化工思維引領(lǐng)的高中化學(xué)課堂深度學(xué)習(xí)

張玉娟　朱征　劉芳

【摘 要】《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》關(guān)注化學(xué)教學(xué)對學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展的意義，人教版高中化學(xué)新教材新增設(shè)《化學(xué)與職業(yè)》欄目。以“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”為例，教師可設(shè)計(jì)工業(yè)制硫酸的“藍(lán)圖設(shè)計(jì)—關(guān)鍵轉(zhuǎn)化—污染防治”這一真實(shí)情境主線，在教學(xué)中融入化學(xué)工程師的化工思維，準(zhǔn)確定位教學(xué)與評價(jià)目標(biāo)，將化工思維運(yùn)用到問題的分析與解決之中，引領(lǐng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)化學(xué)課程的深度學(xué)習(xí)。

【關(guān)鍵詞】化工思維；深度學(xué)習(xí)；教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號】G633.8? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2022）83-0051-04

【作者簡介】1.張玉娟，南京外國語學(xué)校（南京，210008）教師，高級教師，南京市學(xué)科帶頭人；2.朱征，南京外國語學(xué)校（南京，210008）教師，正高級教師，江蘇省化學(xué)特級教師；3.劉芳，江蘇省教育考試院（南京，210036）副教授。

“化學(xué)課程不能滿足于教給學(xué)生具體知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科的思維方式?！保?］《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）建議使用能展示“與化學(xué)有關(guān)的職業(yè)及其與化學(xué)科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)系”［2］25的情境素材。人教版高中化學(xué)新教材新增設(shè)《化學(xué)與職業(yè)》欄目，介紹與化學(xué)相關(guān)的職業(yè)的特點(diǎn)、工作內(nèi)容、知識背景、就業(yè)方向等。［3］

“化工工程師”是必修第二冊第五章第一節(jié)第四課時“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”的內(nèi)容，介紹了化工工程師的職業(yè)概念、主要工作以及必備的職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)知識。通常，我們將化工工程師對化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施時的思考方式稱為“化工思維”?；に季S是以化學(xué)及工程學(xué)知識為基礎(chǔ)，集成多學(xué)科知識，權(quán)衡多方面因素對一項(xiàng)化工生產(chǎn)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)施、改進(jìn)、評價(jià)等一系列過程中所運(yùn)用到的思維方式。如何將化工思維運(yùn)用到本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)之中？筆者在執(zhí)教該節(jié)內(nèi)容時，做了認(rèn)真的思考與嘗試。

一、聚焦核心素養(yǎng)，深度分析課標(biāo)、教材與學(xué)情

學(xué)科教學(xué)中，教師只有站在學(xué)科體系之上，選擇最為核心的知識內(nèi)容，高效智慧地進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，［4］才能引導(dǎo)學(xué)生積極主動地探索、理解，批判地學(xué)習(xí)，靈活地遷移與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)真正有“深度”的學(xué)習(xí)。

結(jié)構(gòu)化處理方式多樣，包括知識點(diǎn)的結(jié)構(gòu)化，也包括將學(xué)科核心知識與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)化，或是對學(xué)科核心知識與社會發(fā)展、科技成果的結(jié)構(gòu)化。這些都離不開教師對學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)真研讀與理解，準(zhǔn)確把握學(xué)科素養(yǎng)目標(biāo)與最新課程理念。

1.課標(biāo)解讀

新課標(biāo)“內(nèi)容要求”中指出“認(rèn)識元素在物質(zhì)中可以具有不同價(jià)態(tài)，可通過氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)含有不同價(jià)態(tài)同種元素的物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化”［2］14，并建議“結(jié)合實(shí)例認(rèn)識非金屬及其化合物的多樣性，了解通過化學(xué)反應(yīng)可以探索物質(zhì)性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，認(rèn)識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在促進(jìn)社會文明進(jìn)步、自然資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)中的重要價(jià)值”［2］15。

新課標(biāo)在“教學(xué)策略”部分將該部分內(nèi)容確定為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)活動5），并在“學(xué)業(yè)要求”中明確“能從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)的角度，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和變化，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步驗(yàn)證，并能分析、解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”［2］17，同時設(shè)置了“與同伴合作實(shí)驗(yàn)探究”“通過實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)變化規(guī)律，設(shè)計(jì)簡單實(shí)驗(yàn)方案”等不同等級的學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這一系列要求印證了實(shí)驗(yàn)探究活動的“高水平”要求，也顯示出在該部分內(nèi)容教學(xué)中設(shè)計(jì)、融入高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動的重要性。

2.教材分析

“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”是人教版化學(xué)教材必修第二冊第五章第一節(jié)“硫及其化合物”中第四部分的內(nèi)容。在此之前，學(xué)生已學(xué)習(xí)過硫、二氧化硫、硫酸及硫酸根離子檢驗(yàn)等相關(guān)知識，學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時既可梳理之前所學(xué)有關(guān)含硫物質(zhì)的知識，又可討論不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，幫助學(xué)生加深對硫及其化合物性質(zhì)的理解，構(gòu)建硫及其化合物的知識網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建元素及其化合物知識的學(xué)習(xí)方法模型。對氧化還原反應(yīng)原理及觀念的理解與應(yīng)用是學(xué)習(xí)不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。對比人教版、蘇教版與魯科版三個版本的教材，可以發(fā)現(xiàn)各版本教材在該部分內(nèi)容設(shè)計(jì)上略有差異。（見表1）

盡管三個版本教材的內(nèi)容編排有區(qū)別，但是都強(qiáng)調(diào)了硫元素的轉(zhuǎn)化，涉及了自然界及環(huán)境問題，滲透了化工生產(chǎn)與社會生活的聯(lián)系，并且都凸顯了氧化還原這一學(xué)科核心觀念。其中，人教版教材和魯科版教材更突出實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)習(xí)中的載體作用和育人價(jià)值，人教版教材更是安排了完全開放的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮教師的教學(xué)智慧和學(xué)生的主體作用。

3.學(xué)情研判

從知識層面分析，學(xué)生已掌握了一些學(xué)習(xí)元素化合物的方法，這有助于師生共同對“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化”中的學(xué)科核心知識開展有深度的加工，進(jìn)而全面深入地探究氧化還原觀念的學(xué)科本質(zhì)和應(yīng)用。

從能力維度分析，通過高中化學(xué)教材必修第一冊的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步形成了“變化”的觀念，基本具備運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理分析解決簡單的實(shí)際問題的能力。同時，該年齡段的學(xué)生思維活躍，具有較強(qiáng)的分析、概括和歸納能力，對事物具有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，并且能夠開展自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)。這些均有助于推進(jìn)本節(jié)課教學(xué)任務(wù)的順利開展，學(xué)生可以超越單純的知識記憶，實(shí)現(xiàn)學(xué)科理解，形成正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。

二、融入化工思維，準(zhǔn)確定位教學(xué)與評價(jià)目標(biāo)

以學(xué)科知識為主線，本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)可以設(shè)定為：（1）從類別、價(jià)態(tài)的視角預(yù)測和分析含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化方式和轉(zhuǎn)化關(guān)系，運(yùn)用價(jià)類圖解決真實(shí)情境中的真實(shí)問題；（2）開展高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動，解決含硫化合物的轉(zhuǎn)化問題；（3）感受“硫循環(huán)”在生產(chǎn)生活中的重要作用，感受化學(xué)在促進(jìn)人類發(fā)展和社會進(jìn)步中的重要價(jià)值。

在設(shè)計(jì)教學(xué)方案時，筆者以原料開發(fā)、物質(zhì)知識、反應(yīng)原理知識、化工知識、環(huán)境保護(hù)知識等為載體，將化工思維貫穿其中。設(shè)計(jì)工業(yè)制硫酸的“藍(lán)圖設(shè)計(jì)—關(guān)鍵轉(zhuǎn)化—污染防治”這一真實(shí)情境主線，將學(xué)科觀念的培養(yǎng)落實(shí)在解決情境任務(wù)的過程中，體現(xiàn)“教學(xué)評”的一致性，幫助學(xué)生體驗(yàn)、理解并初步形成化工思維模型。

具體設(shè)計(jì)如下：（1）通過設(shè)計(jì)工業(yè)制硫酸原料步驟的藍(lán)圖，初步構(gòu)建物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型，診斷并發(fā)展學(xué)生對物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知進(jìn)階；（2）通過分析工業(yè)制硫酸的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化反應(yīng)，學(xué)會運(yùn)用化學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題，診斷并發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力及交流評價(jià)能力；（3）通過討論工業(yè)制硫酸污染防治的措施，診斷并發(fā)展學(xué)生對工業(yè)生產(chǎn)方案的環(huán)境評估能力，增強(qiáng)其社會責(zé)任感。

三、落實(shí)素養(yǎng)評價(jià)，精心設(shè)計(jì)任務(wù)與活動主線

基于以上對課標(biāo)、教材和學(xué)情的分析，以及對教學(xué)和評價(jià)的目標(biāo)定位，筆者設(shè)計(jì)了一個個教學(xué)任務(wù)，推進(jìn)教學(xué)進(jìn)程，在不同的任務(wù)解決與教學(xué)活動中落實(shí)不同的素養(yǎng)評價(jià)。具體教學(xué)思路見圖1。

1.任務(wù)一，工業(yè)制硫酸的藍(lán)圖設(shè)計(jì)

如何模擬化學(xué)工程師在生產(chǎn)化工產(chǎn)品時的思路，首要是考慮原料選擇和生產(chǎn)路線設(shè)計(jì)。因此，筆者設(shè)計(jì)了兩個教學(xué)活動，包括繪制含硫物質(zhì)價(jià)類圖和討論使用什么原料及轉(zhuǎn)化路徑。學(xué)生在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅可以在回顧已學(xué)的各類含硫物質(zhì)的基礎(chǔ)上繪制價(jià)類圖，還可以在討論分析硫在自然界主要存在礦物（硫黃、黃鐵礦等）的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并書寫制備硫酸的相關(guān)化學(xué)方程式。

該任務(wù)幫助學(xué)生將硫及其化合物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系結(jié)構(gòu)化，讓學(xué)生體會學(xué)習(xí)元素及其化合物知識的一般方法，構(gòu)建認(rèn)知模型，發(fā)展符號表征能力以及化工生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)能力。

2.任務(wù)二，工業(yè)制硫酸的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化

當(dāng)確定了工業(yè)制硫酸的原料（黃鐵礦）之后，筆者幫助學(xué)生建立從原料到目標(biāo)產(chǎn)物（硫酸）是實(shí)現(xiàn)硫元素化合價(jià)升高的氧化還原的認(rèn)識，將化學(xué)學(xué)科思想融入這一化工思維中。筆者設(shè)計(jì)了兩個開放式的實(shí)驗(yàn)探究活動，分別是實(shí)現(xiàn)－2價(jià)硫到0價(jià)硫單質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及＋4價(jià)硫到＋6價(jià)硫的轉(zhuǎn)化。在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，教師給出可選用的試劑有Na2S溶液、Na2SO3溶液、H2O2溶液、溴水、酸性KMnO4溶液等，學(xué)生要動手展開實(shí)驗(yàn)探究，并在此基礎(chǔ)上解決選擇反應(yīng)物、選擇氧化劑、預(yù)測目標(biāo)產(chǎn)物、檢驗(yàn)以及預(yù)判實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等問題。

該任務(wù)意在提升學(xué)生依據(jù)氧化還原思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力。在分組討論、方案分享、實(shí)驗(yàn)探究、結(jié)果分享、評價(jià)反思等過程中培養(yǎng)學(xué)生的合作意識、實(shí)踐能力以及交流評價(jià)能力。

3.任務(wù)三，工業(yè)制硫酸的污染防治

在了解工業(yè)制硫酸的核心轉(zhuǎn)化反應(yīng)后，筆者引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)工程師的視角分析評估這一系列轉(zhuǎn)化過程中對環(huán)境的影響，提出解決二氧化硫污染問題的方案。脫硫方案具有開放性，要解決該問題，學(xué)生需充分分析二氧化硫的相關(guān)性質(zhì)，在諸多反應(yīng)中選擇應(yīng)用，并交流、分析、評價(jià)。

該任務(wù)的設(shè)計(jì)意圖在于發(fā)展學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和綠色化學(xué)觀念，用化工思維對化工生產(chǎn)過程做出環(huán)境評估，培養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)意識。在SO2污染防治的真實(shí)任務(wù)中，培養(yǎng)學(xué)生自主遷移運(yùn)用所學(xué)物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系的意識，使學(xué)生逐步建立多角度綜合評價(jià)問題解決方案的能力。

化工思維引領(lǐng)高中化學(xué)課堂的深度學(xué)習(xí)，首先要求教師善于選取合適的真實(shí)問題為素材，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)注重聯(lián)系社會生活的真實(shí)情境，尤其是化工生產(chǎn)情境，該問題情境要涵蓋學(xué)科核心知識、與教學(xué)內(nèi)容有效融合，并將化工思維和學(xué)科觀念滲透在問題解決的過程之中；其次，教師要引導(dǎo)學(xué)生親歷問題解決的全過程，注重師生互動、生生互動、共同探究，在提出、分析及解決問題的過程中，幫助學(xué)生將零散的知識點(diǎn)系統(tǒng)整合；最后，教師要重視營造高質(zhì)量思考與探究的氛圍，讓教學(xué)從無“趣”到有“趣”，從無“效”到有“效”。深度學(xué)習(xí)不僅能夠幫助學(xué)生形成良好的知識結(jié)構(gòu)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生靈活的思維和系統(tǒng)的觀念，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

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