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(shí)踐有機(jī)結(jié)合,并在科技不斷進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)。介紹結(jié)合實(shí)際教學(xué)進(jìn)行的實(shí)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(hào):1008-0546(2022)01-0055-05中圖分類號(hào):G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yùn)用基本理論知識(shí)和元素化學(xué)知識(shí)對(duì)化工生產(chǎn)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和改進(jìn),而真實(shí)、具體的問(wèn)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(tái)。本文嘗試通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問(wèn)題情境:“如何制備食品添加劑亞硫酸鈉?”,促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展,以此進(jìn)行教學(xué)實(shí)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(gè)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(shí),將現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用適時(shí)地補(bǔ)充進(jìn)教學(xué)內(nèi)容,以促進(jìn)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(jìn)學(xué)生終身發(fā)展、科學(xué)社會(huì)和適應(yīng)社會(huì)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(jì)的素養(yǎng)目標(biāo)(見(jiàn)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(shí)與現(xiàn)實(shí)情境有效結(jié)合的典型實(shí)例,需要依靠元素化學(xué)知識(shí)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(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)解釋生產(chǎn)過(guò)程中的工藝特點(diǎn)。復(fù)習(xí)聯(lián)合制堿法,并通過(guò)與純堿工業(yè)流程圖的對(duì)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(shí)驗(yàn)化學(xué))》的主題3:化工生產(chǎn)過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)中提到,以真實(shí)的化工生產(chǎn)過(guò)程為研究對(duì)象,借助相關(guān)資料對(duì)化工生產(chǎn)的原理、流程進(jìn)行復(fù)原和模擬。在選修課程系列2《化學(xué)(化學(xué)與社會(huì))》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(guò)程中的工藝特點(diǎn),體驗(yàn)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(shí)化工生產(chǎn)過(guò)程對(duì)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(shí),能結(jié)合反應(yīng)原理對(duì)不同的反應(yīng)路線進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)價(jià),能分析簡(jiǎn)單的流程圖。但缺乏將元素化學(xué)知識(shí)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(shí)際應(yīng)用能力還有待加強(qiáng)。
本課對(duì)學(xué)生基于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的分析、推測(cè)、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(shí)遷移和應(yīng)用到實(shí)際的生活情境中,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)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(jìn)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(duì)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(shí),從而滲透“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”這一維度。
二是知識(shí)體系結(jié)構(gòu)化。教科書的問(wèn)題大多是碎片化的知識(shí)。要產(chǎn)生知識(shí)的融合,需要通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)系列問(wèn)題鏈。在應(yīng)對(duì)綜合問(wèn)題的過(guò)程中,學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)習(xí)得化學(xué)知識(shí)的重要性。本課題設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈:如何制備亞硫酸鈉?→在制備過(guò)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(píng)價(jià)燒堿法和純堿法?→如何改進(jìn)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(shí)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(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”這三個(gè)維度。
三是思維訓(xùn)練階梯化?!昂诵乃仞B(yǎng)”應(yīng)該是在問(wèn)題情境中借助問(wèn)題解決的實(shí)踐培育起來(lái)的。培育思維能力的重點(diǎn)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(dòng)產(chǎn)生之際,學(xué)生才能作為一種經(jīng)驗(yàn),得以感悟。本課題通過(guò)設(shè)計(jì)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(jì)
真實(shí)、具體的問(wèn)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(tái)。本節(jié)課嘗試通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問(wèn)題情境,促進(jìn)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?yàn)榉磻?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(duì)燒堿法和純堿法進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià),培養(yǎng)學(xué)生分析現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。通過(guò)簡(jiǎn)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(guò)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(shí)。
二、基于學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐片段
教學(xué)活動(dòng)流程見(jiàn)表2。
1.創(chuàng)設(shè)情境引入課程
入口就是大事,食品安全問(wèn)題始終牽動(dòng)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(duì)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(shí)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?lái)越美好。
因此在本課的前期準(zhǔn)備過(guò)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(diǎn)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(jí)氛圍馬上活躍起來(lái)了。接著告訴學(xué)生亞硫酸鈉是國(guó)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(hù)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(hù)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(duì)水中溶解氧進(jìn)行脫除。學(xué)生聽了頻頻點(diǎn)頭,說(shuō)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(wèn)題:“那我們是否可以無(wú)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jì)的目的是發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),正確認(rèn)識(shí)“友好”的食品添加劑。
2.統(tǒng)籌兼顧評(píng)價(jià)路線
教師順?biāo)浦厶釂?wèn)學(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(shí),我們?cè)趺粗苽淠兀繌哪膫€(gè)基本反應(yīng)類型入手?”學(xué)生回答兩個(gè)常見(jiàn)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(shí)設(shè)計(jì)出實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)原理。教師追問(wèn):“如果我們想利用這兩個(gè)反應(yīng)來(lái)模擬工業(yè)生產(chǎn)亞硫酸鈉,我們可以從哪些方面來(lái)分析這兩種制備原理的優(yōu)劣?”學(xué)生通過(guò)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)科學(xué),是一門基于實(shí)驗(yàn)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(shí)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)兩種路線,比如氫氧化鈉不會(huì)產(chǎn)生廢氣,對(duì)環(huán)境比較友好;碳酸鈉會(huì)產(chǎn)生二氧化碳,排入空中會(huì)造成溫室效應(yīng),對(duì)環(huán)境造成影響。我國(guó)已經(jīng)提出到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和,說(shuō)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(hù)環(huán)境的基礎(chǔ)上提高工廠的綜合效益。說(shuō)明統(tǒng)籌兼顧,提高效益的理念已經(jīng)在教師的引導(dǎo)過(guò)程中滲透入學(xué)生的思考和觀點(diǎn)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(tái)闡述,提升學(xué)生的邏輯思維能力和語(yǔ)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(shí)以及科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任(見(jiàn)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(méi)想到教師繼續(xù)提問(wèn):“我們剛才用純堿法制亞硫酸鈉,那純堿是怎么制來(lái)的?會(huì)不會(huì)有工廠直接使用純堿工業(yè)的原料制備亞硫酸鈉呢?再說(shuō)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(jiàn)表5),模仿侯氏制堿法設(shè)計(jì)并完善工藝流程圖,派代表上講臺(tái)展示成果(見(jiàn)圖1)。
學(xué)生討論得非常熱烈,大有把課堂營(yíng)造成工廠研發(fā)部的架勢(shì)。他們正在用化學(xué)家的科學(xué)知識(shí)角度分析各個(gè)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(píng)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(duì)路線進(jìn)行分析和優(yōu)化,同時(shí),運(yùn)用極具理科思維的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”闡述觀點(diǎn):選擇成本更低的氯化鈉為原料,通過(guò)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(guò)對(duì)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(shí)立德樹人根本任務(wù),發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)”。此時(shí),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(huì)責(zé)任。
4.回顧總結(jié)提升主題
本課的最后,教師對(duì)整節(jié)課進(jìn)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(gè)方面對(duì)“友好”的食品添加劑亞硫酸鈉的制備工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn),并嘗試?yán)L制和合理分析簡(jiǎn)易的工藝流程圖。看似簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物制備流程中蘊(yùn)藏著大大小小的學(xué)問(wèn)。然而探索是沒(méi)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?cè)凇盎瘜W(xué)”之外,在今后的學(xué)習(xí)和生活中,也能運(yùn)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(gè)個(gè)斗志昂揚(yáng)的化學(xué)家和環(huán)評(píng)師。
為了檢驗(yàn)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(jiàn)表6)讓學(xué)生進(jìn)行課后思考,作為課堂的延續(xù)。請(qǐng)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(jì)方案進(jìn)一步測(cè)定粗品中亞硫酸鈉的純度。
三、反思和結(jié)語(yǔ)
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(duì)遙遠(yuǎn)。如何將學(xué)生已有的理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合落實(shí)雙基?如何在方案評(píng)價(jià)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(shí)到高三教學(xué)中并訓(xùn)練學(xué)生的高階思維?本課題對(duì)此進(jìn)行了積極的嘗試,從理解、應(yīng)用、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造四個(gè)方面逐步培養(yǎng)學(xué)生的類比和遷移能力。
參考文獻(xiàn)
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