基于真實問題情境 指向學科核心素養
——“酸雨及其防治”教學實錄

福建省龍巖第一中學(364000) 鄒國華

福建省長汀一中(366300) 童文昭

福建省龍巖市教育科學研究院(364000) 楊梓生

課程標準在課程實施建議中提出，要挖掘教學內容在化學學科核心素養發展方面的獨特價值；有目的、有計劃地引導學生運用化學學科思維方式和方法學習化學知識；設計基于真實情境的問題解決任務，使學生在解決問題的活動中逐步發展化學學科核心素養[1]。國務院辦公廳發布的文件《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》(〔2019〕29號)強調，深化課堂教學改革，要積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發式、探究式、體驗式等課堂教學?？梢姡抡n程倡導的“素養為本”的教學載體是真實而富有價值的情境，過程是靈活多樣的學習活動，目標是發展學科核心素養。

酸雨是人們普遍關注的社會性議題，研究酸雨的形成及防治，既涉及硫及其化合物知識，又蘊含研究無機物性質及轉化的思維與方法。創設酸雨形成及防治相關的真實情境，以活動任務引導學生對酸雨的形成及防治展開討論，使學生的變化觀念、科學態度、社會責任等核心素養在探究學習中得以發展。

1 教學內容分析

魯科版化學教材必修第一冊中“酸雨及其防治”一節內容安排在認識自然界和實驗室不同價態的硫及其化合物的相互轉化之后，其教學功能豐富。從承載的化學核心知識層面看，與含硫物質間的相互轉化和氧化還原均有重要關聯，討論酸雨的形成及防治，是鞏固和提升含硫物質間轉化及氧化還原等知識的載體；從蘊含的化學學科思維層面來看，酸雨的形成和防治是在價-類二維思維的引導下研究含硫物質的轉化、發展和提升價-類二維思維的重要平臺；從滲透的價值觀念層面來看，認識酸雨的形成、危害，并探討防治途徑，滲透了環境保護教育，能引導學生關注環境問題，形成“人與自然協調發展”的價值觀念。另外，在教學過程中可以引導學生了解關于二氧化硫排放、酸雨防控等方面的法律法規，在拓展學生視野的同時，增強學生依法依規辦事的法律意識。

2 學習目標的確立

根據教學內容和課程標準，確立學習目標和核心素養發展目標(見表1)。

表1 “酸雨及其防治”的學習目標及核心素養發展目標

3 教學構思

酸雨是一個受到廣泛關注的社會性議題，我國的酸雨屬于典型的硫酸型酸雨，研究硫酸型酸雨的形成及防治具有重要意義。燃煤發電廠中二氧化硫的排放量占總排放量的50%左右，火電廠二氧化硫的排放量控制，對于酸雨的防控至關重要。福建屬沿海省份，龍巖地區一年有兩百天以上空氣質量優。與學生交流發現，大多數學生認為酸雨問題更多發生在重型工業發達的中西部地區，離自己比較遙遠；學生對于控制酸雨及二氧化硫排放的有關法律法規了解較少。因此，在教學設計時采用課前、課堂、課后聯動的形式，課前預先設計調查任務，主要目的是引導學生對酸雨及其危害、我市近幾年二氧化硫排放及酸雨污染等情況有大體的認識。課堂立足本地教學資源，以我市的兩個火電廠為載體設置真實教學情境，讓學生感受環境問題就是自己身邊的問題，探討酸雨及其防治有意義且有必要。教學中引導學生從含硫物質的性質與轉化角度，結合氧化還原知識和“價-類”二維思維，探討二氧化硫轉化為酸雨的途徑及防治方案；在“探究火電廠預防酸雨途徑”環節，緊緊圍繞我市火電廠的脫硫方案和本地上市環保公司的脫硫設備，介紹火電廠預防酸雨的方法和原理，讓學生體會化學知識在環境保護方面的運用，感受化學知識的實用價值。課后，要求學生通過訪談、資料查找等途徑，了解科學、技術以及觀念、法治在防治酸雨中的作用，并形成一篇1 500字左右論文，引導學生樹立“綠水青山就是金山銀山”的理念，以實際行動保護生態環境。教學主體活動圍繞酸雨是什么(是什么)，為什么會形成酸雨(為什么)，如何防治酸雨(怎么辦)這一主線，設計進階的探究活動。本節課涉及研究無機物性質、轉化的思維和方法(如價-類二維思維)，教學中關注思維方法的進階學習。從學習理解到應用實踐，最終內化提升為穩定的心智模型，以實現靈活遷移應用。

4 教學實錄

教學活動1：分組匯報調查研究成果

教學任務：圍繞課前調查任務進行分組展示研究成果。

教學過程：[教師]課前，各小組積極開展了任務調查，下面，先請A小組代表匯報本組的調查成果。

[A小組]酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。酸雨會影響植物生長，使湖泊中魚蝦死亡，破壞土壤成分，使農作物減產甚至死亡；損壞露天的文物古跡，腐蝕建筑、工業設備等。2018年我國酸雨分布情況如圖1，我省是酸雨高發區；治理已酸化的湖泊、土壤或者保護文物、建筑，要先嚴格控制附近二氧化硫及氮氧化物的排放，向已酸化的湖泊、土壤中加堿性物質以降低湖泊土壤的酸度，在石雕、石刻及建筑物表面涂蓋防護層、保護膜。

[教師]A小組已大體介紹了酸雨及其危害、我省的酸雨污染情況，但還比較籠統，也未展示我省、市SO2排放情況，哪個小組有更具體的補充？

[B小組]福建省2018年SO2排放量12.10萬噸，其中，工業SO2排放量9.78萬噸，占總排放量的80.8%。龍巖有多家大燃煤量企業，SO2排放量為2.17萬噸。

[C小組]從生態環境廳、環保局等網站了解到，2017年全省23個城市酸雨出現頻率平均為39.8%。福安、龍海、永安和漳州4個城市沒有出現過酸雨，其余19個城市均出現過酸雨，占比82.6%，其中我市漳平區域出現酸雨頻率大于80%。據《福州晚報》(2016年)介紹，酸雨對我省環境造成較大破壞，如：①龍巖、三明等地森林退化；湖泊酸化，魚類死亡，水生生物種群減少；農田土壤酸化，糧食、蔬菜、瓜果減產；②泉州、廈門等地由于酸雨對降塵重金屬的淋溶，導致有毒重金屬污染增強；③福州從2007年以來強酸雨的發生頻率高，已造成部分建筑物、橋梁、文物損壞。

[教師]B、C小組對我省、市SO2排放、酸雨的危害等情況作了更深入的調查研究，通過課前的調查大家已感受到，我省、市屬酸雨的高發區，并且酸雨已經對身邊的環境造成了一定的破壞，探究酸雨的形成及防治很有必要。

設計意圖：沿海地區給人空氣好、環境美的印象，本地區大部分學生總感覺酸雨離自己很遙遠，課前設計調查任務，目的就是要讓學生通過收集資料意識到酸雨離我們并不遙遠，在初步認識酸雨及其危害等問題的基礎上，激發學生探究酸雨及其防治等問題的興趣。

教學活動2：討論酸雨防治需要的保障條件

教學任務：討論酸雨的防治需要哪些保障條件，了解與SO2排放、酸雨防治等有關的法律法規。

教學過程：[過渡]我市也是酸雨高發區，酸雨的防治需要多方面的支持和保障，大家覺得需要哪些保障條件呢？

[學生]討論后回答：需要法律法規的保障、科技的支撐和公眾的參與……

[教師]是的，酸雨的防治需要社會各界的共同參與。大家知道與SO2排放、酸雨防治有關的法律法規有哪些嗎？

[學生]《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國大氣污染防治法》

[教師]是的，除此之外，還有《鍋爐大氣污染排放標準》《火電廠大氣污染物排放標準》等。大家知道工業SO2排放的標準嗎？

[介紹]2012年1月1日生效的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)規定：對于新建燃煤鍋爐，SO2排放限值100 mg/m3；對嚴重空氣污染的地區限值為50 mg/m3。

設計意圖：引導學生認識到酸雨的防治需要社會各界共同努力，鼓勵學生共同參與酸雨防治，增強學生社會責任意識，同時，拓展學生的視野，增強學生依法辦事、遵紀守法的意識。

教學活動3：探究火電廠與酸雨的關聯

教學任務：探討火電廠與酸雨之間有何聯系；了解我市的火電廠發電量及燃煤情況；運用“價-類”二維思維分析酸雨形成的途徑。

教學過程：[過渡]大家知道我國大氣中的SO2主要來源有哪些嗎？

[介紹]我國酸雨是典型的硫酸型酸雨，工業SO2是排放的主體(見圖1)，其中燃煤火電廠SO2排放量占SO2總排放量的50%左右。因此，控制排放SO2的對象主要是大型火電廠。

圖1 我國SO2排放情況

[教師]我市是否有火電廠？是否進入參觀過？每年發電量、燃煤量多大？

[學生]交流、談論、回答：我市有兩座火電廠，分別位于雁石和漳平，兩座火電廠每年燃煤約200萬噸。

[追問]燃煤火電廠為何會產生SO2？

[學生]煤中含S的有機物和無機物，燃燒時會產生SO2。

[追問]SO2如何轉化為酸雨？請結合硫元素的“價-類”二維圖進行分析，并寫出相應轉化途徑的反應過程。

[學生]思考、分析：SO2轉化為H2SO4，價態和類別均發生了變化?？上劝l生價態變化，再進行類別轉化，即SO2→SO3→H2SO4；亦可先發生類別轉化，再進行價態變化，即SO2→H2SO3→H2SO4(見圖2)。繼而書寫兩種轉化途徑相應的方程式。

圖2 硫的“價-類”二維圖

設計意圖：以本地兩座火電廠為載體創設問題情境，讓學生意識到SO2排放及酸雨形成等問題就是自己身邊的問題，控制SO2排放、研究酸雨的防治有必要也有意義。探究活動圍繞酸雨如何形成展開，在學習理解“價-類”二維思維的基礎上，初步應用“價-類”二維思維解決實際問題，發展研究和解決無機化合物的能力水平。

教學活動4：探究火電廠預防酸雨途徑

教學任務：應用“價-類”二維思維探究火電廠控制SO2排放的途徑；認識本地火電廠中石灰石粉脫硫的原理、堿液脫硫設備脫硫原理；了解源頭脫硫的技術。

教學過程：[過渡]《火電廠大氣污染物排放標準》中有SO2排放標準，我市火電廠應遵守法律法規，SO2排放應達標，以消除酸雨問題。我市火電廠采用多種方式脫硫。

[教師]我市火電廠要減少SO2排放，理論上有哪些脫硫途徑？結合硫元素的“價-類”二維圖分析。

[學生]思考、分析：可將SO2轉化為H2S、S、H2SO3、H2SO4及硫酸鹽、亞硫酸鹽等，并完成轉化見圖3。

圖3 火電廠脫硫途徑

[追問]探討以上6種脫硫途徑的合理性，并說明具體理由。

[學生]思考、討論后回答：H2SO3不穩定，分解后又生成SO2，H2S是污染環境的氣體，因此圖4中的脫硫途徑①和④不合理；途徑②、③、⑤、⑥不僅可以減少SO2排放，還能獲得有價值的物質，相比之下更合理。

[教師]是的，回答很到位。請大家以脫硫途徑⑥SO2→硫酸鹽為例，設計具體的脫硫方案。

[學生]思考、分析：從價態維度看，為使硫元素化合價升高，應加入氧化劑，從經濟成本角度考慮，選擇O2較合適；從類別角度看，酸性氧化物轉化為鹽，要加入堿或堿性氧化物，從經濟成本考慮選擇氧化鈣、氨水等。

[教師]很好，大家已會用“價-類”二維思維研究物質的轉化了。實地參觀發現，我市火電廠安裝有石灰石粉倉，能向鍋爐噴石灰石粉參與燃燒，除去煤中的硫。與我們課堂中所設計的用生石灰脫硫的方案相比，此法有哪些優點？

[學生]思考、討論后回答：石灰石價格更低，能節約成本。

[教師]對！脫硫后的產物硫酸鈣還能用作生產水泥的輔料。

[過渡]當然，火電廠還有其他脫硫方式，比如購買我市環保公司的脫硫設備進行煙氣脫硫。大家知道我市哪家企業能生產脫硫設備嗎？

[學生]聆聽、回答(略)。

[教師]你們是否了解過其生產銷售的產品？我們一起打開該公司官網了解一下吧。

[學生]在教師的帶領下瀏覽公司該網頁，了解環保公司的煙氣脫硫、脫硝產品。

[教師]我市火電廠有購買該公司的堿液脫硫設備(見圖4)，脫硫過程為：NaOH溶液以霧狀形式在塔內與煙氣中的SO2接觸并發生反應；生成物Na2SO3排入氧化池，曝氣風機把高壓空氣送入池底曝氣系統，使Na2SO3溶液和空氣充分接觸，發生氧化反應，生成物Na2SO4進入中和池與石灰漿反應：Na2SO4+ Ca(OH)2=CaSO4↓+2NaOH。請分析脫硫原理，并寫出對應的化學方程式。

圖4 堿液脫硫設備工作示意圖

[學生]分析思考脫硫原理，并書寫對應方程式：SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O，2Na2SO3+O2=2Na2SO4。

[追問]該堿液脫硫設備有何優點？為何使用價格較高的NaOH作為脫硫原料？

[學生]思考、討論后回答：堿液為霧狀進行反應，可節約藥品和充分吸收SO2……

[師生總結]該設備、工藝的優點：噴淋堿液，氣液逆流，使脫硫更充分且節約堿液；Na2SO4與石灰漿反應，使NaOH得以循環使用，大大降低了脫硫成本，并且CaSO4能用作水泥行業的輔料。

[追問]除了將燃燒產生的SO2脫除處理之外，是否還有其他方式能減少SO2排放？

[學生]在煤燃燒前將其含硫物質除去。

[教師]太棒了，這種也是行之有效的脫硫方式。目前可通過物理、化學和生物技術將煤炭在其燃燒前脫去硫磺達到這一目的，如浮選法、堿處理法、微生物分解法等。感興趣的同學課后可通過書籍、網絡進一步了解。

設計意圖：以本市資源為載體，通過煙氣脫硫途徑、方案的設計和脫硫原理的探究等活動，引導學生運用所學無機化合物知識和“價-類”二維思維解決實際問題，體會化學知識之于環境保護的重要作用，培養學生保護環境的社會責任。

教學活動5：總結提升、踐行環保理念

教學任務：從酸雨形成和防治的案例中，總結如何運用“價-類”二維思維研究和設計無機物之間的轉化；思考作為一名高中生，能為酸雨的防治做些什么。

教學活動：[教師]這節課我們在探究酸雨的形成途徑和煙氣脫硫方案中，都使用了“價-類”二維思維，請大家回顧我們的分析、思考過程，談談如何運用“價-類”二維思維研究和設計無機物之間的轉化。

[學生]討論、總結后回答(略)。

[師生總結]研究無機物之間的轉化可從物質類別和元素化合價兩個角度入手，觀察物質類別和元素價態是否發生了變化，分析實現類別、價態變化分別需要加入的物質，進而設計出可行的制備路線。

[過渡]以后我們遇到陌生物質的轉化時，就可以運用這個思路進行方案設計。酸雨的防治需要社會各界的共同努力，請大家談談作為一名高中生，我們能做些什么？

[學生]我們首先要樹立環保意識，要綠色出行；多向親友和市民宣傳酸雨的危害、防治知識及相關法律法規；及時檢舉超標排放的企業……

[教師]看來我們能做的還是很多的，我們要為酸雨防治多做貢獻，希望同學們要“像保護眼睛一樣保護生態環境；像對待生命一樣對待生態環境”，以實際行動踐行環保理念。

設計意圖：總結和提升本節課所學習的知識和技能，以便靈活遷移應用“價-類”二維思維方法；從自身角度，探討能為環保做哪些事，引導學生身體力行，踐行環保理念，培養學生的社會責任。

課后作業：結合本節課內容，請通過訪談或資料查找等途徑，寫一篇約1 500字的論文，談談科學、技術以及觀念、法治在防治酸雨中的作用。提示：①若選擇訪談途徑，應提前制定提綱，包括訪談目標、對象、問題等，訪談過程中做好記錄、錄音或錄像。②查找資料的途徑有網站、數據庫、圖書館等。

5 教學反思

本節課以“基于真實問題解決，指向學科核心素養”為基本設計思路，充分挖掘本市的教學資源，將教學內容與當地的實際情況相結合，起到了很好的教學效果。課前各小組準備充分，展示的成果數據詳實，觀點有理有據。課堂的探究活動中，學生深度思考問題，討論激烈，回答踴躍。課后作業即引導學生以酸雨防治為例，建立起科學、技術、觀念、法規與環保之間的聯系。

本節課仍有幾處可以改進：為了讓學生體會酸雨就在自己身邊，課前布置學生調查了解本地區酸雨污染情況，但學生還是缺乏真實的體驗，若能在教學前讓學生多次收集本市不同區域的雨水，并測定其pH，做好記錄，學生對酸雨的認識會更深刻。