指向高中化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐*
——以“化學(xué)反應(yīng)與能量”為例

陳廷俊 劉江田

2017 年版高中課標(biāo)中加入了學(xué)科學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的相關(guān)內(nèi)容。高中化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平是以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)及其表現(xiàn)水平為主要維度，結(jié)合課程內(nèi)容，對學(xué)生學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)的總體刻畫。依據(jù)不同水平學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)的關(guān)鍵特征，化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)將學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分為4 個(gè)水平等級，每一等級都從化學(xué)核心素養(yǎng)的5 個(gè)方面給出了學(xué)業(yè)質(zhì)量的具體要求。依據(jù)側(cè)重的內(nèi)容，這些具體要求又被劃分為4 個(gè)條目：條目序號1 主要對應(yīng)“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，序號2 主要對應(yīng)“變化觀念與平衡思想”，序號3 主要對應(yīng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”，序號4 主要對應(yīng)“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”。

如何利用學(xué)業(yè)質(zhì)量水平指導(dǎo)教學(xué)是需要我們研究的問題。筆者以“化學(xué)反應(yīng)與能量”這一主題為例，談?wù)剬Υ藛栴}的認(rèn)識。依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱2017 年版課標(biāo)），該主題的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平見下頁表1。［1］65-67

基于此表和近5 年來江蘇省高考化學(xué)的相關(guān)試題，筆者提出本主題的相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

一、學(xué)習(xí)目標(biāo)與評價(jià)目標(biāo)制訂指向?qū)W業(yè)質(zhì)量水平

基于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平制訂學(xué)習(xí)與評價(jià)目標(biāo)旨在從“對教學(xué)評價(jià)”轉(zhuǎn)向“為教學(xué)評價(jià)”，突出學(xué)業(yè)質(zhì)量水平對化學(xué)課堂教學(xué)的指導(dǎo)、監(jiān)控和調(diào)整功能。

表1 “化學(xué)反應(yīng)與能量”的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平

依據(jù)2017 年版課標(biāo)，“化學(xué)反應(yīng)與能量”這一主題的內(nèi)容包括體系與能量、化學(xué)反應(yīng)與熱能、化學(xué)反應(yīng)與電能、學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)（簡單的電鍍實(shí)驗(yàn)和制作簡單的燃料電池）。［1］28

對照學(xué)業(yè)質(zhì)量水平和近5 年江蘇高考真題，確定本主題的教學(xué)目標(biāo)為：（1）從總能量和鍵能的角度，分析放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)的焓變（水平2-2、4-1）；（2）正確書寫熱化學(xué)方程式，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)焓變（水平3-2、4-1）；（3）從氧化還原反應(yīng)視角，解釋原電池與電解池的工作原理、金屬腐蝕與防護(hù)等（水平3-3、4-1）。評價(jià)目標(biāo)為：（1）通過化學(xué)反應(yīng)過程的能量變化，診斷學(xué)生從鍵能及物質(zhì)狀態(tài)分析能量變化的認(rèn)知水平（水平2-2、3-2）；（2）通過化學(xué)反應(yīng)與能量圖像和反應(yīng)原理示意圖，診斷學(xué)生的認(rèn)知思路與模型認(rèn)知能力（水平4-1）；（3）通過化學(xué)反應(yīng)與能量應(yīng)用的真實(shí)問題，診斷學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力水平（水平4-2）。明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)和評價(jià)目標(biāo)，教師就要選擇真實(shí)的情境素材，設(shè)計(jì)任務(wù)與活動，讓學(xué)生分析生產(chǎn)生活中的能量變化，建構(gòu)基于化學(xué)鍵分析熱能、用氧化還原反應(yīng)分析電能的認(rèn)知模型，認(rèn)識化學(xué)變化儲存和釋放能量的重要價(jià)值和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、情境素材與問題解決聚焦學(xué)業(yè)質(zhì)量水平

汽車尾氣處理、火箭推進(jìn)劑、發(fā)熱暖貼、人體內(nèi)的能量變化、能源綜合利用、電解與電鍍、金屬腐蝕與防護(hù)都是本主題的應(yīng)用素材，教學(xué)時(shí)可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容恰當(dāng)選用。

例如：H2可用于燃料電池和作為火箭燃料，請學(xué)生思考并回答如下問題。

問題1：H2和O2反應(yīng)生成H2O 的過程中要釋放熱量，請你解釋能量變化的原因？（水平2-2、4-1）

問題2：如何表征反應(yīng)過程中的能量變化？（水平3-2、4-1）

問題3：通過H2與O2生成H2O 的能量變化，思考H2O 生成H2、O2過程的能量變化？如何表征？（水平3-2、4-1）

問題4：從H2、O2反應(yīng)生成H2O（l）與H2O（g）的能量變化，你得出什么結(jié)論？（水平4-1）

這里設(shè)計(jì)的問題1 是為了引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)的角度來分析反應(yīng)過程中的能量變化。問題2 則引出了熱化學(xué)方程式、反應(yīng)熱的計(jì)算式ΔH=∑反應(yīng)物鍵能- ∑生成物鍵能和能量變化圖（見下頁圖1）三種不同的能量變化表征方式。能量變化圖也能讓學(xué)生進(jìn)一步明白反應(yīng)物要吸收能量來斷裂化學(xué)鍵，生成物在形成化學(xué)鍵的過程中要釋放能量。當(dāng)吸收能量小于放出能量，為放熱反應(yīng)；當(dāng)吸收能量大于放出能量，為吸熱反應(yīng)。問題3 和4 引導(dǎo)學(xué)生分析建模，使得他們認(rèn)識到反應(yīng)焓變只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)路徑無關(guān)——這就是蓋斯定律。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生建構(gòu)碳燃燒生成二氧化碳的思維模型，加深對蓋斯定律的理解。

問題1 至4 是在充分研究學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的基礎(chǔ)上提出的，4 個(gè)問題的解決讓學(xué)生從宏觀辨識能量變化走向微觀探析能量變化的本質(zhì)，由概念分析到直觀表征，由定性感知到定量計(jì)算，初步達(dá)成學(xué)業(yè)質(zhì)量水平并建構(gòu)化學(xué)能與熱能認(rèn)知模型（圖2）。

三、任務(wù)設(shè)計(jì)與活動展開落實(shí)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平

“化學(xué)能與電能”學(xué)業(yè)質(zhì)量水平指向原電池與電解池的工作原理及實(shí)際應(yīng)用。不論是原電池還是電解池，其化學(xué)原理都是氧化還原反應(yīng)，只是能量轉(zhuǎn)化的方式和電極名稱不同而已。從能量轉(zhuǎn)化來看，原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，而電解池則是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；可逆電池放電時(shí)發(fā)生原電池反應(yīng)，充電時(shí)發(fā)生電解池反應(yīng)。因此，新授課教學(xué)需要幫助學(xué)生理解電化學(xué)原理的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，需要通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究任務(wù)與活動（表2），幫助學(xué)生分清氧化反應(yīng)失去電子、還原反應(yīng)得到電子。這樣，學(xué)生就能更加直觀地認(rèn)識氧化反應(yīng)的結(jié)果是元素化合價(jià)升高，還原反應(yīng)的結(jié)果是元素化合價(jià)降低，從而揭示電解原理的內(nèi)在規(guī)律，達(dá)成學(xué)業(yè)質(zhì)量水平3-3、4-1。

表2 電解原理實(shí)驗(yàn)探究的任務(wù)與活動（水平3-3、4-1）

指向?qū)W業(yè)質(zhì)量水平的任務(wù)與活動，不僅揭示了電解的內(nèi)在規(guī)律，而且還建構(gòu)了電解原理的認(rèn)知模型，即根據(jù)電極名稱→分析離子遷移方向→判斷離子放電順序→確定電極反應(yīng)類型→書寫電極反應(yīng)式與化學(xué)方程式，從電極、電子流向、離子遷移、反應(yīng)類型等視角建構(gòu)電化學(xué)原理認(rèn)知模型（見下頁圖3）。［2］

四、評價(jià)目標(biāo)與評價(jià)任務(wù)診斷學(xué)業(yè)質(zhì)量水平

化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的達(dá)成情況需要基于評價(jià)目標(biāo)的任務(wù)來診斷。評價(jià)要從學(xué)科知識的習(xí)得轉(zhuǎn)向真實(shí)問題的解決，評價(jià)目的是診斷學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的達(dá)成情況，為后續(xù)調(diào)整教學(xué)策略和措施、增減任務(wù)與活動提供依據(jù)。設(shè)計(jì)評價(jià)任務(wù)時(shí)，教師需要將學(xué)業(yè)質(zhì)量水平細(xì)化到每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，分步達(dá)成、有序推進(jìn)、融合提升。

例如，可根據(jù)前文中的評價(jià)目標(biāo)（1）設(shè)計(jì)評價(jià)任務(wù)（1）。

已知通過以下3 種反應(yīng)均可獲取H2，請判斷下列說法是否正確：反應(yīng)①中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；反應(yīng)②為放熱反應(yīng)；反應(yīng)③使用催化劑，ΔH3減小；反應(yīng)CH4（g）=C（s）+2H2（g）的ΔH3=74.8kJ·mol-1。

①太陽光催化分解水制氫：2H2O（l）=2H2（g）+O2（g） ΔH1=571.6kJ·mol-1；

②焦炭與水反應(yīng)制氫：C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g） ΔH2=131.3kJ·mol-1；

③甲烷與水反應(yīng)制氫：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g） ΔH3=206.1kJ·mol-1。

該任務(wù)的命題情境是工業(yè)制備H2、對應(yīng)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平2-2、3-2、4-1，綜合考查學(xué)生對能量轉(zhuǎn)化類型、反應(yīng)焓變與吸（放）熱反應(yīng)關(guān)系、反應(yīng)焓變的影響因素及計(jì)算等。

根據(jù)前文的評價(jià)目標(biāo)（2）設(shè)計(jì)評價(jià)任務(wù)（2）：

CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。電解法轉(zhuǎn)化CO2可實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用。根據(jù)電解CO2制HCOOH 的原理示意圖（圖4）。寫出陰極CO2還原為HCOO－的電極反應(yīng)式：_______。電解一段時(shí)間后，陽極區(qū)的KHCO3溶液濃度降低，其原因是_______。

該任務(wù)的命題情境是CO2的資源化利用，對應(yīng)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平3-3、4-1，重點(diǎn)考查學(xué)生運(yùn)用認(rèn)知模型解決實(shí)際問題能力，可以診斷學(xué)生電化學(xué)原理認(rèn)知模型的建構(gòu)情況，如果學(xué)生在哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，則可以快速診斷并采取補(bǔ)救措施。

指向高中化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的教學(xué)實(shí)踐，必須從“對教學(xué)評價(jià)”轉(zhuǎn)向“為教學(xué)評價(jià)”，即學(xué)習(xí)目標(biāo)與評價(jià)目標(biāo)、情境素材與問題解決、任務(wù)設(shè)計(jì)與活動展開、評價(jià)目標(biāo)與評價(jià)任務(wù)等都必須指向?qū)W業(yè)質(zhì)量水平，按照“實(shí)驗(yàn)（客觀）事實(shí)→形成概念→微觀解釋→證據(jù)推理→應(yīng)用價(jià)值”的認(rèn)知順序，通過真實(shí)有效的問題、任務(wù)與活動建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)能量變化的認(rèn)知模型，理解化學(xué)反應(yīng)與能量在調(diào)控化學(xué)反應(yīng)方向、速率和限度等方面的重要應(yīng)用。