大概念統攝下設計型任務驅動的高三復習單元教學實踐與思考

【摘要】本文針對元素化合物復習中存在的知識點零散和考查綜合能力的特點，提出大概念統攝下設計型任務驅動的教學模式，并結合教學實例呈現在設計型任務驅動下，工業流程題與實驗題的復習課教學過程與學生設計成果，指出設計型任務的靈活評價與個性發展兩大特點。

【關鍵詞】大概念 設計型任務 元素化合物 高三復習 單元教學

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）05-0089-05

化學是一門研究化學反應中物質變化的學科。化學反應背后是紛繁復雜的元素化合物的性質，其中蘊含的變化觀念是學科核心素養的重要構成，同時也是化學高考的重要內容。當前元素化合物在高三復習中存在的主要困難有兩個：一是物質性質知識點較為細碎，盡管可以在價類圖的框架下進行復習，但仍存在性質記憶點較多、學生理解不夠深刻的問題；二是高考題中直接考查元素化合物知識的工業流程題與實驗題，對考生情境分析、知識遷移等高階能力要求較高，學生耗費了有限的考試時間作答最后卻往往得分不高。筆者認為，教師應以大概念統攝下設計型任務作為高考復習備考中的學科關鍵能力，其中設計能力為表、核心素養為里，以此開展針對“元素化合物”模塊的復習。

一、大概念對元素化合物單元復習的啟示

元素化合物的知識體系可以用價類圖進行低階的整合，但在面對真實情境的挑戰時，借助大概念實現高階遷移是很有必要的。因此，筆者在高三復習中特別重視利用設計型任務引導學生進行復習。設計型任務是讓學生在真實情境中分析、統整信息，進行活動設計，借助設計成果的評價促進素養生成的一類任務。良好的設計型任務在教學中應具備以下特點：

一是以大概念作為統領。設計作為顯性活動，其隱性思維是關于設計的大概念。以工業流程的設計為例，學生在開展設計活動時使用的高階思維是設計工業流程的大概念：化工流程設計時需要考慮物質成分、反應原理的合理性、成本控制、廢料處理、物質循環、產物提純等因素。

二是以真實情境為背景。設計作為高階思維活動，在結構不良的問題情境與綜合性強的學習活動中發生才能體現其價值。因此，設計型任務應在真實情境下，結合一定的超越已有知識的新信息來充分調動學生整合思維。比如以鐵制備綠礬，就過于簡單；但改為用含有油污與鐵、銅氧化物的廢鐵屑制備綠礬，并補充銅萃取劑的信息，則更合適。

三是以知識整合為目標。復習課中的設計型任務應當超越某個具體的知識板塊，以統整學生所有的化學知識為能力目標。以綠礬的制備為例，原料除銅，可從原理、計算、遷移到其他金屬陽離子等方向進行復習延伸，并拓展到銅離子萃取的情境，重新設計流程，這才是知識的整合。

二、設計型任務驅動的教學模式與實踐

（一）設計型任務驅動的教學模式

教師以大概念作為教學內容分析的產物，提煉出與設計相關的化學大概念；然后以教學目標和設計成果為教學設計的起點，結合課程標準的要求，謀劃本單元的設計型任務，以設計成果作為教學目標，將抽象的大概念與核心素養轉化為可外顯、可達成、可掌握、可評價的教學目標；再將這些目標以類似高考題信息的形式巧妙地包裝在真實情境中，用問題線索串聯起來，使知識點之間的聯系更加緊密，也在知識與情境之間建立起更強的聯系，讓學生知道所學知識能解決什么問題，更好地促進學生知識與能力的遷移和應用。最終學生對大概念的認識深度，可以非常直觀地通過對設計成果的評價來診斷，教師據此調整教學，實現每名學生的個性發展（設計型任務驅動教學模式如圖1所示）。

（二）設計型任務驅動的工業流程題復習案例——制備綠礬

師：前兩節課，我們已經復習了與鈉、鎂、鋁元素有關的工業流程。結合之前的筆記，請大家思考：粗鹽提純、侯氏制堿法、海水提鎂、鋁土礦制鋁等分別體現了哪些工業流程中的化學思想？

生：粗鹽提純中要注意藥品的加入先后順序，不要引入新的雜質；侯氏制堿法要嘗試循環利用物質，節約資源降低成本；海水提鎂中有兩種“氣體氛圍”思想，即用氯化氫氣體抑制氯化鎂水解和用氫氣冷卻高溫鎂防氧化；鋁土礦制鋁的“酸路線”和“堿路線”體現了對二氧化硅的不同去除思路。

師：結合大家的總結，可以歸納出設計工業流程的一些注意事項：工業流程設計時需要綜合考慮原料、雜質成分，以及反應原理合理性、成本控制、廢料處理、物質循環、產物提純等因素。這些注意事項，既是化工專家在應對實際化工生產需要時所總結出來的經驗，也是高考工業流程題中重點考查的基本思想。

【設計意圖】通過簡單復習之前學習過的工業流程，引導學生總結出工業流程設計的一般思想。學生對已有的知識進行高度的總結概括，可以初步提煉出一些較為具象的小概念，再由教師提煉為更精準的大概念。這樣的思維過程是為后續教學中學生有意識地運用大概念中的專家思維解決問題做好準備。

師：結合之前的工業流程與設計思想，我們可以設計制備綠礬的工業流程。請大家閱讀關于綠礬的資料。

綠礬作為一種重要的化工產品，在工業上可以通過兩種不同的原料制取。請看PPT上的信息。

【投影展示】以有油污的廢鐵屑（含有鐵的氧化物、二氧化硅雜質）為原料，制備綠礬；以硫鐵銅礦（含有鐵、銅的硫化物和硅的氧化物）為原料，制備綠礬。

師：結合信息與鐵元素的價類圖，請你分析原料與雜質的成分，雜質的去除方法，反應過程中的價態變化。然后參考平時題目中工業流程的表達方式，設計兩個制備綠礬的工業流程。

【設計意圖】以設計型任務作為教學目標，需要在設計活動之前為學生搭建充分的認知腳手架，幫助學生降低情境的陌生感，有效提取信息。教師先讓學生明確鐵元素的價類圖，然后分析原料與雜質、價態變化等；再讓學生對照工業流程的表達模板（因為教學實踐中會出現有些學生可能已經在腦海中想清楚了流程，可實際寫出來的表現形式偏差較大的問題）。如此準備后，學生再開始對流程進行表達，充分展現隱性思維，課堂教學效果也會更好。

學生匯報設計成果：首先這個原料中含有油污、二氧化硅兩種雜質，鐵的氧化物價態應該注意包括二、三價。其次油污之前月考考過，可以用熱的飽和碳酸鈉除去；二氧化硅之前月考也考過，可以用酸浸的方法除去，但酸不能過量太多，避免后續藥品的浪費。最后用鐵還原三價鐵離子，再重結晶，就可以獲得綠礬了。

師：這位同學能夠結合月考的考點來介紹自己設計的流程，說明他在分析月考題時花了很多工夫，值得大家學習！他設計的工業流程關注了核心元素的價態與藥品用量問題，但是最后從溶液中獲得綠礬晶體有問題。重結晶是將粗產品通過反復結晶獲得更純潔產品的過程。在這里我們主要先從硫酸亞鐵溶液中制得硫酸亞鐵晶體，用蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥的方法更加合適。但是因為硫酸亞鐵的價態，我們需要注意什么？

生：需要注意亞鐵被氧化的問題。

師：很好！我們還要注意結晶水合物常常在干燥上采取一些特定的做法，比如低溫烘干甚至不干燥，這些條件的控制都會影響最后結晶水的量。我們再看看以硫鐵礦為原料的設計。

學生匯報設計成果：硫化物通過煅燒可以除去硫，然后通過酸浸除去硅，銅可以用鐵來置換除去，剩余的鐵還可以循環。最后重結晶得到硫酸亞鐵晶體。

師：你的流程很簡明，老師想問你幾個問題：煅燒時需要通入氣體嗎？如果需要，那通入什么氣體比較合適？鐵和銅的單質置換后混合在一起，怎么分離？最后重結晶能夠得到綠礬嗎？

生：煅燒可以用純氧。鐵銅固體確實不好分離。重結晶這里我犯了和上一位同學一樣的錯誤。

師：煅燒用純氧可以，用空氣行不行？有何優缺點？

生：用空氣成本更低，好像也不錯。

師：好的，那我們怎么分離置換那一步的鐵銅混合物呢？好像有點麻煩。請大家結合月考題的萃取劑信息：如果H2R萃取劑可以萃取銅離子，我們又該怎么重新設計這個流程？請以紅色字體修改你的設計。

【設計意圖】生生、師生互評，是通過學生先匯報自己設計的流程、其他同學補充評價和提出問題，然后教師總結、再提問改進的方式展開的。在評價時一定要保證充足的匯報時間，學生的匯報會體現出許多關于工業流程設計、考點的不成熟思考，此時就是教師以教促學的最佳時機。結合圖4，可以看出學生通過銅離子萃取劑重構了鐵銅分離與二氧化硫循環利用的流程，表現出極高的素養水平。同時，兩名學生都在重結晶和蒸發結晶上犯了錯誤，針對這個問題，筆者設計了專題復習課“物質提純”，全面掃清知識盲區，使備考更有針對性。

（三）設計型任務驅動的實驗題復習案例——驗證克勞斯法

師：前幾節課我們復習了氯氣、二氧化硫和氨氣的制備，重點分析了三大氣體制備實驗中實驗目的、實驗原理、實驗裝置的對應關系。請大家結合之前的筆記思考：設計氣體制備實驗需要注意什么？

生：先要根據反應原理中的物質狀態、反應條件來確定相應的裝置，比如液體還是固體、加不加熱等；再根據氣體成分確定除雜方法；最后根據要求收集。

師：氣體制備實驗設計需要綜合考慮實驗目的、原理、裝置等的互證關系，也要結合可操作性、條件控制、現象與結論分析等因素。在高考題中我們常會看到一些陌生物質的制備實驗，因此結合題目信息分析實驗就顯得尤為重要。今天我們結合克勞斯法回收硫的有關資料，開展實驗設計活動。

師：通過資料我們可以發現，克勞斯法最核心的一步反應就是硫化氫與二氧化硫反應生成硫單質，由此實現硫元素的再利用。其中硫化氫就是一個典型的信息型物質。請大家思考：硫化氫有什么性質？怎么制備并收集？想好后，請你設計一個實驗，驗證二氧化硫與硫化氫能發生反應生成硫。

【設計意圖】通過提煉大概念，為學生做好設計制備實驗的思維儲備。克勞斯法是典型的基于硫元素價類圖的信息，結合硫化氫在價類圖中的位置預測其性質的一種方法，可以為學生分析陌生物質信息搭建認知階梯。而在設計型任務驅動下，教師將單純的預測性質能力包裝在綜合性強的設計型任務之內，通過學生的設計成果，可以有效地評價學生的價類二維觀和對氣體制備的認識深度。

學生匯報設計成果：可以用強酸制弱酸的原理制備硫化氫，所以我用了鹽酸和硫化鈉。這樣制得的硫化氫中會含有氯化氫，因此我用飽和亞硫酸氫鈉洗氣。三頸燒瓶里發生反應，但是氣氣反應不完全，最后用氫氧化鈉處理尾氣。

師：好的，老師有幾個問題。首先，制硫化氫還可以選擇其他酸或鹽嗎？

生：酸可以考慮用硫酸，但是我不確定會不會發生氧化還原反應。鹽也可以用硫氫化鈉。

師：在考慮反應時這位同學確實想得比較周到，能夠從類別、價態的角度思考，發現鹽酸是一個更穩妥的選擇。那請你再思考，硫化氫中的氯化氫氣體應該怎么除去？用亞硫酸氫鈉會引入什么氣體？

生：不應該用亞硫酸氫鈉，因為會有二氧化硫產生。我剛才把二氧化硫中的氯化氫除雜和硫化氫中的氯化氫弄混了。

師：是的。對H2A氣體中含有氯化氫的情況，我們一般考慮用NaHA的溶液洗氣除雜，這種思路常見于二氧化碳、二氧化硫和硫化氫。所以我們可以考慮用什么液體洗氣？

生：飽和硫氫化鈉。

師：很好！最后一個問題請大家共同思考：克勞斯法最大的特點是極高的硫回收率。利用我們的實驗裝置如何提高硫元素的回收率？

學生經過思考后沒有想出方案，最后由教師講解可以通過增加洗氣瓶放入不反應液體后觀察氣泡的方法實現氣體體積控制。

【設計意圖】以克勞斯法作為問題情境，我們可以挖掘出幾個層次的問題：發生什么反應，相關物質的性質，定量計算等。其中最能促進學生在變化觀念上進階的路徑是從定性研究信息物質上升到定量控制硫的回收。因此，教師最后用“提高硫元素的回收率”來設問，讓學生充分進入情境，緊扣實驗目的來設計裝置，真正加深了學生對實驗目的、原理與裝置互證關系的認識。

三、關于設計型任務教學實踐的思考

（一）設計是一種高階且靈活的評價活動

設計作為高階能力的代表，綜合展現了學生對化學學科知識與問題情境下解決問題的綜合理解能力，是一種非常靈活的評價手段。相比于傳統的紙筆測驗—講評—筆記—記憶—再強化的復習模式，設計活動的最大優勢在于如下兩點：一是思維的高階整合與課堂趣味性。在完成設計型任務的過程中，學生需要從學科思維出發，綜合考慮各項因素，嘗試以專家思維去解決問題。這種高階思維活動超越了簡單的復述與記憶，能夠真正促進學科核心素養的發展。二是便于查找認知錯誤。在枯燥的高三復習階段，開展這樣一節設計型任務驅動的課堂，讓學生在整合知識與信息的過程中暴露出一些小錯誤，比如上圖中出現的重結晶、洗氣裝置藥品選擇的錯誤，通過生生互評、師生互評，在放松緊張神經的同時發現一些基礎性的認知錯誤，也不失為一種較好的復習手段。

（二）設計是一種促進學生個性發展的教學活動

設計屬于高階能力，我們在分析并設計教學情境時，應該根據學生的不同層次安排不同的教學階梯，促進每名學生在課堂上的個性化發展。以克勞斯法為例，由于涉及硫元素的多次轉化以及實驗裝置的實現，想要學生設計出非常全面的流程是比較困難的。結合學情，教師可以將情境分解為幾個不同的臺階，同時將單元內容延長，以小專題復習促進整體單元認知水平的提高。將情境前學生的必備基礎知識一步步進階到情境中的問題，并最終由學生自己動手畫實驗裝置圖，這樣的學習體驗在高三復習階段來說是獨特而深刻的。比如克勞斯法有關的教學階梯可以分解為如下幾個任務線索（如圖7所示）。

總之，設計型任務在教學中可以作為“教—學—評”一體化的重要紐帶，加深學生的學科認知深度，強化學生的專家思維，促進學生的素養發展，是值得一線教師在高三復習中重視的一種教學模式。

參考文獻

［1］單旭峰.高考化學學科關鍵能力的建構思路、基本內涵與考察實施路徑［J］，課程·教材·教法，2022（6）.

［2］吳慶生.化學大概念單元教學的實踐與研究［J］，化學教學，2021（8）.

作者簡介：李曉（1987— ），廣西南寧人，高級教師，主要研究方向為高中化學校本課程開發。

（責編 林 劍）