摘 要： 以ADDIE模式為基本范式，構(gòu)建學科能力導向的教學設計模型。選擇石化企業(yè)的克勞斯法處理H2S煙氣工藝作為情境素材，圍繞明晰氧化劑和還原劑、預測物質(zhì)氧化性或還原性、探究物質(zhì)氧化性或還原性、解決生產(chǎn)實際問題等教學板塊，精心設計驅(qū)動性問題和多樣化、梯度化的能力發(fā)展任務，使學生在問題解決、任務完成的學習過程中逐步建立認知角度，形成認識思路。

關(guān)鍵詞： 學科能力； ADDIE； 氧化劑和還原劑； 教學設計模型

文章編號： 10056629（2024）08005506

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

浙江省高層次人才特殊支持計劃、寧波市領(lǐng)軍和拔尖人才培養(yǎng)工程資助；浙江省教研課題“素養(yǎng)視域下發(fā)展化學學科能力的教學改進研究”（編號：G2024075）；浙江省教育科學規(guī)劃課題“學科能力導向下普通高中教學改進研究”（編號：2023SC162）；浙江省教育信息化研究課題“學科能力視域下名師網(wǎng)絡工作室助力鄉(xiāng)村學校教學改進研究”（編號：2024ETD62）；寧波市教師教育科研課題“基于項目化研修的名師鄉(xiāng)村工作室建設研究”（編號：NJP2024067）；浙江省包朝龍名師網(wǎng)絡工作室研究或研修成果之一。

1 教學內(nèi)容與現(xiàn)狀分析

“氧化劑和還原劑”為人教版必修第一冊第一章第三節(jié)第二課時的新授課［1］，主要內(nèi)容如表1所示。

在這之前，教材已經(jīng)安排學習了物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化、氧化還原反應等內(nèi)容，為本節(jié)課的學習奠定了基礎(chǔ)。在認識氧化還原反應本質(zhì)的基礎(chǔ)上，教材從化合價升降和電子轉(zhuǎn)移的角度定義氧化劑和還原劑，并以CuO與H2、 Na與Cl2的反應為例，說明氧化劑和還原劑的關(guān)系，同時介紹了中學化學中常用的氧化劑和還原劑等。隨后，教材安排了“思考與討論”，以汽車尾氣系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器中發(fā)生的化學反應為例，引導學生從STSE視角感受氧化還原反應的社會價值，形成“綠色化學”的理念，增強社會責任感。

從已有的文獻來看，有多篇教學設計以“模型認知”為切入點探討氧化還原反應概念教學的優(yōu)化與改進［2］，也有采取創(chuàng)設真實問題情境，引導學生開展問題解決式學習的“素養(yǎng)為本”的教學［3］，但尚未發(fā)現(xiàn)以學科能力為主題的相關(guān)教學設計。

2 教學思想與創(chuàng)新點

ADDIE模式是教學系統(tǒng)設計的基本范式，分為分析（A）、設計（D）、開發(fā)（D）、實施（I）和評價（E）五個模塊［4］，學科能力導向的化學教學設計模型也遵照了這一經(jīng)典范式，具體如圖1所示。

2.1 確立能力發(fā)展目標

以王磊教授提出的“3×3四維”學科能力模型為理論依據(jù)［5］，從研究對象和化學問題、能力活動任務類型、知識基礎(chǔ)、認識方式四個維度分析課程標準和教材，綜合考慮學生學情等因素，確立本節(jié)課的能力發(fā)展目標，具體如表2所示。

表2 “氧化劑和還原劑”涉及的能力發(fā)展目標

能力要素學習表現(xiàn)

A學習理解能力A1辨識記憶能說出氧化劑和還原劑的概念；能列舉常見的氧化劑和還原劑。

A2概括關(guān)聯(lián)能建立核心元素化合價的變化與氧化劑、還原劑之間的關(guān)聯(lián)。

A3說明論證能從化合價升降、電子得失、氧化劑和還原劑等角度說明論證物質(zhì)的性質(zhì)及物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；能從類別、價態(tài)角度說明無機物性質(zhì)研究思路。

B應用實踐能力B1分析解釋能從氧化還原的角度分析氧化還原反應及物質(zhì)的性質(zhì)；解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象，解決實際問題。

B2推論預測能根據(jù)所含核心元素化合價升降的趨勢預測陌生物質(zhì)可能具有的氧化性或還原性，推測氧化還原反應。

B3簡單設計能根據(jù)氧化還原反應原理設計實驗方案，探究物質(zhì)的氧化性或還原性。

C遷移創(chuàng)新能力C1復雜推理能綜合運用氧化還原反應原理解決陌生情境中的實際問題。

C2系統(tǒng)探究（新授課不做要求）

C3創(chuàng)新思維（新授課不做要求）

2.2 創(chuàng)設真實問題情境

研究對象及問題情境是化學學科能力培養(yǎng)的重要載體，教學過程中應選擇真實、適當?shù)膯栴}情境素材。本節(jié)課選擇克勞斯法作為情境素材的主要原因：一是克勞斯法涉及多種硫及其化合物，是認識氧化劑、還原劑的良好載體，能承載學科認識方式的發(fā)展；二是克勞斯法是石化企業(yè)處理硫化氫的主要工藝，學習過程有助于發(fā)展學生資源化利用、綠色無污染等工程思維，增強社會責任感。教學過程中圍繞克勞斯法的原理、工藝產(chǎn)品、尾氣處理、弊端等方面精心設計問題和能力發(fā)展任務，促使學生在問題解決、活動任務完成過程中確立認識角度，逐步形成認識思路。

2.3 設計能力發(fā)展任務

依據(jù)上述確立的學科能力發(fā)展目標，精心設計了多樣化、梯度化的能力發(fā)展任務，體現(xiàn)從“學習理解”到“應用實踐”再到“遷移創(chuàng)新”的進階。與此同時，學生在學習活動中的表現(xiàn)可作為達成能力發(fā)展目標的證據(jù)支撐，將評價嵌入教學過程中，發(fā)揮評價的診斷與發(fā)展功能，有效促進認知角度、認識思路等學科認識方式的確立和發(fā)展，具體如表3所示。

表3 “氧化劑和還原劑”涉及的能力發(fā)展任務、

評價活動及對應的能力要素、認識方式發(fā)展價值

序列能力發(fā)展任務評價活動能力要素認識方式發(fā)展價值

1分析克勞斯法基本原理涉及的兩個主要反應。教師對學生回答的反饋：判斷的準確性以及依據(jù)的合理性。A1建立認知角度——價態(tài)。

2利用貼磁貼活動從宏觀特征、微觀實質(zhì)、物質(zhì)性質(zhì)、反應類型的角度概括概念之間的關(guān)聯(lián)。生生互評以及教師對學生活動的反饋：概念之間關(guān)聯(lián)的精準性和認識方式水平層次的合理性（宏觀水平、微觀水平）。A2認識方式類別進階：從宏觀到微觀。

3預測硫磺可能具有的氧化性或還原性，并說明依據(jù)。 教師對學生回答的反饋：預測的準確性以及認識思路的結(jié)構(gòu)化。A3、 B1、 B2形成認識思路。

4預測O2、 H2、 FeCl3、 KMnO4、 Na2S、 Cl2、 CO、 H2O2、 KI可能具有的性質(zhì)并進行類別概括。生生互評以及教師對學生活動的反饋：預測的準確性以及分類的結(jié)構(gòu)化水平（孤立水平、系統(tǒng)水平）。A2、 A3、 B2診斷認識思路是否建立。

5設計實驗方案探究Na2SO3的氧化性和還原性。生生互評以及教師對學生活動的反饋：結(jié)論、證據(jù)、推理等的適切性以及實驗方案的嚴謹性。B3鞏固認識思路。

6提出工業(yè)上處理硫化氫尾氣的其他方法并說明理由；提出Fe3+吸收劑循環(huán)再生方案并說明理由；書寫離子方程式。 生生互評以及教師對學生回答的反饋：結(jié)論、證據(jù)、推理等的適切性。C1遷移應用學科認識方式。

3 教學目標

（1） 能分析氧化還原反應中的氧化劑、還原劑及其對應的性質(zhì)，列舉常見的氧化劑和還原劑，建立概念之間相互關(guān)聯(lián)的認知模型；

（2） 能從核心元素化合價的視角預測陌生物質(zhì)的氧化性、還原性，并設計實驗方案進行驗證，形成探究物質(zhì)氧化性和還原性的認識思路；

（3） 通過設計寧波鎮(zhèn)海煉化煙氣中H2S處理方案的相關(guān)活動，能從氧化還原的角度解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象，解決實際問題，形成“綠色化學”的理念，增強社會責任感。

4 教學流程

設計教學流程如圖2所示。

5 教學過程

5.1 教學板塊一：明晰氧化劑和還原劑

［引入］這是全國規(guī)模最大的煉化企業(yè)——寧波鎮(zhèn)海煉化，每年煉油量達到2000多萬噸。石油煉制過程中會產(chǎn)生大量含硫化氫煙氣，不僅會使催化劑中毒、致使生產(chǎn)條件惡化、設備腐蝕，而且會造成嚴重的環(huán)境污染。目前，鎮(zhèn)海煉化企業(yè)采用克勞斯法處理硫化氫。

［展示］克勞斯法的基本原理（如圖3所示）［6］。

［提問］觀察這兩個反應的方程式，判斷它們是否屬于氧化還原反應，并說出你的依據(jù)。

［學生1］都是氧化還原反應，因為有硫元素的化合價發(fā)生變化。

［教師］通過氧化還原反應可以實現(xiàn)含不同價態(tài)同種元素的物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。我把兩個反應中的反應物分為了兩組（SO2和O2一組，H2S一組），請指出分類依據(jù)。

［學生2］在反應中SO2和O2中所含元素的化合價下降，H2S所含元素的化合價升高。

［學生3］SO2和O2在反應中都得到電子，H2S在反應中失去電子。

［教師］兩位同學分別從宏觀和微觀的角度說出了分類依據(jù)。為了更好地區(qū)分反應物，教材定義了兩個新的概念：氧化劑和還原劑。

［學習任務］呈現(xiàn)打亂的相關(guān)概念：氧化反應、得到電子、還原反應、化合價降低、被還原、氧化性、失去電子、被氧化、化合價升高、還原性，按照氧化劑和還原劑對應整理，從宏觀特征、微觀實質(zhì)、反應類型、物質(zhì)性質(zhì)這幾個角度明晰氧化劑和還原劑。

［學生展示］學生上黑板貼相關(guān)概念的磁貼，師生共同評價，構(gòu)建氧化還原反應的認知模型（如圖4所示）。

［小結(jié)］氧化還原反應為我們認識和研究物質(zhì)增添了新的視角——從氧化性、還原性的角度對物質(zhì)進行分類和性質(zhì)研究。

設計意圖：以寧波家喻戶曉的鎮(zhèn)海煉化作為引入，一方面引起學生關(guān)注家鄉(xiāng)企業(yè)，增強自豪感，另一方面創(chuàng)設真實問題情境，讓學生意識到本節(jié)課內(nèi)容與生產(chǎn)實際密切相關(guān)，充分調(diào)動學生的積極性。本環(huán)節(jié)通過克勞斯法中的兩個核心反應引出氧化劑和還原劑，用貼磁貼活動引導學生從宏觀特征、微觀實質(zhì)、反應類型、物質(zhì)性質(zhì)等角度構(gòu)建氧化還原反應的認知模型。

5.2 教學板塊二：預測物質(zhì)的氧化性或還原性

［展示］克勞斯法工藝產(chǎn)品——硫磺的用途。

［學習任務］預測硫磺可能具有的氧化性或還原性并說出依據(jù)。

［學生4］硫是非金屬單質(zhì)，有氧化性。

［學生5］硫單質(zhì)是0價，可以升高到+4、 +6價，也可以降低到-2價，化合價有升高、降低的趨勢，既有氧化性又有還原性。

［教師］作為非金屬單質(zhì)，是從物質(zhì)類別的角度來推測；學習了氧化還原反應，也要建立從元素價態(tài)進行分析的視角。

［師生歸納］價性認知模型（如圖5所示）：當某物質(zhì)所含元素處于較高價態(tài)時，元素有降低價態(tài)的趨勢，該物質(zhì)可能具有氧化性；當某物質(zhì)所含元素處于較低價態(tài)時，元素有升高價態(tài)的趨勢，該物質(zhì)可能具有還原性。

［學習任務］預測下列物質(zhì)可能具有的氧化性或還原性：O2、 H2、 FeCl3、 KMnO4、 Na2S、 Cl2、 CO、 H2O2、 KI。

［小結(jié)］歸納常見的氧化劑和還原劑。

設計意圖：引導學生從關(guān)注化學反應中具體元素化合價的變化到關(guān)注含有變價元素的物質(zhì)，并從氧化性、還原性的角度認識物質(zhì)的性質(zhì)。通過具體實例，幫助學生建立基于核心元素價態(tài)預測物質(zhì)性質(zhì)的認識視角，構(gòu)建價性認知模型，運用所學方法判斷常見物質(zhì)的氧化性或還原性，并從物質(zhì)類別視角形成結(jié)構(gòu)化認識。

5.3 教學板塊三：探究物質(zhì)的氧化性或還原性

［提供信息］經(jīng)克勞斯法處理未完全轉(zhuǎn)化的硫化氫需點燃處理，尾氣中通常含有二氧化硫，鈉堿法是處理尾氣常用方法之一。堿洗脫硫過程分為吸收過程、中和過程和氧化過程［7］。

［教師］Na2SO3是中和過程的主要產(chǎn)物，請從氧化還原角度預測其性質(zhì)，并設計實驗方案進行驗證。

［學習任務］設計實驗方案探究Na2SO3的氧化性和還原性，完成表4。

［實驗用品］Na2SO3溶液、Na2S溶液、稀硫酸、酸性高錳酸鉀溶液；試管、膠頭滴管。

［提供信息］

常見含錳元素的物質(zhì)：

KMnO4（高錳酸鉀）：可溶于水，溶液顯紫色

K2MnO4（錳酸鉀）：可溶于水，溶液顯綠色

MnO2（二氧化錳）：難溶于水，黑色固體

MnSO4（硫酸錳）：可溶于水，溶液無色或顯淺粉色

［小組1展示］我們小組預測Na2SO3應具有氧化性，可找一種具有還原性的物質(zhì)與其反應，選擇的還原劑為Na2S溶液，根據(jù)化合價+4價的硫下降，-2的硫上升，預測產(chǎn)物應該是硫單質(zhì)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，向Na2SO3溶液中滴加Na2S溶液沒有現(xiàn)象，滴加稀硫酸后變渾濁，應該是生成了硫單質(zhì)，據(jù)此推測Na2SO3具有氧化性。

［小組2展示］Na2SO3應具有還原性，選擇酸性高錳酸鉀溶液進行驗證，硫的化合價應該升高到+6價，產(chǎn)物可能有SO2-4生成，錳元素從+7價下降，可能是+6、 +4、 +2價。通過實驗發(fā)現(xiàn)，向Na2SO3溶液中滴加酸性高錳酸鉀溶液，溶液由紫紅色變成了無色。結(jié)合信息提示，我們認為錳元素從+7價變?yōu)?2價，實驗證明Na2SO3具有還原性。

［教師］同學們在實驗中發(fā)現(xiàn)，Na2SO3溶液和Na2S溶液反應時，需要加入稀硫酸才出現(xiàn)預期現(xiàn)象，這是因為酸堿性等環(huán)境條件會影響物質(zhì)的氧化性或還原性強弱。

［討論］設計實驗探究物質(zhì)具有氧化性或還原性的思路是什么？如何選擇合適試劑完成實驗驗證？

［小結(jié)］實驗探究物質(zhì)氧化性或還原性的認識思路，見圖6所示。

設計意圖：通過預測Na2SO3的性質(zhì)、自主設計驗證方案、分組實驗、成果分享等學習任務的解決，形成探究陌生物質(zhì)氧化性或還原性的思路和方法，培養(yǎng)了推論預測、簡單設計等學科能力。在實驗過程中學生發(fā)現(xiàn)“意外”，Na2SO3溶液和Na2S溶液反應需要加入稀硫酸才有預期現(xiàn)象，從而認識到環(huán)境條件會影響物質(zhì)氧化性或還原性的強弱。

5.4 教學板塊四：解決生產(chǎn)生活中的實際問題

［提供信息］克勞斯法屬于干法脫硫，存在條件要求高、設備復雜、尾氣處理不完全等弊端。

［提問］除了克勞斯法，硫化氫尾氣處理還可采用哪些方法？

［學生6］硫化氫具有還原性，可以用一些具有氧化性的物質(zhì)吸收。

［學生7］硫化氫是酸，也可以用堿性物質(zhì)來吸收。

［提供信息］工業(yè)上用氧化法處理硫化氫，如氧化鐵脫硫法、氧化鋅脫硫法；也可用碳酸鹽溶液或氨水等弱堿性物質(zhì)來吸收［8］。

［提問］依靠Fe3+催化氧化硫化氫實現(xiàn)脫硫的方法是目前國內(nèi)外使用較多的一種脫硫方法，反應如下：2Fe3++H2S2Fe2++S↓+2H+，請同學們思考Fe3+吸收劑如何再生？

［學生8］Fe3+吸收H2S后變成了Fe2+，可以加氧化劑重新生成Fe3+，如氯氣、酸性高錳酸鉀溶液等。

［練習］書寫氯氣氧化Fe2+的離子方程式，分析元素化合價變化和電子轉(zhuǎn)移情況。

［教師］利用氧化還原反應可以實現(xiàn)含不同價態(tài)同種元素的物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，在生產(chǎn)和生活中，氧化還原反應有廣泛的應用。例如，金屬的冶煉、電鍍、燃料的燃燒、綠色植物的光合作用，以及易燃物的自燃、食物的腐敗、鋼鐵的銹蝕等自然現(xiàn)象。

［總結(jié)］我們認識了常見的氧化劑和還原劑，形成了從物質(zhì)類別和化合價升降趨勢來預測物質(zhì)可能具有的氧化性或還原性，并設計實驗方案進行驗證的思路和方法。我們學到了知識，掌握了方法，氧化還原反應還能指導我們的人生哲理：對待得和失恰似氧化和還原，得到有時會使你的價位降低，而放手卻往往能使你的價位升高。

設計意圖：以分析克勞斯法的弊端為引入，讓學生認識到探討處理H2S煙氣其他方法的必要性。安排學生討論H2S的處理方案并說明依據(jù)這一學習任務，目的在于診斷并發(fā)展學生運用基于物質(zhì)類別和元素價態(tài)的認知模型解決真實問題的能力；安排討論Fe3+吸收劑循環(huán)再生方案并書寫離子方程式這一學習任務，目的在于診斷并發(fā)展學生遷移應用認知模型解決復雜問題的能力，體現(xiàn)教、學、評的一致性。與此同時，引導學生感受氧化還原反應的社會價值，樹立“綠色化學”的理念，增強社會責任感。最后師生總結(jié)本節(jié)課所學知識和方法，并從氧化還原反應中體悟其中所含人生哲理，實現(xiàn)教學科、教科學、教人生的教學境界。

6 教學反思

以石化企業(yè)H2S煙氣克勞斯法處理工藝為情境素材，蘊含真實問題，涉及硫及其多種化合物知識，是認識氧化劑、還原劑的良好載體。通過克勞斯法的原理→工藝產(chǎn)品→尾氣處理→存在弊端等方面能力發(fā)展任務的研討，幫助學生明晰氧化劑和還原劑的概念，形成基于物質(zhì)類別和元素價態(tài)預測物質(zhì)性質(zhì)，并設計實驗方案進行驗證的認識思路。在課堂教學過程中，學生能夠根據(jù)克勞斯法兩個氧化還原核心反應，從化合價升降和電子轉(zhuǎn)移的角度認識氧化劑和還原劑，完善氧化還原反應的認知模型。面對工業(yè)上H2S處理方法和Fe3+吸收劑循環(huán)再生這些實際問題，學生能夠有效運用本節(jié)課所學知識提出解決方案，培養(yǎng)了遷移創(chuàng)新能力。

在分析硫磺以及常見物質(zhì)的氧化性或還原性時，學生因?qū)ΤＲ娫氐幕蟽r不夠熟悉，不能快速分辨氧化劑和還原劑。此外，在探究Na2SO3的氧化性和還原性時，學生自主設計實驗方案的能力略顯不足，面對提供的實驗用品不能準確地選出所需試劑，動手能力和探究思維還有待提高。本節(jié)課教學結(jié)束后，選用如下試題進行達標性評價：“在食鹽中加碘是預防碘缺乏癥的有效方法。通常，在食鹽中加碘有兩種方法：一種是加入碘化鉀（KI），另一種是加入碘酸鉀（KIO3）。請設計實驗方案檢測某種含碘鹽中加入的是碘化鉀還是碘酸鉀，并檢測自己家中的含碘鹽。［提示：①碘單質(zhì)（I2）遇淀粉變藍；②維生素C是生活中可利用的還原劑；③84消毒液是生活中可利用的氧化劑］”。該試題要求綜合運用氧化還原反應原理設計方案、解決陌生情境中的實際問題。批閱結(jié)果顯示，約70%學生能夠設計實驗方案，約45%學生能夠較完整地敘述實驗方案，說明本節(jié)課教學對相關(guān)學科能力點的發(fā)展有顯著促進作用。在今后的教學中應多開展以學科能力和真實情境為主題的教學，精心設計驅(qū)動性問題和能力發(fā)展任務，引導學生在真實情境中運用知識，建構(gòu)認知模型，促進學科認識方式的發(fā)展。

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