“問題驅動”促進化學核心素養發展

蘇忠波

摘 要：高三復習課《突破化工流程圖題》教學中融入素養理念，通過層遞性問題設計，激發學生求知欲，突破重難點，促進學生的化學學科核心素養發展。

關鍵詞：問題驅動;化工流程;核心素養

2019年普通高等學校招生全國統一考試大綱理科化學寫到：“以能力測試為主，將在測試考生必備知識、關鍵能力和思維方法的基礎上，全面檢測考生化學科學素養。”“化工流程圖題”是近年高考化學全國卷中常考題型，要求學生有較強化學學習能力和學科素養才能更好面對。

一、“宏觀辨識與微觀探析”素養的問題驅動教學

化學是一門從研究微觀的分子、原子、離子，再到解釋宏觀變化現象的科學。在化工流程圖題教學中以物質變化為主線，驅動學生從微觀層面入手，利用元素守恒，找出每一階段的主產物和副產物，層層剖析，分析流程。

問題：圖1是工業上用氧化鋁礦石（含氧化鐵雜質）為原料冶煉鋁的工藝流程，請回答：氧化鋁礦石→產品（Al），從宏觀微觀角度分析，流程中的物質經歷了怎樣的變化？試劑X可以是氨水嗎？能否用鹽酸或稀硫酸替換CO2？

學生頭腦風暴：學生討論，有代表發言。學生相互點評。

設計意圖：問題驅動學生從微觀的粒子轉化，分析出宏觀物質變化的本質，構建宏微觀念。認識到化工流程圖題實質是對混合物進行轉化、除雜、分離、提純。設置的問題還包括：流程圖中制備的產品是什么？以什么樣的微粒形式存在？加入下一步劑后，能與哪些物質發生反應？生成物以什么形態的粒子存在？用什么樣的方法能將其轉化或出去？學生體會變化的實質，分析出微觀和宏觀之間的本質聯系，建立宏微意識。

二、“證據推理與模型認知”素養的問題驅動教學

模型認知能力，主要包括建立模型（建模）和運用模型（用模）兩個方面，建立模型是運用模型的前提，運用模型是建立模型的目標。化工流程圖題的流程一般包括原料預處理、分離提純、凈化除雜等步驟，每一步都有特定的模式可借鑒。鼓勵學生多思考，大膽嘗試，構建分析流程和解決問題的分析模型，逐漸建立解決化工流程題的解題模型。

問題：明礬（KAl（SO4）2·12H2O）是一種復鹽，實驗室采用主要成分為Al（含有少量的Fe、Mg雜質）的廢易拉罐制備明礬，流程如圖2所示：

問題：如何剖析流程？有哪些解決化工流程圖題的方法和策略可以介紹給大家？

學生頭腦風暴：學生討論，有代表發言;相互點評，建模。

建模一：對照原料（首）和產品（尾），確定核心反應和對應的核心輔料，找出流程主線;

建模二：以核心輔料為界，把流程劃分為原料預處理、核心反應和產品的分離提純三個階段，分段剖析，明析細節（圖3）。

設計意圖：以學生為中心，以問題驅動，不斷討論分析，歸納出化工流程題結構特點和解題的基本思路和模式，樹立建模思想，完成建模，為以后用模做好準備，培養“證據推理與模型認知”的學科素養。

三、“實驗探究與創新意識”素養的問題驅動教學

針對化工流程圖題中涉及到的實驗方法和操作，設置問題：原料預處理選擇水溶、酸浸、堿浸還是焙燒？分離除雜時是用酸或堿調pH除雜？或是加入沉淀劑沉淀雜質？該選用什么樣的沉淀試劑？有沒有更好的原料預處理方案？拋出問題給學生：如果你來設計流程，會如何優化？有沒有其它更優途徑？會遇到哪些困難？如何解決？......

問題進階：設計一道考察制備明礬的化工流程圖題，你會設置哪些問題？

學生頭腦風暴：學生討論，有代表發言，相互點評。

問題進階：化工流程圖題常考察哪些方面？需要同學們具備哪些知識？

設計意圖：問題驅動學生動腦動口，提出新的方案和思路。尤其對產品進行凈化和除雜環節討論熱烈。比如學生對冷凝管的使用歸納到：若反應物沸點低易揮發、產物沸點高難揮發，那么冷凝管的作用是冷凝回流反應物，提高原料利用率，如實驗室制備溴苯的實驗;若產物沸點低易揮發，那么冷凝管的作用是冷凝收集產物......還有學生歸納出一些物質提純的新方法，如反滲透、反萃取等。通過學生思維不斷的碰撞摩擦，不僅鞏固了所學知識，還探究出一些新的實驗方案，培養了學生“實驗探究與創新意識”的學科素養。

四、“科學精神與社會責任”素養的問題驅動教學

科學精神是一種實事求是的態度，社會責任即要我們具有可持續發展的意識和綠色環保理念，并能對當前熱點的化學相關事件作出價值判斷。化工流程圖題的素材，大多來自自然資源（如礦產資源）的開發利用、廢棄物（如工業三廢）的回收再利用。以學生身邊的廢棄物為原料的化工流程圖題，更能激起他們的學習愿望和認同感。

問題：圖4是采用濕法冶金工藝回收新能源汽車的動力電池——硫酸亞鐵鋰（LiFePO4）電池的工藝流程，可能遇到哪些環境問題？如何預防和優化？

活動：學生討論交流，問題集中在：使用硝酸會產生NOX污染空氣，正極片除了獲得Li外，其它成分可回收得到AI、Fe、P、炭黑等物質，過程中的固液氣不能隨意排放，否則可能導致環境污染。

問題進階：現以回收汽車的鉛酸蓄電池為題材，請你查閱相關資料，繪制回收工藝流程圖，設置相關問題，上臺展示。

設計意圖：以身邊的廢棄電池為素材，學生用所學知識設計回收流程，增強社會責任感，深刻領會綠色化學理念。尤其是工業三廢的處理及環境保護等熱點問題，撥動著他們的心弦，增強他們的科學精神和社會責任。從做流程圖題到會設計流程圖題，再次促進學生化學核心素養發展。

參考文獻

[1]張雪.高中化學教學中“證據推理與模型認知”核心素養的培養[D].哈爾濱師范大學，2018.