化工思維引領(lǐng)的高中化學(xué)課堂深度學(xué)習(xí)*
——以“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例

張玉娟 朱 征 劉 芳

“化學(xué)課程不能滿足于教給學(xué)生具體知識(shí)，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(jiǎn)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(shí)背景、就業(yè)方向等。［3］

“化工工程師”是必修第二冊(cè)第五章第一節(jié)第四課時(shí)“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(shí)。通常，我們將化工工程師對(duì)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)的思考方式稱為“化工思維”。化工思維是以化學(xué)及工程學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，集成多學(xué)科知識(shí)，權(quán)衡多方面因素對(duì)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(píng)價(jià)等一系列過(guò)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)化，也包括將學(xué)科核心知識(shí)與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)化，或是對(duì)學(xué)科核心知識(shí)與社會(huì)發(fā)展、科技成果的結(jié)構(gòu)化。這些都離不開教師對(duì)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(shí)元素在物質(zhì)中可以具有不同價(jià)態(tài)，可通過(guò)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(shí)非金屬及其化合物的多樣性，了解通過(guò)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(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在促進(jìn)社會(huì)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(dòng)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(cè)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(shí)設(shè)置了“與同伴合作實(shí)驗(yàn)探究”“通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)變化規(guī)律，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)方案”等不同等級(jí)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(guò)硫、二氧化硫、硫酸及硫酸根離子檢驗(yàn)等相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時(shí)既可梳理之前所學(xué)有關(guān)含硫物質(zhì)的知識(shí)，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(duì)硫及其化合物性質(zhì)的理解，構(gòu)建硫及其化合物的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建元素及其化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)方法模型。對(duì)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(duì)比人教版、蘇教版與魯科版三個(gè)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(jiàn)表1）

表1 三個(gè)版本教材內(nèi)容設(shè)計(jì)比較

盡管三個(gè)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(wèn)題，滲透了化工生產(chǎn)與社會(huì)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(shí)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(duì)“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(shí)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(guò)高中化學(xué)教材必修第一冊(cè)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(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，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(duì)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(shí)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(píng)價(jià)目標(biāo)

以學(xué)科知識(shí)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(cè)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(wèn)題；（2）開展高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，解決含硫化合物的轉(zhuǎn)化問(wèn)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(huì)進(jìn)步中的重要價(jià)值。

在設(shè)計(jì)教學(xué)方案時(shí)，筆者以原料開發(fā)、物質(zhì)知識(shí)、反應(yīng)原理知識(shí)、化工知識(shí)、環(huán)境保護(hù)知識(shí)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(guò)程中，體現(xiàn)“教學(xué)評(píng)”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(guò)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(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知進(jìn)階；（2）通過(guò)分析工業(yè)制硫酸的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化反應(yīng)，學(xué)會(huì)運(yùn)用化學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題，診斷并發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力及交流評(píng)價(jià)能力；（3）通過(guò)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(duì)工業(yè)生產(chǎn)方案的環(huán)境評(píng)估能力，增強(qiáng)其社會(huì)責(zé)任感。

三、落實(shí)素養(yǎng)評(píng)價(jià)，精心設(shè)計(jì)任務(wù)與活動(dòng)主線

基于以上對(duì)課標(biāo)、教材和學(xué)情的分析，以及對(duì)教學(xué)和評(píng)價(jià)的目標(biāo)定位，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)個(gè)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(dòng)中落實(shí)不同的素養(yǎng)評(píng)價(jià)。具體教學(xué)思路見(jiàn)圖1。

圖1 教學(xué)思路

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(shí)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(gè)教學(xué)活動(dòng)，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(huì)學(xué)習(xí)元素及其化合物知識(shí)的一般方法，構(gòu)建認(rèn)知模型，發(fā)展符號(hào)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(shí)，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(gè)開放式的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，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?jiǎng)邮终归_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(cè)目標(biāo)產(chǎn)物、檢驗(yàn)以及預(yù)判實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等問(wèn)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(píng)價(jià)反思等過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)、實(shí)踐能力以及交流評(píng)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(píng)估這一系列轉(zhuǎn)化過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響，提出解決二氧化硫污染問(wèn)題的方案。脫硫方案具有開放性，要解決該問(wèn)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(píng)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(wèn)題的能力和綠色化學(xué)觀念，用化工思維對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程做出環(huán)境評(píng)估，培養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。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(shí)，使學(xué)生逐步建立多角度綜合評(píng)價(jià)問(wèn)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(wèn)題為素材，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)注重聯(lián)系社會(huì)生活的真實(shí)情境，尤其是化工生產(chǎn)情境，該問(wèn)題情境要涵蓋學(xué)科核心知識(shí)、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(wèn)題解決的過(guò)程之中；其次，教師要引導(dǎo)學(xué)生親歷問(wèn)題解決的全過(guò)程，注重師生互動(dòng)、生生互動(dòng)、共同探究，在提出、分析及解決問(wèn)題的過(guò)程中，幫助學(xué)生將零散的知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)整合；最后，教師要重視營(yíng)造高質(zhì)量思考與探究的氛圍，讓教學(xué)從無(wú)“趣”到有“趣”，從無(wú)“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(shí)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。