像化學(xué)家一樣思考，像環(huán)評師一樣行動

馬皎

摘要：化工生產(chǎn)教學(xué)的核心是將基礎(chǔ)理論與生產(chǎn)實踐有機結(jié)合，并在科技不斷進步的大環(huán)境下，向?qū)W生展現(xiàn)傳統(tǒng)工藝到技術(shù)革新工藝的發(fā)展歷程。而化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)能十分恰當(dāng)?shù)貪B透入化工生產(chǎn)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。介紹結(jié)合實際教學(xué)進行的實踐研究。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；化工生產(chǎn)；核心素養(yǎng)；課堂教學(xué)

文章編號：1008-0546（2022）01-0055-05中圖分類號：G632.41文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.014

現(xiàn)代化學(xué)工程是將化學(xué)研究轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的重要途徑之一?；どa(chǎn)教學(xué)要求學(xué)生綜合運用基本理論知識和元素化學(xué)知識對化工生產(chǎn)路線進行設(shè)計、評價和改進，而真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺。本文嘗試通過創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境：“如何制備食品添加劑亞硫酸鈉？”，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展，以此進行教學(xué)實踐探索。

一、化工生產(chǎn)教學(xué)中核心素養(yǎng)的構(gòu)建

化學(xué)工業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè)，為人們所熟悉的傳統(tǒng)工藝不斷地受到新技術(shù)的挑戰(zhàn)，因此在化工生產(chǎn)教學(xué)中講授傳統(tǒng)工藝時，將現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用適時地補充進教學(xué)內(nèi)容，以促進人才向高深層次發(fā)展、培育學(xué)生高階思維能力。

1.基于化學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)制定

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是從化學(xué)學(xué)科角度，為了促進學(xué)生終身發(fā)展、科學(xué)社會和適應(yīng)社會需求而提出的，是由化學(xué)課程抽提而成的學(xué)科必備品質(zhì)與關(guān)鍵能力，它比三維目標(biāo)更加具體化、功能化和整合化[1]。本課題設(shè)計的素養(yǎng)目標(biāo)（見表1）：

2.基于化學(xué)核心素養(yǎng)的教材內(nèi)容分析

本課的內(nèi)容為高三化學(xué)第二學(xué)期化工生產(chǎn)專題的復(fù)習(xí)和拓展課?；どa(chǎn)是課本知識與現(xiàn)實情境有效結(jié)合的典型實例，需要依靠元素化學(xué)知識網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建反應(yīng)原理，需要根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的特點和經(jīng)濟效益設(shè)計合理的工藝流程，需要分析和處理相關(guān)數(shù)據(jù)獲得較純的產(chǎn)品。本節(jié)課旨在依托現(xiàn)實情境，復(fù)習(xí)二氧化硫制備亞硫酸鈉的反應(yīng)，并結(jié)合亞硫酸鈉易被氧化和水解的知識解釋生產(chǎn)過程中的工藝特點。復(fù)習(xí)聯(lián)合制堿法，并通過與純堿工業(yè)流程圖的對比，給出合理的解釋和猜想。

在普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）中[2]，本節(jié)課的相關(guān)內(nèi)容在選修課程系列1《化學(xué)（實驗化學(xué)）》的主題3：化工生產(chǎn)過程模擬實驗中提到，以真實的化工生產(chǎn)過程為研究對象，借助相關(guān)資料對化工生產(chǎn)的原理、流程進行復(fù)原和模擬。在選修課程系列2《化學(xué)（化學(xué)與社會）》的主題2：化學(xué)與技術(shù)提到，了解精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)及其生產(chǎn)過程中的工藝特點，體驗如何根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)開發(fā)應(yīng)用前景廣闊的產(chǎn)品，認(rèn)識化工生產(chǎn)過程對人類環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展可能產(chǎn)生的影響。

學(xué)生已系統(tǒng)復(fù)習(xí)了硫元素及其化合物、純堿化工生產(chǎn)的知識，能結(jié)合反應(yīng)原理對不同的反應(yīng)路線進行簡單評價，能分析簡單的流程圖。但缺乏將元素化學(xué)知識與化工生產(chǎn)相聯(lián)系的思維模型的構(gòu)建路徑，綜合情境的實際應(yīng)用能力還有待加強。

本課對學(xué)生基于現(xiàn)實問題的分析、推測、解釋的綜合能力的培養(yǎng)有較高的要求。

3.基于化學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)策略選擇

一是教學(xué)情境生活化。將化學(xué)知識遷移和應(yīng)用到實際的生活情境中，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，重視學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)者的生活情境進行統(tǒng)一整合的重要性。本課引入部分向?qū)W生展示亞硫酸鈉的各種用途，其中與學(xué)生密切相關(guān)的是各類食品包裝袋上寫有亞硫酸鈉的食品添加劑，了解化學(xué)品對人類生產(chǎn)和生活的積極意義，并結(jié)合亞硫酸鈉的危害，建立安全意識，從而滲透“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”這一維度。

二是知識體系結(jié)構(gòu)化。教科書的問題大多是碎片化的知識。要產(chǎn)生知識的融合，需要通過教學(xué)設(shè)計呈現(xiàn)系列問題鏈。在應(yīng)對綜合問題的過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)習(xí)得化學(xué)知識的重要性。本課題設(shè)計問題鏈：如何制備亞硫酸鈉？→在制備過程中要考慮亞硫酸鈉的哪些性質(zhì)？→化工生產(chǎn)需要考慮哪些因素？→如何評價燒堿法和純堿法？→如何改進工藝？→如何模仿侯氏制堿法得到亞硫酸鈉？從而構(gòu)建完整的知識體系，滲透“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”這三個維度。

三是思維訓(xùn)練階梯化。“核心素養(yǎng)”應(yīng)該是在問題情境中借助問題解決的實踐培育起來的。培育思維能力的重點在于如何才能創(chuàng)造引發(fā)思考的情境和深入思考的必然性。思維唯有當(dāng)思維活動產(chǎn)生之際，學(xué)生才能作為一種經(jīng)驗，得以感悟。本課題通過設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，一步步提升學(xué)生的思維容量和深度，使學(xué)生學(xué)有所得，真正提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.基于化學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)流程設(shè)計

真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺。本節(jié)課嘗試通過創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

本課以亞硫酸鈉制備作為主線，復(fù)習(xí)以二氧化硫為反應(yīng)物生成亞硫酸鈉的化學(xué)反應(yīng)，并結(jié)合化工生產(chǎn)考慮要素對燒堿法和純堿法進行對比和評價，培養(yǎng)學(xué)生分析現(xiàn)實問題的能力。通過簡單工藝流程圖的繪制，提高學(xué)生綜合分析反應(yīng)原理的能力。通過給定的信息和數(shù)據(jù)，并結(jié)合侯氏制堿法的生產(chǎn)工藝，分析得到食鹽法制亞硫酸鈉的合理工藝流程，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力和創(chuàng)新意識。

二、基于學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)實踐片段

教學(xué)活動流程見表2。

1.創(chuàng)設(shè)情境引入課程

入口就是大事，食品安全問題始終牽動著老百姓敏感的神經(jīng)。蘇丹紅、瘦肉精、三聚氰胺，這些非法添加物被一些人誤認(rèn)為是食品添加劑，而且越抹越黑，從而讓人對食品添加劑產(chǎn)生一種恐慌心理。所以本課題選擇用途非常廣泛的食品添加劑亞硫酸鈉貫穿主線，學(xué)生在完成本課的學(xué)習(xí)后，能正確地看待充斥我們身邊的食品添加劑。其實我們誤解了食品添加劑，只要我們按照規(guī)定合理使用，它們是非?！坝押谩钡模易屛覀兊纳钭兊迷絹碓矫篮?。

因此在本課的前期準(zhǔn)備過程中，教師搜羅了大量印有食品添加劑“亞硫酸鈉”字樣的食品包裝袋。比如“呀！土豆”等膨化食品、“蜜棗”等干果類食品、“菜園小餅”等干點類食品。

本課一開始就向?qū)W生展示了上述食品包裝袋并分發(fā)下去，引起了學(xué)生極大的興趣和探究欲，班級氛圍馬上活躍起來了。接著告訴學(xué)生亞硫酸鈉是國家允許使用、用途廣泛的食品添加劑，可用作食品加工的漂白劑、防腐劑、疏松劑、抗氧化劑、護色劑和保鮮劑。亞硫酸鈉是一種多酚氧化酶（PPO）活性抑制劑，可有效保護水果和蔬菜的褐變，提高它們的附加值。亞硫酸鈉還在水處理行業(yè)中對水中溶解氧進行脫除。學(xué)生聽了頻頻點頭，說明教師的正面引導(dǎo)起到了作用。但凡事都有兩面，學(xué)生要客觀分析，得出合理的結(jié)論。所以教師拋出問題：“那我們是否可以無限地添加亞硫酸鈉呢？”學(xué)生思考后紛紛搖頭。教師提供數(shù)據(jù)告訴學(xué)生隨著研究的深入，亞硫酸鈉的毒性日益受到關(guān)注。我國國家標(biāo)準(zhǔn)對亞硫酸鈉的使用范圍、最大使用量和殘留量均有明確規(guī)定。設(shè)計的目的是發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，正確認(rèn)識“友好”的食品添加劑。

2.統(tǒng)籌兼顧評價路線

教師順?biāo)浦厶釂枌W(xué)生：“既然亞硫酸鈉的使用如此廣泛，那利用我們已有的化學(xué)知識，我們怎么制備呢？從哪個基本反應(yīng)類型入手？”學(xué)生回答兩個常見反應(yīng)：

SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O和SO2+Na2CO3= CO2+Na2SO3。教師告訴學(xué)生工業(yè)上將這兩種路線稱為燒堿法和純堿法，讓學(xué)生感悟化學(xué)就在身邊，自己也能根據(jù)已學(xué)習(xí)的化學(xué)知識設(shè)計出實際工業(yè)生產(chǎn)原理。教師追問：“如果我們想利用這兩個反應(yīng)來模擬工業(yè)生產(chǎn)亞硫酸鈉，我們可以從哪些方面來分析這兩種制備原理的優(yōu)劣？”學(xué)生通過激烈的討論不斷地完善思考角度，如原料成本，反應(yīng)條件，反應(yīng)步驟，產(chǎn)品的產(chǎn)量，產(chǎn)品的純度，環(huán)境友好。教師提供原料數(shù)據(jù)（見表3）為學(xué)生的討論提供依據(jù)，讓學(xué)生理解化學(xué)是一門實驗科學(xué)，是一門基于實驗數(shù)據(jù)的科學(xué)，建立學(xué)生正確的科學(xué)觀。

教師嘗試引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有化學(xué)知識評價兩種路線，比如氫氧化鈉比較貴，原料成本較高；碳酸鈉吸收二氧化硫的能力比較弱，吸收效率低。此外還要根據(jù)“綠色化學(xué)”思想評價兩種路線，比如氫氧化鈉不會產(chǎn)生廢氣，對環(huán)境比較友好；碳酸鈉會產(chǎn)生二氧化碳，排入空中會造成溫室效應(yīng)，對環(huán)境造成影響。我國已經(jīng)提出到2060年實現(xiàn)碳中和，說明二氧化碳廢氣的處理是當(dāng)下的重要方式。學(xué)生踴躍舉手回答，工廠可以將廢氣轉(zhuǎn)化為有用的副產(chǎn)品，在保護環(huán)境的基礎(chǔ)上提高工廠的綜合效益。說明統(tǒng)籌兼顧，提高效益的理念已經(jīng)在教師的引導(dǎo)過程中滲透入學(xué)生的思考和觀點中。

學(xué)生以小組為單位，繪制出燒堿法和純堿法的工藝流程圖，派代表上講臺闡述，提升學(xué)生的邏輯思維能力和語言表達(dá)能力，綜合培育學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識以及科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任（見表4）。

3.頭腦風(fēng)暴迎接挑戰(zhàn)

學(xué)生以為已經(jīng)解決教師提出的命題，剛要放松，沒想到教師繼續(xù)提問：“我們剛才用純堿法制亞硫酸鈉，那純堿是怎么制來的？會不會有工廠直接使用純堿工業(yè)的原料制備亞硫酸鈉呢？再說亞硫酸鈉和碳酸鈉的化學(xué)性質(zhì)如此相似。”而且這次教師完全放手，讓學(xué)生小組合作綜合分析食鹽法原料的數(shù)據(jù)信息（見表5），模仿侯氏制堿法設(shè)計并完善工藝流程圖，派代表上講臺展示成果（見圖1）。

學(xué)生討論得非常熱烈，大有把課堂營造成工廠研發(fā)部的架勢。他們正在用化學(xué)家的科學(xué)知識角度分析各個環(huán)節(jié)，在頭腦風(fēng)暴中尋找最佳方案；他們正在用環(huán)評師的環(huán)境友好角度分析廢氣母液的處理，力求達(dá)到綜合效益的最大化和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

在展示階段，學(xué)生提出許多非常有深度和可操作性的建議和規(guī)劃，能自主對路線進行分析和優(yōu)化，同時，運用極具理科思維的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”闡述觀點：選擇成本更低的氯化鈉為原料，通過調(diào)整通入的二氧化硫和氨氣的順序直接從溶液中獲得亞硫酸鈉結(jié)晶。通過對母液的處理，獲得有用的副產(chǎn)品氯化銨，循環(huán)利用母液，提高了氯化鈉的利用率。有理有據(jù)，令人信服。

這符合十九大提出的“落實立德樹人根本任務(wù)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)”。此時，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)已達(dá)到最高層次，即科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。

4.回顧總結(jié)提升主題

本課的最后，教師對整節(jié)課進行回顧和總結(jié)：今天我們以化工廠技術(shù)人員的身份統(tǒng)籌兼顧了化工生產(chǎn)的各個方面對“友好”的食品添加劑亞硫酸鈉的制備工藝進行了設(shè)計和改進，并嘗試?yán)L制和合理分析簡易的工藝流程圖?？此坪唵蔚臒o機物制備流程中蘊藏著大大小小的學(xué)問。然而探索是沒有止境的，我們的科研人員一直在不斷地尋找更有效更環(huán)保的工藝流程。希望同學(xué)們在“化學(xué)”之外，在今后的學(xué)習(xí)和生活中，也能運用統(tǒng)籌兼顧的思想，繪制出自己人生的流程圖，一步步迎接更好的自己。學(xué)生們似乎還沉浸在之前熱烈的討論中，儼然一個個斗志昂揚的化學(xué)家和環(huán)評師。

為了檢驗學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)成果，教師繼續(xù)提供圖表數(shù)據(jù)（見表6）讓學(xué)生進行課后思考，作為課堂的延續(xù)。請同學(xué)們結(jié)合溶解度數(shù)據(jù)，尋找合適的從溶液中獲得亞硫酸鈉粗品的方法，并設(shè)計方案進一步測定粗品中亞硫酸鈉的純度。

三、反思和結(jié)語

化工生產(chǎn)與學(xué)生的生活息息相關(guān)，但工藝流程離學(xué)生又相對遙遠(yuǎn)。如何將學(xué)生已有的理論知識與生產(chǎn)實踐有機結(jié)合落實雙基？如何在方案評價和優(yōu)化教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知水平？如何將化學(xué)核心素養(yǎng)真正落實到高三教學(xué)中并訓(xùn)練學(xué)生的高階思維？本課題對此進行了積極的嘗試，從理解、應(yīng)用、評價、創(chuàng)造四個方面逐步培養(yǎng)學(xué)生的類比和遷移能力。

參考文獻

[1]劉翠.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)課例研究[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2019.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.