基于真实化工生产情境的化学教学

张瑜

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中提出要重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设。何为真实情境？真实情境是指在真实世界中捕获的与学生生活环境、知识背景相关的、有社会现实意义的物质或现象。在不断教学实践过程中，广大教师已经充分认识化学课堂中使用真实情境的重要作用，并积极创设可以引发学生共鸣的真实情境，但是教师往往从环境、饮食、健康等贴近学生生活体验的简单情境入手，不倾向于选择化工生产等较为复杂的真实情境。那么，化工生产真的不适合作为情境用于教学吗？

一、基于真实化工生产情境进行化学教学的合理性

生活情境是学生的直接经验，而化工生产情境是学生熟悉的间接经验，两种情境从与学生已有经验的关联程度看，化工生产情境不如生活情境来得紧密，但是化工生产情境也有其存在的合理性。

1.学科性质的必然要求

化工生产与化学学科有着密不可分的关系，化学是一门研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的基础学科，而在化工生产中，人类就是运用化学方法改变物质的组成、结构来合成新物质。工业生产中产品的合成、检验、测定、回收处理等生产环节和化学教学中物质的转化、物质的检验、分离与提纯、尾气处理等实验思想一致、操作原理相同。此外，化工生产中反应原理、设备选择、流程设计等环节需要精通高分子化学、环境科学、能源科学、矿物学、材料科学等新兴学科和交叉学科，而这些学科大多以化学学科为基础。化工生产具有承载化学学科知识、实验操作技术应用、多学科融合的作用，体现化学的学科价值。

2.解决社会问题的应然追求

教育的目的之一是将学生培养成合格的公民，公民是社会的公民，解决社会问题是学生需要形成的关键能力，参与社会问题的解决要求学生能对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断、形成清晰的本质认识。但是真实的社会问题向来都是复杂的，化工生产中融合了化学知识、技术应用、交叉学科，具有真实性、生动性、复杂性、现实性的特点，在化学教学中使用化工生产情境可以有效培养学生对于复杂性、综合性问题的解决能力。

3.能力提升的自然诉求

工业生产流程题是高考中非常典型的一类题目，该题型取材于真实的工业生产和日常生活，问题设计灵活，是落实高考对考生素质和能力要求的具体体现。工业生产流程题来源于化工生产，是由真实工业流程简化而成，因其内容灵活、宽泛，且学生平时接触较少，因此学生往往失分严重。重视化工生产类情境应用，可以让学生在平时学习中熟悉、强化工业生产背景与流程，培养学生综合应用化学知识辨析、解释问题的习惯，提高学生解决实际问题的能力。

二、基于真实化工生产情境的设计框架

“变形计——铁盐与亚铁盐的性质”的教学中围绕化工生产中的三个情境（传统电路板刻蚀工艺、化工生产中常用电路板刻蚀工艺、工业生产中含铁盐的相互转化）设计了学生实验、探究分析、方案设计等一系列活动，在活动过程中学生学会实验操作、原理设计、数据分析，在活动过程中使化学学科素养得到落实。本节课的教学设计框架如图1所示。

三、基于真实化工生产情境的教学设计环节一：初识传统电路板刻蚀工艺

[引入]我们生活在信息时代，手机、电脑已成为生活必不可少的一部分，这些电子产品都需要一种最基础的原件——集成电路板，电路板的刻蚀是电路板制造工艺中很重要的一个环节，工业上是如何刻蚀电路板的呢？

[PPT展示]介绍传统印刷电路板的制作方法。

[教师介绍]刻蚀电路板的刻蚀液种类很多，FeCl3溶液是我们最早使用的刻蚀液，因其易于操作且原料便宜而使用广泛。

[学生实验]使用FeCl3溶液刻蚀铜板。

[学生讨论]总结电路板刻蚀的原理并书写化学方程式。

[思考与讨论]电路板刻蚀废液中是否存在Fe2+与Fe3+？Fe2+与Fe3+该如何检验？

[教师介绍]利用FeCl3溶液进行刻蚀的传统工艺因其废水污染严重等问题对使用产生巨大影响。

[讨论与设计]从绿色环保的角度，对传统刻蚀工艺进行优化升级。

图2所示为学生设计的优化流程图。

[提问]在整个工艺流程中，Cu、H2O2起到了什么作用？

[分析与实验]教师引导学生进行分析Cu、H2O2在氧化还原反应中扮演的角色，并寻找两者的代替物，进行学生实验。

[提问]铁盐与亚铁盐相互转化需要什么条件？

[归纳与总结]教师从氧化还原角度引导得出如图3所示的Fe2+与Fe3+相互转化条件。

设计意圖 环节一知识的呈现立足于化工生产中传统电路板的刻蚀工艺，从生活角度切入，在生活不可缺少的电子产品中挖掘与化学相关的内容。同时转换认识角度，由生活走向化学，由化学走向化工生产工艺，从工艺生产角度认识电子产品原件，从化学知识角度探究电路板的刻蚀工艺流程，还原真实的生产过程，研究废液回收原理，渗透绿色环保思想，形成“科学态度与社会责任”的素养。在刻蚀电路板的传统工艺以及废液回收的整体流程中，研究Fe2+与Fe3+的相互转化，总结两者相互转化的条件，在实验、分析、归纳总结的过程中感受物质的性质与变化，融入“变化观念与平衡思想”素养，理解铁盐与亚铁盐在在工业生产中的价值，增强化学学习的真实性与实用性。

环节二：再探电路板工业生产中常用刻蚀工艺

[教师介绍]尽管同学们已经对以FeCl3为刻蚀液的传统刻蚀工艺流程进行了优化，但是传统刻蚀工艺还是因为其刻蚀工艺稳定性不好，废液处理难度大、污染严重的问题而逐渐被市场所淘汰。

[PPT展示]如图4所示，认识工业生产中不同的电路板刻蚀液。

[对比分析]选取三种不同类型的刻蚀液（见表1），学生通过课前查阅资料进行分析、对比、总结。

[思考与讨论]1.在不同的刻蚀工艺中，Cu发生了什么反应？扮演了什么角色？

2.在工业生产中选择电路板刻蚀液应该考虑哪些因素？

[归纳与总结]对比不同的刻蚀工艺，可以发现：Cu化合价均升高，扮演了还原剂的角色。工业生产中刻蚀液的选择需考虑原料的成本问题、工艺的优缺点、适用的对象，以及废液的污染与回收问题。

[教师介绍]除了刻蚀液种类的不同，刻蚀方法、工艺的规范与成熟程度、蚀刻基材的差异都会对电路板的刻蚀效果产生影响。高度集成的现代印刷电路板必须要更加精细的刻蚀工艺，但是优质的集成电路板光有精细的刻蚀工艺还是远远不够的，曝光、显影、蚀刻、去胶，每一個环节的完美呈现才会出现我们手上一块性能优越的小小芯片，这就是工业生产，真实复杂只为完美呈现。

[拓展与延伸]如图5所示是几种刻蚀废液的常见处理方法，思考其中发生的反应与添加试剂的作用。

设计意图 在学生对书本呈现的传统刻蚀工艺流程有所了解之后，再次聚焦刻蚀工业，深入探究真实的刻蚀行业，打开学生的视野，不被书本知识所束缚，认识复杂的生产，学习真实的化学。深入了解刻蚀工业，面对真实的、现实的化工生产流程，在经历反复的思考、讨论、设计、分析的过程中，学生认识物质的性质，感受物质的变化，对于“变化观念与平衡思想”的渗透起到了进一步的促进作用。在处理化工生产中的复杂问题时，解决刻蚀液种类选择的种种难题，克服废液处理的重重困难，攻坚克难，有利于学生思维的进阶发展，形成复杂的高阶思维，培养持之以恒的学习耐心，渗透深度学习的优良品质。

环节三：回看工业生产中的铁及其化合物的转化

[思考与讨论]表2列出化学生产中Fe、Fe2+、Fe3+的相互转化。

[学生活动]书写上述转化中涉及的方程式。

[思考与讨论]Fe、Fe2+、Fe3+之间是如何转化的呢？能否总结出规律呢？

[教师]建立价态与铁元素存在形式之间的关系图，引导学生总结出价态律（如图6所示）。

设计意图 通过工业生产中不同价态含铁物质之间转化方程式的书写，使学生感受到铁元素除了在电路板的刻蚀工艺中具有重要作用，在其他化工生产过程中同样不可或缺，引导学生认同、理解化工生产在学习生活中的重要价值。化工生产情境是进行化学教学的载体，是为了促进学生的认知，但绝不能只重情境而轻知识，在总结化工生产含铁物质转化的过程中，深化了学生对元素变化观的认识，总结出氧化还原反应的一般规律，提升学生对元素观内涵的进一步理解，在感悟物质变化的过程中提高学生“变化观念和平衡思想”的核心素养。

四、基于真实化工生产情境教化学的意义

1.有利于“科学态度和社会责任”素养的养成

《普通高中化学课程标准》要求学生能够深刻认识化学对创造物质财富和精神财富、满足人民日益增长的美好生活需要的重大贡献，能对与化学有关的社会热点问题作出正确的判断。化工生产是化学对社会最大的贡献，可将化学研究成果转化为物质，造福于人类，但是化工生产在创造物质的同时，也带来了很多的负面影响。在真实的化工生产情境中，学生可能直接面对生产高效率与环境高污染之间的的两难抉择，而困难始

终都是促进人进步的垫脚石，真实的生产难题促进学生权衡利弊，增强安全意识与严谨求实的科学态度，绝不以牺牲环境作为发展化学、获取物质满足的代价，强化社会责任意识与个人担当精神，分析问题，解决问题。在化工生产情境中教化学，有利于“科学态度和社会责任”素养的形成。

2.促进深度学习目标的落地生根

“深度学习”指在理解学习的基础上，学生能够批判性地学习新的思想和事实，将新的思想和事实融入已有的认知结构，可以在众多的思想间建立联系并且将已有的知识迁移到新的情境中，以此作为问题决策和解决的一种学习方式。本课教学基于真实的、复杂的化工生产情境，在设计传统刻蚀工艺流程优化方案、工业常用刻蚀液的对比与选择的过程中，设计了学生讨论、信息查阅、对比分析、资料展示等多种更为开放、交互的教学活动方式来落实铁盐与亚铁盐的相互转化、氧化还原反应知识的学习，在交流讨论的过程中，产生思想的碰撞，求同存异，批判继承。在化工生产情境教学中，学生经历了浅层探究学习到深度学习的学习进阶，更加符合学生一般渐进思维的发展规律，促发高阶思维、批判思维的产生，提高学习品质。

基于化工生产情境进行化学教学是对“教真实的化学”理念的践行，真实、复杂、多样化的化工生产工艺流程为学生化学核心素养的发展提供了最坚实的现实基础，也有利于促进学生高阶思维的养成与深度学习品质的形成。

（收稿日期：2021-09-10）