基于真实情境的“溴和碘的提取”新型作业设计

摘要： 以“溴和碘的提取”教学单元为例，基于真实情境设计多种类型的开放性、实践性的新型作业，如实验操作、文献阅读、调查走访和研究报告撰寫等，探究其在发展学生化学学科核心素养过程中的价值，旨在从多角度培养学生多层次的综合能力。

关键词： 作业设计; 溴和碘的提取; 真实情境; 学科核心素养

文章编号： 1005-6629（2022）05-0078-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

作业的设计与布置是教师教学活动的一个重要环节，是学生学习的主要方式和重要组成部分。有研究表明，传统的作业布置中存在重认知而轻情感、重教书而轻育人和重结论而轻过程等弊端，即只重视学生对学科知识的记忆、理解与应用，而不关注学生在教学活动中的情绪和情感体验;以完成学科知识传授为任务，而忽视学生在教学活动中的道德生成与人格养成;将作业转变为刻板的条文背诵和机械训练，而忽视学生的思考、质疑和创新[1]。为了进一步推进高中育人方式的改革，国家提出在2022年前全国普通高中全面实施新课程、使用新教材（简称“双新”）。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（简称“课程标准”）提出立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，充分发挥化学课程的整体育人功能，构建全面发展学生化学学科核心素养的高中化学课程目标体系[2]。在“双新”背景下，单元教学已成为日常教学的常态[3]，单元作业与练习的作用与价值也发生了明显的变化，新型的作业设计受到高度重视，开放题、探究题等新的作业类型将更有利于学生化学学科核心素养的发展。

“溴和碘的提取”教学单元是上海科学技术出版社高中化学教材必修一第2章的第三单元，包含卤素单质的性质、溴的提取、碘的提取和卤素离子的检验四个课时内容。该单元既涉及卤素单质的物理化学性质，又涉及氧化还原反应和离子反应相关原理的应用，以溴和碘的提取这两个工业生产背景贯穿整个单元，具有物质繁多、反应复杂、应用性与综合性强的特点。本文就此单元展开新型作业设计的探索。

真实、具体的情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要载体。培养和提升学生的学科核心素养，本质上就是要培养和提升其在特定情境中解决问题的能力和正确的价值观。真实的情境除了可以运用在课堂教学之中，也可以为新型作业设计提供丰富的素材。将作业置于情境之中，就是要让学生在个人生活、国家发展和全球合作等问题或背景下，在学科兴趣、探究欲望以及对科学价值追求和社会责任等内驱力的作用下，有效地获取和分析数据及文献，设计、实施和评价科学探究过程，运用化学学科知识和观念科学地解释现象、得出结论、解决问题。

“溴和碘的提取”本身就是一个与生产和生活密切相关的情境。本文在充分分析本单元教学内容和教学目标的基础上，基于本单元的知识与技能特点将其拓展到两大层面、六大情境，对应“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”两个化学学科核心素养（见图1）。本文基于真实情境设计多种类型的开放性、实践性的题目，如实验操作、文献阅读、调查走访和研究报告撰写等活动，旨在多角度、多层次地培养学生的综合能力。

1 科学探究层面

本层面通过创设实验探究情境、工业生产情境和跨学科情境，弘扬科学精神，培养学生的创新精神和实践能力，落实“科学探究与创新意识”这一化学学科核心素养。具体题目与设计说明如下。

1.1 实验探究情境

情境素材分析： 实验探究是一种重要的科学实践活动，是化学学科核心素养的构成要素之一。“课程标准”鼓励教师将实验活动转化为探究性或研究性的实验任务，培养学生设计和优化实验方案的能力。将预测性书面作业延伸至实验室中的具体操作与观察，将以答案为导向的书面实验作业题转化为探究性或研究性的开放性实验任务即为创设“实验探究情境”。

题目： 现有一氯化钠和碘单质的混合物，请设计实验完成两者的分离，利用实验室常见的实验仪器简单画出你的装置图，并在实验室尝试完成混合固体的分离，填写实验报告（见表1）。

图2 NaCl和I2分离

实验装置图示例

答案： 利用常压下，碘受热易升华的性质，搭建如图2所示的装置（为避免碘蒸气逸出，可在烧瓶与烧杯接触处垫一圈棉花，也可使用其他仪器搭建，能达到实验目的即可）。将混合固体置于烧杯中微热，混合固体中的碘升华后，在盛有冷水的圆底烧瓶底凝华，实现两者的分离。

操作评价要点： （1）选取仪器的适用范围合理;（2）装置简单、搭建流程合理;（3）操作规范、熟练。

设计说明： 学生在第1章1.3节中已经系统地学习了过滤、蒸馏、萃取和分液等物质分离提纯的方法，基于本单元所学习的“常压下固体碘受热易升华”这一性质，学生可以利用实验室常见的仪器组装升华实验装置并完成实验。在真实的实验探究情境下，学生既巩固了物质分离提纯方法的选取依据，还锻炼了实验设计能力和动手能力。

本题先画图再实验的设计环节旨在令学生明确，以实验探究目的为导向，方案设计在先、操作实践在后的探究流程，是掌握化学实验及探究活动的核心思路与基本方法。同时给出实验报告模板，教师可以在学生实验过程中指导其遵守实验规则，如实记录实验现象，体会完整的科学探究过程，使其形成良好的实验习惯和严谨求实的科学态度，落实“科学探究与创新意识”的学科核心素养。

1.2 工业生产情境

情境素材分析： 化学工业生产是将化学研究转化为生产力的重要途径之一，充分体现了化学学科的发展对人类文明进步的作用和贡献。以真实的化工生产过程为研究对象，借助相关资料对化工生产的原理、流程进行复原和模拟，即为创设“工业生产情境”。

题目： 染料废水中含有大量溴离子，其含量的检测对废水处理有指导意义。溴含量较高的废水可以回收再利用，含量较低的废水也需经检测确定是否达到排放标准，以免溴离子超标排放导致水体污染[4]。

请查阅相关文献，以“溴离子的检验”为题撰写一篇研究报告，简述溴离子检验的意义和几种溴离子的定性、定量检验方法，有条件的学生可以参觀相关实验室或检测机构，了解这些检测方法的应用情况。

答案要点： 溴离子常见的测定方法有碘量法、光学分析法、电化学分析法和色谱法（《固体废物氟离子、溴酸根、氯离子、亚硝酸根、溴离子、硝酸根、磷酸根、硫酸根的测定离子色谱法》GB 5085.3-2007、《环境监测分析方法标准制修订技术导则》HJ168-2010）等;溴离子检验的意义： 水溶液中溴离子的含量是确定溴资源品位和提取工艺的数据基础，对淡水体系溴离子污染的检测也体现出了较高的生态环境意义。同时，溴离子测定方法的优化是推动溴离子回收利用研究的前提条件，表现出重要的科研价值。

设计说明： “课程标准”中要求学生能查阅化学某个领域学术研究的文献，对文献内容进行分析、概括与点评;鼓励针对一个学术问题在教师（导师）的指导下开展项目研究、撰写研究报告;加强与高等院校、科研院所、相关企业的联系，积极探索全社会合作育人的途径和机制。这道综合实践性的题目基于“能依据复分解反应原理和氧化还原反应原理，根据物质的特征反应和干扰因素设计卤素离子的检验方法并实施实验”的作业目标创设真实情境，充分挖掘离子检验的科研价值和社会价值，在锻炼学生文献阅读、调研走访和论文撰写等能力的同时加深其对化学学科价值的感知，引导学生了解化学技术对社会发展的重大贡献，在将课内所学知识应用于具体的化工生产中体会所学知识的价值，强化自身的社会责任意识，在多样化的实践活动中，促进学生实现“知、情、意、行”的统一。

1.3 跨学科情境

情境素材分析： 当今诸多复杂问题单靠一个学科的发展是不足以解决的，需要综合不同学科的知识协同完成。通过挖掘与化学学科相关的生物、地理、物理等学科的情境素材，实现学科之间相互交融，彼此成为知识拓展的媒介，即为创设“跨学科情境”。

题目： 阅读文献[5]，思考下列问题。

海带属海藻类植物，因其碘元素代谢（metabolism）过程中可以实现“碘的运输”而受到密切关注。其通过生产释放碘（I2）和有机碘化物（Organic compound，一碘甲烷和二碘甲烷）代谢掉体内的氧化性物质，以避免其带来的损伤（Oxidative stress）。研究发现一种钒碘过氧化物酶（V-IPO）在这个过程中起到了关键的作用。

大型海藻、细菌和除脊索类之外的动物会在V-IPO的催化下，利用从海水中吸收的碘离子（I-）与体内的过氧化氢（H2O2）反应转化为次碘酸（HIO），这一过程被称作“依赖性过氧化扩散（PDD）”。生成的HIO可能会发生以下三种转化，即（1）扩散到细胞质（cytosol）中进行富集（accumulation）;（2）反应生成易挥发的有机碘化物;（3）在质外体与I-反应生成I2，进而转移到细胞质中储存或释放。下图部分说明了I-作为抗氧化剂的价值。碘化物可以作为细胞系统中的还原（reduction）系统，一旦被氧化即可用于代谢或储存在细胞内，或者直接转化成有机碘化物挥发掉或是碘单质升华掉，以避免在体内过度富集（具体过程参见图3）。

（1） 海洋中的I-进入海带体内，可以起到抗氧化的生理作用，请你归纳这段文献中提到的三种价态的碘元素（I-、 I2和HIO）的物理、化学性质。

（2） 陆生植物体内没有像海带中的I-那样的抗氧化剂，但也可以通过产生诸如抗坏血酸、多酚类和类胡萝卜素等物质替代，你在生活中吃的什么食物可以起到类似的抗氧化的作用？

（3） 请课后上网查阅本篇节选文献的英文原版，尝试阅读并谈一谈碘元素在生命活动中的重要性。

答案： （1）I-可溶于水、有还原性，I2可以升华，HIO有氧化性等;（2）橙子等富含维生素C的水果蔬菜等;（3）要点： 碘是新陈代谢和生长发育必需的微量营养元素，是人体合成甲状腺激素的主要原料。而甲状腺激素参与身体新陈代谢，促进人体尤其是大脑的生长发育。碘可以降低某些癌症的发病率。

设计说明： 科学研究是在继承和借鉴他人研究和发现的基础上不断进行新探索的过程。因此，文献阅读对于科学研究具有重要意义。“课程标准”中提出鼓励教师增加学生查找文献资料、深入阅读分析文献资料的活动。虽然本篇节选文献阅读文字量较大，但学生可在课下借助网络等资源检索相关背景知识和专有名词，或小组讨论式阅读。设计本题旨在使学生从中学起就明确文献阅读在学习和研究中的重要性，逐步培养他们文献阅读的能力，为其今后的学习和研究打下基础。

本篇文献的选择基于“从海带中提碘”的教学目标，为学生提供海带富集碘的生物学背景知识，补上了碘元素循环的关键一环。通过打破学科界限使学生明白，要解决复杂问题就需要综合不同学科的知识协同解决。

2 价值观层面

本层面通过创设爱国主义情境、“绿色化学”情境和食品健康情境，引导学生形成正确的世界观、人生观和价值观，落实“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。具体题目与设计意图如下。

2.1 爱国主义情境

情境素材分析： 立德树人是日常教学的根本任务，立德要先行。“课程标准”中指出： 基础教育课程承载着党的教育方针和教育思想，规定了教育目标和教育内容，是国家意志在教育领域的直接体现，在立德树人中发挥着关键作用[6]。利用中华优秀传统文化、革命文化和社会主义先进文化教育内容创设“爱国主义情境”，融入社会主义核心价值观，培养学生的社会责任感、创新精神与实践能力。

题目： 方志敏同志曾在狱中用米汤（内含淀粉）给鲁迅先生写信，巧妙地将信息传递给党组织。请问鲁迅先生在收到信之后，要使用什么物质才能显示出信中的内容（  ）？

A. 食盐  B. 碘酒  C. 醋  D. 白酒

答案： B。

设计说明： 本题将碘遇淀粉变蓝这一碘的性质置于“方志敏同志向鲁迅先生传递情报”这一爱国主义情境之中，既落实了“碘遇淀粉变蓝”的作业目标，使枯燥的知识融入生活与实践，增强学生对化学学科的兴趣，又有助于学生继承和弘扬革命文化，明确今日的美好生活来之不易，坚定中国特色社会主义的道路自信。

2.2 “绿色化学”情境

情境素材分析： 结合与化学有关的社会热点问题，将能反映化学、技术、社会和环境之间相互关系的化工生产或实验探究案例转化成“‘绿色化学’情境”，可以使学生认识环境保护和资源合理开发的重要性，形成“绿色化学”观念和可持续发展意识。

题目： 溴作为一种重要的化工原料，在医药、燃料、农药、阻燃剂、抗爆剂等领域均有广泛的用途。目前海水提溴的工艺技术有多种，在我国应用最广泛的是“空气吹出法”。其中“封闭式空气吹出法”是近期新开发的一种海水提溴工艺，其工艺流程如图所示（见图4），早期“空气吹出法”工艺并无图中“封闭循环系统”，吸收塔的尾气直接排入空气中，请评价“封闭循环系统”的优势[7]。

答案： 避免尾气直接排入大气，解决了尾气污染环境的问题，节省资源（尾气夹带SO2和未被完全吸收的Br2），提高资源的利用率。

设计说明： 化工生产是化学学科的应用延伸，对化工生产流程的评价与分析是学生基于所学知识与原理能够达成的要求。本题以“封闭式空气吹出法”这一化工生产情境，引导学生从“有害尾气需要处理，不能直接排放”和“废弃物中资源需要回收，避免资源浪费”等“绿色化学”的角度分析评价实验方案和工艺流程，在潜移默化中形成节约资源、保护环境的可持续发展意识，进而做到从自身做起，形成简约适度、绿色低碳的生活方式。

2.3 食品健康情境

情境素材分析： 化学不仅与人类的衣、食、住、行密切相关，而且在促进人类健康、提供生活材料等方面起着重要的作用。通过分析食品中的营养物质在人体中的作用、微量元素对人体健康的重要作用、常见食品添加剂的组成性质和作用以及某些药物的主要成分和疗效等创设“食品健康情境”，引导学生体会化学的发展对于药物合成和人类健康的重要意义，使学生发自内心地赞赏化学，体会化学对人类文明和社会发展的促进作用。

题目： 图5是药物西地碘含片使用说明书中的部分内容，请据此补充完整以下检验其主要成份的实验方案。

取一粒药片放入研钵中    成粉末，再将药粉装入试管并加入约2mL蒸馏水溶解。向试管中再加入约2mL    ，若观察到溶液显蓝色，则说明西地碘含片中的主要成分是    （写分子式）。

答案： 研磨;淀粉溶液;I2。

设计说明： 本题选择“西地碘含片使用说明书”这一真实的生活情境，以“检验西地碘含片主要成分”为题，考查学生从阅读分析资料到对简单化学问题的解决提出可能的假设，依据假设设计实验方案，收集实验证据，基于实验事实得出结论的科学探究能力，发展“科学态度与社会责任”和“科学探究与创新意识”的学科核心素养。

综上所述，有效的作业设计不应是课堂学习的终点，而应该是学生继续学习和实践的起点。如何将学生在课堂上学到的知识通过作业转化为发现问题、探究问题和解决问题的实际能力，應当成为“双新”背景下新型作业设计始终要思考的问题。后续我们将继续探索这类新型作业在学生完成过程中的反馈和表现，进一步评价其在学生化学学科核心素养形成过程中的效果。

参考文献：

[1]刘宪慧. 中学化学作业的现状调查与思考[J]. 化学教育， 2006， （7）： 47～49.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020.

[3]上海市教育委员会教学研究室编著. 中学化学单元教学设计指南[M]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 7.

[4]张勇. 染料废水中溴离子的检测[J]. 山东化工， 2018， 47（16）： 87， 89.

[5]Medrano-Macías J.， Leija-Martínez P.， Gonzlez-Morales S.， Jurez-Maldonado A. and Benavides-Mendoza A.. Use of Iodine to Biofortify and Promote Growth and Stress Tolerance in Crops [J]. Front. Plant Sci.， 2016， （7）： 1146.

[6]胡乐萌. 基于化学学科核心素养的德育过程化探索[J]. 现代教学， 2020， （5）： 58～59.

[7]白瑞祥， 朱丽丽. 海水提溴过程自控系统研究与开发[J]. 中国盐业， 2017， （1）： 68～72.