基于學業(yè)質量水平進階的教學實踐
——以“固碳生堿”主題教學為例

北京市第一七一中學 賀珊珊

北京市東城區(qū)教育科學研究院 黃滿霞

一、指導思想

學業(yè)質量水平4要求能根據物質的類別、組成等說明或預測物質的性質；能選擇簡明、合理的表征方式描述和說明化學變化的本質和規(guī)律；能從調控反應速率、提高反應轉化率等方面綜合分析反應的條件，提出有效控制反應條件的措施；能基于“綠色化學”理念設計無機化合物制備方案，并對方案進行評價和優(yōu)化；能分析評估物質轉化過程對環(huán)境和資源利用的影響。

選擇性必修課程主題3“水溶液中的離子反應與平衡”內容要求在本課程中以水溶液中的離子反應與平衡探索化學反應的規(guī)律及應用。必修課程主題5“化學與社會發(fā)展”內容要求通過學習認識到化學科學與技術對我國走生產發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展道路將發(fā)揮重要作用，樹立建設美麗中國、為全球生態(tài)安全做出貢獻的信念。

二、背景分析

（一）教材分析

本節(jié)課是人民教育出版社2022年版高二化學選擇性必修3《化學反應原理》第三章“水溶液”中水溶液中的離子反應與平衡。本章內容實際上是應用前一章所學的化學平衡理論，探討水溶液中離子間的相互作用。電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡的過程分析，體現了化學平衡理論的指導作用；pH的應用、鹽類水解反應的應用、沉淀溶解平衡的應用等，體現了理論知識在生產、生活中的應用價值。

新授課中，電離平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡的學習情境都相對獨立。為了檢測學生對“平衡”理論的掌握情況，以及是否具有用所學知識解決真實問題的能力，以及宏觀辨識與微觀探析的素養(yǎng)水平，本節(jié)課深化對水溶液中的離子反應與平衡、化學與可持續(xù)發(fā)展的體會和認識。

真實、具體的問題情境是化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學生學科核心素養(yǎng)提供了真實的表現機會。基于此，本節(jié)課著眼于在“雙碳”目標的愿景中如何推進切實有效的行動為情境，通過“固碳生堿”反應的選擇、產品的提取方案設計、工藝流程的設計為具體任務展開教學，通過對真實問題研究的分析和研討，使學生主動利用所學的物質性質和化學平衡原理解決問題、提煉相應的轉化及調控思路和方案、建構應用化學平衡原理解決溶液中的離子問題的思維模型；幫助學生尋找分析問題和解決問題的角度和思路；培養(yǎng)科學決策的意識、創(chuàng)新精神與實踐能力；深化綠色化學與可持續(xù)發(fā)展理念，提升變化觀念與平衡思想、宏觀辨識與微觀探析、科學態(tài)度與社會責任等方面的學科核心素養(yǎng)水平。

（二）學情分析

（1）學生已了解典型元素及其重要化合物的主要性質、了解了離子反應發(fā)生的條件及反應的規(guī)律，但水平還停留在必修階段的認知。認識了化學平衡理論、水溶液中的離子平衡理論，但未認識到化學平衡原理與反應規(guī)律二者之間的聯系，不能主動從定量層面認識反應的規(guī)律進而更全面認識物質性質及變化，對物質性質與變化認識的一般思維模型有待完善，主動應用反應原理分析物質變化、調控物質轉化的能力還有待提升。

（2）學生能認識到通過改變條件能對反應進行調控以解決實際問題，但在真實情境中多角度調用知識解決問題能力略有欠缺，不能準確迅速地提出解決問題的策略和方案。

（3）學生已初步掌握用工藝流程圖表達物質轉化過程，但設計流程方案時的條件控制意識、創(chuàng)新意識、優(yōu)化意識以及綠色化學的理念有待增強。

三、學習目標

（1）通過對二氧化碳轉化為碳酸鈉的方案設計和評價，提升學生從物質類別和核心元素化合價角度認識物質性質的能力，培養(yǎng)學生反應觀和元素觀。

（2）通過對碳酸氫鈉能從溶液中析出的本質原因的分析，能從化學平衡的視角探索化學反應的規(guī)律；通過只向氯化鈉溶液中通二氧化碳能否產生碳酸氫鈉沉淀的分析，能從化學平衡常數的角度認識反應規(guī)律。通過對“氨的作用”及促進碳酸氫鈉析出的措施的探究，建立應用化學平衡原理調控溶液中離子反應的一般模型。

（3）通過對濾液中氯化銨的提取方案的設計，學會在復雜體系中應用化學平衡原理調控溶液中離子反應的一般模型。

（4）通過對“固碳生堿”工藝流程的設計，體驗作為工程師從原理設計到實驗探究再到實際應用的整個過程，能從化學角度分析從資源到產品的轉化途徑，認識化學學科在實現物質轉化、環(huán)境保護過程中的作用，在解決實際問題的過程中逐步形成節(jié)約成本、提高效率、循環(huán)利用、保護環(huán)境等觀念。

重點分析：①二氧化碳轉化為碳酸鈉反應方案的選擇及原理分析；②促進溶液中離子反應的模型建構；③濾液中氯化銨的提取方案設計；④“固碳生堿”工藝流程的設計。

難點分析：應用化學平衡原理調控離子反應，實現從濾液中提取氯化銨的方案設計。

四、問題框架

表1 核心問題及問題鏈

五、方法策略

學生在“零碳使命”任務驅動下，設計將二氧化碳轉化為有價值的工業(yè)產品純堿及肥料氯化銨的方案，將實際問題轉化為學科問題，感悟運用化學反應原理對科學技術和人類文明所起的作用，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。為突破重難點、達成學習目標，筆者選擇了以下方法開展教學。

（1）創(chuàng)設真實有意義的問題情境，促進學生學習方式轉變，增強學生社會責任感、使命感。從社會熱點問題出發(fā)，激發(fā)學生學習興趣，引導學生開展建構學習、探究學習、問題解決學習，促進學生化學學習方式的轉變，體會化學學科對社會發(fā)展的促進作用。對比真實工藝流程環(huán)節(jié)時適時介紹“侯氏制堿”的化學史，增強學生民族自豪感，提升學生社會責任感、使命感。

（2）通過問題鏈設計，激發(fā)學生高階思維，促進深度學習的發(fā)生。通過四個核心問題為任務驅動，幫助學生擴展分析問題和解決問題的角度和思路；以提升變化觀念與平衡思想、宏觀辨識與微觀探析、科學態(tài)度與社會責任等方面的學科核心素養(yǎng)水平。

第一個核心問題的子問題1“你能想到將CO2轉化為Na2CO3的途徑有哪些？”實施時采取的方式是課前思考、課中生生交流。課前思考反映出學生對物質轉化角度的認識參差不齊，有些學生還停留在必修1元素化合物知識的認識水平，為豐富認識物質性質及轉化的角度，筆者通過課上生生交流展示環(huán)節(jié)的設計，讓學生思維外顯，展示多角度實現物質轉化及選擇轉化方案的一般思路與依據，啟發(fā)與幫助其他學生完善實現物質轉化的一般思路。

通過第二個核心問題的子問題“NaHCO3從溶液中析出的本質原因”及“僅向氯化鈉溶液中通入二氧化碳能否產生碳酸氫鈉”問題的深入分析，引導學生從化學平衡的視角探索化學反應的規(guī)律、應用化學平衡常數為定量判據判斷離子反應發(fā)生的條件。為建立定量視角認識和調控反應做好鋪墊。通過“有氨條件下碳酸氫鈉就能析出”以及“如何盡可能多地析出碳酸氫鈉”兩個問題的深入分析，為學生總結“促進溶液中離子反應的一般思維模型”做好鋪墊，通過本環(huán)節(jié)設計，幫助學生建構從化學反應原理視角定量認識和調控物質轉化的思路，讓學生體會物質不轉化是相對的，并學會如何去“創(chuàng)造”反應實現轉化、體會化學在實現物質轉化中的價值，贊賞化學的魅力。

通過對第三個核心問題“從濾液中分離NH4Cl的措施有哪些？”的深入分析，發(fā)展學生從微觀角度基于平衡思想分析復雜溶液體系的能力，面對體系中相互作用的多種可能性，通過嚴謹的證據推理，并結合實際需要調控體系中的多個平衡，發(fā)展“證據推理與模型認知”化學學科核心素養(yǎng)。

第四個核心問題設計是通過“固碳生堿”工藝流程的方案設計評價學生能否應用化學平衡原理、認知模型系統(tǒng)分析、解決工業(yè)實際問題的能力，通過方案展示交流探查本節(jié)課的學習效果，探查學生是否關注到如何安排加料順序、是否采取合適的條件使物質盡可能地利用、副產品是否處理、能否連續(xù)生產等問題。

從上述分析中可知，本節(jié)課通過一系列問題鏈的分析，引領學生在問題驅動下構建模型、應用模型、內化模型。創(chuàng)設深度學習情境，幫助學生獲得了結構化知識，通過知識構建過程中所蘊含的學科核心素養(yǎng)及研究問題的科學方法的學習，幫助學生完成了認識思路結構化，提升了化學學科素養(yǎng)，實現了學業(yè)質量水平的進階。

（3）實施“教、學、評”一體化，突破應用模型解決復雜問題的教學難點。將學生自評、同伴互評和教師評價相結合，再通過追問進一步外顯學生的思維過程，從素養(yǎng)發(fā)展的角度對學生給予指導，充分發(fā)揮評價促進化學學科核心素養(yǎng)全面發(fā)展的功能，助力學業(yè)質量水平的進階。

六、教學活動設計

（一）課前活動設計

活動目標：課前了解學情，探查學生相關認知達到的學業(yè)質量水平等級。

活動內容：1.請設計將CO2轉化為Na2CO3的轉化途徑，并書寫相關反應方程式。

2.請從平衡角度論證向NaCl溶液中通入CO2是否有NaHCO3固體析出？

學生回答情況及分析如下。

表2

對問題1的分析：如回答1所示，大部分學生對物質轉化路徑還是基于必修1水平的記憶（學業(yè)質量水平1-1），不能從物質類別、組成及化學反應原理角度進行梳理，極少部分同學（回答2）可以從價、類二維角度，應用反應原理進行梳理（學業(yè)質量水平4-2）。

表3

對問題2的分析：大部分學生（回答Ⅰ）對反應規(guī)律的認識還是停留在定性層面上（學業(yè)質量水平2-2），少部分同學（回答Ⅱ）能通過定量角度判定反應能否自發(fā)進行（學業(yè)質量水平4-2）。

基于前測評價結果，本節(jié)課教學活動要引導學生從物質類別和核心元素價態(tài)、化學反應原理定性和定量等多個角度認識物質性質及變化，提升學生解決實際問題的能力。

（二）課堂教學活動

圖2 教學結構

七、評價設計

（一）課前評價設計

前測內容包括“請設計將二氧化碳轉化為碳酸鈉的途徑”及“請從平衡角度論證向NaCl溶液中通入CO2能否有碳酸氫鈉固體析出？”，通過課前反饋，教師診斷學生對物質性質及轉化的認識水平。學生通過課前自測、課中交流、互評，初步豐富物質轉化角度和思路。

（二）課堂評價設計

（1）評價對變化本質的認識。通過教師評價學生對碳酸氫鈉能從溶液中析出的本質原因分析、評價對促進碳酸氫鈉析出的條件調控，診斷學生對物質變化本質的認識水平，強化從化學平衡角度認識物質變化規(guī)律。落實“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的化學核心素養(yǎng)。

（2）評價物質提取的方案設計。學生設計、討論、匯報從濾液中提取氯化銨的方案，教師引導學生進行自評、互評方案的優(yōu)缺點，幫助學生進一步優(yōu)化方案，提升學生應用平衡移動原理調控反應解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識。

（3）評價工藝流程方案圖示表征。學生設計、討論、匯報“固碳生堿”工藝流程圖，教師引導學生進行自評、互評方案的優(yōu)缺點，通過對工藝流程方案分析，教師評價學生是否具有微粒觀、轉化觀、平衡觀的化學核心觀念及綠色化學思想。

（三）課后評價設計

在課堂深入研究應用化學平衡解決溶液中的離子問題的基礎上，課后又設計了“侯德榜制堿的歷史背景——食鹽稀缺，因此工藝流程中食鹽的回收利用非常重要。思考：要提高食鹽的利用率，母液的循環(huán)利用至關重要，那么母液能否不經過處理直接回收循環(huán)利用呢？”此問題的設計旨在評價學生能否在未給角度的情況下應用模型對實際問題進行分析和解決，學生通過此問題的解決，實現認知水平的再提升。教師再次探查學生必備知識、關鍵能力、學科核心素養(yǎng)的水平并促進其發(fā)展，完成對課堂教學的反思與學生認知水平的再提升。

八、作業(yè)設計

作業(yè)目標：應用模型解決新問題，夯實解決此類問題的一般思路。

作業(yè)要求：侯德榜制堿的歷史背景——食鹽稀缺，因此食鹽的回收利用非常重要。

思考：要提高食鹽的利用率，濾液的循環(huán)利用至關重要，那么濾液能否不經過處理直接回收循環(huán)利用呢？為什么？

圖3

作業(yè)參考答案：

（1）濾液中高濃度的Cl-會抑制補加的食鹽的溶解，導致Na＋濃度低，不利于碳酸氫鈉的析出。（2）濾液＋濃度過高一定程度可能不利于氨氣的溶解。（3）濾液中NH4＋濃度過高可能會因補加氯化鈉后氯離子濃度上升，以銨鹽的形式析出，影響產物的產率和純度。因此要循環(huán)利用氯化鈉，就要先從母液中分離出NH4Cl。

測試結果：100%學生有角度，40.5%的學生能從三個角度做出分析，32.4%的學生能從兩個角度做出分析，27%的學生能從一個角度做出分析。

成績分析：通過本節(jié)課的學習，學生對“固碳生堿”真實問題，建立起了應用化學平衡原理解決溶液中的離子問題的分析模型。課后作業(yè)以母液能否直接回收循環(huán)利用為研究對象，考查學生知識遷移能力。通過反饋，可以看出學生能基于母液成分，從組成微粒出發(fā)，自主調用溶液中的離子反應和平衡知識，基于多種反應和平衡間的相互影響思考問題，應用認知模型分析問題，并提出解決問題的方案。

中NH4

九、本主題教學特色分析

（一）遵循教學活動設計，完成學業(yè)質量水平進階

通過“前測”了解學生認知水平，基于學生認知發(fā)展規(guī)律設計了4個核心問題及16個子問題，通過有導向的問題鏈引發(fā)學生的高階思維活動，引導學生開展建構學習、問題解決學習，促進學生學習方式的轉變。實施“教、學、評”一體化，將學生自評、同伴互評和教師評價相結合，進一步外顯學生的思維過程，從學業(yè)質量水平發(fā)展的角度指導學生，充分發(fā)揮評價促進學生化學學科核心素養(yǎng)全面發(fā)展的功能。創(chuàng)設深度學習情境，發(fā)展學生從定性到定量、從宏觀到微觀、從孤立到系統(tǒng)、從靜態(tài)到動態(tài)、從理論到實際的分析解決問題的能力。學生通過問題的解決自主調用溶液中離子反應與平衡的知識，增加了必備知識，實現了模型的構建、應用與內化，獲得了結構化知識，提升了認知。

（二）堅持素養(yǎng)導向的主題教學

本節(jié)課有明確的教學定位：堅持素養(yǎng)導向的主題教學。通過創(chuàng)設“零碳使命”這個真實有意義的情境，以固碳生堿為任務驅動，將知識“溶解”在情境中，激發(fā)學生學習興趣。通過對知識構建過程中所蘊含的學科核心素養(yǎng)及研究問題的科學方法的學習，幫助學生完成認識思路結構化，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知的化學學科素養(yǎng)。