基于真實(shí)化工生產(chǎn)情境的化學(xué)教學(xué)

張瑜

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)。何為真實(shí)情境？真實(shí)情境是指在真實(shí)世界中捕獲的與學(xué)生生活環(huán)境、知識(shí)背景相關(guān)的、有社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義的物質(zhì)或現(xiàn)象。在不斷教學(xué)實(shí)踐過程中，廣大教師已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)化學(xué)課堂中使用真實(shí)情境的重要作用，并積極創(chuàng)設(shè)可以引發(fā)學(xué)生共鳴的真實(shí)情境，但是教師往往從環(huán)境、飲食、健康等貼近學(xué)生生活體驗(yàn)的簡(jiǎn)單情境入手，不傾向于選擇化工生產(chǎn)等較為復(fù)雜的真實(shí)情境。那么，化工生產(chǎn)真的不適合作為情境用于教學(xué)嗎？

一、基于真實(shí)化工生產(chǎn)情境進(jìn)行化學(xué)教學(xué)的合理性

生活情境是學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)，而化工生產(chǎn)情境是學(xué)生熟悉的間接經(jīng)驗(yàn)，兩種情境從與學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)程度看，化工生產(chǎn)情境不如生活情境來得緊密，但是化工生產(chǎn)情境也有其存在的合理性。

1.學(xué)科性質(zhì)的必然要求

化工生產(chǎn)與化學(xué)學(xué)科有著密不可分的關(guān)系，化學(xué)是一門研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的基礎(chǔ)學(xué)科，而在化工生產(chǎn)中，人類就是運(yùn)用化學(xué)方法改變物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)來合成新物質(zhì)。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的合成、檢驗(yàn)、測(cè)定、回收處理等生產(chǎn)環(huán)節(jié)和化學(xué)教學(xué)中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、物質(zhì)的檢驗(yàn)、分離與提純、尾氣處理等實(shí)驗(yàn)思想一致、操作原理相同。此外，化工生產(chǎn)中反應(yīng)原理、設(shè)備選擇、流程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)需要精通高分子化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、礦物學(xué)、材料科學(xué)等新興學(xué)科和交叉學(xué)科，而這些學(xué)科大多以化學(xué)學(xué)科為基礎(chǔ)?；どa(chǎn)具有承載化學(xué)學(xué)科知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)應(yīng)用、多學(xué)科融合的作用，體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值。

2.解決社會(huì)問題的應(yīng)然追求

教育的目的之一是將學(xué)生培養(yǎng)成合格的公民，公民是社會(huì)的公民，解決社會(huì)問題是學(xué)生需要形成的關(guān)鍵能力，參與社會(huì)問題的解決要求學(xué)生能對(duì)與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題作出正確的價(jià)值判斷、形成清晰的本質(zhì)認(rèn)識(shí)。但是真實(shí)的社會(huì)問題向來都是復(fù)雜的，化工生產(chǎn)中融合了化學(xué)知識(shí)、技術(shù)應(yīng)用、交叉學(xué)科，具有真實(shí)性、生動(dòng)性、復(fù)雜性、現(xiàn)實(shí)性的特點(diǎn)，在化學(xué)教學(xué)中使用化工生產(chǎn)情境可以有效培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于復(fù)雜性、綜合性問題的解決能力。

3.能力提升的自然訴求

工業(yè)生產(chǎn)流程題是高考中非常典型的一類題目，該題型取材于真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，問題設(shè)計(jì)靈活，是落實(shí)高考對(duì)考生素質(zhì)和能力要求的具體體現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)流程題來源于化工生產(chǎn)，是由真實(shí)工業(yè)流程簡(jiǎn)化而成，因其內(nèi)容靈活、寬泛，且學(xué)生平時(shí)接觸較少，因此學(xué)生往往失分嚴(yán)重。重視化工生產(chǎn)類情境應(yīng)用，可以讓學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中熟悉、強(qiáng)化工業(yè)生產(chǎn)背景與流程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用化學(xué)知識(shí)辨析、解釋問題的習(xí)慣，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

二、基于真實(shí)化工生產(chǎn)情境的設(shè)計(jì)框架

“變形計(jì)——鐵鹽與亞鐵鹽的性質(zhì)”的教學(xué)中圍繞化工生產(chǎn)中的三個(gè)情境（傳統(tǒng)電路板刻蝕工藝、化工生產(chǎn)中常用電路板刻蝕工藝、工業(yè)生產(chǎn)中含鐵鹽的相互轉(zhuǎn)化）設(shè)計(jì)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)、探究分析、方案設(shè)計(jì)等一系列活動(dòng)，在活動(dòng)過程中學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)操作、原理設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析，在活動(dòng)過程中使化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)得到落實(shí)。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

三、基于真實(shí)化工生產(chǎn)情境的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)一：初識(shí)傳統(tǒng)電路板刻蝕工藝

[引入]我們生活在信息時(shí)代，手機(jī)、電腦已成為生活必不可少的一部分，這些電子產(chǎn)品都需要一種最基礎(chǔ)的原件——集成電路板，電路板的刻蝕是電路板制造工藝中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，工業(yè)上是如何刻蝕電路板的呢？

[PPT展示]介紹傳統(tǒng)印刷電路板的制作方法。

[教師介紹]刻蝕電路板的刻蝕液種類很多，F(xiàn)eCl3溶液是我們最早使用的刻蝕液，因其易于操作且原料便宜而使用廣泛。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]使用FeCl3溶液刻蝕銅板。

[學(xué)生討論]總結(jié)電路板刻蝕的原理并書寫化學(xué)方程式。

[思考與討論]電路板刻蝕廢液中是否存在Fe2+與Fe3+？Fe2+與Fe3+該如何檢驗(yàn)？

[教師介紹]利用FeCl3溶液進(jìn)行刻蝕的傳統(tǒng)工藝因其廢水污染嚴(yán)重等問題對(duì)使用產(chǎn)生巨大影響。

[討論與設(shè)計(jì)]從綠色環(huán)保的角度，對(duì)傳統(tǒng)刻蝕工藝進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

圖2所示為學(xué)生設(shè)計(jì)的優(yōu)化流程圖。

[提問]在整個(gè)工藝流程中，Cu、H2O2起到了什么作用？

[分析與實(shí)驗(yàn)]教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析Cu、H2O2在氧化還原反應(yīng)中扮演的角色，并尋找兩者的代替物，進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

[提問]鐵鹽與亞鐵鹽相互轉(zhuǎn)化需要什么條件？

[歸納與總結(jié)]教師從氧化還原角度引導(dǎo)得出如圖3所示的Fe2+與Fe3+相互轉(zhuǎn)化條件。

設(shè)計(jì)意圖 環(huán)節(jié)一知識(shí)的呈現(xiàn)立足于化工生產(chǎn)中傳統(tǒng)電路板的刻蝕工藝，從生活角度切入，在生活不可缺少的電子產(chǎn)品中挖掘與化學(xué)相關(guān)的內(nèi)容。同時(shí)轉(zhuǎn)換認(rèn)識(shí)角度，由生活走向化學(xué)，由化學(xué)走向化工生產(chǎn)工藝，從工藝生產(chǎn)角度認(rèn)識(shí)電子產(chǎn)品原件，從化學(xué)知識(shí)角度探究電路板的刻蝕工藝流程，還原真實(shí)的生產(chǎn)過程，研究廢液回收原理，滲透綠色環(huán)保思想，形成“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的素養(yǎng)。在刻蝕電路板的傳統(tǒng)工藝以及廢液回收的整體流程中，研究Fe2+與Fe3+的相互轉(zhuǎn)化，總結(jié)兩者相互轉(zhuǎn)化的條件，在實(shí)驗(yàn)、分析、歸納總結(jié)的過程中感受物質(zhì)的性質(zhì)與變化，融入“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)，理解鐵鹽與亞鐵鹽在在工業(yè)生產(chǎn)中的價(jià)值，增強(qiáng)化學(xué)學(xué)習(xí)的真實(shí)性與實(shí)用性。

環(huán)節(jié)二：再探電路板工業(yè)生產(chǎn)中常用刻蝕工藝

[教師介紹]盡管同學(xué)們已經(jīng)對(duì)以FeCl3為刻蝕液的傳統(tǒng)刻蝕工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，但是傳統(tǒng)刻蝕工藝還是因?yàn)槠淇涛g工藝穩(wěn)定性不好，廢液處理難度大、污染嚴(yán)重的問題而逐漸被市場(chǎng)所淘汰。

[PPT展示]如圖4所示，認(rèn)識(shí)工業(yè)生產(chǎn)中不同的電路板刻蝕液。

[對(duì)比分析]選取三種不同類型的刻蝕液（見表1），學(xué)生通過課前查閱資料進(jìn)行分析、對(duì)比、總結(jié)。

[思考與討論]1.在不同的刻蝕工藝中，Cu發(fā)生了什么反應(yīng)？扮演了什么角色？

2.在工業(yè)生產(chǎn)中選擇電路板刻蝕液應(yīng)該考慮哪些因素？

[歸納與總結(jié)]對(duì)比不同的刻蝕工藝，可以發(fā)現(xiàn)：Cu化合價(jià)均升高，扮演了還原劑的角色。工業(yè)生產(chǎn)中刻蝕液的選擇需考慮原料的成本問題、工藝的優(yōu)缺點(diǎn)、適用的對(duì)象，以及廢液的污染與回收問題。

[教師介紹]除了刻蝕液種類的不同，刻蝕方法、工藝的規(guī)范與成熟程度、蝕刻基材的差異都會(huì)對(duì)電路板的刻蝕效果產(chǎn)生影響。高度集成的現(xiàn)代印刷電路板必須要更加精細(xì)的刻蝕工藝，但是優(yōu)質(zhì)的集成電路板光有精細(xì)的刻蝕工藝還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，曝光、顯影、蝕刻、去膠，每一個(gè)環(huán)節(jié)的完美呈現(xiàn)才會(huì)出現(xiàn)我們手上一塊性能優(yōu)越的小小芯片，這就是工業(yè)生產(chǎn)，真實(shí)復(fù)雜只為完美呈現(xiàn)。

[拓展與延伸]如圖5所示是幾種刻蝕廢液的常見處理方法，思考其中發(fā)生的反應(yīng)與添加試劑的作用。

設(shè)計(jì)意圖 在學(xué)生對(duì)書本呈現(xiàn)的傳統(tǒng)刻蝕工藝流程有所了解之后，再次聚焦刻蝕工業(yè)，深入探究真實(shí)的刻蝕行業(yè)，打開學(xué)生的視野，不被書本知識(shí)所束縛，認(rèn)識(shí)復(fù)雜的生產(chǎn)，學(xué)習(xí)真實(shí)的化學(xué)。深入了解刻蝕工業(yè)，面對(duì)真實(shí)的、現(xiàn)實(shí)的化工生產(chǎn)流程，在經(jīng)歷反復(fù)的思考、討論、設(shè)計(jì)、分析的過程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)，感受物質(zhì)的變化，對(duì)于“變化觀念與平衡思想”的滲透起到了進(jìn)一步的促進(jìn)作用。在處理化工生產(chǎn)中的復(fù)雜問題時(shí)，解決刻蝕液種類選擇的種種難題，克服廢液處理的重重困難，攻堅(jiān)克難，有利于學(xué)生思維的進(jìn)階發(fā)展，形成復(fù)雜的高階思維，培養(yǎng)持之以恒的學(xué)習(xí)耐心，滲透深度學(xué)習(xí)的優(yōu)良品質(zhì)。

環(huán)節(jié)三：回看工業(yè)生產(chǎn)中的鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化

[思考與討論]表2列出化學(xué)生產(chǎn)中Fe、Fe2+、Fe3+的相互轉(zhuǎn)化。

[學(xué)生活動(dòng)]書寫上述轉(zhuǎn)化中涉及的方程式。

[思考與討論]Fe、Fe2+、Fe3+之間是如何轉(zhuǎn)化的呢？能否總結(jié)出規(guī)律呢？

[教師]建立價(jià)態(tài)與鐵元素存在形式之間的關(guān)系圖，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出價(jià)態(tài)律（如圖6所示）。

設(shè)計(jì)意圖 通過工業(yè)生產(chǎn)中不同價(jià)態(tài)含鐵物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化方程式的書寫，使學(xué)生感受到鐵元素除了在電路板的刻蝕工藝中具有重要作用，在其他化工生產(chǎn)過程中同樣不可或缺，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同、理解化工生產(chǎn)在學(xué)習(xí)生活中的重要價(jià)值?；どa(chǎn)情境是進(jìn)行化學(xué)教學(xué)的載體，是為了促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知，但絕不能只重情境而輕知識(shí)，在總結(jié)化工生產(chǎn)含鐵物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程中，深化了學(xué)生對(duì)元素變化觀的認(rèn)識(shí)，總結(jié)出氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律，提升學(xué)生對(duì)元素觀內(nèi)涵的進(jìn)一步理解，在感悟物質(zhì)變化的過程中提高學(xué)生“變化觀念和平衡思想”的核心素養(yǎng)。

四、基于真實(shí)化工生產(chǎn)情境教化學(xué)的意義

1.有利于“科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)的養(yǎng)成

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生能夠深刻認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富、滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要的重大貢獻(xiàn)，能對(duì)與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題作出正確的判斷?；どa(chǎn)是化學(xué)對(duì)社會(huì)最大的貢獻(xiàn)，可將化學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，造福于人類，但是化工生產(chǎn)在創(chuàng)造物質(zhì)的同時(shí)，也帶來了很多的負(fù)面影響。在真實(shí)的化工生產(chǎn)情境中，學(xué)生可能直接面對(duì)生產(chǎn)高效率與環(huán)境高污染之間的的兩難抉擇，而困難始

終都是促進(jìn)人進(jìn)步的墊腳石，真實(shí)的生產(chǎn)難題促進(jìn)學(xué)生權(quán)衡利弊，增強(qiáng)安全意識(shí)與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，絕不以犧牲環(huán)境作為發(fā)展化學(xué)、獲取物質(zhì)滿足的代價(jià)，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任意識(shí)與個(gè)人擔(dān)當(dāng)精神，分析問題，解決問題。在化工生產(chǎn)情境中教化學(xué)，有利于“科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)的形成。

2.促進(jìn)深度學(xué)習(xí)目標(biāo)的落地生根

“深度學(xué)習(xí)”指在理解學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠批判性地學(xué)習(xí)新的思想和事實(shí)，將新的思想和事實(shí)融入已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，可以在眾多的思想間建立聯(lián)系并且將已有的知識(shí)遷移到新的情境中，以此作為問題決策和解決的一種學(xué)習(xí)方式。本課教學(xué)基于真實(shí)的、復(fù)雜的化工生產(chǎn)情境，在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)刻蝕工藝流程優(yōu)化方案、工業(yè)常用刻蝕液的對(duì)比與選擇的過程中，設(shè)計(jì)了學(xué)生討論、信息查閱、對(duì)比分析、資料展示等多種更為開放、交互的教學(xué)活動(dòng)方式來落實(shí)鐵鹽與亞鐵鹽的相互轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)知識(shí)的學(xué)習(xí)，在交流討論的過程中，產(chǎn)生思想的碰撞，求同存異，批判繼承。在化工生產(chǎn)情境教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)歷了淺層探究學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階，更加符合學(xué)生一般漸進(jìn)思維的發(fā)展規(guī)律，促發(fā)高階思維、批判思維的產(chǎn)生，提高學(xué)習(xí)品質(zhì)。

基于化工生產(chǎn)情境進(jìn)行化學(xué)教學(xué)是對(duì)“教真實(shí)的化學(xué)”理念的踐行，真實(shí)、復(fù)雜、多樣化的化工生產(chǎn)工藝流程為學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展提供了最堅(jiān)實(shí)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，也有利于促進(jìn)學(xué)生高階思維的養(yǎng)成與深度學(xué)習(xí)品質(zhì)的形成。

（收稿日期：2021-09-10）