從情境素材到設(shè)計(jì)基于真實(shí)情境的化學(xué)教學(xué)

梁弘文 武衍杰 黃丹青

摘要： 在分析化學(xué)教學(xué)情境相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)優(yōu)質(zhì)化學(xué)教學(xué)情境的結(jié)構(gòu)和特征，提出從孤立的情境素材事件到生成課堂教學(xué)情境的設(shè)計(jì)流程： 選擇適切的情境素材;抽提學(xué)科核心知識(shí)或?qū)W科核心概念;完善情境素材結(jié)構(gòu)。并以“工業(yè)制硝酸”真實(shí)情境素材為例，將這一設(shè)計(jì)流程付諸于教學(xué)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞： 情境素材; 教學(xué)情境; 工業(yè)制硝酸; 教學(xué)研究

文章編號(hào)： 10056629（2019）9005605? ? ? ? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新課標(biāo)）明確提出，真實(shí)、具體的問(wèn)題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)[1]。因此，素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)要求教師應(yīng)積極創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問(wèn)題情境，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。新課標(biāo)中在每一主題下基本都增加了“情境素材建議”，這為教師設(shè)計(jì)基于真實(shí)情境的教學(xué)提供了豐富資源。但新課標(biāo)中情境素材建議的表述較為簡(jiǎn)單，只是一個(gè)個(gè)孤立的事件，對(duì)于提供的這些素材如何結(jié)合教學(xué)主題在課堂教學(xué)中進(jìn)行設(shè)計(jì)和呈現(xiàn)卻沒(méi)有過(guò)多說(shuō)明。因此，從選定課堂教學(xué)中要使用的情境素材到設(shè)計(jì)基于真實(shí)情境的教學(xué)需要教師的再創(chuàng)造。

1? 從情境素材到課堂教學(xué)情境

什么樣的情境是一個(gè)好的化學(xué)教學(xué)情境，這是開(kāi)發(fā)情境素材要搞清楚的理論問(wèn)題。楊玉琴、王祖浩[2]提出，化學(xué)教學(xué)情境的本質(zhì)屬性是蘊(yùn)含學(xué)科問(wèn)題，核心內(nèi)涵是引導(dǎo)知識(shí)建構(gòu)，深層價(jià)值是促進(jìn)知識(shí)遷移，情感取向是弘揚(yáng)學(xué)科價(jià)值。鄭長(zhǎng)龍[3]認(rèn)為，一個(gè)好的化學(xué)教學(xué)情境應(yīng)該具備“真實(shí)、生動(dòng)、激疑”的特點(diǎn)，在情境真實(shí)而有意義的基礎(chǔ)上要特別注重發(fā)揮化學(xué)教學(xué)情境的“激疑”功能，即要通過(guò)情境設(shè)計(jì)將學(xué)生疑問(wèn)聚焦在課堂所要解決的化學(xué)問(wèn)題上。畢華林[4]指出，化學(xué)課程中的情境應(yīng)能揭示知識(shí)產(chǎn)生的背景和條件，具有明確的知識(shí)指向性，能引發(fā)學(xué)生積極的思維活動(dòng)，具有遷移價(jià)值。上述對(duì)于教學(xué)情境特征的觀點(diǎn)表述雖然略有差異，但都認(rèn)為好的教學(xué)情境應(yīng)蘊(yùn)含學(xué)科問(wèn)題，能夠激發(fā)學(xué)生的思維。如何將課標(biāo)提供的或教師收集的孤立的情境素材事件設(shè)計(jì)成能夠在課堂教學(xué)中使用的教學(xué)情境，這是開(kāi)發(fā)情境素材的實(shí)操問(wèn)題。張小菊、王祖浩指出，一個(gè)優(yōu)質(zhì)的、結(jié)構(gòu)完整的化學(xué)課堂教學(xué)情境應(yīng)具備以下結(jié)構(gòu)特征： 發(fā)生在一定的時(shí)空條件下，圍繞化學(xué)核心概念或科學(xué)方法而展開(kāi)的具體事件;包含將要解決的化學(xué)學(xué)科的核心問(wèn)題;建立在學(xué)生已有的化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)之上、為學(xué)生的交流和參與化學(xué)特定主題的學(xué)習(xí)提供框架;圍繞核心事件的素材、源于學(xué)生的日常生活或具有當(dāng)代社會(huì)發(fā)展意義的主題[5]。很顯然，教師收集到的或課標(biāo)中直接提供的情境素材只符合課堂教學(xué)情境的第一個(gè)結(jié)構(gòu)特征，只是一個(gè)個(gè)具體的事件，并不是一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的課堂教學(xué)情境。王偉、王后雄[6]提出，從情境素材到生成課堂教學(xué)情境的邏輯路線，即教學(xué)目標(biāo)——情境素材——教學(xué)活動(dòng)，認(rèn)為三者是相互作用的統(tǒng)一體，情境素材的收集與使用受到教學(xué)目標(biāo)的制約，而基于情境素材設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)又可以服務(wù)于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

結(jié)合上述觀點(diǎn)，可形成如圖1所示的情境素材開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程。從情境素材到課堂教學(xué)情境的設(shè)計(jì)，首先要結(jié)合教學(xué)目標(biāo)選擇適切的教學(xué)情境，這點(diǎn)可以通過(guò)教師平常的積累或直接選擇新課標(biāo)每一主題下提供的情境素材（課標(biāo)中提供的情境素材都是切合主題教學(xué)目標(biāo)的）來(lái)解決;其次要從選擇的情境素材中抽提出其蘊(yùn)含的學(xué)科核心知識(shí)或?qū)W科核心概念，這樣才能使后續(xù)的學(xué)生活動(dòng)指向?qū)W科活動(dòng);最后要完善情境素材的結(jié)構(gòu)。孤立的情境素材事件并不能直接運(yùn)用到課堂教學(xué)中，教師必須基于情境素材設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，在這一過(guò)程中要將情境素材中蘊(yùn)含的學(xué)科核心知識(shí)或?qū)W科核心概念設(shè)計(jì)成學(xué)科問(wèn)題融入基于真實(shí)情境的教學(xué)活動(dòng)中，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)框架。整個(gè)情境的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程必須凸顯“情境、知識(shí)、問(wèn)題、活動(dòng)”的融合。下面以“工業(yè)制硝酸”這一情境素材為例，說(shuō)明從情境素材到設(shè)計(jì)基于真實(shí)情境教學(xué)的過(guò)程。

2? “工業(yè)制硝酸”情境素材的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1? “工業(yè)制硝酸”情境素材介紹

硝酸的生產(chǎn)工藝根據(jù)氧化壓力和吸收壓力的不同，主要分為常壓法、全中壓法、綜合法、全高壓法和雙加壓法等5種工藝。這幾種流程都屬于氨接觸氧化法制硝酸原理，遵循氨氧化物制NO、NOx與水反應(yīng)吸收成酸、尾氣氮氧化物的脫除、空氣和氧化氮?dú)怏w的壓縮及能量回收四個(gè)步驟[7]。特別是雙加壓法生產(chǎn)硝酸具有氨利用率高、鉑耗低、吸收率高、熱能回收利用率高、尾氣中NOx含量低實(shí)現(xiàn)了清潔排放等特點(diǎn)，利于培養(yǎng)學(xué)生能源循環(huán)利用、綠色化學(xué)的思想。具體工業(yè)生產(chǎn)流程如圖2所示?？諝饨?jīng)凈化后與氨氣在接觸氧化器中發(fā)生催化氧化，生成氮氧化物（氮氧化物成分復(fù)雜，但結(jié)合中學(xué)氨的催化氧化反應(yīng)，可視為NO）;由于催化氧化在高溫條件下進(jìn)行，且氨的催化氧化為放熱反應(yīng)，因此氮氧化物在熱交換器和余熱鍋爐中降溫，在此過(guò)程中NO被氧化為NO2，熱量被回收;為促進(jìn)NO2的吸收，在加壓條件下，將生成的NO2通入水冷卻器并與冷凝水（防止溫度高硝酸分解）反應(yīng)生成稀硝酸和NO;稀硝酸經(jīng)離心泵分離回收至稀硝酸高槽（耐腐蝕材料制成的硝酸收集設(shè)備）;NO進(jìn)入氧化塔進(jìn)一步被氧化為NO2，NO2進(jìn)入吸收塔又生成稀硝酸和NO，反復(fù)多次循環(huán)，可使尾氣氮氧化物含量大大降低，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn);濃縮塔可濃縮稀硝酸至濃硝酸。

2.2? “工業(yè)制硝酸”情境素材與教學(xué)目標(biāo)適切性分析

在高中化學(xué)必修課程中，新課標(biāo)將“工業(yè)制硝酸”作為重要的情境素材建議用來(lái)學(xué)習(xí)“氮及其重要化合物的主要性質(zhì)”;選修課程《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》中，新課標(biāo)也將“氨氧化法制硝酸”作為模擬化工生產(chǎn)過(guò)程的重要實(shí)驗(yàn)載體。在現(xiàn)行三個(gè)版本《化學(xué)1》教材中都有提及“工業(yè)制硝酸”，如蘇教版化學(xué)教材中將“工業(yè)制硝酸”過(guò)程以“問(wèn)題解決”的形式呈現(xiàn)在專(zhuān)題四第二單元“生產(chǎn)生活中的含氮化合物”中;魯科版化學(xué)教材中以“工業(yè)制硝酸”為情境設(shè)計(jì)了習(xí)題檢測(cè)學(xué)生對(duì)“氮的循環(huán)”的掌握。因此“工業(yè)制硝酸”是重要的課程內(nèi)容，在必修課程中進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可用來(lái)學(xué)習(xí)“氮及其化合物的主要性質(zhì)”。本節(jié)課選自魯科版《化學(xué)1》第三章第2節(jié)“氮的循環(huán)”（第二課時(shí)）。通過(guò)解讀新課標(biāo)對(duì)氮及其化合物內(nèi)容和學(xué)業(yè)的要求可進(jìn)一步明確“工業(yè)制硝酸”情境素材與教學(xué)目標(biāo)間的適切性，如圖3所示。

2.3? “工業(yè)制硝酸”情境素材中學(xué)科核心知識(shí)抽提

結(jié)合雙加壓法生產(chǎn)硝酸的具體過(guò)程，“工業(yè)制硝酸”流程蘊(yùn)含著不同價(jià)態(tài)含氮化合物之間的轉(zhuǎn)化，學(xué)生可以借助氧化還原反應(yīng)原理分析N2—NH3—NO—NO2—HNO3之間的轉(zhuǎn)化路徑;而在實(shí)際的工業(yè)制硝酸生產(chǎn)過(guò)程中，又面臨著許多實(shí)際問(wèn)題，例如“如何保證NO2與水反應(yīng)吸收成酸的效率”“為什么要把NO2通入冷卻水中吸收成酸”“如何脫除尾氣中的氮氧化物”“如何選擇合適的生產(chǎn)設(shè)備”等，這些實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題蘊(yùn)含了氮及其化合物的重要性質(zhì)，其中NO和NO2與水和氧氣間的循環(huán)反應(yīng)可以為尾氣的達(dá)標(biāo)排放提供思路;硝酸的不穩(wěn)定性以及較強(qiáng)的氧化性等性質(zhì)決定了硝酸要在低溫條件下生成，防止分解;面對(duì)硝酸的強(qiáng)氧化性，工藝生產(chǎn)設(shè)備有特殊要求，需要耐強(qiáng)酸耐腐蝕等，而冷的濃硝酸遇鐵、鋁等金屬發(fā)生鈍化反應(yīng)為設(shè)備材料的選擇提供了思路等。具體情境素材蘊(yùn)含的學(xué)科核心知識(shí)見(jiàn)圖5。

2.4? “工業(yè)制硝酸”情境素材中學(xué)科問(wèn)題設(shè)計(jì)

抽提出的學(xué)科核心知識(shí)要結(jié)合具體情境設(shè)計(jì)成學(xué)科問(wèn)題，通過(guò)基于真實(shí)情境的學(xué)科問(wèn)題將學(xué)生的疑問(wèn)聚焦在本節(jié)課所要學(xué)習(xí)的化學(xué)核心知識(shí)上，引發(fā)學(xué)生積極思考。學(xué)科問(wèn)題的設(shè)計(jì)要具有連貫性，基于真實(shí)情境的課堂教學(xué)整節(jié)課都應(yīng)圍繞情境中的問(wèn)題依次遞進(jìn)展開(kāi)，而不是扣情境的“帽子”。讓學(xué)生在真實(shí)情境中調(diào)用教材知識(shí)推進(jìn)課堂教學(xué)的進(jìn)行，能夠給予學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的深度體驗(yàn)，可以最大限度地激發(fā)學(xué)生的興趣，在這種深度參與的課堂中能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本素材中的學(xué)科問(wèn)題可按照工業(yè)制硝酸的實(shí)際生產(chǎn)流程來(lái)設(shè)計(jì)，并圍繞工業(yè)制硝酸的生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)討論，將工業(yè)生產(chǎn)和化學(xué)知識(shí)充分融合，形成如圖5所示的學(xué)科問(wèn)題。

2.5? 基于“工業(yè)制硝酸”情境素材的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

有關(guān)元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)，新課標(biāo)中要求“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究”了解元素及其化合物的重要性質(zhì)。但面對(duì)“工業(yè)制硝酸”情境，考慮中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)際，不可能像培養(yǎng)“化學(xué)工程”類(lèi)人才一樣走進(jìn)化工廠進(jìn)行教學(xué)，只能是以真實(shí)的化工生產(chǎn)過(guò)程等為研究對(duì)象，對(duì)化工生產(chǎn)的原理、流程等進(jìn)行復(fù)原、模擬、評(píng)價(jià)等。因此，本節(jié)的教學(xué)活動(dòng)可以圍繞整個(gè)工業(yè)制硝酸的生產(chǎn)過(guò)程展開(kāi)討論，將學(xué)科問(wèn)題融入所開(kāi)展的討論活動(dòng)中，例如可以讓學(xué)生根據(jù)圖2的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)要分析工業(yè)制硝酸的過(guò)程，看學(xué)生在技術(shù)原理的基礎(chǔ)上還能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的哪些問(wèn)題;緊接著教師可以根據(jù)硝酸生產(chǎn)布置學(xué)習(xí)任務(wù)，如“分析為什么尾氣可以直接排放”“思考如何提高氮氧化物的吸收效率”“探討為什么氮氧化物要降溫還要通入冷卻水中成酸”“尋找合適的硝酸生產(chǎn)設(shè)備材料”等。以“尋找合適的硝酸生產(chǎn)設(shè)備材料”教學(xué)活動(dòng)為例，在具體實(shí)施教學(xué)中學(xué)生大多從物質(zhì)類(lèi)別的角度“酸的通性”考慮，認(rèn)為酸不能和金屬銅反應(yīng)因此可選用銅作設(shè)備材料，說(shuō)明學(xué)生仍沒(méi)有認(rèn)識(shí)到硝酸的強(qiáng)氧化性。通過(guò)教師演示銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硝酸作為強(qiáng)氧化性酸不同于其他的非氧化性酸。此教學(xué)活動(dòng)的課堂實(shí)錄如下。

[教師]大家思考一下，如果在實(shí)際工業(yè)中，生產(chǎn)硝酸的裝置設(shè)備材料應(yīng)該有哪些要求？

[學(xué)生]耐高溫、高壓和耐酸腐蝕。

[教師]可以選擇哪種材料？

[學(xué)生]銅會(huì)比較好，銅的活動(dòng)性弱，銅不會(huì)和酸反應(yīng)。

[教師]（演示銅與稀硝酸、濃硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)）硝酸具有很強(qiáng)的氧化性，幾乎可以將所有金屬（金、鉑、鈦除外）氧化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象寫(xiě)出銅與稀、濃硝酸反應(yīng)的化學(xué)方程式。

[學(xué)生]化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)。

[教師]硝酸的強(qiáng)氧化性決定了銅不能用來(lái)制作硝酸生產(chǎn)設(shè)備，請(qǐng)大家結(jié)合資料卡片（見(jiàn)圖4），根據(jù)硝酸的特性選擇合適材料。

[學(xué)生]選擇鐵或鋁。

[教師]Al、 Fe在冷的濃硫酸、濃硝酸中其表面形成致密的氧化物薄膜而鈍化，根據(jù)硝酸的這一特性可以選擇鋁或鐵作為設(shè)備材料，特別是鑄鐵中加入硅更能大大增強(qiáng)其抗腐蝕性能。

通過(guò)上述教學(xué)目標(biāo)與情境素材適切性分析、學(xué)科核心知識(shí)抽提、學(xué)科問(wèn)題設(shè)計(jì)以及教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)形成如圖5所示的教學(xué)思路。

3? 結(jié)語(yǔ)

從普通的情境素材到課堂教學(xué)情境需要經(jīng)過(guò)教師的再創(chuàng)造，通過(guò)教學(xué)目標(biāo)與情境素材的適切性分析、情境素材中學(xué)科核心知識(shí)的抽提、基于情境素材的學(xué)科問(wèn)題和教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)可以將情境素材和教材知識(shí)密切結(jié)合，而不只是扣情境的“帽子”。學(xué)生在這種真實(shí)情境中調(diào)用教材知識(shí)推進(jìn)課堂，可以最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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