指向高中化学学业质量水平的教学设计实践*——以“化学反应与能量”为例

陈廷俊 刘江田

2017 年版高中课标中加入了学科学业质量水平的相关内容。高中化学学业质量水平是以化学学科核心素养及其表现水平为主要维度，结合课程内容，对学生学业成就表现的总体刻画。依据不同水平学业成就表现的关键特征，化学课程标准将学业质量划分为4 个水平等级，每一等级都从化学核心素养的5 个方面给出了学业质量的具体要求。依据侧重的内容，这些具体要求又被划分为4 个条目：条目序号1 主要对应“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”，序号2 主要对应“变化观念与平衡思想”，序号3 主要对应“科学探究与创新意识”，序号4 主要对应“科学态度与社会责任”。

如何利用学业质量水平指导教学是需要我们研究的问题。笔者以“化学反应与能量”这一主题为例，谈谈对此问题的认识。依据《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称2017 年版课标），该主题的学业质量水平见下页表1。［1］65-67

基于此表和近5 年来江苏省高考化学的相关试题，笔者提出本主题的相关教学设计如下。

一、学习目标与评价目标制订指向学业质量水平

基于学业质量水平制订学习与评价目标旨在从“对教学评价”转向“为教学评价”，突出学业质量水平对化学课堂教学的指导、监控和调整功能。

表1 “化学反应与能量”的学业质量水平

依据2017 年版课标，“化学反应与能量”这一主题的内容包括体系与能量、化学反应与热能、化学反应与电能、学生必做实验（简单的电镀实验和制作简单的燃料电池）。［1］28

对照学业质量水平和近5 年江苏高考真题，确定本主题的教学目标为：（1）从总能量和键能的角度，分析放热反应和吸热反应的焓变（水平2-2、4-1）；（2）正确书写热化学方程式，根据盖斯定律计算反应焓变（水平3-2、4-1）；（3）从氧化还原反应视角，解释原电池与电解池的工作原理、金属腐蚀与防护等（水平3-3、4-1）。评价目标为：（1）通过化学反应过程的能量变化，诊断学生从键能及物质状态分析能量变化的认知水平（水平2-2、3-2）；（2）通过化学反应与能量图像和反应原理示意图，诊断学生的认知思路与模型认知能力（水平4-1）；（3）通过化学反应与能量应用的真实问题，诊断学生解决复杂问题的能力水平（水平4-2）。明确了学习目标和评价目标，教师就要选择真实的情境素材，设计任务与活动，让学生分析生产生活中的能量变化，建构基于化学键分析热能、用氧化还原反应分析电能的认知模型，认识化学变化储存和释放能量的重要价值和现实应用，发展化学核心素养。

二、情境素材与问题解决聚焦学业质量水平

汽车尾气处理、火箭推进剂、发热暖贴、人体内的能量变化、能源综合利用、电解与电镀、金属腐蚀与防护都是本主题的应用素材，教学时可以根据教学内容恰当选用。

例如：H2可用于燃料电池和作为火箭燃料，请学生思考并回答如下问题。

问题1：H2和O2反应生成H2O 的过程中要释放热量，请你解释能量变化的原因？（水平2-2、4-1）

问题2：如何表征反应过程中的能量变化？（水平3-2、4-1）

问题3：通过H2与O2生成H2O 的能量变化，思考H2O 生成H2、O2过程的能量变化？如何表征？（水平3-2、4-1）

问题4：从H2、O2反应生成H2O（l）与H2O（g）的能量变化，你得出什么结论？（水平4-1）

这里设计的问题1 是为了引导学生从化学反应的本质的角度来分析反应过程中的能量变化。问题2 则引出了热化学方程式、反应热的计算式ΔH=∑反应物键能- ∑生成物键能和能量变化图（见下页图1）三种不同的能量变化表征方式。能量变化图也能让学生进一步明白反应物要吸收能量来断裂化学键，生成物在形成化学键的过程中要释放能量。当吸收能量小于放出能量，为放热反应；当吸收能量大于放出能量，为吸热反应。问题3 和4 引导学生分析建模，使得他们认识到反应焓变只与反应体系的始态和终态有关，而与反应路径无关——这就是盖斯定律。在此基础上，让学生建构碳燃烧生成二氧化碳的思维模型，加深对盖斯定律的理解。

问题1 至4 是在充分研究学业质量水平的基础上提出的，4 个问题的解决让学生从宏观辨识能量变化走向微观探析能量变化的本质，由概念分析到直观表征，由定性感知到定量计算，初步达成学业质量水平并建构化学能与热能认知模型（图2）。

三、任务设计与活动展开落实学业质量水平

“化学能与电能”学业质量水平指向原电池与电解池的工作原理及实际应用。不论是原电池还是电解池，其化学原理都是氧化还原反应，只是能量转化的方式和电极名称不同而已。从能量转化来看，原电池是将化学能转化为电能，而电解池则是将电能转化为化学能；可逆电池放电时发生原电池反应，充电时发生电解池反应。因此，新授课教学需要帮助学生理解电化学原理的本质是氧化还原反应，需要通过设计实验探究任务与活动（表2），帮助学生分清氧化反应失去电子、还原反应得到电子。这样，学生就能更加直观地认识氧化反应的结果是元素化合价升高，还原反应的结果是元素化合价降低，从而揭示电解原理的内在规律，达成学业质量水平3-3、4-1。

表2 电解原理实验探究的任务与活动（水平3-3、4-1）

指向学业质量水平的任务与活动，不仅揭示了电解的内在规律，而且还建构了电解原理的认知模型，即根据电极名称→分析离子迁移方向→判断离子放电顺序→确定电极反应类型→书写电极反应式与化学方程式，从电极、电子流向、离子迁移、反应类型等视角建构电化学原理认知模型（见下页图3）。［2］

四、评价目标与评价任务诊断学业质量水平

化学学业质量水平的达成情况需要基于评价目标的任务来诊断。评价要从学科知识的习得转向真实问题的解决，评价目的是诊断学业质量水平的达成情况，为后续调整教学策略和措施、增减任务与活动提供依据。设计评价任务时，教师需要将学业质量水平细化到每一个教学环节，分步达成、有序推进、融合提升。

例如，可根据前文中的评价目标（1）设计评价任务（1）。

已知通过以下3 种反应均可获取H2，请判断下列说法是否正确：反应①中电能转化为化学能；反应②为放热反应；反应③使用催化剂，ΔH3减小；反应CH4（g）=C（s）+2H2（g）的ΔH3=74.8kJ·mol-1。

①太阳光催化分解水制氢：2H2O（l）=2H2（g）+O2（g） ΔH1=571.6kJ·mol-1；

②焦炭与水反应制氢：C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g） ΔH2=131.3kJ·mol-1；

③甲烷与水反应制氢：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g） ΔH3=206.1kJ·mol-1。

该任务的命题情境是工业制备H2、对应学业质量水平2-2、3-2、4-1，综合考查学生对能量转化类型、反应焓变与吸（放）热反应关系、反应焓变的影响因素及计算等。

根据前文的评价目标（2）设计评价任务（2）：

CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。根据电解CO2制HCOOH 的原理示意图（图4）。写出阴极CO2还原为HCOO－的电极反应式：_______。电解一段时间后，阳极区的KHCO3溶液浓度降低，其原因是_______。

该任务的命题情境是CO2的资源化利用，对应学业质量水平3-3、4-1，重点考查学生运用认知模型解决实际问题能力，可以诊断学生电化学原理认知模型的建构情况，如果学生在哪个环节出现问题，则可以快速诊断并采取补救措施。

指向高中化学学业质量水平的教学实践，必须从“对教学评价”转向“为教学评价”，即学习目标与评价目标、情境素材与问题解决、任务设计与活动展开、评价目标与评价任务等都必须指向学业质量水平，按照“实验（客观）事实→形成概念→微观解释→证据推理→应用价值”的认知顺序，通过真实有效的问题、任务与活动建构化学反应能量变化的认知模型，理解化学反应与能量在调控化学反应方向、速率和限度等方面的重要应用。