基于化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的探究學(xué)習(xí)與解決問題教學(xué)策略

韓建豐 高凌蕊

作者簡介：韓建豐，北京市廣渠門中學(xué)一級教師。高凌蕊，首都師范大學(xué)第二附屬中學(xué)一級教師。

課題項目：1.本文系北京市教育學(xué)會“十四五”教育科研2022年度課題“基于‘雙減’的化學(xué)大單元教學(xué)雙優(yōu)研究”研究成果之一。課題編號：DC2022-029。2.本文系北京市教育學(xué)會“十四五”教育科研2023年度課題“化學(xué)新課標(biāo)落實中指向核心素養(yǎng)提升的大單元教學(xué)研究”的階段性研究成果之一。課題編號：DC2023-027。

摘要：工藝流程設(shè)計是高中化學(xué)的教學(xué)難點，提升教學(xué)有效性的關(guān)鍵是促進學(xué)生深入理解學(xué)科本質(zhì)。教師應(yīng)基于調(diào)研和教學(xué)實踐，梳理學(xué)生在工藝流程設(shè)計類問題學(xué)習(xí)中的困惑，引導(dǎo)學(xué)生先明確工藝流程設(shè)計中蘊含的化學(xué)學(xué)科本質(zhì)，再結(jié)合問題的本源性特點構(gòu)建及應(yīng)用思維模型主線的學(xué)習(xí)與解決問題策略。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科本質(zhì)；學(xué)習(xí)與解決問題；化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；思維主線

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2022年修訂）》（以下通稱“新課標(biāo)”）強調(diào)“素養(yǎng)立意”，重視在實際情境中解決問題。化學(xué)工藝流程設(shè)計類問題教學(xué)的深入研究符合新課標(biāo)和高考評價體系的指向。化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)可概括為“認識物質(zhì)和創(chuàng)造物質(zhì)”，化學(xué)作為一門與大眾生活緊密聯(lián)系的學(xué)科，具備很強的應(yīng)用性。工藝流程設(shè)計的教學(xué)通過追問學(xué)科本質(zhì)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

一、基于化學(xué)學(xué)科本質(zhì)理解的教學(xué)研究

（一）從化學(xué)學(xué)科視角分析問題

學(xué)生需要具備的學(xué)科認知角度有：用于工業(yè)生產(chǎn)的原料一般為從自然界直接獲取的資源（如礦石等）或在其他工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢料，因而原料的純度不高，含有較多雜質(zhì)，要考慮處理雜質(zhì)的問題——化學(xué)知識運用于工業(yè)生產(chǎn)。工業(yè)對產(chǎn)品“質(zhì)和量”的要求不同于實驗室制取，經(jīng)濟問題是必須考慮的，確定最優(yōu)方法、加入的物質(zhì)及產(chǎn)生的熱量等需循環(huán)再利用、雜質(zhì)的回收與再生產(chǎn)副產(chǎn)品等可以幫助工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)利益最大化、成本最低化——化學(xué)思維滲透于社會發(fā)展。綠色化學(xué)思想的滲透，即在考慮工業(yè)生產(chǎn)的情況下同時重視環(huán)境保護，力爭實現(xiàn)環(huán)境友好。以上化學(xué)工藝流程設(shè)計常識需要作為重要觀念，作為學(xué)生建構(gòu)思維模型的基本原則和框架——化學(xué)觀念服務(wù)于思維進階。

（二）基于學(xué)科本質(zhì)解決問題

工藝流程設(shè)計的化學(xué)本質(zhì)即“更好地得到產(chǎn)品”，將學(xué)科本質(zhì)中蘊含的復(fù)雜且完整的“大問題”進行拆解得到“小問題”。“小問題”包含4條思維線，即“試劑線、雜質(zhì)線、操作線、產(chǎn)品線”，應(yīng)先進行集中學(xué)習(xí)，在形成必備知識和關(guān)鍵能力的足夠儲備后，將4條“小問題”思維線串聯(lián)，讓零散的知識串聯(lián)為解決完整“大問題”的一般方法，形成解決工藝流程設(shè)計問題的思維主線。

1.試劑線

學(xué)生需要掌握在化學(xué)工藝流程中常用到的試劑類型及作用體現(xiàn)（見表1）。教師要引導(dǎo)學(xué)生能夠依據(jù)試劑性質(zhì)判斷試劑的作用，理解實際操作中每步加入某些試劑的作用，從而進一步判斷能夠發(fā)生的核心化學(xué)反應(yīng)，再通過反應(yīng)產(chǎn)物的狀態(tài)和性質(zhì)判斷應(yīng)該采取的分離提純操作。

2.雜質(zhì)線

學(xué)生需要通過實際情況中所含雜質(zhì)確定除雜所需的試劑、方法和步驟（見表2）。教師要引導(dǎo)學(xué)生抓住雜質(zhì)的去向進行重點分析，更要確定雜質(zhì)是在哪里除掉、如何除掉。

3.操作線

原料階段預(yù)處理、產(chǎn)品提純處理階段的主要實驗手段，在協(xié)同試劑線分析時需要考慮是否需要進行操作、進行什么操作、如何進行操作。教師要引導(dǎo)學(xué)生思考各操作步驟的意義和必要性（見表3）。

4.產(chǎn)品線

從獲得產(chǎn)品實際角度出發(fā)，學(xué)生需要考慮產(chǎn)品的純度、產(chǎn)率、速率等重要指標(biāo)。教師要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注原料和產(chǎn)品含有的共同元素，抓住關(guān)鍵元素的去向是理解試劑、雜質(zhì)和操作三大主線的核心觀念。教師關(guān)注化學(xué)工藝流程設(shè)計中的“產(chǎn)品控制”，可促進學(xué)生將相關(guān)知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)化（見表4）。

二、問題解決策略的形成

（一）提煉教材

化學(xué)教材非常重視化學(xué)工藝流程設(shè)計類問題的探討和學(xué)習(xí)，多以“課本正文”“思考與討論”“資料卡片”“科學(xué)·技術(shù)·社會”“練習(xí)與應(yīng)用”等形式引出，但無完整的“大問題”的解決路徑。教師需要對教材進行提煉、整合和再設(shè)計，形成服務(wù)于思維主線形成的工藝流程設(shè)計教學(xué)單元。教師可以先整理人教版必修教材的六個基本范例：礦石中金屬單質(zhì)的冶煉，如鋁土礦中提煉金屬鋁等；非金屬單質(zhì)的獲取，如單晶硅的制備；海水資源的利用，如海水淡化、粗鹽提純、氯堿工業(yè)、海水中提取鎂和溴、海帶中提取碘；常用酸的制取，如黃鐵礦（FeS2）制硫酸、硝酸；化石能源的綜合利用；其他常見工業(yè)流程，如工業(yè)制純堿（侯氏制堿法）、自然界水的凈化、工業(yè)廢水廢氣的處理。然后，教師依據(jù)教材素材進行“試劑線、雜質(zhì)線、操作線、產(chǎn)品線”思維主線的建構(gòu)，是幫助學(xué)生理解情境、完成“去情境化”的蛻變、形成問題解決策略的重要教學(xué)過程。

（二）應(yīng)用教材

化學(xué)學(xué)科理解是對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式和方法的一種本源性、結(jié)構(gòu)化的認識，教師要依托于教材素材建構(gòu)思維主線幫助學(xué)生從本源出發(fā)，逐步得到系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)化知識體系。例如，以鋁土礦中提煉金屬鋁作為思維模型的建構(gòu)與應(yīng)用素材，有助于學(xué)生基于教材范例理解化學(xué)工藝流程設(shè)計的初衷、關(guān)鍵問題及思考方式。教學(xué)中，教師應(yīng)推動學(xué)生抓住基本概念、化學(xué)觀念和思維程序建構(gòu)化學(xué)工藝流程設(shè)計的完整思維主線。教學(xué)過程包括：梳理試劑線——尋找能夠分離物質(zhì)的試劑，從氧化鋁為兩性氧化物、氧化鐵為堿性氧化物、二氧化硅為酸性氧化物出發(fā)，第一步可以為酸溶或堿溶。第二步產(chǎn)物中鋁元素為偏鋁酸鈉，結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)選擇二氧化碳通入該溶液中形成氫氧化鋁沉淀，從而達到分離提純鋁元素的目的。明確雜質(zhì)線——根據(jù)礦石中主要物質(zhì)確定雜質(zhì)元素，通過物質(zhì)性質(zhì)設(shè)計雜質(zhì)除去的路徑。理解操作線——根據(jù)雜質(zhì)和待提純物質(zhì)在混合物中的存在方式和相應(yīng)的化學(xué)原理確定分離提純的操作方法。優(yōu)化產(chǎn)品線——通過試劑選擇和操作方法確定每一步的產(chǎn)品，對照最終產(chǎn)品進行后續(xù)工藝流程設(shè)計，這個過程中抓住“更好地獲得產(chǎn)品”的本質(zhì)。

參考文獻：

［1］項佳敏，陳凱.追求化學(xué)學(xué)科本質(zhì)理解的教學(xué)設(shè)計：以“氯氣的制備”為例［J］.上海課程教學(xué)研究，2021（3）.

［2］張勝潔.從學(xué)科本質(zhì)探討中找到適合的教學(xué)方式［J］.人民教育，2022（7）.

（責(zé)任編輯：楊強）