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
——以工藝流程設(shè)計(jì)為例

韓建豐 高凌蕊

（北京市廣渠門中學(xué)，首都師范大學(xué)第二附屬中學(xué)）

《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(qiáng)調(diào)“素養(yǎng)立意”，重視在實(shí)際情境中解決問題。化學(xué)工藝流程設(shè)計(jì)類問題教學(xué)的深入研究符合新課標(biāo)和高考評(píng)價(jià)體系的指向?；瘜W(xué)學(xué)科的本質(zhì)可概括為“認(rèn)識(shí)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(qiáng)的應(yīng)用性。工藝流程設(shè)計(jì)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(rèn)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(shí)運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)。工業(yè)對(duì)產(chǎn)品“質(zhì)和量”的要求不同于實(shí)驗(yàn)室制取，經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)利益最大化、成本最低化——化學(xué)思維滲透于社會(huì)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(shí)重視環(huán)境保護(hù)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。以上化學(xué)工藝流程設(shè)計(jì)常識(shí)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(jìn)階。

（二）基于學(xué)科本質(zhì)解決問題

工藝流程設(shè)計(jì)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(yùn)含的復(fù)雜且完整的“大問題”進(jìn)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(jìn)行集中學(xué)習(xí)，在形成必備知識(shí)和關(guān)鍵能力的足夠儲(chǔ)備后，將4條“小問題”思維線串聯(lián)，讓零散的知識(shí)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(jì)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(shí)際操作中每步加入某些試劑的作用，從而進(jìn)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。

表1 試劑線索

2.雜質(zhì)線

學(xué)生需要通過實(shí)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(jìn)行重點(diǎn)分析，更要確定雜質(zhì)是在哪里除掉、如何除掉。

表2 雜質(zhì)線索

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(shí)驗(yàn)手段，在協(xié)同試劑線分析時(shí)需要考慮是否需要進(jìn)行操作、進(jìn)行什么操作、如何進(jìn)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)。

表3 操作線索

4.產(chǎn)品線

從獲得產(chǎn)品實(shí)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(jì)中的“產(chǎn)品控制”，可促進(jìn)學(xué)生將相關(guān)知識(shí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化（見表4）。

表4 產(chǎn)品線索

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(jì)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(huì)”“練習(xí)與應(yīng)用”等形式引出，但無(wú)完整的“大問題”的解決路徑。教師需要對(duì)教材進(jìn)行提煉、整合和再設(shè)計(jì)，形成服務(wù)于思維主線形成的工藝流程設(shè)計(jì)教學(xué)單元。教師可以先整理人教版必修教材的六個(gè)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(jìn)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(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)及其思維方式和方法的一種本源性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，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(shí)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(jì)的初衷、關(guān)鍵問題及思考方式。教學(xué)中，教師應(yīng)推動(dòng)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(jì)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(dá)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(jì)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(duì)照最終產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)工藝流程設(shè)計(jì)，這個(gè)過程中抓住“更好地獲得產(chǎn)品”的本質(zhì)。