新高考改革背景下的化學(xué)深度學(xué)習(xí)實踐案例

［摘 要］文章以實驗室模擬侯氏制堿為例，在高中化學(xué)實驗探究活動中踐行深度學(xué)習(xí)理念，通過明確教學(xué)主題，分析教學(xué)現(xiàn)狀，尋找實驗探究教學(xué)與深度學(xué)習(xí)理念的融合點，引導(dǎo)學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)。

［關(guān)鍵詞］高考改革；深度學(xué)習(xí)；侯氏制堿

［中圖分類號］" " G633.8" " " " ［文獻標(biāo)識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）23-0059-04

新高考改革背景下的化學(xué)教學(xué)踐行“素養(yǎng)為本”的教學(xué)理念，強調(diào)將化學(xué)知識與生產(chǎn)生活進行有機聯(lián)系?；瘜W(xué)新課標(biāo)倡導(dǎo)以實驗探究為中心進行教學(xué)，并在各教學(xué)環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。深度學(xué)習(xí)是實現(xiàn)素養(yǎng)為本教學(xué)的重要方式。它既能促進學(xué)生全面發(fā)展，同時也能提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。北京師范大學(xué)胡久華教授將化學(xué)教學(xué)與深度學(xué)習(xí)進行整合，并在此基礎(chǔ)上細化了化學(xué)深度學(xué)習(xí)的概念，即學(xué)生在素養(yǎng)目標(biāo)的引領(lǐng)下，聚焦引領(lǐng)性學(xué)習(xí)主題，開展以化學(xué)實驗為主的挑戰(zhàn)性探究活動。

筆者在高中化學(xué)實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)，以探秘侯氏制堿法為學(xué)習(xí)主題，開展設(shè)計和優(yōu)化侯氏制堿裝置的系列探究活動，從科學(xué)探究、創(chuàng)新創(chuàng)作的視角，引導(dǎo)學(xué)生建立運用化學(xué)知識解決實際問題的思維模式，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)主題內(nèi)容

人教版化學(xué)九年級下冊第十一單元“鹽" " 化肥”中以資料卡片的形式簡單介紹了侯氏制堿法。2017年人教版高中化學(xué)選修二《化學(xué)與技術(shù)》第一章的第三節(jié)重點介紹了“純堿的生產(chǎn)”。該內(nèi)容在課標(biāo)中的要求為：了解化學(xué)在材料制造、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源利用等領(lǐng)域的應(yīng)用情況；以發(fā)展性思維看待化學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與社會進步的關(guān)系，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感。2019年人教版高中化學(xué)必修一第二章第一節(jié)“鈉及其化合物”中設(shè)置了侯氏制堿法的研究與實踐內(nèi)容。在選修板塊中，課標(biāo)建議將真實的化工生產(chǎn)過程作為研究對象，借助相關(guān)文獻資料的幫助，對侯氏制堿法的生產(chǎn)原理和工藝流程進行復(fù)原和模擬。

（二）教學(xué)現(xiàn)狀

侯氏制堿法在初中、高中教材中都有出現(xiàn)。高中舊教材雖然沒有在必修板塊中對侯氏制堿法進行詳細介紹，但在解決化工流程問題時，經(jīng)常會運用侯氏制堿法的原理及思想。而制堿工業(yè)是我國的重要工業(yè)，純堿的生產(chǎn)對我國經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了重要作用。侯氏制堿法作為高中化學(xué)的重頭戲，不僅在教材中多次出現(xiàn)，而且還多次被選為高考命題背景。

通過對教材以及課標(biāo)的解讀不難發(fā)現(xiàn)，侯氏制堿法涵蓋了元素及其化合物、STSE教育、工業(yè)流程等多個主題內(nèi)容，是高中化學(xué)學(xué)習(xí)中非常重要的一環(huán)。學(xué)生雖對化工工藝有一定的興趣，但對其涉及的抽象理論及相關(guān)知識點的理解能力較弱。由于學(xué)校缺少硬件條件模擬真實的生產(chǎn)過程，故導(dǎo)致學(xué)生對化工生產(chǎn)多停留在感性認識層面。

二、教學(xué)設(shè)計與創(chuàng)新點

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新點在于學(xué)習(xí)模式的創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)的教師演示實驗課模式，采用基于“真實問題情境”的“學(xué)”與“用”有機結(jié)合的層進式深度學(xué)習(xí)模式。課前設(shè)計了兩個環(huán)節(jié)，分別為“微課先行”和“查閱文獻”，以此引發(fā)學(xué)生思考，夯實學(xué)生知識基礎(chǔ)。課堂上通過對制堿裝置的多次探究，引導(dǎo)學(xué)生交流評價，并引發(fā)頭腦風(fēng)暴。課后，通過家庭實驗探究、通技課堂探究及工廠研學(xué)活動層層推進，讓學(xué)生體會到學(xué)有所用的魅力。綜合來看，本節(jié)課是一節(jié)指向深度學(xué)習(xí)、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的實驗探究課。

三、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求，結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有知識儲備及認知水平，筆者確定了以下五個教學(xué)目標(biāo)：

1.宏觀辨識與微觀探析：觀察侯氏制堿法的實驗現(xiàn)象，學(xué)會用化學(xué)用語表達其微觀過程。

2.變化觀念與平衡思想：認識侯氏制堿法的原理，并從化學(xué)平衡角度解釋其過程。

3.證據(jù)推理與模型認知：通過探究實驗為主的層進式學(xué)習(xí)，逐步構(gòu)建化工生產(chǎn)流程的認知模型。

4.科學(xué)探究與創(chuàng)新意識：針對實驗缺陷，提出可行性改進方案，并動手進行實驗創(chuàng)新與改進。

5.科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任：通過項目式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)及化工知識的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、可持續(xù)發(fā)展意識和環(huán)保意識。

四、評價目標(biāo)

為實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)中“教學(xué)評一體化”的要求，筆者結(jié)合課程標(biāo)準的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，制訂了如下評價目標(biāo)：

1.通過設(shè)計方案、觀察現(xiàn)象、描述現(xiàn)象、從微觀視角分析宏觀現(xiàn)象成因的表現(xiàn)，診斷學(xué)生對侯氏制堿原理的理解情況。

2.通過生生交流互評、分析實驗設(shè)計可行性的表現(xiàn)，診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)認知水平和知識遷移能力。

3.通過觀察學(xué)生討論、設(shè)計并進行實驗的課堂表現(xiàn)，診斷并發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力。

五、教學(xué)流程

筆者共設(shè)計了課前、課中、課后三大教學(xué)環(huán)節(jié)和七項過程活動，具體內(nèi)容如圖1所示。

六、教學(xué)過程

（一）課前環(huán)節(jié)

【環(huán)節(jié)1】觀看微課視頻，了解侯德榜事跡以及純堿生產(chǎn)的歷史。

【教師活動】提前制作侯氏制堿的微課視頻，在班群組織學(xué)生進行觀看，并提出思考問題：1.侯德榜對人類的主要貢獻有哪些？2.你從侯德榜的事跡中得到什么啟示？3.侯氏制堿法的具體流程是什么？與傳統(tǒng)的索爾維制堿法相比，侯氏制堿法有哪些優(yōu)點？4.如何在課堂上利用現(xiàn)有的儀器模擬侯氏制堿法？

【學(xué)生活動】觀看微課視頻，簡單梳理侯德榜與中國純堿生產(chǎn)的歷史關(guān)系，回答相關(guān)的問題。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生對制堿史的關(guān)注，并引導(dǎo)學(xué)生通過歷史人物視角，親歷純堿生產(chǎn)發(fā)展的歷程，思考相關(guān)問題，使情境成為課堂展開的指向和依歸。以上環(huán)節(jié)的設(shè)計，不僅下啟學(xué)科活動的開展，還能對歷史事件進行深化和補充。

【環(huán)節(jié)2】查閱制堿工業(yè)相關(guān)文獻，夯實基礎(chǔ)。

【教師活動】教授學(xué)生在知網(wǎng)上查詢文獻資料的方法，并將相關(guān)文獻資料發(fā)送至班群，組織學(xué)生閱讀。

【學(xué)生活動】查閱文獻資料，初步了解侯氏制堿工藝，繪制生產(chǎn)流程示意圖并在班級群中展示，討論化工流程圖有哪些基本構(gòu)成要素。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過查閱文獻、翻閱資料，在求知的過程中構(gòu)建相關(guān)知識，建立起對侯氏制堿工業(yè)的初步認識，為接下來解決實際問題奠定基礎(chǔ)。

（二）課中環(huán)節(jié)

【環(huán)節(jié)3】實驗室模擬侯氏制堿初探。

【教師活動1】組織課堂探究，提問并啟發(fā)學(xué)生設(shè)計實驗室模擬侯氏制堿的裝置。

【學(xué)生活動1】初步設(shè)計實驗裝置（如圖2）。

【教師活動2】在學(xué)生動手搭建實驗裝置的環(huán)節(jié)給予學(xué)生適時的指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實驗裝置的優(yōu)缺點和實驗室模擬侯氏制堿的制約因素。

【學(xué)生活動2】動手做實驗，并分析其優(yōu)缺點。

優(yōu)點：使用實驗室常見的藥品及儀器。

缺點：CO2和NH3的氣源不穩(wěn)定，需同時控制氣流，操作不便；反應(yīng)過程不斷放熱，氣體吸收效率不好。

【學(xué)生活動3】總結(jié)現(xiàn)階段模擬侯氏制堿的四大制約因素：（1）穩(wěn)定的氣體來源；（2）氣體通入速度的控制；（3）反應(yīng)溫度的控制；（4）操作的簡便性。

設(shè)計意圖：通過在實驗室模擬侯氏制堿，加深學(xué)生對制堿工藝的理解，同時也更加明確侯氏制堿法相比于氨堿法的創(chuàng)新之處。通過實驗總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生正確看待模擬過程中出現(xiàn)的問題，體會化學(xué)研究路程的任重道遠，鼓勵學(xué)生繼續(xù)深入探究。

【環(huán)節(jié)4】引發(fā)學(xué)生頭腦風(fēng)暴，并對裝置進行二探、三探……

【教師活動1】協(xié)助學(xué)生找出可改進的地方，并提供支持與幫助。

【學(xué)生活動1】查閱資料，總結(jié)三點可改進的地方：1.提前配制氨鹽水，省略控制氨氣通入速度的操作；2. 參考實驗室中多孔球泡的設(shè)計思想，想辦法增大二氧化碳與氨鹽水的接觸面，增強吸收效率；3. 控制反應(yīng)溫度，促進吸收。

【學(xué)生活動2】自制多孔球泡（如圖3），解決接觸不充分的問題；設(shè)計并搭建新的模擬制堿裝置（如圖4）。

【學(xué)生活動3】進行實驗，記錄出現(xiàn)渾濁所需時間和NaHCO3產(chǎn)出率（如表1）。

【教師活動2】評價學(xué)生的實驗結(jié)果（碳酸氫鈉的生成量），引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實驗失敗或不理想的原因。

【學(xué)生活動4】個別小組實驗結(jié)果不理想，派代表總結(jié)原因。第二小組認為可能是二氧化碳溶于水（或堿液）的速度太慢所導(dǎo)致的；第三小組認為可能是實驗過程中，二氧化碳流速太快，導(dǎo)致氣體來不及被堿液吸收就擴散到空氣中去了。

【教師活動3】講授影響氣體吸收效率的主要因素：氣體流速、液體噴淋密度、溫度、壓強、接觸面積等；引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)進行文獻研究，并基于以上五個因素，聯(lián)系生產(chǎn)與生活實際，找出最優(yōu)方案。

【教師活動4】提示學(xué)生侯氏制堿法的關(guān)鍵步驟：碳酸化。引導(dǎo)學(xué)生參考工業(yè)碳酸化塔的設(shè)計，從日常生活中尋找替代品，設(shè)計出新的模擬裝置。

【學(xué)生活動5】再次進行文獻調(diào)研，并匯報結(jié)果：工業(yè)制堿過程中有一個核心設(shè)備——碳酸化塔，也就是將氨鹽水碳酸化。它的具體操作是將氨鹽水自上而下地跟底部、中部通入的CO2進行逆流接觸。除了分段通氣、逆流接觸這兩個操作，工業(yè)上還采用風(fēng)帽（見圖5）來增加氣液接觸。

【教師活動5】引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合碳化塔的工作原理，聯(lián)系生活實際，積極尋求解決辦法。

【學(xué)生活動6】了解侯氏制堿中碳化塔的工作原理（分段通氣、逆流接觸、風(fēng)帽通氣），小組交流得出提高CO2吸收效率的三個途徑：

1. 氣液逆流，充分接觸。（從上方噴淋氨鹽水，下面通CO2，使氣液逆流，充分接觸）

2. 細化氣體，增強吸收。（水草缸用到的CO2細化器就像碳化塔的風(fēng)帽一樣，不僅能將CO2細化成小氣泡，還能保證CO2的出口壓強，增強CO2的吸收）

3. 霧化液體，促進吸收。（澆花用的噴霧器可將氨鹽水霧化成小液滴，增大液體噴淋密度）

根據(jù)以上思路，學(xué)生設(shè)計了如圖6所示的改進裝置。

【教師活動6】對學(xué)生新設(shè)計的侯氏制堿模擬裝置表示肯定，并對學(xué)生聯(lián)系生產(chǎn)與生活實際的改進思路表示贊賞。

設(shè)計意圖：通過解決侯氏制堿過程中出現(xiàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生利用課前的自學(xué)成果以及課中的頭腦風(fēng)暴解決問題，強化學(xué)生主動學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)的意識，學(xué)會聯(lián)系生產(chǎn)與生活實際進行裝置的改進，進行創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)本課教學(xué)目標(biāo)。

【環(huán)節(jié)5】高考真題速遞，在問題解決中習(xí)得知識。

【教師活動7】展示2021年河北卷關(guān)于侯氏制堿法的考查內(nèi)容，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析裝置連接順序、霧化裝置的優(yōu)點、制備原理等。

設(shè)計意圖：將理論知識與習(xí)題相結(jié)合，提升學(xué)生解決問題的能力，豐富學(xué)習(xí)活動形式，讓學(xué)生真正學(xué)有所成。

（三）課后環(huán)節(jié)

【環(huán)節(jié)6】課后再次優(yōu)化裝置，提升勞動創(chuàng)新意識。

1. 利用自動加濕器（如圖7）代替原來的手動噴瓶，解放雙手，實現(xiàn)裝置的微自動化。

2. 利用通用技術(shù)課堂上學(xué)到的3D打印技術(shù)，設(shè)計并打印出具有多層塔板結(jié)構(gòu)的碳化塔裝置（如圖8），實現(xiàn)了不同學(xué)科之間的技術(shù)融合。

設(shè)計意圖：對實驗裝置的設(shè)計與改進不應(yīng)局限于課堂教學(xué)，可以讓學(xué)生將實踐的場域放寬到其他學(xué)科課堂、家庭活動、社會活動中，從而將挑戰(zhàn)性的化學(xué)實驗活動延伸至化學(xué)課堂之外，達到全方位育人的效果。

【環(huán)節(jié)7】制堿工廠實地研學(xué)，學(xué)中做，做中學(xué)。

【主要活動】1.聽負責(zé)人介紹本次參觀路線圖、參觀的主要內(nèi)容和注意事項等；2.進入制堿工廠，聽化工工程師介紹生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程；3.與一線工人進行交流，實地了解一線工人的生產(chǎn)工作和制堿技術(shù)；4.在工作人員的指導(dǎo)下，體驗生產(chǎn)工作；5.學(xué)生互相分享心得體會，教師總結(jié)。

設(shè)計意圖：通過工廠研學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生切身體會從“實驗室研究”到“化工生產(chǎn)”的放大效應(yīng)，并明確放大效應(yīng)對化工生產(chǎn)的影響，進而明白為什么許多在實驗室中可以忽略不計的細節(jié)問題在生產(chǎn)過程中卻必須重視。通過研學(xué)，學(xué)生可以在簡單的實驗流程圖基礎(chǔ)上，進一步細化對侯氏制堿法化工生產(chǎn)流程的認識。通過切身體會制堿過程，提升學(xué)生的實踐技能，并進一步建立化工生產(chǎn)基本流程的認知模型。同時，通過對細節(jié)的體驗與感悟，使學(xué)生更加了解侯德榜在破解制堿技術(shù)過程中的艱辛與偉大，激發(fā)學(xué)生的勞動創(chuàng)新意識與愛國情懷。

七、教學(xué)效果與反思

侯氏制堿法是高中化工流程知識的啟蒙，對學(xué)生形成化工思想、解決實際問題有著重要作用。但由于受硬件條件的限制，導(dǎo)致傳統(tǒng)教學(xué)無法模擬真實的生產(chǎn)過程。針對這一情況，教師將侯氏制堿的探究過程貫穿課堂，以模擬侯氏制堿法作為課堂情境，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗探究活動，并在層層遞進的探究中實現(xiàn)化學(xué)深度學(xué)習(xí)。

總體而言，本次教學(xué)實踐以問題引發(fā)學(xué)生思考，在問題解決過程中激發(fā)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進行再思考、再探究，提升學(xué)生解決真實問題的能力，進而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。同時，通過課內(nèi)、課外活動相結(jié)合的方式促使學(xué)生在活動中體驗，在探究中感悟，并在一種自然狀態(tài)中習(xí)得知識。在教學(xué)過程中，只有將學(xué)生置于真實問題情境，并設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的實驗探究活動，才會使深度學(xué)習(xí)落地生根。

（責(zé)任編輯 羅 艷）