基于学科能力发展的元素化合物单元教学设计*——以“含氯消毒剂的发展与应用”为例

吴健华 杨绮琳

（1.佛山市第一中学 广东 佛山 528000；2.佛山市顺德区陈村镇初级中学 广东 佛山 528000）

学科能力是指向素养发展的、多维多层的复杂系统。王磊将学科能力界定为：学生能顺利进行学科认识活动和问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制，其内涵是系统化、结构化的学科知识技能及核心经验结构对活动的定向调节和执行机制。［1］对学科能力的理论研究及发展培养，目标在于建立知识经验与能力素养之间的实质联系，整合学科核心素养的内涵本质及外在表现，实现知识教学与能力培养的融合统一。

一、教学主题内容分析

1.学科能力发展系统模型

无机元素化合物主题重点发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等学科核心素养。王磊提出该主题的学科能力构成及其表现水平，［2］对于无机物的研究对象及问题情境，学生基于物质类别、元素价态、性质转化、周期律或反应原理等认识角度，调动积累的元素化合物核心知识与概念原理，完成预测物质性质、设计实验转化、探究反应规律等不同类型的活动任务，进而表现、评价并发展学生的学科能力水平。图1为无机元素化合物主题的学科能力发展系统。

图1 无机元素化合物主题的学科能力发展系统

2.新课标分析

新课程标准［3］中关于“主题2 常见的无机物及其应用”提到，对于非金属及其化合物的研究，结合实验室、生产、生活及环境中的应用实例或实验探究，认识非金属元素的重要性质，能从物质类别、元素价态等角度，依据离子反应、氧化还原反应预测物质性质与转化关系，并能设计实验进行验证；利用典型代表物的性质与反应，综合设计无机化合物的转化方案，解决真实情境中下的具体问题任务。结合新课标的建议要求，本主题内容以氯及其重要化合物为研究对象，开展高三复习阶段对非金属元素化合物的单元教学。

3.学科能力表现水平分析

结合学情开展元素化合物主题的高三一轮复习，依据学科能力表现水平划分（见表1），发展学生相应的学科能力与进阶思维。本主题单元教学尝试以含氯消毒剂的应用与发展为真实情境，引导学生从不同视角深层理解氯及其重要化合物的性质，对其转化规律及应用进行逻辑推理，帮助学生建构元素化合物知识的复习框架，形成基于非金属典型物质的制备、分离、提纯、检验、保存、使用为知识载体的认知模型，达到解决问题任务的认识能力水平4～6，落实学科能力的发展，体现化学的社会发展价值。

表1 无机元素化合物的学科能力表现水平划分

二、单元教学主题框架

根据单元教学主题内容的结构性、进阶性，本教学课例安排为3课时，单元主题教学目标与课时目标的设计框架如图2所示：

图2 单元主题教学目标与课时目标设计框架

其中第一课时以氯水的性质研究、保存、检验、提纯及使用等实际问题为载体，通过对客观事实的分析应用、实验方案的设计与评价、性质转化的定量分析等活动，诊断并发展学生的无机元素化合物主题的认识水平，帮助学生形成多角度、有序的认识思路，图3为第一课时的教学主题框架。

图3 第一课时“氯水性质的再探究”教学主题框架

三、单元教学实施过程

第一课时 氯水性质的再探究

环节1 深思熟“氯”——氯的保存研究

【任务】回顾氯的基本性质。

【情境】氯及其重要化合物在生产、生活中起着重要作用。为抗击疫情，在生活场所可使用含氯消毒剂进行消毒，如84消毒液、ClO2缓释片等。

【问题】结合原子结构及元素周期律，对Cl2的性质再回顾。

【活动】教师：展示工业上储存氯气的钢瓶，提出Cl2的保存方法。

学生：Cl2具有强氧化性，避免与还原剂接触，储存时注意保持干燥。

教师：提出问题，分析潮湿Cl2中存在反应及微粒；将氯水体系中的含氯微粒表示在价—类二维图中。

学生：绘制氯元素的价—类二维图，加深对氯元素典型物质的认识。

【意图】搭建元素化合物的学习工具，引导学生结合价—类二维图，从物质类别、元素价态的认识视角理解Cl2的性质及转化，发展并诊断辨识记忆、概括关联元素化合物知识的学习理解能力，培养证据推理与模型认知的核心素养。

环节2 水中观“氯”——氯水的性质探究

【任务】实验探究氯水的组成及性质。

【情境】为防治流行病，19世纪末开始使用氯气对水体消毒。氯水含有多种微粒，能表现出多重性质。

【问题】结合体系中存在的微粒，讨论氯水的性质，并设计实验进行验证。

【活动】学生小组实验活动：依据给定试剂进行实验设计，从“微观、宏观、符号及曲线”的四重表征视角完成表2的填写。教师组织实验活动的有序开展。

表2 氯水中存在微粒及性质实验探究

可供选择试剂：新制氯水、紫色石蕊试液、NaOH溶液（含酚酞）、淀粉KI 溶液、CaCO3固体、NaHCO3溶液、酸化AgNO3溶液、FeCl2溶液、KSCN溶液、pH试纸、有色布条等。

师生评价实验方案，论证氯水中存在微粒及呈现性质，并对实验现象的合理解释作进一步的探究。

【拓展】教师提出问题：新制氯水可使有色布条、滴加酚酞的NaOH溶液褪色，过量氯水可使淀粉KI溶液先变蓝后褪色，是否均体现HClO的漂白性，尝试设计实验探究。

学生分组讨论，提出探究氯水使不同物质褪色原理的实验方案，完成表3的填写，师生共同评价。

表3 氯水性质的实验再探究

【意图】设计实验研究氯水性质，进一步掌握并运用元素化合物知识。通过实验探究及四重表征的手段，发展并诊断基于分析解释、推论预测及简单设计的应用实践能力，建立结构化的实验思维方式。

环节3 处心积“氯”——提高氯水的消毒效果

【任务】运用化学反应原理的认知视角，论证增强氯水消毒效果的合理方法。

【情境】实验证明，氯水中形成的HClO 起消毒作用，提高HClO浓度可有效提高氯水的消毒效果。

【问题】结合资料信息，提出增强氯水消毒效果的方法。

【活动】学生：氯水中存在反应Cl2+ H2OHCl+HClO，从平衡角度考虑，促进反应正移可提高HClO浓度。

教师：提供电离常数及溶度积等的数据信息（见表4），引导学生通过平衡常数的计算论证问题。

表4 部分物质的平衡常数［4］

学生甲：结合电离常数，可知酸性强弱：H2CO3＞HClO＞HC。往氯水中加入足量NaHCO3，HClO无法与HC反应。加入Na2CO3可发生反应C+HClO==HC+ClO－，因此推测Na2CO3、CaCO3等碳酸盐可消耗HClO，不宜采用加入碳酸盐来提高HClO浓度。

学生乙：CaCO3为难溶性碳酸盐，体系中存在CaCO3，需结合CaCO3的沉淀溶解平衡进行分析，论证反应能否进行。综合计算该反应的平衡常数2.9×10-6，远小于105，推断CaCO3无法与HClO反应。

归纳总结：加入NaHCO3、CaCO3均可提高HClO浓度，增强氯水消毒效果。师生归纳运用反应原理规律（平衡常数）论证元素化合物性质及转化的方法。

【意图】基于反应原理的学科视角及定性、定量的思维策略，解决真实情境的问题任务，培养系统观、变化观、平衡观，发展复杂推理、系统探究等迁移创新能力。

环节4 深谋远“氯”——含氯消毒剂的发展

【任务】认识含氯消毒剂的发展。

【情境】含氯消毒剂（氯水）的保存、使用注意事项。

【问题】分析久置氯水的成分变化，讨论氯水保存及使用方法。

【活动】师生交流：展示氯水在光照下的变化曲线（见图4）。分析图象可知，光照条件下氯水的pH 降低，溶解氧、Cl-浓度及溶液电导率增加，发生反应：；除此还可以通过测定溶液颜色、Cl2浓度等表征氯水在保存、使用时的变化。因此氯水需避光密封保存，避免长时间放置导致消毒效率下降。

图4 光照时氯水的变化曲线

【情境】Cl2直接作为生活用水的消毒剂，有可能形成对人体有害的有机氯化物，因此迫切需要研发其他高效、低毒的含氯消毒剂。

【活动】学生简单回顾84消毒液的制备、保存及使用方法；教师展示含氯消毒剂的发展与应用（见图5），为第二课时“含氯消毒剂的测评”的进行情境知识的铺垫。

图5 含氯消毒剂的发展与应用

【意图】发展并诊断图像分析的关键能力，培养学生以辩证的眼光审视化学事物发展对人类生活的影响，渗透科学态度及社会责任的素养发展。

环节5 建构氯元素价—类—应三维转化图

【任务】建构氯元素价—类—应三维转化图。

【活动】结合单元教学活动任务的推进，师生完善基于“价态—类别—应用”的氯元素三维转化图（见图6），形成基于性质、转化及应用的元素化合物复习的工具模型。

【意图】帮助学生有效建立元素观，使学生面对大量元素化合物的事实性知识时由“散点式”机械记忆转化为“结构化”系统认识，深化物质的认识角度、认识思路及认识方式类型的形成，促进元素化合物主题相关的核心素养的发展。

四、单元教学反思

基于学科能力发展的单元教学设计，教师应站在较高的思维层次上，围绕真实情境对教学素材、学科知识、驱动问题、活动任务等进行优化整合，充分剖析教学主题的内容层次与授课学生的学情特点，顺应知识逻辑及学科能力发展规律，设计、完善并实施单元教学案例，指向学科核心素养的进阶发展。对于高三学段的元素化合物主题复习，可尝试打破传统“漫灌式”教学，选取富有启发的、贴近生产生活的真实情境，开展结构化的单元教学。以含氯消毒剂的制备、分离、提纯、检验、保存、使用为研究主题，几乎涵盖氯元素化合物的核心知识，是开发“素养为本”的单元教学设计的丰富素材。教师应注重以学生为主体的教学，引领学生从多角度认识含氯物质的性质、转化及应用，结合理论认知与实验探究，运用学科知识与思维经验解决实际的问题任务，建构元素化合物的系统认识模型。单元教学设计实施后，可设计具有梯度、分层的单元教学作业评价，诊断主题内容的教学质量，促进学科能力的发展与核心素养的培养。