基于真实问题情境指向学科核心素养
——“酸雨及其防治”教学实录

2022-08-13 07:49福建省龙岩第一中学364000邹国华

中小学实验与装备 2022年3期

福建省龙岩第一中学(364000) 邹国华

福建省长汀一中(366300) 童文昭

福建省龙岩市教育科学研究院(364000) 杨梓生

课程标准在课程实施建议中提出，要挖掘教学内容在化学学科核心素养发展方面的独特价值；有目的、有计划地引导学生运用化学学科思维方式和方法学习化学知识；设计基于真实情境的问题解决任务，使学生在解决问题的活动中逐步发展化学学科核心素养[1]。国务院办公厅发布的文件《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》(〔2019〕29号)强调，深化课堂教学改革，要积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学。可见，新课程倡导的“素养为本”的教学载体是真实而富有价值的情境，过程是灵活多样的学习活动，目标是发展学科核心素养。

酸雨是人们普遍关注的社会性议题，研究酸雨的形成及防治，既涉及硫及其化合物知识，又蕴含研究无机物性质及转化的思维与方法。创设酸雨形成及防治相关的真实情境，以活动任务引导学生对酸雨的形成及防治展开讨论，使学生的变化观念、科学态度、社会责任等核心素养在探究学习中得以发展。

1 教学内容分析

鲁科版化学教材必修第一册中“酸雨及其防治”一节内容安排在认识自然界和实验室不同价态的硫及其化合物的相互转化之后，其教学功能丰富。从承载的化学核心知识层面看，与含硫物质间的相互转化和氧化还原均有重要关联，讨论酸雨的形成及防治，是巩固和提升含硫物质间转化及氧化还原等知识的载体；从蕴含的化学学科思维层面来看，酸雨的形成和防治是在价-类二维思维的引导下研究含硫物质的转化、发展和提升价-类二维思维的重要平台；从渗透的价值观念层面来看，认识酸雨的形成、危害，并探讨防治途径，渗透了环境保护教育，能引导学生关注环境问题，形成“人与自然协调发展”的价值观念。另外，在教学过程中可以引导学生了解关于二氧化硫排放、酸雨防控等方面的法律法规，在拓展学生视野的同时，增强学生依法依规办事的法律意识。

2 学习目标的确立

根据教学内容和课程标准，确立学习目标和核心素养发展目标(见表1)。

表1 “酸雨及其防治”的学习目标及核心素养发展目标

3 教学构思

酸雨是一个受到广泛关注的社会性议题，我国的酸雨属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义。燃煤发电厂中二氧化硫的排放量占总排放量的50%左右，火电厂二氧化硫的排放量控制，对于酸雨的防控至关重要。福建属沿海省份，龙岩地区一年有两百天以上空气质量优。与学生交流发现，大多数学生认为酸雨问题更多发生在重型工业发达的中西部地区，离自己比较遥远；学生对于控制酸雨及二氧化硫排放的有关法律法规了解较少。因此，在教学设计时采用课前、课堂、课后联动的形式，课前预先设计调查任务，主要目的是引导学生对酸雨及其危害、我市近几年二氧化硫排放及酸雨污染等情况有大体的认识。课堂立足本地教学资源，以我市的两个火电厂为载体设置真实教学情境，让学生感受环境问题就是自己身边的问题，探讨酸雨及其防治有意义且有必要。教学中引导学生从含硫物质的性质与转化角度，结合氧化还原知识和“价-类”二维思维，探讨二氧化硫转化为酸雨的途径及防治方案；在“探究火电厂预防酸雨途径”环节，紧紧围绕我市火电厂的脱硫方案和本地上市环保公司的脱硫设备，介绍火电厂预防酸雨的方法和原理，让学生体会化学知识在环境保护方面的运用，感受化学知识的实用价值。课后，要求学生通过访谈、资料查找等途径，了解科学、技术以及观念、法治在防治酸雨中的作用，并形成一篇1 500字左右论文，引导学生树立“绿水青山就是金山银山”的理念，以实际行动保护生态环境。教学主体活动围绕酸雨是什么(是什么)，为什么会形成酸雨(为什么)，如何防治酸雨(怎么办)这一主线，设计进阶的探究活动。本节课涉及研究无机物性质、转化的思维和方法(如价-类二维思维)，教学中关注思维方法的进阶学习。从学习理解到应用实践，最终内化提升为稳定的心智模型，以实现灵活迁移应用。

4 教学实录

教学活动1：分组汇报调查研究成果

教学任务：围绕课前调查任务进行分组展示研究成果。

教学过程：[教师]课前，各小组积极开展了任务调查，下面，先请A小组代表汇报本组的调查成果。

[A小组]酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。酸雨会影响植物生长，使湖泊中鱼虾死亡，破坏土壤成分，使农作物减产甚至死亡；损坏露天的文物古迹，腐蚀建筑、工业设备等。2018年我国酸雨分布情况如图1，我省是酸雨高发区；治理已酸化的湖泊、土壤或者保护文物、建筑，要先严格控制附近二氧化硫及氮氧化物的排放，向已酸化的湖泊、土壤中加碱性物质以降低湖泊土壤的酸度，在石雕、石刻及建筑物表面涂盖防护层、保护膜。

[教师]A小组已大体介绍了酸雨及其危害、我省的酸雨污染情况，但还比较笼统，也未展示我省、市SO2排放情况，哪个小组有更具体的补充？

[B小组]福建省2018年SO2排放量12.10万吨，其中，工业SO2排放量9.78万吨，占总排放量的80.8%。龙岩有多家大燃煤量企业，SO2排放量为2.17万吨。

[C小组]从生态环境厅、环保局等网站了解到，2017年全省23个城市酸雨出现频率平均为39.8%。福安、龙海、永安和漳州4个城市没有出现过酸雨，其余19个城市均出现过酸雨，占比82.6%，其中我市漳平区域出现酸雨频率大于80%。据《福州晚报》(2016年)介绍，酸雨对我省环境造成较大破坏，如：①龙岩、三明等地森林退化；湖泊酸化，鱼类死亡，水生生物种群减少；农田土壤酸化，粮食、蔬菜、瓜果减产；②泉州、厦门等地由于酸雨对降尘重金属的淋溶，导致有毒重金属污染增强；③福州从2007年以来强酸雨的发生频率高，已造成部分建筑物、桥梁、文物损坏。

[教师]B、C小组对我省、市SO2排放、酸雨的危害等情况作了更深入的调查研究，通过课前的调查大家已感受到，我省、市属酸雨的高发区，并且酸雨已经对身边的环境造成了一定的破坏，探究酸雨的形成及防治很有必要。

设计意图：沿海地区给人空气好、环境美的印象，本地区大部分学生总感觉酸雨离自己很遥远，课前设计调查任务，目的就是要让学生通过收集资料意识到酸雨离我们并不遥远，在初步认识酸雨及其危害等问题的基础上，激发学生探究酸雨及其防治等问题的兴趣。

教学活动2：讨论酸雨防治需要的保障条件

教学任务：讨论酸雨的防治需要哪些保障条件，了解与SO2排放、酸雨防治等有关的法律法规。

教学过程：[过渡]我市也是酸雨高发区，酸雨的防治需要多方面的支持和保障，大家觉得需要哪些保障条件呢？

[学生]讨论后回答：需要法律法规的保障、科技的支撑和公众的参与……

[教师]是的，酸雨的防治需要社会各界的共同参与。大家知道与SO2排放、酸雨防治有关的法律法规有哪些吗？

[学生]《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国大气污染防治法》

[教师]是的，除此之外，还有《锅炉大气污染排放标准》《火电厂大气污染物排放标准》等。大家知道工业SO2排放的标准吗？

[介绍]2012年1月1日生效的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)规定：对于新建燃煤锅炉，SO2排放限值100 mg/m3；对严重空气污染的地区限值为50 mg/m3。

设计意图：引导学生认识到酸雨的防治需要社会各界共同努力，鼓励学生共同参与酸雨防治，增强学生社会责任意识，同时，拓展学生的视野，增强学生依法办事、遵纪守法的意识。

教学活动3：探究火电厂与酸雨的关联

教学任务：探讨火电厂与酸雨之间有何联系；了解我市的火电厂发电量及燃煤情况；运用“价-类”二维思维分析酸雨形成的途径。

教学过程：[过渡]大家知道我国大气中的SO2主要来源有哪些吗？

[介绍]我国酸雨是典型的硫酸型酸雨，工业SO2是排放的主体(见图1)，其中燃煤火电厂SO2排放量占SO2总排放量的50%左右。因此，控制排放SO2的对象主要是大型火电厂。

图1 我国SO2排放情况

[教师]我市是否有火电厂？是否进入参观过？每年发电量、燃煤量多大？

[学生]交流、谈论、回答：我市有两座火电厂，分别位于雁石和漳平，两座火电厂每年燃煤约200万吨。

[追问]燃煤火电厂为何会产生SO2？

[学生]煤中含S的有机物和无机物，燃烧时会产生SO2。

[追问]SO2如何转化为酸雨？请结合硫元素的“价-类”二维图进行分析，并写出相应转化途径的反应过程。

[学生]思考、分析：SO2转化为H2SO4，价态和类别均发生了变化。可先发生价态变化，再进行类别转化，即SO2→SO3→H2SO4；亦可先发生类别转化，再进行价态变化，即SO2→H2SO3→H2SO4(见图2)。继而书写两种转化途径相应的方程式。

图2 硫的“价-类”二维图

设计意图：以本地两座火电厂为载体创设问题情境，让学生意识到SO2排放及酸雨形成等问题就是自己身边的问题，控制SO2排放、研究酸雨的防治有必要也有意义。探究活动围绕酸雨如何形成展开，在学习理解“价-类”二维思维的基础上，初步应用“价-类”二维思维解决实际问题，发展研究和解决无机化合物的能力水平。

教学活动4：探究火电厂预防酸雨途径

教学任务：应用“价-类”二维思维探究火电厂控制SO2排放的途径；认识本地火电厂中石灰石粉脱硫的原理、碱液脱硫设备脱硫原理；了解源头脱硫的技术。

教学过程：[过渡]《火电厂大气污染物排放标准》中有SO2排放标准，我市火电厂应遵守法律法规，SO2排放应达标，以消除酸雨问题。我市火电厂采用多种方式脱硫。

[教师]我市火电厂要减少SO2排放，理论上有哪些脱硫途径？结合硫元素的“价-类”二维图分析。

[学生]思考、分析：可将SO2转化为H2S、S、H2SO3、H2SO4及硫酸盐、亚硫酸盐等，并完成转化见图3。

图3 火电厂脱硫途径

[追问]探讨以上6种脱硫途径的合理性，并说明具体理由。

[学生]思考、讨论后回答：H2SO3不稳定，分解后又生成SO2，H2S是污染环境的气体，因此图4中的脱硫途径①和④不合理；途径②、③、⑤、⑥不仅可以减少SO2排放，还能获得有价值的物质，相比之下更合理。

[教师]是的，回答很到位。请大家以脱硫途径⑥SO2→硫酸盐为例，设计具体的脱硫方案。

[学生]思考、分析：从价态维度看，为使硫元素化合价升高，应加入氧化剂，从经济成本角度考虑，选择O2较合适；从类别角度看，酸性氧化物转化为盐，要加入碱或碱性氧化物，从经济成本考虑选择氧化钙、氨水等。

[教师]很好，大家已会用“价-类”二维思维研究物质的转化了。实地参观发现，我市火电厂安装有石灰石粉仓，能向锅炉喷石灰石粉参与燃烧，除去煤中的硫。与我们课堂中所设计的用生石灰脱硫的方案相比，此法有哪些优点？

[学生]思考、讨论后回答：石灰石价格更低，能节约成本。

[教师]对！脱硫后的产物硫酸钙还能用作生产水泥的辅料。

[过渡]当然，火电厂还有其他脱硫方式，比如购买我市环保公司的脱硫设备进行烟气脱硫。大家知道我市哪家企业能生产脱硫设备吗？

[学生]聆听、回答(略)。

[教师]你们是否了解过其生产销售的产品？我们一起打开该公司官网了解一下吧。

[学生]在教师的带领下浏览公司该网页，了解环保公司的烟气脱硫、脱硝产品。

[教师]我市火电厂有购买该公司的碱液脱硫设备(见图4)，脱硫过程为：NaOH溶液以雾状形式在塔内与烟气中的SO2接触并发生反应；生成物Na2SO3排入氧化池，曝气风机把高压空气送入池底曝气系统，使Na2SO3溶液和空气充分接触，发生氧化反应，生成物Na2SO4进入中和池与石灰浆反应：Na2SO4+ Ca(OH)2=CaSO4↓+2NaOH。请分析脱硫原理，并写出对应的化学方程式。

图4 碱液脱硫设备工作示意图

[学生]分析思考脱硫原理，并书写对应方程式：SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O，2Na2SO3+O2=2Na2SO4。

[追问]该碱液脱硫设备有何优点？为何使用价格较高的NaOH作为脱硫原料？

[学生]思考、讨论后回答：碱液为雾状进行反应，可节约药品和充分吸收SO2……

[师生总结]该设备、工艺的优点：喷淋碱液，气液逆流，使脱硫更充分且节约碱液；Na2SO4与石灰浆反应，使NaOH得以循环使用，大大降低了脱硫成本，并且CaSO4能用作水泥行业的辅料。

[追问]除了将燃烧产生的SO2脱除处理之外，是否还有其他方式能减少SO2排放？

[学生]在煤燃烧前将其含硫物质除去。

[教师]太棒了，这种也是行之有效的脱硫方式。目前可通过物理、化学和生物技术将煤炭在其燃烧前脱去硫磺达到这一目的，如浮选法、碱处理法、微生物分解法等。感兴趣的同学课后可通过书籍、网络进一步了解。

设计意图：以本市资源为载体，通过烟气脱硫途径、方案的设计和脱硫原理的探究等活动，引导学生运用所学无机化合物知识和“价-类”二维思维解决实际问题，体会化学知识之于环境保护的重要作用，培养学生保护环境的社会责任。

教学活动5：总结提升、践行环保理念

教学任务：从酸雨形成和防治的案例中，总结如何运用“价-类”二维思维研究和设计无机物之间的转化；思考作为一名高中生，能为酸雨的防治做些什么。

教学活动：[教师]这节课我们在探究酸雨的形成途径和烟气脱硫方案中，都使用了“价-类”二维思维，请大家回顾我们的分析、思考过程，谈谈如何运用“价-类”二维思维研究和设计无机物之间的转化。

[学生]讨论、总结后回答(略)。

[师生总结]研究无机物之间的转化可从物质类别和元素化合价两个角度入手，观察物质类别和元素价态是否发生了变化，分析实现类别、价态变化分别需要加入的物质，进而设计出可行的制备路线。

[过渡]以后我们遇到陌生物质的转化时，就可以运用这个思路进行方案设计。酸雨的防治需要社会各界的共同努力，请大家谈谈作为一名高中生，我们能做些什么？

[学生]我们首先要树立环保意识，要绿色出行；多向亲友和市民宣传酸雨的危害、防治知识及相关法律法规；及时检举超标排放的企业……

[教师]看来我们能做的还是很多的，我们要为酸雨防治多做贡献，希望同学们要“像保护眼睛一样保护生态环境；像对待生命一样对待生态环境”，以实际行动践行环保理念。

设计意图：总结和提升本节课所学习的知识和技能，以便灵活迁移应用“价-类”二维思维方法；从自身角度，探讨能为环保做哪些事，引导学生身体力行，践行环保理念，培养学生的社会责任。

课后作业：结合本节课内容，请通过访谈或资料查找等途径，写一篇约1 500字的论文，谈谈科学、技术以及观念、法治在防治酸雨中的作用。提示：①若选择访谈途径，应提前制定提纲，包括访谈目标、对象、问题等，访谈过程中做好记录、录音或录像。②查找资料的途径有网站、数据库、图书馆等。

5 教学反思

本节课以“基于真实问题解决，指向学科核心素养”为基本设计思路，充分挖掘本市的教学资源，将教学内容与当地的实际情况相结合，起到了很好的教学效果。课前各小组准备充分，展示的成果数据详实，观点有理有据。课堂的探究活动中，学生深度思考问题，讨论激烈，回答踊跃。课后作业即引导学生以酸雨防治为例，建立起科学、技术、观念、法规与环保之间的联系。