案例分析：探索案例背后的意图与设计目的，揭示学科核心素养的应用与联系

化学学科核心素养的五个要素，均立足于高中化学学习的实际过程，其中，“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”三者从思维层面体现了化学学科所特有的学科思维方式和方法。“科学探究与创新意识”是化学科学的实践能力，是将化学学科独有的学科思维呈现出来的桥梁，从实践层面激励了学生的创新意识。“科学态度与社会责任”体现了化学科学的绿色应用和社会责任担当，是化学学科高层次的价值追求和化学课程对学生价值观发展的最高要求。本书围绕“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”三个水平的学科核心素养分别有侧重地进行案例编写，将“科学探究与创新意识”作为实践案例的方法过程，将“科学态度与社会责任”作为案例教学的最高价值取向，共同形成了既有侧重又互相联系的素养体系，并借助具体案例展现出来。

在本案例编写过程之中，借鉴王祖浩教授的《化学案例教学论》，从“案例导读”到“案例呈现”再到“回答问题”层层紧扣，将一个案例由浅入深，由表及里地呈现出来。最后的“案例分析”将整个案例进行剖析，无论是使用者还是学习者，都能够从中找出编者的意图及设计的目的，使用者能够一目了然，学习者能够从中体会学科核心素养在其中的应用与联系。

案例一：

心绞痛用药的化学知识

【案例导读】

（1）你见过心绞痛发病的症状吗？

（2）常用的抗心绞痛药物有哪些？

（3）患者服用“消心痛片（异山梨酯）”，吃对了吗？为什么？

【案例呈现】

医生：您好，请问您叫什么名字，多大年纪？

患者：您好，我叫某某，今年64岁。

医生：哪里不舒服？

患者：我最近打扫完家务或洗衣服后总是会心慌气短，感觉心脏不舒服。

医生：这种情况持续多久了？

患者：好像很长时间了，最近这两个月比较严重，感觉比较明显。

医生：您能描述一下疼痛时的感受吗？

患者：疼起来像有一块大石头压在心窝上，感觉要窒息了一样，不敢动，这种情况大概会持续几分钟，要缓上好一段时间。

医生：您心窝疼痛的同时，其他部位有疼痛的感觉吗？

患者：有时候左上肢也会有很强烈的疼痛感。

医生：您疼痛发作的时候有什么原因吗？

患者：我想想，就是最近一劳累或情绪激动时特别容易发作。

医生：您什么时候症状会减轻一些，或是有吃什么药吗？

患者：休息时会好很多，最近服用过“速效救心丸”或“消心痛片”，吃过药后会好很多。

医生：当您心痛时还有其他反应吗？

患者：会出冷汗、浑身乏力、头昏。

医生：有过呕吐、发烧吗？

患者：没有。

医生：饮食怎么样？

患者：还好。

医生：睡眠如何？

患者：因为近来总是感到心窝疼，有些害怕，夜里总是醒。

医生：有抽烟喝酒的习惯吗？

患者：不吸烟，但是喜欢喝点酒。

医生：您之前看过医生吗？

患者：因为之前一直忙，没有时间到医院检查，这是第一次来。

医生：好的，根据您的描述初步可以判断您为劳力性心绞痛，建议您注意休息，尽量减少体力劳动，同时可以继续含服“速效救心丸”或“消心痛片”。不能喝酒，不要饱餐，多吃蔬菜。一个星期如果还没有好转，建议您再来内科做更全面的检查。

该患者有典型的胸痛病史，胸痛在心窝处，向左上肢放射，多发生在用力和情绪激动时，可初步判断是劳力性心绞痛；胸痛程度几年前较轻，近两个月来加重，“速效救心丸”与“消心痛”有效，诊断为恶化型心绞痛。

临床上常用硝酸酯类药物缓解心绞痛的症状，硝酸酯类药物可以为机体提供外源性的一氧化氮这种可以扩张血管的物质。因此在冠心病血管狭窄的时候可以通过扩张血管，增加血流，增加对心肌的灌注，起到缓解心绞痛的作用。另外，这种药物也可扩张静脉血管，让心脏内容纳的血量适当减少，以降低心脏负担，减少心肌耗氧量，有效缓解心绞痛。

单硝酸异山梨酯（E）为心血管系统用药，适用于预防和治疗心绞痛。科学家研究确认单硝酸异山梨酯（E）的分子结构如图3-1所示。

图3-1　单硝酸异山梨酯分子结构示意图

其重要的中间转化体为异山梨醇（B），是以葡萄糖为原料制得的重要生物质转化平台化合物。其转化过程如图3-2所示。

葡萄糖是一种重要的单糖，其分子式为C6H12O6，物质A为山梨醇，由葡萄糖催化加氢制得。

图3-2　葡萄糖转化为单硝酸异山梨酯过程示意图

【回答问题】

（1）“消心痛片”为什么能作为心绞痛用药，它的主要成分是什么，写出其合成过程。

（2）科学研究表明双硝酸异山梨酯在临床上的治疗效果明显优于单硝酸异山梨酯，若要合成双硝酸异山梨酯还应怎么办，该合成过程是否可以改进。

（3）试从分子结构与性质关系的角度推测双硝酸异山梨酯疗效更好的原因。

【案例分析】

该案例素材选自2018年高考课标全国卷Ⅱ（36）题，根据学业质量水平的划分，该案例主要围绕“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养展开，要求学生能从物质构成的官能团判断物质的主要性质，分析物质的性质与用途之间的关系。能设计物质转化的方案，能运用化学符号表征物质的转化，能说明化学变化的本质特征和变化规律。能够感受化学科学在合成新物质，保障人类健康等方面的价值和贡献。

本案例借医患问答的方式模拟真实的就医情境，并结合高中化学的教学实际，在案例编制过程中，同时设计了3个实际问题，主要侧重于物质的组成、结构、性质和结构与性质的关系等方面，要求学生在观察和分析单硝酸异山梨酯（E）等分子结构的基础之上，能够灵活运用化学知识与方法进行解答。充分体现了案例情境与实际问题之间的紧密联系。(www.xing528.com)

本案例要求学生运用已有的知识及从案例中获取到的相关知识来解决所提出的问题，形成知识的结构化，这些知识包括对陌生分子单硝酸异山梨酯（E）中官能团的辨识及主要性质的判断。从葡萄糖（A）到单硝酸异山梨酯（E）的合成过程及扩展。从分子结构与性质关系的角度推测双硝酸异山梨酯疗效更好的原因，此三个问题成功搭建了化学知识与实际问题之间的联系。

该案例在编写过程中，以单硝酸异山梨酯的合成过程为依托，注重对学生化学变化观念方面的思维培养，又以进一步提高心绞痛药物疗效为转折，提出将单硝酸异山梨酯转化为双硝酸异山梨酯的设想并进行探讨，引导学生进入“科学探究与创新意识”素养的实践层面，最后带领学生体会利用所学化学知识改善药物、造福人类的社会担当与责任，实现化学学科价值观的树立。

案例二：

H2S与CO2的协同转化

【案例导读】

（1）你知道“能源”对于一个国家的意义吗？

（2）你对天然气的了解有哪些？天然气中的主要杂质气体有哪些？

（3）能源的净化怎样才能更好地造福于人类？

【案例呈现】

在现代社会，天然气作为燃料和化工原料被大量应用在能源和化学工业中。来自天然气田的天然气主要成分为甲烷（CH4），并伴生包括二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）等酸性气体在内的其他气体。H2S有毒性，可腐蚀管道和设备，污染环境，易使生物中毒，不利于天然气下游工业生产。过量的CO2会影响天然气热值，降低经济效益，在液化天然气中容易以固相析出堵塞管道。天然气中H2S和CO2的存在给其加工和利用带来了严重的问题。因此，如何除去天然气中混有的杂质性气体，一直是我国广大科研人员致力突破和解决的问题。

长期以来，我国科研人员的主要精力都聚集在将H2S催化燃烧为元素硫和水来消除H2S。此种方式虽除去了H2S，却依然留下了CO2的隐患。

近日，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部研究员李灿以及研究员宗旭、博士马伟光等人提出并实现了一种利用太阳能将H2S和CO2协同转化为高附加值化学品的电化学策略。

该策略以廉价的非贵金属为阴极催化剂（石墨烯包裹的氧化锌）还原CO2、以石墨烯为阳极催化剂，氧化媒介体EDTA-Fe2+（用于捕获H2S），EDTA-Fe2+-e_ == EDTA-Fe3+；2EDTA-Fe3++H2S ==2H++S+2EDTA-Fe2+，利用化学环反应将H2S分解为单质硫和质子，质子被用于CO2电化学还原生成CO的反应，净结果是实现了计量化学反应协同转化（H2S+CO2—CO+S+H2O）。该太阳能驱动的电催化反应可在近中性条件下进行，使用非贵金属廉价催化剂，持续、高效和选择性的将CO2和H2S分别转化为一氧化碳和单质硫。这一策略为天然气中有害气体的净化和资源化利用提供了一条兼具经济和环境效益的绿色途径。

将天然气中的废气转化为高附加值化学品的理念为兼具环境和经济效益的天然气净化提供了一种新的思路。

【回答问题】

（1）科学家在天然气杂质气体的转化中用到的化学原理是什么？结合框图，你能获取哪些信息？

（2）写出阴极的电极反应式。

【案例分析】

案例借助全球已经进入清洁能源大发展时代为背景。天然气和新能源作为清洁能源的两大主角，在不同时期肩负着不同的历史使命。

案例通过实际问题的提出，实现了与化学知识的对接。将一直以来的技术难题，转化为学生利用现有知识可以理解的技术框架。案例通过对技术框架的简单描述，使学生能够结合已经学习过的化学理论知识，对其进行原理上的阐释。体现了“证据推理与模型认知”中，“水平1：将化学事实和理论模型之间进行关联和合理匹配。”“水平2：能够指出模型表示的具体含义。”“水平3：符合对复杂化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应模型的要求。”

案例三：

雾霾

【案例导读】

（1）什么是雾霾？雾霾中有哪些成分？它对人类有怎样的危害？

（2）雾霾的主要污染源有哪些？是什么导致中国雾霾在节能减排趋势中逆势增长？

（3）针对雾霾的污染现象，你能提出几条合理化的建议吗？

【案例呈现】

什么是雾霾？

雾霾是雾和霾的混合物，是当空气中水分含量在80%~90%时造成的一种空气混浊和视野模糊的现象。形成雾的核心物质是水滴，而形成霾的主要物质是空气中悬浮颗粒，又称气溶胶颗粒。

引起雾霾的原因到底是什么？

有人认为导致雾霾的主要原因是来自机动车排放的汽车尾气。随着经济的发展，中国汽车的使用量越来越多，但是油品的质量却跟不上，尾气排放超标，造成严重的雾霾污染。

但这一观点立即遭到了其他人的反对，并认为随着技术的革新，中国石油几年前就达到“京Ⅴ标准”了，丝毫不逊于欧洲与日本等发达国家，所以说雾霾这笔账不应该算在尾气的头上。

雾霾不应该算在尾气的头上，雾霾又实实在在地存在，那么，到底该把雾霾算在谁的头上呢？

有人说：“不是尾气就是燃煤了呗”。

相关调查报告显示，中国早已推广燃煤机组烟气超低排放技术，提高了天然气使用比例。同时，北京通过政府补贴全部取消了家庭燃煤取暖。京津冀粉尘量早已大幅下降。况且，中国早已将绿色发展纳为新的发展理念，近年来，新能源的开发和使用比例逐年上升，风电、太阳能、水电发展速度均居世界第一，怎能还将雾霾的“黑锅”背在我们身上！

不是汽车尾气，也不是燃煤，那是什么原因呢？

是什么导致雾霾在全国节能减排的趋势中逆势增长呢？

最新研究表明，中国雾霾之所以挥之不去，与微生物的繁殖有关。微生物生长最重要的养分是氨氮，氨氮融入气溶胶与微生物相遇，成为微生物快速繁殖的营养剂。那么氨氮又从何而来呢？见图3-3。

图3-3　雾霾形成流程图

【回答问题】

（1）雾和霾的分散剂是什么？

（2）试写出流程图中所涉及的离子方程式？

【案例分析】

案例巧妙地实现了化学知识与实际问题的对接：通过对雾霾概念的叙述，可引导学生对分散剂、分散质、分散系等概念的进一步理解。通过对雾霾与呼吸系统疾病形成的关系及雾霾主要污染源的探讨，使学生进一步理解流程图的内含，建立起实际问题与化学知识之间的联系。课程标准在“常见无机物及其应用”的内容要求中指出，认识元素在物质中可以具有不同价态，可通过氧化还原反应实现含有不同价态同种元素物质的相互转化。本案例通过流程图的形式渗透了研究元素化合物的方法，并通过课堂的引导鼓励学生从元素组成和元素化合价两个角度绘制元素二维图，建立元素转化观。

该案例以雾霾形成机理的最新研究成果为素材，借助流程图及元素转化的二维图，展示了氮、硫元素及其化合物的相互转化，重在发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养；同时该案例体现了化学在推进生态文明建设、解决生态环境问题等方面的贡献，有助于学生形成与环境和谐共处、合理利用自然资源的观念，无形中渗透给学生“科学态度与社会责任”的学科核心素养；除此之外，从事实真相的追问到二维元素观建立的过程，充分发展了学生“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养，培养学生在实际问题面前深入实践，勇于创新的精神。

案例教学重在通过“无痕教学”引导学生在生动的教学情境中领会知识，不仅让学生学到具体的知识理论，更注重对学生分析推理能力的培养以及化学学科思维和观念的养成。