劉瑤瑤

摘要：本項目學(xué)生以化學(xué)工程師的身份圍繞“如何選擇化學(xué)反應(yīng)和適宜條件實現(xiàn)化學(xué)品工業(yè)化生產(chǎn)？”這一驅(qū)動性問題展開研究。學(xué)生以人工固氮切入，梳理人工固氮探索歷程，提煉思維方式，將成果遷移到其他化學(xué)品生產(chǎn)中，總結(jié)設(shè)計化學(xué)反應(yīng)解決工業(yè)生產(chǎn)實際問題基本思路，建構(gòu)該類問題思維模型。通過該項目學(xué)生從不同視角認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，建立變化觀和平衡觀；了解化工產(chǎn)品的生產(chǎn)及其工藝特點，認(rèn)識化工生產(chǎn)過程對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的影響，形成工程思維。全面發(fā)展了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，滲透職業(yè)生涯教育。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；學(xué)科項目化學(xué)習(xí)；核心素養(yǎng)；生涯教育；化學(xué)反應(yīng)調(diào)控

文章編號：1008-0546（2022）12-0030-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.008

一、項目背景與開展意義

隨著“雙新”改革全面實施，教育研究者對新的教與學(xué)模式的研究也接踵而至，成果不勝枚舉。其中項目化學(xué)習(xí)強調(diào)學(xué)生在真實情境下知識的學(xué)習(xí)、技能的提升、困惑的解答、觀點的表達(dá)、思維的形成等過程，往往給學(xué)生更多挑戰(zhàn)空間、更多學(xué)習(xí)實踐、更注重知識的遷移，更符合普通高中教育的培養(yǎng)目標(biāo)。[1]這也正是高中職業(yè)生涯教育的必備條件，可提高高中生對化學(xué)相關(guān)職業(yè)特點、職業(yè)生活、職業(yè)思維的認(rèn)知能力，促進(jìn)其對職業(yè)意識、職業(yè)理想、職業(yè)能力的發(fā)展，這也與人教版普通高中教科書中“化學(xué)與職業(yè)”欄目的編寫意圖相輔相成。[2]不乏教育者認(rèn)為項目化學(xué)習(xí)模式、職業(yè)生涯教育對傳統(tǒng)教學(xué)有較大沖擊，選擇只在活動、拓展或興趣課程中開展，但卻沒有解決學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)中關(guān)鍵問題。事實上，項目化學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)講授式教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)具有一致性。以做真項為目的，在學(xué)科教學(xué)中開展項目化學(xué)習(xí)更利于學(xué)生對學(xué)科關(guān)鍵知識的理解、關(guān)鍵能力的提升、必備品格的形成。[3]

二、項目選擇與目標(biāo)制定

本項目選自人教版高中化學(xué)教科書選擇性必修1的第二章，筆者依據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)自上而下尋找真實情境帶領(lǐng)學(xué)生展開項目。課標(biāo)在該模塊中的素養(yǎng)水平要求指向“變化觀念與平衡思想”和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”。內(nèi)容要求指出要求學(xué)生知道化學(xué)反應(yīng)是有方向的，知道化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的焓變和熵變有關(guān)；能運用溫度濃度壓強和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，解釋生產(chǎn)生活實驗室中的實際問題，能討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化，針對典型案例，能從限度速率等角度對化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合分析。[4]

新課程標(biāo)準(zhǔn)明確了普通高中教育的定位，強調(diào)了高中教育既要為學(xué)生高等教育做準(zhǔn)備，也要為學(xué)生適應(yīng)社會生活和職業(yè)發(fā)展做準(zhǔn)備。人教版普通高中教科書中增設(shè)了教材欄目“化學(xué)與職業(yè)”，該欄目的設(shè)立的目的便是通過相應(yīng)的職業(yè)情境，讓高中生了解化學(xué)相關(guān)職業(yè)，增強學(xué)生社會責(zé)任感，為其進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。化學(xué)工程師這一職業(yè)是能夠利用化工技能來解決各種生活、社會、環(huán)境等相關(guān)問題的專業(yè)技術(shù)人才。若以該身份的視角創(chuàng)設(shè)化學(xué)品工業(yè)生產(chǎn)中問題解決情境具有真實性、復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。

綜上，該項目是指向?qū)W科大概念變化觀、平衡觀的學(xué)科項目化學(xué)習(xí)教學(xué)實踐案例，涉及的核心知識有化學(xué)反應(yīng)方向的判斷與調(diào)控、化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素、化學(xué)平衡的影響因素、化學(xué)反應(yīng)的綜合調(diào)控。[5]驅(qū)動性問題為：“諸多化學(xué)品的工業(yè)生產(chǎn)具有發(fā)展歷程艱難，生產(chǎn)流程復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備龐大，生產(chǎn)條件苛刻，涉及的化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控十分復(fù)雜的特點。如果你是化學(xué)工程師，在真實的化學(xué)品工業(yè)生產(chǎn)中需要從哪些角度綜合考慮影響因素并選擇化學(xué)反應(yīng)和適宜條件實現(xiàn)化學(xué)品的工業(yè)化生產(chǎn)呢？”。項目目標(biāo)是學(xué)生通過重溫人工固氮發(fā)展歷程，展望發(fā)展前景，基于已有案例進(jìn)行研究，體會研究過程，關(guān)注研究前沿，更深刻地體會科學(xué)研究的思路和方法；通過探討人工固氮中反應(yīng)的選擇和適宜條件的優(yōu)化，靈活應(yīng)用反應(yīng)的焓變、熵變、化學(xué)平衡和速率等相關(guān)化學(xué)反應(yīng)原理解決實際問題，體會化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用價值；形成從物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及反應(yīng)的方向、限度、快慢等多個角度綜合分析、調(diào)控化學(xué)反應(yīng)，解決工業(yè)生產(chǎn)實際問題的基本思路。通過對其他化學(xué)品的工業(yè)化生產(chǎn)實例的分析和研討，收集各種數(shù)據(jù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)做出分析，用具有說服力的語言表達(dá)自己的觀點，形成科學(xué)、合理的研究報告，并結(jié)合生產(chǎn)實際綜合考慮影響因素，對比理論分析一實驗室研究一工業(yè)化生產(chǎn)三者實踐過程中的差異性，總結(jié)經(jīng)驗，形成工程思維以提高解決實際問題能力，提升環(huán)保意識，這也是本項目的評價目標(biāo)。

三、項目設(shè)計與計劃擬定

1．成果交流、學(xué)習(xí)實踐設(shè)計與評價

（1）調(diào)研成果

①個人調(diào)研成果：梳理人工固氮探索里程碑，總結(jié)人工固氮反應(yīng)選擇的理論依據(jù)，繪制思維導(dǎo)圖；探討工業(yè)合成氨反應(yīng)的綜合調(diào)控，結(jié)合項目活動1，總結(jié)設(shè)計化學(xué)反應(yīng)解決實際問題基本思路，形成思維導(dǎo)圖；結(jié)合項目活動1、2，自主選擇工業(yè)生產(chǎn)實例，研究理論分析如何轉(zhuǎn)向?qū)嶋H工業(yè)生產(chǎn)，形成差異對比分析導(dǎo)圖。

②團(tuán)隊調(diào)研成果：撰寫研究報告、制作PPT、匯報展示等。

（2）學(xué)習(xí)實踐：探究性實踐、調(diào)控性實踐、技術(shù)性實踐

（3）調(diào)研成果及學(xué)習(xí)實踐評價：調(diào)研成果評價利用高考試題進(jìn)行紙筆測驗，同時制定評價量規(guī)（見表1、表2）進(jìn)行表現(xiàn)性評價。學(xué)習(xí)實踐評價制定評價量規(guī)進(jìn)行表現(xiàn)性評價（見表3）。

2．?dāng)M定項目實施計劃

第一周為人項活動，師生共讀教材47頁“科學(xué)·技術(shù)·社會”欄目，初步了解合成氨的實驗室研究與工業(yè)化生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)之上，學(xué)生將討論的范圍擴大到人工固氮，繼續(xù)搜集、整理資料，總結(jié)科學(xué)家實現(xiàn)人工固氮的歷程和方法，并依據(jù)教師提供的KWH表提出問題開展前期調(diào)研，學(xué)生列出問題清單，進(jìn)行項目解構(gòu)，形成初步項目研究思路，制定項目實施計劃（見表3）。組內(nèi)分工維度為資料整理搜集、制定研究思路、制作課件、撰寫報告、匯報展示等。陸續(xù)開展三個項目活動，解決以下三個子問題，形成個人及團(tuán)隊成果，經(jīng)過評價、評論、修訂、反思后出項。

四、項目實施與形成成果

1．探索與形成成果

項目開展過程中學(xué)生有時研究思路不清，面對具有挑戰(zhàn)性的問題時會無從下手，故在整個項目學(xué)習(xí)過程中教師指導(dǎo)尤為關(guān)鍵，針對學(xué)生困難教師分別在核心知識、認(rèn)知策略、學(xué)科能力、學(xué)習(xí)素養(yǎng)和資源相應(yīng)方面提供了相應(yīng)學(xué)習(xí)支架，及時幫助學(xué)生拆解問題，理清研究思路，保證持續(xù)開展項目。學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)支架探索形成個人成果并通過虛擬學(xué)習(xí)空間和線下混合方式進(jìn)行交流研討形成團(tuán)隊成果。

項目活動1中教師引導(dǎo)學(xué)生思考：“科學(xué)家們從哪些角度思考并嘗試了哪些方法進(jìn)行人工固氮？各有哪些特點？科學(xué)家們最終選擇利用氮氣和氫氣合成氨的主要依據(jù)是什么？”。學(xué)生依據(jù)支架梳理出了科學(xué)家及工程師對人工固氮的研究歷程，從中總結(jié)出了科學(xué)家從元素化合價和物質(zhì)類別角度進(jìn)行物質(zhì)制備反應(yīng)的猜想，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的AG和經(jīng)濟成本、設(shè)備等問題進(jìn)行選擇。項目活動2中教師引導(dǎo)學(xué)生思考：“如果你是工程師，你要如何調(diào)控工業(yè)合成氨[N2（g）+3H3（g）=2NH3（g）]的反應(yīng)？小組間進(jìn)行討論交流，匯報選擇依據(jù)及問題解決思路?？煞謩e從①利用化學(xué)平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成？②探討可以通過哪些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率？③從速率和平衡兩個角度嘗試探討和總結(jié)合成氨生產(chǎn)適宜條件的選擇？還可以在哪些方面作出改進(jìn)？④總結(jié)設(shè)計化學(xué)反應(yīng)解決實際問題基本思路是怎樣的？”。通過小組合作學(xué)習(xí)學(xué)生以工程師的視角分別從速率和平衡兩個角度依據(jù)相關(guān)資料對化學(xué)反應(yīng)適宜條件（例如溫度、濃度、壓強、催化劑等條件）做出了選擇并對選擇依據(jù)加以說明，并發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)條件對化學(xué)品的實際工業(yè)生產(chǎn)的速率和平衡的影響是矛盾的，但小組內(nèi)學(xué)習(xí)很難實現(xiàn)設(shè)計化學(xué)反應(yīng)解決實際問題基本思路的總結(jié)。項目活動3學(xué)生選取工業(yè)制備硫酸、甲醇、二甲醚、乙烯等實例，通過查閱資料，通過閱讀高難度博士、碩士論文，結(jié)合大量數(shù)據(jù)圖表，研究了相應(yīng)生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備、化學(xué)反應(yīng)的選擇、化學(xué)反應(yīng)適宜條件的優(yōu)化，并將其與工業(yè)合成氨進(jìn)行對比，總結(jié)出了單平衡體系和多平衡體系反應(yīng)條件選擇的差異性以及催化劑在化學(xué)品工業(yè)化生產(chǎn)中的關(guān)鍵作用。

2．成果評論與修訂

師生共同評論與修訂三個項目活動小組成果。對于項目活動1，基于學(xué)生研究成果教師繼續(xù)提供學(xué)習(xí)支架引導(dǎo)學(xué)生思考：“對于△H>0，△S>0的反應(yīng)，因為高溫?zé)o法應(yīng)用于物質(zhì)制備或者工業(yè)生產(chǎn)了嗎？高溫問題能否解決？對于△H>0．△S<0的反應(yīng)就一定無法應(yīng)用于物質(zhì)制備或者工業(yè)生產(chǎn)了嗎？”等問題?；谘杏憣W(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的選擇理論依據(jù)做出補充，指明了化學(xué)品工業(yè)生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)的選擇的理論依據(jù)是△G和化學(xué)平衡常數(shù)，事實依據(jù)是生產(chǎn)效率，經(jīng)濟效益等，并對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向的判斷方法加以肯定，拓展了利用反應(yīng)的耦合實現(xiàn)將原本非自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)以新的途徑用于物質(zhì)制備和工業(yè)生產(chǎn)。學(xué)生對化學(xué)動力學(xué)原理有了深入理解，打破了原有思維的束縛，在復(fù)雜的實際問題解決面前學(xué)會利用反應(yīng)耦合原理解決工業(yè)生產(chǎn)的實際問題，高階思維帶動低階思維，提升了問題解決能力。項目活動2的評論與修訂中，教師首先引導(dǎo)學(xué)生對速率和平衡對化學(xué)反應(yīng)的影響出現(xiàn)矛盾時，當(dāng)理論分析和工業(yè)生產(chǎn)實際產(chǎn)生矛盾時，我們應(yīng)該怎么做？這一問題進(jìn)行交流研討，之后再嘗試總結(jié)設(shè)計化學(xué)反應(yīng)解決實際問題基本思路。通過組間的思維碰撞，學(xué)生共同對成果做出補充：“當(dāng)速率和平衡、理論分析與工業(yè)生產(chǎn)實際矛盾時，從實際生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益、社會效益出發(fā)做出選擇，一般選擇適當(dāng)加快化學(xué)反應(yīng)速率?！苯Y(jié)合項目活動1學(xué)生從物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及反應(yīng)的方向、限度、快慢等多個角度綜合分析、調(diào)控化學(xué)反應(yīng)，初步總結(jié)出解決工業(yè)生產(chǎn)實際問題的基本思路，概括為熱力學(xué)可行、動力學(xué)有利。同時學(xué)生也了解了氨的工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)過程中需要解決的問題困難重重，但科學(xué)家和工程師們通過不懈的努力和勇于探索、敢為人先的科學(xué)精神攻克難關(guān)實現(xiàn)氨的工業(yè)生產(chǎn)的艱難歷程。項目活動3的開展對學(xué)生而言難度較大，教師通過線上、線下相結(jié)合的方式為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，引導(dǎo)學(xué)生對比合成氨與選取生產(chǎn)實例的差異，多平衡體系中應(yīng)重點考慮的因素等問題進(jìn)行思考，并在評論修訂中加以補充，形成較為完整的解決實現(xiàn)化學(xué)品工業(yè)生產(chǎn)這一問題的基本思路（如圖1）。還在研究成果基礎(chǔ)之上引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合工業(yè)合成氨，梳理化學(xué)品工業(yè)生產(chǎn)的理論分析與實驗室研究、工業(yè)生產(chǎn)一般差異，并說明理論研究如何轉(zhuǎn)向?qū)嶋H工業(yè)生產(chǎn)，形成差異對比分析圖（見圖1）。

3．成果及學(xué)習(xí)實踐評價

師生依據(jù)評價量規(guī)對各小組研究成果進(jìn)行評價打分，選取排名前3的小組成果及逆行評論修訂和公開展示。

五、項目反思與總結(jié)

項目化學(xué)習(xí)開展尾聲階段，各項目組從成果評價中吸取經(jīng)驗，進(jìn)行成果完善，結(jié)合小組間評價進(jìn)行自我反思。主要從項目方案、分工的制定、實施過程中成員參與程度、突破性進(jìn)展及成果、展示階段的表現(xiàn)、交流展示后的成果再修訂等方面進(jìn)行自我評價，對自己的感知、記憶、思維等認(rèn)知活動本身的再感知、再記憶、再思維，實現(xiàn)學(xué)生對認(rèn)知的認(rèn)知。

六、教學(xué)反思

本項目的開展是在學(xué)科教學(xué)中滲透職業(yè)生涯教育，以人工固氮切人，探討化學(xué)品的工業(yè)化生產(chǎn)，使學(xué)生處于看似不同卻又相同的一系列的真實問題解決情境中，旨在促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。在項目開展過程中，學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)速率及平衡、化學(xué)反應(yīng)調(diào)控等學(xué)科大概念有了深度的理解，能夠運用相關(guān)知識解決實際問題，并且可以將知識進(jìn)行遷移應(yīng)用；學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力，數(shù)據(jù)圖表處理能力，決策、判斷、表達(dá)能力，歸納總結(jié)能力等都有很大程度的提高；學(xué)生對化學(xué)工程師這一職業(yè)有了新的認(rèn)識，或是充滿敬意和崇拜，或是感嘆他們的創(chuàng)新、創(chuàng)造帶給人類的福音?？偨Y(jié)來說，該項目的開展在滲透職業(yè)教育的同時促進(jìn)了學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，為促進(jìn)學(xué)生成為德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人起到了積極作用。

參考文獻(xiàn)

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