立足技術(shù)素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

劉玉榮 蔣楠

摘要：技術(shù)滲透在我們生活的方方面面，無(wú)論是社會(huì)進(jìn)步、個(gè)人生活還是職業(yè)發(fā)展都要求學(xué)生具備一定的技術(shù)素養(yǎng)。技術(shù)素養(yǎng)是使用、管理、評(píng)價(jià)和理解技術(shù)的能力。在學(xué)科教學(xué)中滲透技術(shù)素養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的重要途徑。選取蘇教版“硫酸的制備與性質(zhì)”教學(xué)主題，從技術(shù)知識(shí)，技術(shù)能力與方法，技術(shù)思想、情感態(tài)度等方面制定教學(xué)目標(biāo)，立足技術(shù)素養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施，以期提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：技術(shù)素養(yǎng)；教學(xué)設(shè)計(jì)；硫酸制備；硫酸性質(zhì)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）5–0045–06 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

我們生活在一個(gè)被技術(shù)包圍的世界里，時(shí)常面臨著各式各樣的技術(shù)問(wèn)題，無(wú)論社會(huì)進(jìn)步、個(gè)人生活還是職業(yè)發(fā)展都和技術(shù)有密切的關(guān)系。那究竟什么是技術(shù)呢？《美國(guó)國(guó)家技術(shù)教育標(biāo)準(zhǔn)》界定技術(shù)“就是人們?nèi)绾胃脑熳匀唤缫赃m應(yīng)他們自己的需要。……是指人們用來(lái)拓展人類能力以及滿足人類需要和欲望的過(guò)程和知識(shí)的多種多樣的集合”[1]。當(dāng)今世界，技術(shù)的內(nèi)容和含義己經(jīng)非常復(fù)雜和豐富，不僅涵蓋了工程、設(shè)計(jì)和技巧，還涉及制造、安全、維修和信息處理等等，而且還包括人類為達(dá)到利用、改造和保護(hù)世界的目的而運(yùn)用到的各種工具、方法、技能及態(tài)度等的系統(tǒng)綜合?？傊覀兛梢哉J(rèn)為技術(shù)是人們?yōu)榱藵M足某些需要而對(duì)自身已有的知識(shí)、資源、工具、經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行的優(yōu)化改造，是人類進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。技術(shù)的重要性使得人們?cè)絹?lái)越重視技術(shù)教育。美國(guó)“2061計(jì)劃”曾指出，技術(shù)教育應(yīng)當(dāng)讓人們有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)并體驗(yàn)技術(shù)過(guò)程，了解技術(shù)的歷史，并將技術(shù)作為人們當(dāng)下和未來(lái)生活的一個(gè)組成部分。技術(shù)教育旨在提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，著力發(fā)展學(xué)生以信息的交流與處理、技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用為基礎(chǔ)的技術(shù)實(shí)踐能力。化學(xué)是自然學(xué)科的重要分支，并且也是一門(mén)蘊(yùn)含技術(shù)的學(xué)科，包含了技術(shù)知識(shí)（實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)與工程、生活實(shí)用），技術(shù)能力（實(shí)驗(yàn)、信息與認(rèn)知），技術(shù)設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)、信息與認(rèn)知、生產(chǎn)與工程），技術(shù)理性（批判、創(chuàng)新、風(fēng)險(xiǎn)、人本、STSE意識(shí)等）[2]。普通高中化學(xué)課程“重視反映化學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的相互聯(lián)系”，在《化學(xué)與技術(shù)》模塊中強(qiáng)調(diào)學(xué)生“能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)化學(xué)有關(guān)的一系列技術(shù)問(wèn)題做出合理的分析，強(qiáng)化應(yīng)用意識(shí)和實(shí)踐能力”[3]。由此可知高中化學(xué)課程同樣重視學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的發(fā)展。

1 技術(shù)素養(yǎng)的內(nèi)涵

關(guān)于技術(shù)素養(yǎng)的定義，國(guó)際大多數(shù)研究者界定為一種和技術(shù)相關(guān)聯(lián)的能力。其中對(duì)技術(shù)素養(yǎng)研究最多的是美國(guó)，美國(guó)著名理科課程專家赫德早在1975年發(fā)表的著名論文“科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)——綜合理科教學(xué)的新目標(biāo)”中就已指出，技術(shù)素養(yǎng)與科學(xué)素養(yǎng)應(yīng)當(dāng)并列為科學(xué)教學(xué)的一個(gè)主要目標(biāo)[4]，1985年，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)也開(kāi)始了對(duì)于技術(shù)素養(yǎng)的關(guān)注與研究。表1是1985年以來(lái)美國(guó)對(duì)技術(shù)素養(yǎng)研究的大事件紀(jì)要。

關(guān)于技術(shù)素養(yǎng)的典型觀點(diǎn)來(lái)自美國(guó)國(guó)家科學(xué)院出版的《美國(guó)國(guó)家技術(shù)教育標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容》（Standards for Technological Literacy：Content for the Study of Technology），即技術(shù)素養(yǎng)是使用、管理、評(píng)價(jià)和理解技術(shù)的能力[9]。這種定義經(jīng)常被采用，具有高度概括性。美國(guó)技術(shù)素養(yǎng)委員會(huì)則認(rèn)為，技術(shù)素養(yǎng)是相互依存的知識(shí)、思維和行為方式以及能力的綜合體，是與時(shí)代發(fā)展相適應(yīng)的“關(guān)于技術(shù)人們應(yīng)當(dāng)了解多少東西”的一種最低標(biāo)準(zhǔn)，是與人們能否看書(shū)讀報(bào)、是否掌握最基本的算術(shù)技巧和概率概念、是否了解基本的科學(xué)知識(shí)和方法等等平行的有關(guān)人的知識(shí)與能力的一種人為規(guī)定[10]。我國(guó)著名學(xué)者吳俊明認(rèn)為，技術(shù)素養(yǎng)是人在先天遺傳素質(zhì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)教育和實(shí)踐養(yǎng)成、發(fā)展的應(yīng)用自然規(guī)律和各種資源進(jìn)行技術(shù)活動(dòng)的較為穩(wěn)定的內(nèi)在品質(zhì)，它是人在后天養(yǎng)成的，但又以先天遺傳素質(zhì)為基礎(chǔ)。技術(shù)素養(yǎng)是人的素質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是技術(shù)時(shí)代任何一個(gè)公民都不可缺少的基本素養(yǎng)。

技術(shù)素養(yǎng)的內(nèi)涵分為4個(gè)層次[11]。如表2所示。

2 化學(xué)教學(xué)中技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)

化學(xué)以其特有的實(shí)用性成為與人們生產(chǎn)、生活聯(lián)系最為緊密的學(xué)科之一，這種聯(lián)系總是通過(guò)一定的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)，比如能源與資源的開(kāi)發(fā)和利用，材料的合成，環(huán)境的保護(hù)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。在以往的化學(xué)教學(xué)中過(guò)于重視知識(shí)的傳授，也在一定程度上聯(lián)系到生活與社會(huì)，然而與技術(shù)的聯(lián)系不夠緊密，出現(xiàn)了重科學(xué)輕技術(shù)的現(xiàn)象。進(jìn)入新世紀(jì)課程改革以來(lái)，提高所有學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)己經(jīng)成為我國(guó)中學(xué)科學(xué)教育目標(biāo)中的核心內(nèi)容之一[12]。滲透技術(shù)素養(yǎng)的課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的一個(gè)良好途徑。在化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)，可以潛移默化地使學(xué)生自覺(jué)思考到底什么是真正的技術(shù)、如何使技術(shù)在人類社會(huì)中發(fā)揮作用，思考在科學(xué)轉(zhuǎn)化為技術(shù)的過(guò)程中，到底為什么要轉(zhuǎn)化、怎么轉(zhuǎn)化，以及某一技術(shù)的真正內(nèi)涵或包含要素等等[13]。本文是以技術(shù)素養(yǎng)內(nèi)涵和技術(shù)素養(yǎng)三個(gè)維度等理論為基礎(chǔ)，結(jié)合普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，將“硫酸的制備和性質(zhì)”這節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)分為：技術(shù)知識(shí)，技術(shù)能力、思想和方法，技術(shù)情感態(tài)度價(jià)值觀，并立足技術(shù)素養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施。

3 “硫酸的制備與性質(zhì)”教學(xué)設(shè)計(jì)

“硫酸的制備和性質(zhì)”是蘇教版必修《化學(xué)1》專題4“硫、氮和可持續(xù)發(fā)展”第一單元“含硫化合物的性質(zhì)和應(yīng)用”中的第二節(jié)內(nèi)容，是中學(xué)階段為數(shù)不多的作為化工知識(shí)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，特征顯著，條理清晰，易于在教學(xué)中整合，并且其中包含了大量的技術(shù)原理及技術(shù)思想。盡管硫酸在工業(yè)中的應(yīng)用學(xué)生在生活中就有所耳聞，但真正的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，學(xué)生知之甚少。在本課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生既可以聯(lián)系原有知識(shí)和生活實(shí)際來(lái)學(xué)習(xí)硫酸的制備和性質(zhì)，又可以站在技術(shù)的角度上進(jìn)一步運(yùn)用探究性學(xué)習(xí)的方法，探究硫酸生產(chǎn)中的技術(shù)要素，所以本課是一節(jié)將學(xué)科知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的重要內(nèi)容，是充分滲透著技術(shù)思想的一節(jié)內(nèi)容。

3.1 教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如表3所示。

3.2 教學(xué)流程

見(jiàn)圖1。

3.3 教學(xué)課堂實(shí)錄

環(huán)節(jié)一：工業(yè)制H2SO4反應(yīng)原理的確定

[情境引入]硫酸被譽(yù)為化學(xué)工業(yè)之母，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用，是衡量一個(gè)國(guó)家的化工生產(chǎn)能力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

[投影]作為基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品，硫酸也是許多企業(yè)的生產(chǎn)原料，農(nóng)業(yè)方面，硫酸可以用來(lái)制化肥和農(nóng)藥；工業(yè)上，可以酸洗除去金屬表面的氧化物膜，制取許多有實(shí)用價(jià)值的硫酸鹽，精煉石油等；軍事上，可以用來(lái)制造炸藥；實(shí)驗(yàn)室中，常用作干燥劑，制取各種揮發(fā)性酸等等。

[設(shè)問(wèn)]硫酸有如此多的用途和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，投資硫酸工業(yè)生產(chǎn)必定潛力無(wú)窮，那我們就來(lái)角色模擬一位硫酸企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)師，生產(chǎn)硫酸我們需要具備什么樣的知識(shí)呢？

[生]工業(yè)制備硫酸的方法、工藝流程、反應(yīng)原理、生產(chǎn)設(shè)備、原材料的選擇等等。

[設(shè)問(wèn)]硫酸的制備從一千多年前的加熱膽礬或綠礬的方法至今有許多的方法，我們應(yīng)該如何選擇呢？請(qǐng)充分考慮可行性與最優(yōu)化原則，可多步完成。

[投影]制備硫酸的方法有：

[討論] 1，2的方法固體加熱高溫能耗大，原料來(lái)源少，價(jià)格昂貴，副產(chǎn)物多，產(chǎn)量小，不易利用，難以大規(guī)模生產(chǎn)等，所以方法1，2不合適。Na2SO4制取H2SO4需要酸，同時(shí)生成一種鈉鹽。但產(chǎn)物中硫酸和鈉鹽都是可溶性的，故此反應(yīng)不能發(fā)生，所以方法5不可行。

選方法3，原因是S燃燒可生成SO2，原理方法簡(jiǎn)單。但是學(xué)生懷疑方法4中反應(yīng)可否發(fā)生。教師進(jìn)行解釋說(shuō)明，我國(guó)的黃鐵礦相對(duì)于單質(zhì)硫來(lái)說(shuō)，資源豐富，產(chǎn)量高。并且FeS2中的S是-1價(jià)，處于低價(jià)態(tài)，應(yīng)該能被氧化成高價(jià)態(tài)SO2。所以綜合多方面來(lái)說(shuō)方法4最合適。

[評(píng)價(jià)]同學(xué)們考慮周全，不僅考慮到反應(yīng)能否發(fā)生等科學(xué)問(wèn)題，還考慮到原料是否易得、反應(yīng)條件是否合適等經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題。世界上主要用硫磺制硫酸，是因?yàn)橛昧蚧亲髟铣杀镜?，?duì)環(huán)境的污染少。我國(guó)由于硫磺礦產(chǎn)資源較少，主要用黃鐵礦作原料。因此，工業(yè)制硫酸應(yīng)使用方法4最佳。

[學(xué)生書(shū)寫(xiě)]工業(yè)接觸法制硫酸反應(yīng)原理

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生親自選擇反應(yīng)原理與方法，并在選擇的過(guò)程中初步體會(huì)原料選取，反應(yīng)設(shè)備條件最優(yōu)化、降低成本等技術(shù)思想，逐步發(fā)展自己的技術(shù)素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)二：反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)

[追問(wèn)]反應(yīng)原理已經(jīng)選好，整個(gè)制備過(guò)程也就分為了三階段。那第一階段的反應(yīng)裝置應(yīng)如何設(shè)計(jì)呢？

[生]第一階段是固體和氣體高溫反應(yīng)，可以用高溫的爐子燃燒黃鐵礦，然后用排氣管道將生成的SO2轉(zhuǎn)移到下一個(gè)裝置，剩余的不反應(yīng)的爐渣可以從爐子下邊排掉。

[追問(wèn)]那我們?nèi)绾巫龅皆侠寐首畲蠡?，并且提高產(chǎn)率呢？

[討論]可以將黃鐵礦在入爐之前進(jìn)行粉碎，增大反應(yīng)接觸面積。也可以將礦石進(jìn)口料放在進(jìn)風(fēng)口的上面，這樣氣流與礦石接觸更加充分。不必選用純凈的O2，選用空氣就可以，這樣可以節(jié)約成本。

[繼續(xù)追問(wèn)]生成的氣體可以直接通入到第二個(gè)反應(yīng)裝置嗎？

[生]不可以，生成的爐氣里含有雜質(zhì)，需要除雜凈化，否則在SO2被氧化成SO3的反應(yīng)裝置里會(huì)使催化劑中毒，同時(shí)還要干燥，水蒸氣會(huì)對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)造成影響。

[追問(wèn)]那第二步SO2被催化氧化成SO3的設(shè)備又該如何設(shè)計(jì)才能使利用率與轉(zhuǎn)化率都更高呢？

[生]SO2被催化氧化成SO3這個(gè)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可以吸收這些熱進(jìn)行再次利用，使氣體與熱交換器逆流吸收熱的效果更好，并且使催化劑與SO2和O2充分接觸。

[投影展示]多媒體演示接觸法制硫酸的工藝流程，以及各個(gè)階段所使用的設(shè)備。

[質(zhì)疑]為什么用98.3%濃硫酸吸收SO3而不直接用水吸收呢？

[生] SO3溶于水形成硫酸是放熱反應(yīng)，放出的大量的熱會(huì)造成酸霧，不利于SO3的吸收。

[教師補(bǔ)充]濃硫酸長(zhǎng)時(shí)間不使用其濃度會(huì)變低；濃硫酸的吸水性很強(qiáng)而且可以使帶結(jié)晶水的化合物失去結(jié)晶水；從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)也很樂(lè)觀。

設(shè)計(jì)意圖：在選取了生產(chǎn)原料之后，學(xué)生進(jìn)入到反應(yīng)裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程。在裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以體會(huì)到對(duì)原料的處理，進(jìn)料口與進(jìn)風(fēng)口的相對(duì)位置的設(shè)計(jì)，爐氣的凈化等可以提高生產(chǎn)率，保護(hù)反應(yīng)裝置等技術(shù)思想與方法。

環(huán)節(jié)三：尾氣處理方法的確定

[提問(wèn)]硫酸廠的尾氣可能含有什么成分？應(yīng)該如何處理呢？

[生]尾氣中含有SO2、O2、SO3、N2等，直接排放會(huì)污染大氣。通過(guò)查閱資料可以用氨水來(lái)吸收尾氣，生成的硫酸銨可以做化肥，做到綠色環(huán)保。

[投影]總結(jié)1.三個(gè)過(guò)程；2.三個(gè)設(shè)備；3.三個(gè)反應(yīng)。

1.沸騰爐：

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生利用已有的理論知識(shí)和工藝知識(shí)進(jìn)行發(fā)散思維，提出切合實(shí)際的、彰顯技術(shù)思想的制備硫酸的反應(yīng)設(shè)備，并且能對(duì)尾氣提出合理的處理方法，也顯示出了綠色化學(xué)的思想，進(jìn)而對(duì)學(xué)生進(jìn)行技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)，取代了將裝置原理圖直接灌輸給學(xué)生的傳統(tǒng)教學(xué)方式。

環(huán)節(jié)四：總結(jié)與提升

鼓勵(lì)學(xué)生親自將討論出來(lái)的硫酸生產(chǎn)裝置畫(huà)在草稿紙上，對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)注，并與書(shū)上的硫酸制備流程圖進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)予以肯定與評(píng)價(jià)。學(xué)生可以體會(huì)到在實(shí)際遇到問(wèn)題中如何利用技術(shù)進(jìn)行解決的過(guò)程，利用技術(shù)解決問(wèn)題的過(guò)程中所收獲的技術(shù)知識(shí)記憶會(huì)更加深刻，在最后的總結(jié)中贊賞技術(shù)為社會(huì)所帶來(lái)的進(jìn)步。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生親自將整個(gè)流程圖畫(huà)出來(lái)，既是對(duì)本節(jié)課工業(yè)制硫酸的反應(yīng)原理、步驟、裝置設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)的整體回顧與掌握，也是從整體角度上感受技術(shù)給硫酸工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的進(jìn)步，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行技術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)的最佳方式。

4 設(shè)計(jì)反思

借助化學(xué)課堂這一載體，通過(guò)硫酸制備的教學(xué)設(shè)計(jì)，在工業(yè)制取硫酸的原料選擇上、制取裝置的設(shè)計(jì)上，以及結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益角度有目的地引導(dǎo)學(xué)生切實(shí)感受到技術(shù)在實(shí)際硫酸生產(chǎn)中的應(yīng)用，體會(huì)到技術(shù)所帶來(lái)的硫酸產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益的提高，尾氣處理綠色環(huán)保的獨(dú)特魅力，思考和理解硫酸生產(chǎn)的化學(xué)歷史背景、制取硫酸反應(yīng)原理、硫酸的社會(huì)價(jià)值；同時(shí)以工業(yè)生產(chǎn)硫酸為載體引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)技術(shù)、正確掌握技術(shù)、合理使用技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)意識(shí)，逐步培養(yǎng)技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)理性、技術(shù)思想、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)道德與技術(shù)倫理等觀念，最終形成一定的技術(shù)素養(yǎng)。即從技術(shù)知識(shí)開(kāi)始，通過(guò)技術(shù)能力培養(yǎng)和技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)，逐步提升到技術(shù)思想和技術(shù)設(shè)計(jì)、技術(shù)理性和技術(shù)評(píng)價(jià)水平。所以在化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)，既有利于增強(qiáng)化學(xué)在利用技術(shù)解決社會(huì)問(wèn)題中的作用，也更有利于促進(jìn)學(xué)生個(gè)人素質(zhì)的全面發(fā)展。

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