走向核心素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)
——以“碳中和”情境下分壓平衡常數(shù)的教學(xué)實踐為例

廣東 胡凱威

深度學(xué)習(xí)是一種基于理解與遷移的、主動的、高投入的學(xué)習(xí)方式，注重學(xué)生對所學(xué)習(xí)知識的批判性理解，學(xué)習(xí)結(jié)果遷移性強(qiáng)。美國著名教育家約翰·杜威曾說過“如果我們?nèi)杂米蛱斓慕逃囵B(yǎng)今天的兒童，那我們就是在剝奪他們的明天”。深度學(xué)習(xí)是走向課程改革、落實核心素養(yǎng)的必經(jīng)之路，作為一線教師，需“親歷親為，親身體驗”。

一、確定挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題——分壓平衡常數(shù)

分壓平衡常數(shù)是教材中濃度平衡常數(shù)的延伸，筆者分析近幾年的高考卷，統(tǒng)計分壓平衡常數(shù)的考查情況如表1所示，可知其考查頻率越來越高，難度普遍較大，但也有難度較低的情況出現(xiàn)，例如2021年全國甲卷和廣東省選擇性考試中均出現(xiàn)了簡單考查的情況，因此，在復(fù)習(xí)中教師有必要幫助學(xué)生認(rèn)識、掌握分壓平衡常數(shù)的概念和計算。

續(xù)表

二、設(shè)計“體現(xiàn)育人價值，彰顯核心素養(yǎng)及水平進(jìn)階”的教學(xué)目標(biāo)

1.通過探討平衡常數(shù)的發(fā)展歷史過程，幫助學(xué)生深刻認(rèn)識分壓平衡常數(shù)。

2.利用典型例題，建構(gòu)分壓平衡常數(shù)的解題模型。

3.借助“碳中和”情境，引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化解題模型，提升學(xué)生數(shù)據(jù)處理、圖像讀取的能力。

4.引導(dǎo)學(xué)生響應(yīng)國家“碳達(dá)峰”“碳中和”的號召，落實科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4個教學(xué)目標(biāo)依次體現(xiàn)由知識目標(biāo)到能力目標(biāo)到情感目標(biāo)的水平進(jìn)階。前三個目標(biāo)意在發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、變化觀念與平衡思想的學(xué)科核心素養(yǎng)。最后一個目標(biāo)回歸育人價值——立德樹人。

三、深度教學(xué)的策略運(yùn)用

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中的教學(xué)策略建議為“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷化學(xué)平衡常數(shù)模型建構(gòu)的過程?！蓖?，教師需要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷由濃度平衡常數(shù)遷移到分壓平衡常數(shù)的模型建構(gòu)過程。結(jié)合劉月霞、郭華主編的《深度學(xué)習(xí)：走向核心素養(yǎng)(理論普及讀本)》，筆者設(shè)計了如圖1所示的四個教學(xué)策略。

圖1 基于深度學(xué)習(xí)的四個教學(xué)策略

四、教學(xué)流程

1.學(xué)習(xí)活動設(shè)計圖

圖2 分壓平衡常數(shù)的深度學(xué)習(xí)活動設(shè)計

2.教學(xué)主要環(huán)節(jié)

環(huán)節(jié)一：Kp的“前世今生”

【導(dǎo)入】1867年，挪威化學(xué)家C.M.古德貝格和P.瓦格通過大量實驗發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)中生成物濃度的冪之積與反應(yīng)物濃度的冪之積的比值是一個常數(shù)，即同學(xué)們熟悉的濃度平衡常數(shù)。

【追問】實際生產(chǎn)過程中，氣體的濃度和氣體的壓強(qiáng)，哪一個更容易測定？

【投影】工廠生產(chǎn)中的氣壓計。

圖3

圖4

【追問】Kc與Kp代表反應(yīng)進(jìn)行的程度是否一致？

提示：理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT(一定溫度下，R是一個常數(shù))，請同學(xué)們借助該方程，分析、推導(dǎo)濃度和壓強(qiáng)之間的關(guān)系。

【啟示】恒溫氣體反應(yīng)體系中，氣體的分壓與濃度成正比，兩者代表的意義并不沖突。

【追問】Kp在使用過程中，會出現(xiàn)哪些問題？

【小結(jié)】方法一：規(guī)定使用統(tǒng)一單位。

方法二：可以引入量綱(總壓強(qiáng)或者標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng))，圖5是化學(xué)平衡常數(shù)演變和優(yōu)化的過程(以合成氨的反應(yīng)為例)。

圖5

【投影】近幾年高考中有關(guān)Kp的考查情況。

【啟示】雖然分壓平衡常數(shù)的考查難度普遍較大，但也出現(xiàn)了簡單考查的情況，因此還是不應(yīng)該放棄掌握Kp。

【設(shè)計意圖】以Kp發(fā)展的歷史情境作為引導(dǎo)線，設(shè)置一系列環(huán)環(huán)相扣的問題驅(qū)動學(xué)生探討、質(zhì)疑Kp存在的必要性和不足之處，引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化Kp，從而延伸到近些年高考中出現(xiàn)的相對壓力或標(biāo)準(zhǔn)壓力平衡常數(shù)，有助于學(xué)生完整、系統(tǒng)、有序地認(rèn)識分壓平衡常數(shù)。

環(huán)節(jié)二：構(gòu)建分壓平衡常數(shù)解題模型

【提問】同學(xué)們知道最近一兩年的網(wǎng)絡(luò)熱詞“碳達(dá)峰”“碳中和”的含義嗎？

【投影】中國要在2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實現(xiàn)“碳中和”。“碳達(dá)峰”是指二氧化碳的排放量不再增長?！疤贾泻汀笔侵竿ㄟ^植樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消掉CO2排放量。其中將CO2轉(zhuǎn)化為其他化工產(chǎn)品是實現(xiàn)碳中和的重要途徑之一。

【“青銅”晉級賽】(2021·廣東省選擇性考試·19·改編)我國力爭于2030年前做到碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。CH4與CO2重整是CO2利用的研究熱點(diǎn)之一，該重整反應(yīng)體系主要涉及以下反應(yīng)：

在恒壓(p0)的密閉容器中，投入物質(zhì)的量比為1∶1的CH4和CO2，達(dá)到平衡時，CO2的轉(zhuǎn)化率為50%，則該反應(yīng)的分壓平衡常數(shù)為________(用含p0的代數(shù)式表示，已知：某物質(zhì)的分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))

【模型建構(gòu)】

【提問】該模型的核心是什么？

【設(shè)計意圖】創(chuàng)設(shè)“碳中和”的試題情境，并將其融入高考改編題，幫助學(xué)生獲得解決分壓平衡常數(shù)的一般“套路”，快速找到解題的突破口，消除部分同學(xué)對其的“畏懼感”。

圖6

環(huán)節(jié)三：模型的運(yùn)用與自我定位

【“鉆石”晉級賽】(2021·廣東省適應(yīng)性測試·19·改編)溫室氣體的利用是當(dāng)前環(huán)境和能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。CH4與CO2重整可以同時利用兩種溫室氣體，其工藝過程中涉及如下反應(yīng)：

在一定條件下，向恒壓(1 kPa)密閉容器通入CH4、CO2各1 mol及少量O2，測得不同溫度下反應(yīng)時各產(chǎn)物產(chǎn)量如圖7所示，圖中a、b分別代表產(chǎn)物________和________。1 100 K時，CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率分別為95%和90%，求反應(yīng)①的分壓平衡常數(shù)________(忽略平衡時O2和H2O的含量，列出計算式即可)

圖7

原料初始組成n(CO2)∶n(H2)=1∶3，在體系壓強(qiáng)為0.1 MPa，反應(yīng)達(dá)到平衡時，四種組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x隨溫度T的變化如圖8所示。根據(jù)圖中A(440 K,0.39),計算該溫度時反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=________(MPa)-3(列出計算式，以分壓表示，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

圖8

【應(yīng)考策略】過青銅關(guān)：填寫Kp的表達(dá)式；過鉆石關(guān)：填寫Kp的表達(dá)式，嘗試簡單的計算；過王者關(guān)：填寫Kp的表達(dá)式，挑戰(zhàn)復(fù)雜的計算。

【設(shè)計意圖】引入三道能力進(jìn)階的真題、改編題，意在強(qiáng)化學(xué)生對于解題模型的運(yùn)用能力，同時幫助學(xué)生分析自己的“定位”，得出自己面對Kp考查時的應(yīng)考策略。

環(huán)節(jié)四：響應(yīng)國家“碳達(dá)峰、碳中和”的號召

【提問】作為國家未來的接班人，同學(xué)們能夠為“碳達(dá)峰”“碳中和”事業(yè)做出哪些力所能及的貢獻(xiàn)？

【拓展】

作為新時代的青年，同學(xué)們應(yīng)該倡導(dǎo)綠色低碳生活，努力學(xué)習(xí)，將來有條件可投身新能源行業(yè)。

【設(shè)計意圖】回歸《中國高考評價體系》中提到的高考的根本任務(wù)——立德樹人。教師可引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到國家政策當(dāng)中，樹立良好的社會品德、社會責(zé)任。為“碳達(dá)峰”“碳中和”的事業(yè)做出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

圖9

五、教學(xué)啟示

1.深度學(xué)習(xí)真正把“教書”和“育人”融為一體，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑

通過設(shè)計深度學(xué)習(xí)的活動，教師不再是知識的搬運(yùn)工，簡單地把書本知識灌輸入學(xué)生的大腦，而是把知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生主動“追逐”的對象。例如筆者注重設(shè)計學(xué)生知識獲取的過程，沒有生搬硬套分壓常數(shù)的概念，而是帶領(lǐng)學(xué)生潛入歷史，共同探討、質(zhì)疑、優(yōu)化分壓平衡常數(shù)。過程中的“一波三折”，既幫助學(xué)生深刻認(rèn)識了概念，又提升了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.深度學(xué)習(xí)是一場由教師發(fā)揮主導(dǎo)作用的活動

Kp的學(xué)習(xí)難度較大，在高考題中的得分率較低。如果直接放上高考真題，則會讓學(xué)生落入孤立無援的狀態(tài)。為此，筆者改編了2021年的廣東省選擇性考試第19題試題，使難度下調(diào)到符合學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀——掌握了濃度平衡常數(shù)及利用三段式進(jìn)行簡單計算的能力。由此，可幫助學(xué)生建構(gòu)解題模型，并在后續(xù)逐步提高習(xí)題難度，體現(xiàn)區(qū)分度的同時，讓每個同學(xué)都有所收獲。

3.深度學(xué)習(xí)依賴于情境作為學(xué)習(xí)載體

筆者創(chuàng)設(shè)了兩層情境活動，第一層是簡單的歷史情境活動，引導(dǎo)學(xué)生由濃度平衡常數(shù)遷移到分壓平衡常數(shù)，再利用簡單的數(shù)學(xué)知識進(jìn)行推導(dǎo)、論證，深化概念認(rèn)知。第二層是復(fù)雜的“碳中和”情境，選自生態(tài)建設(shè)的熱點(diǎn)問題。測試三道與“碳中和”相關(guān)的題目，測試情境的統(tǒng)一性，有利于學(xué)生“去其糟粕，取其精華”，系統(tǒng)、有效、快速地掌握分壓平衡常數(shù)的解題模型。情境的進(jìn)階性——青銅、鉆石到王者，幫助學(xué)生分析自己的“定位”，得出自己面對Kp考查時的應(yīng)考策略。不足之處在于情境的單一性，不利于學(xué)生提升實戰(zhàn)的解題能力，教師需在后續(xù)添加其他情境類型的習(xí)題練習(xí)。