“單元作業設計”是落實并發展學生核心素養目標的有效路徑——“開發海水中的鹵素資源”作業、試卷案例編制意圖及體會

上海市吳淞中學 李玲

關鍵詞

單元作業設計 化學學科核心素養 核心知識與能力

一、案例設計的總體思考

（一）與課程標準的關系

本案例內容選自必修課程主題2: “常見的無機物及其應用”模塊中的高一化學第二章2.2“海水中的氯”和2.3“從海水中提取溴和碘”。是在第一章“原子結構”的基礎上，學習有關鹵素單質和化合物的重要知識。不但讓學生了解原子結構與單質化合物性質之間的內在聯系，也可以掌握物質變化、物質提取的科學方法，還可以樹立結構決定性質、合理使用資源、保護環境等化學思想，形成正確的價值觀。

本單元作業在總體設計上有明確的目標意識，緊扣《上海市高中化學學科教學基本要求》和《普通高中化學課程標準（2017年版）》中的相關章節的學科能力要點和核心素養的要求，來制訂單元目標，并力求在課時作業及單元測試中，做到單元目標全面覆蓋。

（二）對發展學生核心素養的價值

核心素養是學生在真實情境中解決實際問題應具備的必備品格和關鍵能力。高中化學課程標準從學科素養角度分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”五個方面，并將每個核心素養劃分為四級不同水平。在每個課時作業的設計中，都會考慮以課時中化學本位知識為載體，促進知識與能力的融合，關注化學知識與社會的聯系，在知識與能力發展的過程中來促進學生的核心素養的提升。

我們在“發展學生核心素養”的理念下進行案例設計，特別關注從核心素養類別及應達到的水平等級上編制每一個作業和測試題。針對每個課時的內容的不同，來重點發展與課時內容相匹配的核心素養。設計中提供基于核心知識與能力基礎上的真實的問題情境，讓學生在真實的問題情境中逐漸習得化學問題的解決方法和思維方式。并逐漸遷移到更多領域問題的解決上，從而使學生的核心素養得到主動發展。

（三）案例設計遵循的原則

科學性和思想性相結合的原則：作業設計要正確、客觀地反映化學知識與技能。又要結合化學知識體現對學生思想、態度、價值觀的教育。

理論和實踐相結合的原則：引導學生善于把所學的化學知識技能應用到解決實際問題中去。

實驗引領與啟迪思維相結合的原則：體現“以實驗為基礎”的學科特征，把實驗引領與啟迪思維結合起來。

歸納共性與分析特性相結合的原則：培養學生善于分析典型、歸納共性，使得那些離散的化學知識系統化。又要關注隱藏于共性背后的特性的東西，便于學生構建自己的知識結構。

形式訓練與情境思維相結合的原則：在形式訓練的作業以外，設計非常規化的化學問題情境。使學生的思維具有靈活性和變通性，體現創造性的情景思維機智性。

二、作業設計的架構與特色

（一）課時作業安排的總體思考

本章知識結構依據內容的邏輯關系分為如下圖所示的6個課時。

課時1：氯氣性質的研究；

課時2：漂粉精和水的消毒；

課時3：氯、溴、碘的結構和性質遞變規律；

課時4：進一步認識氧化還原反應；

課時5：怎樣檢驗Cl-Br-I-；

課時6：從海水中提取溴和碘。

作業形式多樣化：書面作業與實踐作業相結合；短期作業與長期作業相結合；自主作業與合作作業相結合。

知識、能力、素養遞進化：每課時作業分別按“基礎鞏固、思維拓展、實踐探究”三個層次編排，體現素養為本的設計理念。

（二）各課時作業之間的相互關系

課時1是課時2的基礎，由核心物質“氯氣”性質（氯氣與水、與堿反應）引出課時2“漂粉精”。

課時3是在課時1、2的宏觀事實基礎上，從微觀角度對課時1、2加以理解、歸納和升華，有助于學生牢固樹立“結構決定性質”的化學思想。

在課時1、2、3的基礎上，課時4以具體的氯氣等鹵素物質為落腳點，把抽象的“氧化還原理論”具體運用到學生已知的鹵素物質上，實現了“理論”與“實踐”的交互印證。

第5課時，從實驗的角度上，強調對1—4課時知識的運用，讓學生掌握離子檢驗的理論及操作，為第6課時提供必要的實驗技能。

第6課時，是對1—5課時知識的總體串聯和應用，涵蓋了對1—5課時知識在真實化學情境中的應用能力。通過對提溴、提碘過程的原理、流程、操作梳理運用，使學生鞏固了知識、領會了相關思想，提升了核心素養。

（三）長作業的作用

【示例】0001單元長作業

“金山銀山不如綠水青山”，水是地球萬物賴以生存和發展的重要物質，沒有水就沒有生命。水處理的消毒常采用氯氣（Cl2）、次氯酸鈉（NaClO）、二氧化氯（ClO2）等含氯消毒劑。

下面4幅圖是我區的污水處理廠的部分場景，采用FCR（Food Chain Reactor）食物鏈反應器污水處理技術，這些美麗的植物以及依附于植物中的微生物、原生動物把污水中的雜質——有機物質和營養鹽“吃干抹凈”。該廠FCR應用在上海尚屬首次，呈現出城市運行和自然環境的和諧共處。

（1）請同學們參觀“植物園式”污水處理廠后，以小組為單位完成以下任務：4-6人一組分工合作，繪制FCR工藝技術污水處理工藝流程圖，說明其中涉及的物理、化學、生物等學科的原理。要求脈絡清晰，圖文并茂。

（2）污水在排放到受納水體之前，都要進行消毒處理。常用的消毒劑有氯氣（Cl2）、次氯酸鈉（NaClO）、二氧化氯（ClO2）等。請分別從氧化劑的氧化效率、原料成本、對環境安全性角度對Cl2和ClO2兩種消毒劑加以對比分析。

（3）檢測校內河水水質狀況（包括：重金屬含量、COD、BOD、pH值等），提出治理方案。對方案中的1—2項治污措施進行實驗并形成小組實驗報告。

通過參觀和調查污水處理廠先進工藝，學生用所掌握的物理、化學、生物等多學科書本知識去分析污水處理問題，體驗學科知識在社會、經濟、環境中的實用價值。發展學生“科學態度與社會責任”的核心素養。通過繪制“污水處理流程圖”發展“模型認知”的核心素養。

對比不同消毒劑的差異和利弊，使學生學會從成本、效果、安全等角度考慮問題，樹立“環境友好”和“綠色化學思想”。關注本校河水的生態情況，通過制訂治理方案、測定水質、實驗操作等小組合作活動，調動學生的多元智能，提升了“科學探究與創新意識”的素養水平。

落實立德樹人的根本任務。黨的十八大報告提出“給子孫后代留下天藍、地綠、水清的美麗家園”。通過此單元長作業引導學生立志成為“青山綠水”的創造者和守護者。

（四）各課時作業的設計意圖

1．第一課時設計意圖

鞏固學生對氯氣性質的認識，引導學生以氯氣為例，認識物質的兩面性。

培養學生認真觀察、正確描述現象，分析實驗原理，得出正確結論的學習方法。通過設計“氯氣泄漏處理方案”及“氯氣的性質驗證實驗”等實驗情境，促使學生弄清物質性質及轉化關系，形成解決問題的思路和方法。并從安全、健康、環境等多角度考慮問題。

2．第二課時設計意圖

對“氯水成分”“漂粉精的性質研究”等問題的分析，深化對氯氣性質的認識，凸顯“性質決定用途”的化學思想，發展“宏觀辨識與微觀探析”的能力。通過“養魚”“自制消毒液”等作業使學生養成利用物質性質知識解決生活中問題的思維習慣。

3．第三課時設計意圖

對前面兩個課時的目標內容起到應用、歸納和提升的作用。從原子結構的視角形成對鹵素性質的相似性、遞變性的正確認識。通過對閱讀作業中“關鍵詞”的正誤判斷，讓學生學會“閱讀”和“查閱資料”，養成主動探究的習慣。

4．第四課時設計意圖

深化對氧化還原反應的三個階段的認識，學會從宏觀（元素化合價）與微觀（電子）、質與量等不同視角認識氧化還原反應，促進知識的“結構化”。通過對“84消毒液”和“潔廁靈”的認識，提升解決實際問題的能力。使學生認識到化學對美好生活的指導作用。

5．第五課時設計意圖

以“痕檢”“實驗方案篩選”為背景，讓學生把離子檢驗的基礎知識應用到實際生活中，培養“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理”和“變化觀念”等學科素養。強化對離子方程式的書寫及其意義的理解，促進學生實現“宏觀”“微觀”和“化學符號”三者的“自由轉換”能力。力求在培養學生從“知識→能力→素養”的道路上，達到“水滴石穿”的效果。

6．第六課時設計意圖

將1—5課時知識綜合應用于真實情景“海水提溴”“海帶提碘”中，通過流程圖建立物質轉化的模型認知。通過實驗方案的優化培養創新意識。促進學生建立自然資源開發利用的四個重要角度，即物質轉化、元素富集、分離提純、實驗裝置（工業設備）與操作。同時引導學生尊重科學倫理道德，樹立“綠色化學”思想。

（五）特色作業的特色與作用

特色1：綜合實踐類的長作業。“污水處理方案”涉及化學、生物、物理等跨學科知識，通過調研、考察、實驗、合作、協調等多種行為，啟發了學生的多元智能，發展了模型認知、科學態度、社會責任等多維度的核心素養。

特色2: Z6004（原創）引導學生查閱文獻獲取信息，了解當今海帶提碘工業。使學生收集證據，對教材中常規提碘的方案加以改進。通過多種溶劑、氧化劑的對比，制造思維沖突，引發實驗探究。用雙氧水替代氯水；用橄欖油、色拉油、煤油等替代苯或四氯化碳等改進措施。實現了對“海帶灰化”“氯水氧化”“四氯化碳萃取”三個環節的優化，有效地發展了學生“科學探究與創新意識”的核心素養。

【示例】Z6004：工業上海水提溴的原料是“苦鹵”，而非“海水”。同樣，海水中的碘元素含量也十分的低，而海洋植物（如：海帶、馬尾藻等）對碘有“富集”作用。

（1）海帶中的碘元素以何種微粒形式存在？如何檢驗？

（2）教材中常選用氯水作為“海帶提碘”中的氧化劑，有哪些不足之處：________________；氯水用量不當會造成什么不良影響：________________。

你認為最為合適的氧化劑是________，并請簡要說明原因________。

A．酸性高錳酸鉀

B．硝酸

C．雙氧水（稀硫酸酸化）

D．二氧化錳

（3）教材學生實驗方案中用到的萃取劑是CCl4，苯和CCl4等有機溶劑有一定的毒性，能否用生活中常用的物質作為環保的萃取劑，請寫出1到2種：________。確定碘單質被萃取完全，在水溶液中沒有殘留的簡便易行的方法是________。

（4）教材的實驗方案中采用灼燒海帶的灰化法，耗時長且灼燒過程中有嗆入口鼻的煙產生。根據海帶中碘元素存在的形式，你能否提出更優化的提碘方案？

請根據以上信息和已學的化學知識，查閱資料，每個小組對“海帶提碘”的實驗步驟進行優化設計，并以物質轉化流程圖表示出來。

特色3：每課時作業幾乎都有化學情境，即有實驗、有生活、有生產、有推斷、有思辨。如：Z1003在突發事件中如何用化學知識保護自己和他人；Z1005選擇泳池消毒劑及游泳時間；Z2002養觀賞魚的水處理；Z2004動手制作84消毒液；Z4005科學使用潔廁靈和含氯消毒液；Z2003、Z6001引發關注生活中各種“說明書”蘊含的學科知識；Z5001熱播劇中的“痕檢”的運用等促進學生形成科學的生活態度和正確價值觀。

【示例】Z2003：某漂粉精說明書如下：

（1）從主要成分看，生產漂粉精的原料是什么？有效成分是什么物質？

（2）氯氣來源于電解飽和食鹽水，反應原理是什么？

（3）氯水和漂粉精都可用于漂白、殺菌消毒，其原理是什么？為什么生活中的漂白劑使用漂粉精，而不使用氯水？

（4）將漂粉精溶于適量水中，呈白色濁狀物，靜置沉降。取少許上層清液，滴加碳酸鈉溶液出現的白色沉淀是什么物質？

（5）說明書中強調漂粉精需要密封保存于陰涼處，隨配隨用。請用化學方程式說明原因。

【示例】Z5001：近日，偵探劇《法醫秦明》的熱播，讓大家也跟著體驗了一把做“名偵探柯南”的快感。劇中涉及很多痕跡檢驗，也包括指紋檢測。

離子檢驗也用于痕檢中，AgNO3顯現法就是其中之一：人的手上有汗漬，用手動過白紙后，手指紋線就留在紙上。用化學式表示這4種物質：

特色4: Z1002、Z5002的設計注重挖掘化學現象背后的原因，讓學生在理解中學習。將十分常見的選擇題，改編成填空題。意在引發學生對每一處的顏色變化做深入思考，知道“是什么”“為什么”“怎么寫”，實現“宏、微、符”的自由轉換。

【示例】Z1002：某興趣小組設計如下裝置進行氯氣相關性質的反應，先將鈉預熱，在鈉熔融成小球時，撤火，并通入少量氯氣即發生反應。請描述玻璃管中發生的現象________，棉球①的作用是________，棉球②不變藍說明________。

【示例】Z5002：常溫下氯酸鉀與濃鹽酸反應放出氯氣，現按下圖進行鹵素性質的實驗。玻璃管內裝有分別滴加了不同溶液的白色棉球，反應一段時間后，請寫出圖中指定部位的顏色，并用離子方程式解釋現象背后的原因。

①________色，離子方程式________________；

②________色，離子方程式________________；

③________色，離子方程式________________；

④________色，離子方程式________________；

特色5：發展“模型認知”和“創新意識”。長作業中繪制“污水處理工藝流程圖”、Z6003“海水提溴”的“設備流程圖”、Z6004“海帶提碘”作業任務中的“物質轉化關系流程圖”，幫助學生理解三種不同流程圖的含義。引導學生能將流程圖的本質識別為物質轉化關系圖。使學生建立自然資源開發利用的四個角度，即物質轉化、元素富集、分離提純、實驗裝置（工業設備）與操作。

【示例】Z6003：工業上以濃縮海水為原料提取溴的部分流程如下：

已知：

（1）反應釜1中Cl2的作用是________，依據的反應原理是________。

（2） ②中通入熱空氣的目的是________；利用了Br2的________性，上述流程中，步驟②③④的目的是________。

（3）用SO2水溶液吸收Br2，吸收率可達95%，有關反應的離子方程式為________________。

由此反應可知，除環境保護外，該項目生產中應解決的主要問題是________________。

（4）該流程中用Na2CO3溶液代替SO2水溶液吸收Br2的優點是________________。

（5）請用精練的語言概括海水提溴方案中蘊含的設計思想。

三、單元測試的目標與評價

（一）單元測試與作業目標的關系

單元測試的功能主要指向評價，而作業的主要功能是鞏固課堂學習的知識、技能和方法，并使學生形成解決問題的思路和方法。單元檢測題注重評價目標與作業目標的一致性，對學生學習質量和學科核心素養的發展水平給予準確的把握。題量適中，難度控制合理，指向明確，可測單元學習目標全部覆蓋，重點檢測核心知識與能力。主觀題語言明確準確，最后兩個大題有一定的綜合性和拓展性。

其中第三道綜合分析題從S0020到S0024的5個小題在檢測化學學科核心素養的科學探究與創新意識素養的1—4個水平上，層層遞進，編排流暢合理，符合學生對實驗的認知特點。

【單元測試 示例】綜合分析題（20分）

KMnO4是一種氧化劑，實驗室常用KMnO4和濃鹽酸反應制備Cl2。下圖是制備NaClO溶液的裝置圖。

完成下列填空：

S0020:（1） KMnO4稀溶液是一種常見消毒劑，其消毒機理與以下物質相似的是________。（選填編號）

a. 75%酒精

b．雙氧水

c. NaClO溶液

d．硫黃皂

答案：（1）bc（2分）

設計意圖：在變化觀念與平衡思想核心素養水平1的基礎上，檢測常見的氧化劑。

S0021:（2）高錳酸鉀和濃鹽酸制取氯氣的反應原理是： 2KMnO4+16HCl（濃）→5Cl2↑+2MnCl2+2KCl+8H2O，該反應的還原劑是________，請用單線橋法標出電子轉移的方向和數目，若消耗0.2mol氧化劑，則被氧化的還原劑的物質的量是________mol。

答案： HCl；（2分）單線橋法：方向：由HCl到KMnO4（1分），數目：10e-（1分）,1（2分）

設計意圖：在變化觀念與平衡思想核心素養水平2的基礎上，檢測化合價升降、電子轉移與氧化還原反應的關系，會用單線橋法表示電子轉移的方向和數目。

S0022:（3）B裝置中飽和食鹽水的作用是________，D裝置中NaOH的作用是________，反應的化學方程式為________。

答案：除HCl（2分）；尾氣處理，除Cl2（2分）; Cl2+2NaOH →NaCl+NaClO+H2O（2分）

設計意圖：在科學探究與創新意識核心素養水平2的基礎上，檢測實驗室制氯氣中各裝置的作用。

S0023:（4）實驗操作過程中可調節________以控制A裝置中產生Cl2的氣流，C裝置需控制反應溫度在0—5℃，實驗中可將C裝置放入________中。

答案：分液漏斗中鹽酸滴速（2分）；冰水浴（2分）

設計意圖：在科學探究與創新意識核心素養水平3的基礎上，檢測對指定情境中實驗問題的解決能力。

S0024:（5） D裝置中需要改進，說明需要改進的理由________________；并畫出改進后的裝置圖。

答案： D中反應生成的HCl氣體極易溶于水，易發生倒吸；改進裝置如圖所示（2分）

設計意圖：在科學探究與創新意識核心素養水平4的基礎上，檢測評價和優化實驗方案的能力。

S0005：題目情境與生活息息相關，通過對鹵素用途所包含化學原理的解釋，檢測學生評估某種解釋合理性的能力；同時檢測學生能否從宏觀與微觀結合的視角，理解鹵素的結構、性質與用途的關系。

【單元測試卷 示例】S0005：鹵素的單質與化合物在日常生活中有著廣泛的應用，下列對應關系不正確的是（ ）。

答案： B

設計意圖：在宏觀辨識與微觀探析核心素養水平4的基礎上，檢測鹵素的單質與化合物的重要性質和用途。

S0011：以鹵素單質的兩個重要反應為載體，檢測學生從定性與定量結合上收集證據，推出合理結論的能力，同時既檢測學生對氯氣和HCl氧化劑的強弱的理解，又檢測了對HCl的氧化性和還原性的對立與統一的認識。

【單元測試卷 示例】S0011：有可變化合價的金屬Fe在與氯氣化合生成FeCl3、與鹽酸反應得到的氯化物是FeCl2由此可以說明（ ）。

A. HCl的氧化性比氯氣強

B. HCl的氧化性比氯氣弱

C. HCl沒有氧化性

D. HCl中起氧化作用的是其中-1價的氯元素

答案： B

設計意圖：在證據推理與模型認知核心素養水平3的基礎上，檢測氧化還原的基本概念，通過產物中Fe的不同價態，比較氧化劑的強弱，考察HCl中的-1價的氯元素和+1價的氫元素各自的作用。

（二）單元測試的評價方式與標準

評價方式：自我測試或隨堂測試，采取計分制，滿分100分。

評價標準：以參考答案及制訂的評分標準為依據。

（三）測試結果與學習水平的對應關系

四、案例設計的進一步思考

在課時作業及單元測試題目的設計中，從單純的“知識立意”轉向“素養立意”我們還只是在路上。因此在知識、能力、素養融合成題的技巧與水平上都有待于提高。

首先，需要教師在教學實踐中更好地練就與提升，將提高學生“化學核心素養”有機地融入課堂教學中。

其次，對開放性題目及非書面形式題目的評價標準制訂，也要做深入的思考，以使這類題目在培養學生發展核心素養方面，發揮更科學有效的作用。

再次，教學實踐中要更多地了解學生，了解他們的學習、思維發展狀況，心理成長過程，了解他們真正的需求，才會使單元作業設計，更好地反映學生的學習真實水平和教學改進方向。

通過本次案例設計活動，我們感到今后呈現給學生的每一道題目都要精心篩選與設計，讓它承載我們對學生在知識、能力、素養方面的期許。讓作業設計成為教學活動中一個閃光的環節。

主要參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．普通高中化學課程標準（2017年版）[S]．北京：人民教育出版社，2018.

[2] 上海市教育委員會教學研究室．上海市高中化學學科教學基本要求（試驗本）[M]．上海：華東師范大學出版社，2017.