交运发〔2019〕70号）》

【学习任务4-1】了解国家近几年相关的国策、法规，知道国家在建立健全绿色出行体系所做的努力。

【信息资料】《公民生态环境行为调查报告（2021）》

【学习任务4-2】了解公众的绿色行为。

【交流讨论】公众低碳出行情况总体良好，六到八成受访者能在前往不同距离目的地或远途旅行时优先选择低碳出行方式。

【学习任务4-3】通过前面的学习，全面综合地分析“汽车限行”所带来的影响。

【交流讨论】环境视角：减少有害气体排放，减轻空气污染。

科技视角：研发新能源汽车、研发新型尾气处理技术，促进科技发展。

经济视角：带动共享经济和新能源经济，促进可持续发展的经济体系。

社会视角：缓解了道路交通压力、提升绿色人文素养等。

【教师追问】你是否支持所在城市“汽车限行”？

【学生阐述】观点一：支持。汽车限行对环境友好，是国家意愿，得民众支持的行为。

观点二：需要因地制宜、全面考虑，不能一概而论。如果所在城市，存在汽车保有量大、空气质量差、交通堵塞等情况，可实行汽车限行;如果不存在以上情况，不一定要汽车限行。

观点三：有些城市虽然当下未必需要、或还未实行汽车限行，但是从公民行为、生态环境可以展望未来：随着社会的发展、人文素養的提升，将来绿色出行是民众的主动行为，汽车限行不再是政策性的限制。因此，当下不必纠结支持与否。

【即时评价】国家政策的推行、公众环保意识的提升，使学生的社会责任感油然而生。此时，学生不仅能从学科的视角理解议题所涉及的知识，还能从社会的视角、人类发展的视角看待议题，对问题的认知更加全面深刻。教师应尊重学生的观点，不宜表达明显的倾向性。

【学习任务4-4】将你的观点按“资料、推理论证、决策”的思路形成学习报告，并小结社会性议题的认识思路。

设计意图：本环节培养学生建立社会性议题的认知视角，形成理性参与社会决策的意识，实现“科学态度与社会责任”素养的发展。

六、教学反思

（1）SSI教学的目标

开展 SSI教学，不单是为了让学生掌握具体的学科知识，更重要的是增进学生对科学本质的理解，提高科学论证能力，提升学科素养。议题仅是一个载体，凭借这个载体，学生掌握分析信息、辨识证据、支持论点的方法，形成研究问题的思路。本议题教学中，学生在深入探讨汽车尾气中氨的生成、汽车尾气中氮氧化物激发二氧化硫向硫酸盐的快速转化、汽车尾气处理等问题时，自觉地利用了价类二维模型对学习氮及其化合物知识的指导作用，形成了开放性的价类二维观，提升了应用模型分析问题的能力。

（2）SSI教学的实施

SSI教学是富有挑战性的教学。教师在课前准备时，要收集和掌握大量资料，准确定位课堂教学目标，规划每个阶段的主要目标，精心选取素材，进行拓展和深挖，创设问题情境，设计进阶式的学习任务。课堂上，要引导学生经历SSI所必需的“认识利弊—论证利弊—权衡利弊”的过程，确保有充分的自主探讨空间，能完整地体验决策的过程。对于学生的论证困难点，应及时提供信息或提示论证方向;对于学生出现的预设之外的回答，要立即依据课堂教学目标进行分析和引导。决策时，要保留议题的开放性，不偏颇某一种具体答案。

（3）SSI教学的评价

SSI教学的关键在于观点的主张和基于证据的论证。因此，在教学实施的过程，要关注学生能否将知识学以致用，能否在陌生情境中科学、合理地应用新知识;要研判学生是否能对其主张进行充分地解释、说明、反驳、辩护，形成观点、证据和结论之间的严密的逻辑关系;要诊断学生能否在议题的探讨中自觉地利用可持续发展理念，萌发科学态度和社会责任。

参考文献

[1]胡久华，罗铖吉，王磊，金新颖. 在中学课堂中开展社会性科学议题教学的探索[J]. 教育学报，2018，14（5）：47-54.

[2]中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：2-26.

[3]李诺，柯立，刘恩山，Troy D. Sadler，李秀菊.社会性科学议题在我国中学科学教育中的价值分析[J]. 中国考试，2021（8）：87-94.

[4]罗铖吉，赵凌云，胡久华，金雅娟，齐治国. 基于社会性科学议题促进核心素养发展的元素化合物教学——以“论证重雾霾天气‘汽车限行的合理性”为例[J]. 化学教育（中英文），2020，41（17）：49-53.

[5]范晓媛，王磊，徐敏. 基于科学论证的社会性科学议题教学探索——以鲁科版必修教材微项目“论证重污染天气‘汽车限行的合理性”为例[J]. 中学化学教学参考，2020（13）：14-18.