指向高中化學學業質量水平的教學設計實踐

陳廷俊 劉江田

【關鍵詞】學業質量水平;化學反應與能量;高中化學

2017年版高中課標中加入了學科學業質量水平的相關內容。高中化學學業質量水平是以化學學科核心素養及其表現水平為主要維度，結合課程內容，對學生學業成就表現的總體刻畫。依據不同水平學業成就表現的關鍵特征，化學課程標準將學業質量劃分為4個水平等級，每一等級都從化學核心素養的5個方面給出了學業質量的具體要求。依據側重的內容，這些具體要求又被劃分為4個條目：條目序號1主要對應“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”，序號2主要對應“變化觀念與平衡思想”，序號3主要對應“科學探究與創新意識”，序號4主要對應“科學態度與社會責任”。

如何利用學業質量水平指導教學是需要我們研究的問題。筆者以“化學反應與能量”這一主題為例，談談對此問題的認識。依據《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱2017年版課標），該主題的學業質量水平見下頁表1。[1]65-67

基于此表和近5年來江蘇省高考化學的相關試題，筆者提出本主題的相關教學設計如下。

一、學習目標與評價目標制訂指向學業質量水平

基于學業質量水平制訂學習與評價目標旨在從“對教學評價”轉向“為教學評價”，突出學業質量水平對化學課堂教學的指導、監控和調整功能。

依據2017年版課標，“化學反應與能量”這一主題的內容包括體系與能量、化學反應與熱能、化學反應與電能、學生必做實驗（簡單的電鍍實驗和制作簡單的燃料電池）。[1]28

對照學業質量水平和近5 年江蘇高考真題，確定本主題的教學目標為：（1）從總能量和鍵能的角度，分析放熱反應和吸熱反應的焓變（水平2-2、4-1）;（2）正確書寫熱化學方程式，根據蓋斯定律計算反應焓變（水平3-2、4-1）;（3）從氧化還原反應視角，解釋原電池與電解池的工作原理、金屬腐蝕與防護等（水平3-3、4-1）。評價目標為：（1）通過化學反應過程的能量變化，診斷學生從鍵能及物質狀態分析能量變化的認知水平（水平2-2、3-2）;（2）通過化學反應與能量圖像和反應原理示意圖，診斷學生的認知思路與模型認知能力（水平4-1）;（3）通過化學反應與能量應用的真實問題，診斷學生解決復雜問題的能力水平（水平4-2）。明確了學習目標和評價目標，教師就要選擇真實的情境素材，設計任務與活動，讓學生分析生產生活中的能量變化，建構基于化學鍵分析熱能、用氧化還原反應分析電能的認知模型，認識化學變化儲存和釋放能量的重要價值和現實應用，發展化學核心素養。

二、情境素材與問題解決聚焦學業質量水平

汽車尾氣處理、火箭推進劑、發熱暖貼、人體內的能量變化、能源綜合利用、電解與電鍍、金屬腐蝕與防護都是本主題的應用素材，教學時可以根據教學內容恰當選用。

例如：H2 可用于燃料電池和作為火箭燃料，請學生思考并回答如下問題。

問題1：H2 和O2 反應生成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

問題2：如何表征反應過程中的能量變化？（水平3-2、4-1）問題3：通過

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反應生成H2O（l）與H2O（g）的能量變化，你得出什么結論？（水平4-1）

這里設計的問題1 是為了引導學生從化學反應的本質的角度來分析反應過程中的能量變化。問題2則引出了熱化學方程式、反應熱的計算式ΔH=Σ反應物鍵能- Σ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生進一步明白反應物要吸收能量來斷裂化學鍵，生成物在形成化學鍵的過程中要釋放能量。當吸收能量小于放出能量，為放熱反應;當吸收能量大于放出能量，為吸熱反應。問題3和4引導學生分析建模，使得他們認識到反應焓變只與反應體系的始態和終態有關，而與反應路徑無關——這就是蓋斯定律。在此基礎上，讓學生建構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是在充分研究學業質量水平的基礎上提出的，4個問題的解決讓學生從宏觀辨識能量變化走向微觀探析能量變化的本質，由概念分析到直觀表征，由定性感知到定量計算，初步達成學業質量水平并建構化學能與熱能認知模型（圖2）。

三、任務設計與活動展開落實學業質量水平

“化學能與電能”學業質量水平指向原電池與電解池的工作原理及實際應用。不論是原電池還是電解池，其化學原理都是氧化還原反應，只是能量轉化的方式和電極名稱不同而已。從能量轉化來看，原電池是將化學能轉化為電能，而電解池則是將電能轉化為化學能;可逆電池放電時發生原電池反應，充電時發生電解池反應。因此，新授課教學需要幫助學生理解電化學原理的本質是氧化還原反應，需要通過設計實驗探究任務與活動（表2），幫助學生分清氧化反應失去電子、還原反應得到電子。這樣，學生就能更加直觀地認識氧化反應的結果是元素化合價升高，還原反應的結果是元素化合價降低，從而揭示電解原理的內在規律，達成學業質量水平3-3、4-1。

指向學業質量水平的任務與活動，不僅揭示了電解的內在規律，而且還建構了電解原理的認知模型，即根據電極名稱→分析離子遷移方向→判斷離子放電順序→確定電極反應類型→書寫電極反應式與化學方程式，從電極、電子流向、離子遷移、反應類型等視角建構電化學原理認知模型（見下頁圖3）。[2]

四、評價目標與評價任務診斷學業質量水平

化學學業質量水平的達成情況需要基于評價目標的任務來診斷。評價要從學科知識的習得轉向真實問題的解決，評價目的是診斷學業質量水平的達成情況，為后續調整教學策略和措施、增減任務與活動提供依據。設計評價任務時，教師需要將學業質量水平細化到每一個教學環節，分步達成、有序推進、融合提升。

例如，可根據前文中的評價目標（1）設計評價任務（1）。

已知通過以下3種反應均可獲取H2，請判斷下列說法是否正確：反應①中電能轉化為化學能;反應②為放熱反應;反應③使用催化劑，ΔH3 減小;反應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焦炭與水反應制氫：C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g） ΔH2=131.3kJ·mol–1;

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

該任務的命題情境是工業制備H2、對應學業質量水平2-2、3-2、4-1，綜合考查學生對能量轉化類型、反應焓變與吸（放）熱反應關系、反應焓變的影響因素及計算等。

根據前文的評價目標（2）設計評價任務（2）CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。電解法轉化CO2可實現CO2資源化利用。根據電解CO2制HCOOH的原理示意圖（圖4）。寫出陰極CO2還原為HCOO-的電極反應式： 。電解一段時間后，陽極區的KHCO3溶液濃度降低，其原因是。

該任務的命題情境是CO2的資源化利用，對應學業質量水平3-3、4-1，重點考查學生運用認知模型解決實際問題能力，可以診斷學生電化學原理認知模型的建構情況，如果學生在哪個環節出現問題，則可以快速診斷并采取補救措施。

指向高中化學學業質量水平的教學實踐，必須從“對教學評價”轉向“為教學評價”，即學習目標與評價目標、情境素材與問題解決、任務設計與活動展開、評價目標與評價任務等都必須指向學業質量水平，按照“實驗（客觀）事實→形成概念→微觀解釋→證據推理→應用價值”的認知順序，通過真實有效的問題、任務與活動建構化學反應能量變化的認知模型，理解化學反應與能量在調控化學反應方向、速率和限度等方面的重要應用。