從真實情境到驅動性問題鏈的素養為本的教學

王換榮 何銀華 肖中榮

摘要：以“溶液的酸堿性”單元復習課教學為例，從某化工廠排放污水引發危害到高中生如何處理污水作為教學情境貫穿全程。創設了“粗略、精確測定某化工廠排放污水的酸堿性”“比較中和劑生石灰和碳酸鈉將酸性污水中和至達到排放標準的性價比”“用滴定法準確測定污水中氫離子濃度”三個探究情境，并設置應景的驅動型問題鏈和學習活動群，以更好地促成學生的思維結構化和知識網絡化，發展學生的化學核心素養。

關鍵詞：真實情境;驅動性;問題鏈;素養為本;溶液的酸堿性

文章編號：1008-0546（2020）03-0002-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.001

林崇德在《21世紀學生發展核心素養研究》中指出：“化學核心素養是學生在化學認知活動中發展起來的并在解決與化學相關問題中表現出來的科學素養[1]?！倍磐赋觯骸皬膭e人那里聽來的知識也許能使人產生某種行動，但這種知識不能培養個人的主動性和使他忠于他人的信念?！鼻榫辰虒W的核心就是“知識只有在它們產生及應用的情境中才能產生意義”[2]，教學中選擇與創設生產、生活、工業等真實情境能激發驅動性問題的產生，推動認知過程的行進，維持實踐活動的展開，調整情感體驗，強化知識技能的落實，并反映學生從化學視角認識客觀事物的方式與結果的水平，對培養和發展學生的核心素養舉足輕重。

問題驅動教學法是“一種以學生為主體，以問題核心規劃學習內容，讓學生圍繞問題尋求解決方案的一種學習方法”。教學情境作為知識建構的載體，應在教學的全程發揮作用，持續產生驅動性問題，使教學如抽絲剝繭般不斷深入，驅動學生層層深入分析問題，解決問題，從而獲得知識與方法[3]，并在活躍其思維的過程中內化為學生的化學學科核心素養，如圖1所示。圖2指出，如何巧妙提出高質量、高水平的問題，如何形成一條由情境串產生的問題鏈，成為促進思維發展的教學的關鍵點，這樣的問題鏈利于結構性思維的形成[4]。

一、素養為本的教學設計主線

1.創設持續產生問題鏈的真實情境

教學情境可以圍繞主情境分階段設計，逐步地擴展、深入、充實、明晰，既能成為課題問題產生的源頭，又能使整個教學圍繞情境產生的問題鏈展開。以蘇教版《化學反應原理》專題3第二單元溶液的酸堿性復習課為例，表1給出相關的情境素材，本節課選擇“某化工廠排放污水引發危害到高中生如何處理污水”作為教學主線，將“粗略、精確測定溶液的酸堿性、比較選擇中和劑生石灰和碳酸鈉將污水中和至達到排放標準的性價比、滴定法測定酸性溶液中氫離子濃度”融人問題情境中，旨在構建由碎片到整體的認知方法，培養靈活、綜合、有效地處理復雜問題的遷移能力，發展學生的化學核心素養，使學生能用化學專業的視角面對相關的技術、環境、社會問題。

2.確定素養為本的教學目標

2018年浙江省普通高中學業水平考試導引規定本單元的教學內容包括溶液的酸堿性與c（H+）和c（OH-）的關系，溶液pH的定義，pH與溶液酸堿性的關系，測定溶液酸堿性的方法，酸堿指示劑（石蕊、酚酞、甲基橙等），pH試紙，pH計。高考考試說明中增加了pH的簡單計算。結合2017版《普通高中化學課程標準》的教學要求確定本單元復習課的教學目標如表2[5]。

二、素養為本的教學設計

“溶液的酸堿性”教學流程如圖3所示[6]，具體分四步展開。

1.在真實情境中生成驅動性問題鏈

[主情境]展示視頻及圖4。視頻中呈現出工業污水排放引起水源污染，破壞人的身體健康，降低河水的自凈能力，破壞生物鏈，使河流中的動植物和微生物無法生存。即使酸堿污水先進入污水處理廠后，也會導致活性污泥中的微生物生長受到抑制，直接影響二級處理出水的水質。

[問題1]你了解去油污的紡織業污水和溶金屬的冶金工業污水酸堿性嗎？

[問題鏈1]學情前測——判斷以下問題是否正確。

（1）有氫離子的溶液就是酸性溶液。

（2）pH<7的溶液一定是酸性溶液。

（3）c（H+）>c（OH-）的溶液一定是酸性溶液。

[學生活動1]學生回答，小組補充、修正，整理歸納溶液呈酸性的本質原因。

2.在學習活動群中解決問題

[探究任務1]：請設計實驗粗略確定某化工廠排放污水的酸堿性。

[投影]：溶液酸堿性粗略分析一指示劑或pH試紙，表3給出常見指示劑變色范圍。

[學生活動2]：請同學們規范使用pH試紙測定工業污水的酸堿性。

[問題2]除pH試紙外，你還知道哪些測定pH值的方法？

[問題鏈2]

（l）pH試紙測定溶液pH時，若先用蒸餾水濕潤試紙，一定會對實驗結果產生影響嗎？

（2）pH試紙估讀pH值為2，能確定其中氫離子的精確濃度嗎？

（3）溶液酸堿性精確測定儀器—pH計（酸度計）如何使用？

[學生活動3]學生回答，小組補充、修正，整理歸納pH試紙和pH計的使用方法。

[問題3]pH是表示稀溶液中氫離子濃度的簡易方法，根據pH=-lgc（H+）可知，常溫下pH=2.0的污水中c（H-）=_____，污水中的c（OH-）=____。

[問題鏈3]在酸堿污水排人污水處理廠之前應處理，以避免對污水處理廠造成損害。你能用化學的視角解決這些問題嗎？參考《污水綜合排放標準》（ GB8978-1996）三級標準：常溫下pH在6到9之間的污水可以排人污水處理廠。請思考以下問題：

（1）此化工廠污水能否直接排放？

（2）達到排放標準就是調節pH=_，即調節c（H）從____ mol/L變成___ mol/L。

（3）參考濃度計算公式，如何實現pH從2變成67

[學生活動4]學生回答，小組補充、修正，整理歸納常溫下稀的酸性或堿性溶液中pH和pOH的計算。

[情境支鏈]工業污水處理要根據其性質選用合適的藥劑，如絮凝沉淀的有機高分子絮凝劑、脫水劑、脫色劑、消泡劑、消毒劑、混凝劑等。處理酸性污水時，首先考慮以廢治廢的原則，將酸堿性污水互相中和，或者利用廢堿渣中和酸性污水。條件不具備時，才使用中和劑處理。酸性污水中和處理經常采用的中和劑有生石灰、石灰石、白云石、碳酸鈉等。

[問題4]假如你是污水處理廠的一員，你準備采取什么措施讓酸性污水達到排放標準？

[問題鏈4]

（1）1.0L pH=2.0的污水若直接用水稀釋至達排放標準，需要加入水約為____L（忽略體積相加誤差）。

（2）若將污水稀釋10⁵倍，pH≈____;若將污水稀釋10⁶倍，pH≈___。

（3）若加人生石灰0.56g進行中和處理（忽略生石灰與水反應產生的誤差），該溶液符合排放標準嗎？

[探究任務2]：請選擇酸性污水中和處理經常采用的兩種中和劑生石灰和碳酸鈉，如圖5和圖6，當pH從2.0調到6.0時，各需要多少克可以中和污水至達到排放標準？兩者的性價比哪個高？

[學生活動5]學生回答，小組補充、修正，整理歸納常溫下將酸性溶液稀釋一定倍數后pH的計算，一定體積的酸、堿溶液混合后pH的計算。

[教師過渡]定性分析用于鑒定物質是由哪些成分組成，定量分析用于測定物質中各組分的含量，酸堿中和滴定是定量分析的一種。

[問題5]工廠排放出的污水，用pH試紙測得pH約為2，請設計一個實驗準確測量該污水中H_的濃度。

[探究任務3]取一定體積的污水，用O.lmol·L^-1的NaOH溶液與之反應，測出用去NaOH的體積，再計算求得污水中H+的濃度，但如何確保測定結果的精確度值得探討。

[教師過渡]酸堿中和滴定指用已知濃度的酸（或堿）去滴定一定體積未知濃度的堿（或酸），通過測定反應完全時消耗已知濃度的酸（或堿）的體積，從而推算出未知濃度的堿（或酸）的濃度的方法。酸堿恰好完全反應時即滴定終點。

[問題鏈5]

（1）當酸和堿恰好完全反應時，n（H+）一定等于n（OH-）嗎？，什么情況下n（H+）一定等于n（OH-）？

（2）如何判斷酸、堿恰好完全反應？

（3）既然指示劑變色時溶液的pH值不是7，能否用指示劑來判斷酸和堿完全反應呢？

[教師演示]用0. Imol.L^-1鹽酸滴定20.OOmL未知濃度氫氧化鈉溶液，用酚酞作指示劑，用手持技術pH計測量并繪制成圖7。

[問題6]從圖7看，在鹽酸和氫氧化鈉溶液反應過程中溶液pH變化分幾個階段？為什么會有這樣的變化趨勢？

[學生活動6]學生回答，小組補充、修正，整理歸納：三個階段。第一階段，溶液中NaOH的量較多，滴加鹽酸pH變化不大;第二階段，溶液中NaOH量較少，滴加鹽酸pH變化大;第三階段，溶液中NaOH消耗完，滴加鹽酸pH變化不大。

[問題鏈6]

（1）通過以上分析，能否用指示劑判斷強酸和強堿恰好完全反應，為什么？可以選擇什么指示劑？

（2）用標準鹽酸溶液滴定一定體積未知濃度的氨水，滴定終點選擇什么指示劑？為什么？

（3）用標準氫氧化鈉溶液滴定一定體積未知濃度的醋酸溶液，滴定終點選擇什么指示劑？為什么？

[教師過渡]下面就用酚酞作為指示劑，用O.lmol.L^-1的NaOH溶液測定未知濃度的酸性工廠污水中H+濃度，請同學們注意觀察實驗過程，并記錄有關實驗數據，最后計算工廠污水中H+濃度。

[投影]中和滴定操作步驟：酸式滴定管：檢漏、洗滌（自來水、蒸餾水）、潤洗、裝待測液、趕氣泡、調液面、記錄讀數。錐形瓶洗滌：洗滌（自來水、蒸餾水）、裝待測液、加指示劑酚酞。堿式滴定管：檢漏、洗滌（自來水、蒸餾水）、潤洗、裝標準液、趕氣泡、調液面、記錄讀數。

[學生活動7]學生做滴定實驗：滴加NaOH溶液，邊滴邊振蕩，眼睛始終注視錐形瓶內溶液顏色變化，指示劑顏色變化半分鐘內不褪色，達到終點，記錄液面刻度，重復操作2-3次。

[問題7]請分析c未知=（c已知×V已知）/v未知，哪一個是關鍵數據？

[問題鏈7]

（1）通過以上實驗，你認為中和滴定實驗的作用是什么？

（2）依據原理是什么？

[學生活動8]學生回答，小組補充、修正，整理歸納中和滴定實驗的作用和原理。

3.在思考中促成思維和知識結構化

[教師過渡]請同學們總結調節溶液酸堿性的方法，根據c= n/v，可以采用稀釋或酸堿中和反應。請同學們建構溶液中pH簡單計算的思維模型。

[投影]：學生思考后，展示圖8 pH簡單計算的思維模型。

4.在學習中培養科學態度和社會責任

[圖片展示]從生活、生命的各個領域了解pH的重要應用。

[教師講解]（1）圖9中繡球花具有根據土壤酸堿度不同綻放出不同顏色花朵的特性。pH為6.0-7.0的土壤中會綻放出粉紅色花朵，pH為5.0-5.8的土壤中會綻放出藍色花朵。

[教師提問]通過查閱資料，大家發現想要調成藍紫色，可以在花苞成型之前，給土壤里加什么？想要繡球開粉紅色呢？

[學生]加入一些白醋、硫酸鋁、鉀肥的混合物，將土壤調成偏酸性，同時富含A13+的土壤被繡球花吸收之后，會和花中的花青素相結合，產生變異現象，花朵就會變成藍紫色。想要繡球開粉紅色的花，可以在花蕾形成的時候施用適量的草木灰。等繡球花呈現粉色之后，再施硫酸鋁等酸性肥料，則可以呈現藍紫粉色。

[教師講解]（2）水的酸堿性是由溶解于水的礦物質決定的?！妒澜缧l生組織飲用水標準》規定飲用水的pH為6.5- 8.5。世衛組織的表述為：“低pH值水具有一定腐蝕性，而高pH值水會有滑膩感和異味”。但并未提及飲用水呈弱堿性與健康有多大關系。

[教師提問]農夫山泉的“天然弱堿性水”并不是行業個例。新的《食品安全國家標準包裝飲用水》（ GB19298-2014）要求除了天然礦泉水有另行的國家標準外，市場上的包裝水只分為飲用純凈水和其他飲用水兩類。圖10為農夫山泉飲用天然水的pH。請大家思考“礦物質如何決定水的酸堿性”？

[學生回答]水的酸堿性是由水中礦物質離子的水解決定的。

[教師過渡]關于“離子的水解”下節課復習。

三、教學反思

（1）創設真實情境展開教學。情境有具體性和原創性的特征，本節課從某化工廠排放污水引發危害這個主情境出發，衍生出多個學科問題，“粗略、精確測定某化工廠排放污水的酸堿性”“比較選擇中和劑生石灰和碳酸鈉將酸性污水中和至達到排放標準的性價比”“用滴定法準確測定污水中氫離子濃度”，將化學知識通過情境活動與核心素養對接，幫助學生形成知識網絡。

（2）設置結構性問題鏈推動教學。教師從真實情境中提煉出絲絲人扣的結構性問題鏈，學生攀沿著問題鏈上的關鍵詞不斷地進行思考，逐步深化思維[4]。根據素材“常溫下pH在6到9之間的污水可以排入污水處理廠”設置三個問題，pH約為2的工廠污水能否直接排放？達到排放標準就是調節pH=___，即調節c（H+）從____mol/L變成___mol/L。參考濃度計算公式，如何實現pH從2變成67其中，知識性問題要依據事實性知識回答.解決問題的過程和方法要依據事物間或事物各部分間的關系或結構進行論證推理，并在此過程中學會應用知識解決實際問題的策略，幫助學生形成結構化思維。

（3）倡導有理有據的辯論調整教學。皮亞杰的兩種學習方式同化和順應發生的前提是先辨認，這就需要批判、反問、辯論。本節課的設計摒棄一味接受、缺少辨認的教學過程，設置“強酸和強堿恰好完全、鹽酸滴定氨水終點、氫氧化鈉滴定醋酸終點選擇的指示劑一致嗎？選擇依據是什么？”等問題鏈，讓學生在辯駁中產生同化或順應，幫助學生做到真正的學習。

（4）關注素養達成情況診斷教學。教師是問題的提出者、課程的設計者以及結果的評估者。素養為本的教學要求關注教、學、評一體，本節課設置了與教學目標相對應的教學評價任務，選擇“繡球花具有根據土壤酸堿度不同綻放出不同顏色花朵的特性”“農夫山泉的天然弱堿性水與健康有多大關系”兩個pH的重要應用，采取教師點評、學生互評等評價方式診斷學生所達到的素養水平，進而更好地指導教學。

參考文獻

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