探討社會性科學議題 實施素養為本的教學

鄭璇 歐陽志斌

摘要：在當前“論證重污染天氣汽車限行的合理性”議題的教學中，議題拋出、問題設置等主要是教師的單向行為，學生的主體地位不突出;在科學論證的過程中，事實佐證較多，深入學科知識的分析較少。通過課前學生搜索信息、認識議題;課中利用價類二維圖及分析氮及其化合物的轉化關系，深入探討汽車尾氣的危害與處理，推理論證汽車限行的利弊，對汽車限行做出決策;課后反思，總結思路，形成成果匯報，培養決策能力和責任意識。

關鍵詞：社會性科學議題;汽車限行;科學論證;素養為本

文章編號：1008-0546（2022）08-0022-05 ??中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.005

一、教學主題及現狀分析

社會性科學議題（Socio- Scientific Issues，簡稱 SSI）通常指與科學領域相關的，具有社會性、復雜性、開放性和爭議性的問題，如氣候變暖、環境污染、基因工程等問題[1]。SSI是真實的、廣為熱議的、結構不佳的科學問題，與政治、經濟、文化、環境等社會因素緊密相關;SSI 涉及科學知識、原理與技術，研究過程需要科學思維與實踐能力的支撐;SSI 的決策受個人態度與價值觀的影響較大，結果常常是無固定答案，多種合理方案并存的。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中六次提及“社會性議題”：“結合學生已有的經驗和將要經歷的社會生活實際，引導學生關注人類面臨的與化學有關的社會問題”“有意識運用所學的知識或尋求相關證據參與社會性議題的討論”“促進學生辯證地看待問題，培養學生參與社會決策的意識”闡明了高中化學教學中實施 SSI 教學的重要性[2]。李諾等學者指出：探索SSI教學框架與模型是我國科學教育的需求，將理論認知轉化為有效的教學實踐是新的挑戰[3]。

“論證重污染天氣汽車限行的合理性”這一議題隸屬魯科版高中化學必修一微項目的內容，取材源于真實的社會問題，與學生生活密切相關。議題覆蓋氮及其化合物的相關性質及轉化關系，體現研究物質性質及其轉化的角度和思路，蘊含綠色化學思想和可持續發展理念，承載“變化觀念”“證據推理”“科學態度與社會責任”的學科核心素養。目前，知網所能檢索到與該議題相關的教學設計鮮見，有代表性的是羅鋮吉[4]和范曉媛[5]的設計，前者側重“探討汽車尾氣與霧霾是否存在關系，探討汽車尾氣是不是導致霧霾的主要原因”，以此建立含氮物質間的轉化關系，形成從物質類別和化合價視角研究物質轉化的思路，提升推理和論證能力;但是，議題拋出、資料展示、問題設置更多是教師行為，學生在教師預設的教學框架中活動，較缺乏學生自主學習的空間。后者通過“課前準備—課堂論證—課后反思”三個環節完成整個微項目，著重展示了學生證據推理、質疑反駁、再論證的多輪次反復論證活動，為SSI 的教學模式提供了范例;遺憾的是，在科學論證的過程中，事實佐證較多，深入學科知識的分析較少，即“社會味”太濃而“學科味”稍顯不足，學生對化學知識的應用價值和社會價值難以形成強烈的感知。

二、教學思想與創新點

（1）發揮學生主體作用，激發學生的主觀能動性。課前布置學習任務、激發學習熱情，學生檢索資料、認識議題;課中利用價類二維認識模型分析和預測物質性質、建立結構化的知識體系，并運用結構化的知識解決實際問題，促進學生的深度學習，增進對科學內涵和本質的理解;課后反思，總結思路，形成成果匯報。

（2）深入學科內容探討，彰顯論證過程的科學性、合理性。教師在課前準備時收集學生檢索的有效信息和具有代表性的觀點，整合教學資源，重構教學內容，設置驅動性的任務。學生在真實具體的問題情境中踐行“利用資料推理—應用知識推理—運用模型推理”的科學論證，發展高階思維能力和科學決策能力。

基于以上分析，設計了如圖1所示的教學思路。

三、教學目標

（1）從物質類別、元素價態的角度論證汽車尾氣促進霧霾的形成，認識氮及其化合物的轉化關系，培養證據推理意識和科學論證能力。

（2）通過尾氣的凈化技術的學習，認識化學科學為可持續發展做出的重要貢獻，發展“科學態度與社會責任”素養。

（3）通過議題論證活動，利用“價類二維”的研究思路和方法，發展“變化觀念”素養;正確書寫反應方程式，發展“宏觀辨識與微觀探析”素養。

（4）從多視角分析汽車限行所帶來的影響，樹立可持續發展理念，合理做出決策。

四、教學流程

議題教學分為四個環節，分別對應四個階段的學生活動，第一環節是課前查閱資料，課堂闡述觀點，該環節目的在于驅動學生自主學習;第二、三環節是利用氮及其化合物知識和價類二維模型論證汽車尾氣如何促進霧霾形成、汽車尾氣能否徹底凈化，促進學生利用學科思維和方法深度分析實際問題，培養模型推理、科學探究和科學論證能力;第四環節是樹立科學觀點，旨在培養學生“科學態度與社會責任”。簡要的教學流程如圖2所示。

五、教學實錄

環節一：認識議題，發現利弊

【情境引入】據公安部統計，2021年全國機動車保有量達3.95億輛。全國79個城市汽車保有量超過100萬輛，35個城市超過200萬輛。為應對重污染天氣或緩解交通壓力，北京、廣州等多個城市采取了“汽車限行”。

【學習任務1】通過課前資料的查閱和學習，你支持“汽車限行”嗎？說明原因。

【學生闡述】甲方：支持汽車限行。

理由1：汽車限行能緩解交通擁堵，減少交通事故的發生。

理由2：汽車限行能減少汽車尾氣的排放，緩解霧霾現象，改善環境質量。有報道，北京奧運期間汽車限行對空氣質量有很大的改善。

乙方：不支持汽車限行。

理由1：汽車限行會讓個人出行不便。

理由2：《中國氣象報》報道，以煤炭為主的不清潔能源的過量使用是我國霧霾嚴重的最根本原因。因此，汽車尾氣不是霧霾形成的主要原因。

【即時評價】學生各執一方，說明他們的認識是片面的、有局限性的，也說明他們考慮問題常常是想當然的、憑借直覺的。并且，學生信息渠道較為單一，所查找的資料不夠系統全面，即使有少數同學找到了信息支持，也是停留在淺層次的認知，不能從學科角度深度分析議題。

設計意圖：本環節通過課前查閱資料、整理信息的任務，促使學生養成利用信息資源獲取知識的學習習慣。學生形成兩種截然不同的觀點，其理由恰好體現汽車限行的利與弊。

環節二：科學論證，認識利弊

【信息資料】霧霾主要由可吸入顆粒物（PM）、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和碳氫化合物（CXHY ）組成，它能使大氣渾濁，視野模糊并導致能見度惡化。

汽車尾氣中主要成分是 CO、NOx、碳氫化合物等。公安部的數據顯示，近年來，北京、上海、深圳等大中型城市，機動車排放污染已成為細顆粒物污染的重要來源。

【學習任務2-1】汽車尾氣中的 NOx 是從哪里來的？

【交流討論】汽油的成分是碳氫化合物，不完全燃燒產生的是 CO。從元素守恒、價態變化和物質類別變化思考，NOx應是N2在氣缸中被O2氧化所致。

【學習任務2-2】依據氮及其化合物的“價類二維圖”預測汽車尾氣如何轉化為霧霾中硝酸鹽、銨鹽？并寫出可能的轉化路徑。

【交流討論】汽車尾氣轉化為硝酸鹽、銨鹽的路徑可能為：N2→NO→NO2→HNO3→NO 3（-）、N2→NH3→NH3· H2O→NH4（+），如圖3所示。

【學生質疑】HNO3→NO3（-），這是為何呢？

【合理猜想】從物質類別轉化角度，酸轉化為鹽需要堿性物質，如堿或堿性氧化物。空氣中存在堿性氣體NH3，NH3和HNO3化合成硝酸鹽。

【學生質疑】空氣中為何存在NH3？

【合理猜想】從化合價變化角度，N2→NH3需要還原劑，汽車尾氣中可能還含有還原性氣體，還原性氣體可能是烴，或由烴形成的。

【資料證據】近20年，我國一直是全球最大的氨排放國。在重污染期間，氨并不是主要來自農牧業，而是來自工業化石燃料燃燒過程和機動車排放。汽車尾氣中的CO 和H2O在發動機富燃料運行條件下會反應生成 H2，H2和 NO 在催化劑表面產生 NH3。氨氣極大地促進了硫酸銨、硝酸銨等二次無機顆粒物的生成，因此氨氣是霧霾形成的重要推手。

【即時評價】有部分學生在陌生情境中的分析能力是比較薄弱的，需要交流、討論、糾錯、補充等互助活動，才能完善結果。學生有分析障礙時，如 N2轉化為銨鹽需要的還原劑，可以引導學生合理猜想，并提供證據支持，讓學生充分體驗陌生情境下的氧化還原反應的推理。

【信息資料】中國科學院大氣物理所研究員王躍思指出，在京津冀地區，大量燃煤燃燒排放二氧化硫，而工業和汽車尾氣排放的氮氧化物，可以激發二氧化硫向硫酸鹽的快速轉化，在沙塵的媒介下，氣體就變成了顆粒物，重霾污染就來了。

【學習任務2-3】利用“價類二維圖”探討 NO2將 SO2轉化為硫酸鹽的可能路徑。

【交流討論】

路徑一：

【即時評價】多數同學基于學習經驗，推理出路徑一。少數同學借助酸雨形成的路徑，還推理出路徑二。其中，SO2被 NO2氧化生成 SO3，氧化物之間的轉化，學生缺乏知識背景，可鼓勵學生從價態轉變的角度思考，形成開放的價類觀。

設計意圖：本環節將議題的爭議轉化為學科問題。創設信息情境，設置有梯度的學習任務，引導學生利用價類二維的分析思路和方法、從氮及其化合物的轉化路徑深度剖析問題，完善基于氧化還原反應規律的推理路徑。學生通過科學分析汽車尾氣與重污染天氣的關聯，認識到汽車尾氣的危害，感受到汽車限行的“利”。

環節三：科學探究，論證利弊

【學習任務3-1】用“價類二維圖”預測尾氣中NOx 能否轉化為無害物質后再排放。

【學生預測】NOx 可以在還原劑的作用下轉化為 N2，而汽車尾氣中就存在還原劑 CO，如：2NO +2CO =2CO2+ N2。

【教師說明】該反應的反應程度很大，可是反應速率極慢。

【學生交流】信息檢索可知：三元催化器可以加快尾氣處理的速率，汽油機車排氣系統中普遍使用三元催化器。

【學習任務3-2】根據如圖4所示的三元催化器結構圖分析其工作原理。

【交流討論】三元催化器可將汽車尾氣排出的 CO、CXHY 和 NOx 三種主要污染物在高溫條件下轉變為CO2、H2O 和N2。三元催化器內部呈蜂窩狀結構，上面沉積了鉑、鈀、銠等貴金屬涂層，是為了增大氣體與催化劑的接觸面積，提高催化效率。

【學習任務3-3】結合催化劑的特點，分析三元催化系統可能存在的缺點。

【交流討論】鉑、鈀、銠等貴金屬成本高;催化劑可能會失效，存在使用周期。

【資料證據】三元催化器能處理90%的廢氣，但無法限制氨氣的形成;催化劑使用時間長了會老化、失活，原因有高溫失效、催化劑中毒、催化劑表面積碳等。一般2年便需要更換1次三元催化器。

【信息資料】一輛柴油機車 NOx 的排放量約為小汽車的20倍。對于中重型柴油機車，廣泛使用的尾氣處理技術是SCR（選擇性催化還原技術），其工作原理如圖5所示。

【學習任務3-4】分析SCR工作原理。

【交流討論】CO（NH2）2熱分解為 NH3和 CO2，再利用 NH3轉化 NOx：8NH3+6NO27N2+12H2O。但在空氣過量條件下，會發生副反應：4NH3+5O24NO +6H2O

【學習任務3-5】分析SCR技術的缺點。

【交流討論】NH3催化氧化再生成 NO，降低了 NO 的脫除率;柴油車需要定期加注車用尿素溶液;也可能存在氨泄漏的問題。

【學習任務3-6】NSR（NOx儲存還原技術）適用于稀燃汽油機和輕型柴油機的NOx 的去除。根據如圖6所示的NSR工作原理圖分析其工作原理。

【交流討論】儲存階段，NOx 在催化劑 Pt 表面被BaO結合形成 Ba（NO3）2;還原階段，被還原性尾氣還原生成N2。

【教師追問】還原性尾氣可能是何種氣體？

【學生思考】可能是CO、H2、CXHY。

【資料證據】在催化器前端尾氣中直接噴入燃油，燃油在催化劑上發生重整、裂化及部分氧化反應產生還原劑。

【學習任務3-7】分析NSR技術的優缺點。

【交流討論】優點：不用外加還原劑、脫 NOx效率較高。

缺點：NSR活性組分通常是貴金屬，成本較高，也存在硫中毒、積碳、熱老化等失活情況。

【即時評價】三種尾氣處理技術是當前汽油機車和柴油機車的主流技術，體現了化學科學對人類可持續發展有重要作用，雖然每一種技術都存在缺點，但正是這些不足促進研究者不斷技術創新。

設計意圖：本環節科學論證汽車尾氣能否完全凈化，旨在深化發展基于價類二維的轉化觀，診斷、評價學生運用價類二維模型分析實際問題的能力，提升科學探究、論證與推理、信息有效辨識等能力。通過分析汽車尾氣是難以被凈化完全的，論證了汽車限行的“利”。

環節四：科學決策，權衡利弊

【信息資料】《國務院關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知（國發〔2018〕22號）》《交通運輸部等十二部門和單位關于印發綠色出行行動計劃（2019-2022年）的通知（交運發〔2019〕70號）》

【學習任務4-1】了解國家近幾年相關的國策、法規，知道國家在建立健全綠色出行體系所做的努力。

【信息資料】《公民生態環境行為調查報告（2021）》

【學習任務4-2】了解公眾的綠色行為。

【交流討論】公眾低碳出行情況總體良好，六到八成受訪者能在前往不同距離目的地或遠途旅行時優先選擇低碳出行方式。

【學習任務4-3】通過前面的學習，全面綜合地分析“汽車限行”所帶來的影響。

【交流討論】環境視角：減少有害氣體排放，減輕空氣污染。

科技視角：研發新能源汽車、研發新型尾氣處理技術，促進科技發展。

經濟視角：帶動共享經濟和新能源經濟，促進可持續發展的經濟體系。

社會視角：緩解了道路交通壓力、提升綠色人文素養等。

【教師追問】你是否支持所在城市“汽車限行”？

【學生闡述】觀點一：支持。汽車限行對環境友好，是國家意愿，得民眾支持的行為。

觀點二：需要因地制宜、全面考慮，不能一概而論。如果所在城市，存在汽車保有量大、空氣質量差、交通堵塞等情況，可實行汽車限行;如果不存在以上情況，不一定要汽車限行。

觀點三：有些城市雖然當下未必需要、或還未實行汽車限行，但是從公民行為、生態環境可以展望未來：隨著社會的發展、人文素養的提升，將來綠色出行是民眾的主動行為，汽車限行不再是政策性的限制。因此，當下不必糾結支持與否。

【即時評價】國家政策的推行、公眾環保意識的提升，使學生的社會責任感油然而生。此時，學生不僅能從學科的視角理解議題所涉及的知識，還能從社會的視角、人類發展的視角看待議題，對問題的認知更加全面深刻。教師應尊重學生的觀點，不宜表達明顯的傾向性。

【學習任務4-4】將你的觀點按“資料、推理論證、決策”的思路形成學習報告，并小結社會性議題的認識思路。

設計意圖：本環節培養學生建立社會性議題的認知視角，形成理性參與社會決策的意識，實現“科學態度與社會責任”素養的發展。

六、教學反思

（1）SSI教學的目標

開展 SSI教學，不單是為了讓學生掌握具體的學科知識，更重要的是增進學生對科學本質的理解，提高科學論證能力，提升學科素養。議題僅是一個載體，憑借這個載體，學生掌握分析信息、辨識證據、支持論點的方法，形成研究問題的思路。本議題教學中，學生在深入探討汽車尾氣中氨的生成、汽車尾氣中氮氧化物激發二氧化硫向硫酸鹽的快速轉化、汽車尾氣處理等問題時，自覺地利用了價類二維模型對學習氮及其化合物知識的指導作用，形成了開放性的價類二維觀，提升了應用模型分析問題的能力。

（2）SSI教學的實施

SSI教學是富有挑戰性的教學。教師在課前準備時，要收集和掌握大量資料，準確定位課堂教學目標，規劃每個階段的主要目標，精心選取素材，進行拓展和深挖，創設問題情境，設計進階式的學習任務。課堂上，要引導學生經歷SSI所必需的“認識利弊—論證利弊—權衡利弊”的過程，確保有充分的自主探討空間，能完整地體驗決策的過程。對于學生的論證困難點，應及時提供信息或提示論證方向;對于學生出現的預設之外的回答，要立即依據課堂教學目標進行分析和引導。決策時，要保留議題的開放性，不偏頗某一種具體答案。

（3）SSI教學的評價

SSI教學的關鍵在于觀點的主張和基于證據的論證。因此，在教學實施的過程，要關注學生能否將知識學以致用，能否在陌生情境中科學、合理地應用新知識;要研判學生是否能對其主張進行充分地解釋、說明、反駁、辯護，形成觀點、證據和結論之間的嚴密的邏輯關系;要診斷學生能否在議題的探討中自覺地利用可持續發展理念，萌發科學態度和社會責任。

參考文獻

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