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。

［实验用品］Na2SO3溶液、Na2S溶液、稀硫酸、酸性高锰酸钾溶液；试管、胶头滴管。

［提供信息］

常见含锰元素的物质：

KMnO4（高锰酸钾）：可溶于水，溶液显紫色

K2MnO4（锰酸钾）：可溶于水，溶液显绿色

MnO2（二氧化锰）：难溶于水，黑色固体

MnSO4（硫酸锰）：可溶于水，溶液无色或显浅粉色

［小组1展示］我们小组预测Na2SO3应具有氧化性，可找一种具有还原性的物质与其反应，选择的还原剂为Na2S溶液，根据化合价+4价的硫下降，-2的硫上升，预测产物应该是硫单质。通过实验发现，向Na2SO3溶液中滴加Na2S溶液没有现象，滴加稀硫酸后变浑浊，应该是生成了硫单质，据此推测Na2SO3具有氧化性。

［小组2展示］Na2SO3应具有还原性，选择酸性高锰酸钾溶液进行验证，硫的化合价应该升高到+6价，产物可能有SO2-4生成，锰元素从+7价下降，可能是+6、 +4、 +2价。通过实验发现，向Na2SO3溶液中滴加酸性高锰酸钾溶液，溶液由紫红色变成了无色。结合信息提示，我们认为锰元素从+7价变为+2价，实验证明Na2SO3具有还原性。

［教师］同学们在实验中发现，Na2SO3溶液和Na2S溶液反应时，需要加入稀硫酸才出现预期现象，这是因为酸碱性等环境条件会影响物质的氧化性或还原性强弱。

［讨论］设计实验探究物质具有氧化性或还原性的思路是什么？如何选择合适试剂完成实验验证？

［小结］实验探究物质氧化性或还原性的认识思路，见图6所示。

设计意图：通过预测Na2SO3的性质、自主设计验证方案、分组实验、成果分享等学习任务的解决，形成探究陌生物质氧化性或还原性的思路和方法，培养了推论预测、简单设计等学科能力。在实验过程中学生发现“意外”，Na2SO3溶液和Na2S溶液反应需要加入稀硫酸才有预期现象，从而认识到环境条件会影响物质氧化性或还原性的强弱。

5.4 教学板块四：解决生产生活中的实际问题

［提供信息］克劳斯法属于干法脱硫，存在条件要求高、设备复杂、尾气处理不完全等弊端。

［提问］除了克劳斯法，硫化氢尾气处理还可采用哪些方法？

［学生6］硫化氢具有还原性，可以用一些具有氧化性的物质吸收。

［学生7］硫化氢是酸，也可以用碱性物质来吸收。

［提供信息］工业上用氧化法处理硫化氢，如氧化铁脱硫法、氧化锌脱硫法；也可用碳酸盐溶液或氨水等弱碱性物质来吸收［8］。

［提问］依靠Fe3+催化氧化硫化氢实现脱硫的方法是目前国内外使用较多的一种脱硫方法，反应如下：2Fe3++H2S2Fe2++S↓+2H+，请同学们思考Fe3+吸收剂如何再生？

［学生8］Fe3+吸收H2S后变成了Fe2+，可以加氧化剂重新生成Fe3+，如氯气、酸性高锰酸钾溶液等。

［练习］书写氯气氧化Fe2+的离子方程式，分析元素化合价变化和电子转移情况。

［教师］利用氧化还原反应可以实现含不同价态同种元素的物质的相互转化，在生产和生活中，氧化还原反应有广泛的应用。例如，金属的冶炼、电镀、燃料的燃烧、绿色植物的光合作用，以及易燃物的自燃、食物的腐败、钢铁的锈蚀等自然现象。

［总结］我们认识了常见的氧化剂和还原剂，形成了从物质类别和化合价升降趋势来预测物质可能具有的氧化性或还原性，并设计实验方案进行验证的思路和方法。我们学到了知识，掌握了方法，氧化还原反应还能指导我们的人生哲理：对待得和失恰似氧化和还原，得到有时会使你的价位降低，而放手却往往能使你的价位升高。

设计意图：以分析克劳斯法的弊端为引入，让学生认识到探讨处理H2S烟气其他方法的必要性。安排学生讨论H2S的处理方案并说明依据这一学习任务，目的在于诊断并发展学生运用基于物质类别和元素价态的认知模型解决真实问题的能力；安排讨论Fe3+吸收剂循环再生方案并书写离子方程式这一学习任务，目的在于诊断并发展学生迁移应用认知模型解决复杂问题的能力，体现教、学、评的一致性。与此同时，引导学生感受氧化还原反应的社会价值，树立“绿色化学”的理念，增强社会责任感。最后师生总结本节课所学知识和方法，并从氧化还原反应中体悟其中所含人生哲理，实现教学科、教科学、教人生的教学境界。

6 教学反思

以石化企业H2S烟气克劳斯法处理工艺为情境素材，蕴含真实问题，涉及硫及其多种化合物知识，是认识氧化剂、还原剂的良好载体。通过克劳斯法的原理→工艺产品→尾气处理→存在弊端等方面能力发展任务的研讨，帮助学生明晰氧化剂和还原剂的概念，形成基于物质类别和元素价态预测物质性质，并设计实验方案进行验证的认识思路。在课堂教学过程中，学生能够根据克劳斯法两个氧化还原核心反应，从化合价升降和电子转移的角度认识氧化剂和还原剂，完善氧化还原反应的认知模型。面对工业上H2S处理方法和Fe3+吸收剂循环再生这些实际问题，学生能够有效运用本节课所学知识提出解决方案，培养了迁移创新能力。

在分析硫磺以及常见物质的氧化性或还原性时，学生因对常见元素的化合价不够熟悉，不能快速分辨氧化剂和还原剂。此外，在探究Na2SO3的氧化性和还原性时，学生自主设计实验方案的能力略显不足，面对提供的实验用品不能准确地选出所需试剂，动手能力和探究思维还有待提高。本节课教学结束后，选用如下试题进行达标性评价：“在食盐中加碘是预防碘缺乏症的有效方法。通常，在食盐中加碘有两种方法：一种是加入碘化钾（KI），另一种是加入碘酸钾（KIO3）。请设计实验方案检测某种含碘盐中加入的是碘化钾还是碘酸钾，并检测自己家中的含碘盐。［提示：①碘单质（I2）遇淀粉变蓝；②维生素C是生活中可利用的还原剂；③84消毒液是生活中可利用的氧化剂］”。该试题要求综合运用氧化还原反应原理设计方案、解决陌生情境中的实际问题。批阅结果显示，约70%学生能够设计实验方案，约45%学生能够较完整地叙述实验方案，说明本节课教学对相关学科能力点的发展有显著促进作用。在今后的教学中应多开展以学科能力和真实情境为主题的教学，精心设计驱动性问题和能力发展任务，引导学生在真实情境中运用知识，建构认知模型，促进学科认识方式的发展。

参考文献：

［1］王晶， 毕华林主编. 普通高中教科书·化学·必修第一册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 25～26.

［2］钱珍妮. 基于发展“模型认知”的化学概念进阶学习——以“氧化还原反应”单元教学为例［J］. 化学教学， 2023，（4）： 44～51.

［3］闫银权. “素养为本”的化学教学设计策略——以“氧化剂和还原剂”教学为例［J］. 化学教与学， 2021，（3）： 51～54.

［4］郭玉英， 姚建欣. 基于核心素养学习进阶的科学教学设计［J］. 课程·教材·教法， 2016，（11）： 64～70.

［5］王磊， 支瑶. 化学学科能力及其表现研究［J］. 教育学报， 2016，（4）： 46～56.

［6］王明丽. 克劳斯法硫磺回收工艺技术现状及前景展望［J］. 化工中间体， 2010，（4）： 11～12.

［7］王登海， 张文超等. 碱液脱硫在天然气净化厂的应用［J］. 石油与天然气化工， 2023，（3）： 9～15.

［8］杨振宇. 关于硫化氢废气处理新方法研究［J］. 节能与环保， 2019，（7）： 75～77.