基于真实情境的“化学反应速率和化学平衡”单元复习教学策略

◎ 王剑婕

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《2020修订版课标》）明确提出在化学教学与评价中应紧紧围绕“发展学生化学学科核心素养”这一主旨，优化教学过程，有效提高教学质量，发展素质教育，落实立德树人根本任务。［1］由于复习课没有教材可依，教师在教学实施过程中有时对课程标准理解不准确，对学情的整体把握不足，学科的育人价值有待充分挖掘，体现在知识维度方面，表现为核心知识不明确，必修知识的深度和广度被随意拓展。［2］学习活动方面，设计比较单一，课堂上存在以“习题”和“教师”为主、学生被动接受的状态。认知维度方面，学生易停留在复述学习材料阶段，联系、建构、重整自己认知结构的主动性不够，认知水平的提升效果不佳。

在“双新”背景下必修课程的复习如何发挥其应有的功能和价值？本文以沪科版高中化学教材必修第二册“化学反应速率和化学平衡”单元复习的教学设计为例，以“真实情境”为立足点，探索发展学生正确价值观、必备品格和关键能力所匹配的教学策略。

一、指向化学核心素养的真实情境

（一）深度学习理论

在促进有效教学，发展高阶思维能力的众多研究文献中，深度学习理论得到了我国学者越来越多的认同。张菊等将深度学习的特征阐释为五个方面：①注重批判理解；②强调信息整合；③注重迁移运用；④着意情感投入；⑤重视终身学习。［3］左璜等基于中国学生发展核心素养的视角，分别从“个体认知网络”“社会互动网络”和“行动者网络”提出了深度学习的三种样态。［4］

正如要回答“孩子是怎样学好母语的”这样的问题，深度学习的研究重视对学习结构的解析，探索自主学习能力的调动机制。建构主义在此处的演化、发展研究也值得借鉴，以“全面发展的人”为核心，并强调“社会人”在教育中的关键地位。我国的深度学习研究关注了“关系中的学习”，包括新旧知识的关系、人与现实世界的关系、人与虚拟（网络）世界的关系等。可见，深度学习理论对当前的教学实际有很好的指导意义。

（二）创设真实情境的原则

《2020修订版课标》指出“真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。”［1］沈旭东分析了不同时期的“情境”相关文献后认为，现阶段的情境教学均选取蕴含相应知识的真实素材，在课堂的应用中以项目、任务、活动等方式贯穿始终，学生在深度参与中发展了化学学科核心素养。他由此提出了一种创设真实情境的结构模型，如图 1 所示。［5］

图1 创设真实情境的结构模型

首先，与学情的匹配性原则。教学情境是为落实学科育人服务的，学生已有的知识基础、能力基础、认知风格、学习需求等都直接影响了选择什么样的情境素材。以必修课程的“化学反应速率和化学平衡”单元复习为例，学生至此已完成除“简单的有机化合物及其应用”以外的大部分主题内容；具备了一定的化学学科视角，也初步认识了常见的无机物质以及一般的研究方法。但对于反应速率和化学平衡尚处于了解阶段，还需要进一步从这两个方面体会化学反应可调、可控的重要意义。学生此时更深层次的需求是，在各种应用场景中化学反应原理是如何被挑选出来的？在应用过程中又会注意哪些问题？因此课的引入首先选择了与生活应用密切联系的自热火锅，这种不用“火”却用“冷水”来加热的火锅，不仅有利于调动思维的积极性，也迅速聚焦了研究视角，提升了化学知识对提高生活质量的重要意义。

其次，突出与核心知识、核心概念的关联性原则。当今时代的信息环境具有易变性、不确定性、复杂性和模糊性的特点。［6］这就要求教学中的“真实情境”不做过于理想化、抽象化的加工处理，同时也要考虑到在有限的教学时间内避免出现超出认知负荷而注意力下降的问题。因此教学素材要在明确了本次教学核心知识、核心概念的基础上，删减干扰的、无关的信息后才能成为教学情境。比如单元复习中以“汽车动力的发展”为教学情境，动画素材1（汽油动力）的细节较多，一方面帮助学生直观认识了燃料与空气在发动机内燃烧反应产生热能转化为机械能。另一方面，学生将挑战从较为模糊的信息中辨识出化学反应的可控性，分析燃料燃烧的反应是如何以人们希望的方式进行的。动画素材2（氢能源汽车）大大简化了动力系统，旨在加深“化学变化伴随着能量变化，并以光、电、热等形式表现出来”的核心观念。

第三，兼顾活动设计和问题设计的原则。高中生的认知发展已接近成人水平，正逐渐从形象思维向抽象思维过渡，逻辑思维能力也显著提升。这一阶段的学生容易对“旧知识再学一遍”倍感无趣。因此教学情境呈现方式应丰富多样，如文献资料、数字化媒体资料、实验、实物展示等。比如本次复习教学的学习测评阶段使用了“工业制硝酸”的情境，学生通过合作学习，明确责任分工，也在完成共同任务中产生新的思考。文献研究指出，仅仅提供“真实情境”还不能完全落实对核心素养的测评，情境必须与问题相搭配，才能完成测评任务。［6］仍以“工业制硝酸”的情境为例，若驱动问题设计成“工业上是怎样大量生产硝酸的呢？”这会让学生无所适从。因为问题本身没有指向情境中的具体信息，学生思维将随意发散，无法准确指向学科核心素养的发展。不妨以“从硝酸的元素组成来看，你会选什么作为生产硝酸的原料？”开始，设计问题链或问题群，以更好地发挥真实情境的功能。

二、基于真实情境的高中化学单元复习教学策略

基于真实情境的单元复习教学设计流程如图2所示。教师应在掌握学情、明确教学目标的前提下对教学素材进行加工改造，搭建出结构良好的学习支架。在课堂应用阶段，通过精心设计的教学活动、问题链，促进深度学习的发生，发展学科核心素养。下文以“化学反应速率和化学平衡”复习课为例展开讨论。

图2 基于真实情境的单元复习教学设计流程

（一）由表及里，优化认知结构的策略

复习课不仅是对旧知的回顾和总结，也要促使学生内隐思维外显化，从而有利于主动发现问题，产生优化认知结构的需求。因此应从学生的认知起点出发，教学情境的编排顺序一般按照包含的信息由精简到冗余，由逻辑主线明显到丰富杂乱。本节复习课的教学目标设定如下。

（1）选择合适的化学反应原理，讨论和解决实际问题。

（2）运用化学反应速率和化学平衡知识，辨识和预测化学反应的可控性。

（3）能从节约资源、保护环境的可持续发展角度，评价和优化物质转化的设计。

教学情境的设计如表1所示。这四个教学情境贯穿课堂教学始终，并涵盖课前预习和课后练习（见图3）。

图3 “化学反应速率和化学平衡”复习课的教学情境设置

表1 “化学反应速率和化学平衡”复习课教学情境设计

教学情境1“自热火锅的发热原理”主要以安全教育短片的形式，要求学生课前观看。视频中消防员演示了错误操作自热饭盒而引发的危险场景。学生需要思考：为了保证使用时发热良好和安全稳定，反应过程是如何被仔细调控的？课堂教学即由此引入。该情境中相关要素清晰，演示时冷水和热水的对比、温度变化的速度差异等都非常直观。教学情境2“汽车安全气囊的膨胀”以一段真实的汽车安全碰撞试验视频引入主题。这段15秒左右的视频感官冲击比较大，但化学核心知识的信息并不清晰，需要学生先找出安全气囊充气的化学问题。教学情境3“汽车驱动的化学原理”的综合性有所上升，需结合汽车发动机构造分析燃料油驱动的原理。从百年来汽车的发展中，较为直观地感受到化学反应调控的效果是巨大的，显著提高了燃料油的利用率。再者，从可持续发展的角度引入氢燃料电池的原理和应用前景。至此，在师生的共同协作下，构建了“生活生产中应用化学反应的基本原则”（见图4），整理了“调控和利用化学反应的问题解决思路”（见图5）。

图4 生活生产中应用化学反应的基本原则

图5 调控和利用化学反应的问题解决思路

教学情境4“工业制硝酸”被赋予了单元测评和反馈的功能。课堂上学生以分工合作的学习方式共同完成该陌生情境下的知识迁移、预测解释、问题解决等环节。在教学实施过程中，相关文献资料需在学生小组得出自己的结论后予以展示，用以证明或证伪。课后通过作业的方式继续完善该主题，比如绘制简易的生产流程，选择合适的处理硝酸工业尾气的物质等。

（二）任务驱动，激发深度学习的策略

在学习任务的驱动下，学生能积极参与较为复杂的沟通任务并体验化学学科本质。以教学情境2“汽车安全气囊的膨胀”为例进行具体阐述。

在新授课阶段，学生需要建立起相关核心知识和必备技能方法的基本框架，教学宜选择理想化的情境，从而有利于达成教学目标。但真实情境中的化学问题通常是不良结构的，并不以学科模型的方式暴露在现实中。复习课上依据学情，可以尝试更为真实的情境。用一个看似无从下手的问题，以任务驱动学生去“跳一跳”，鼓励学生用化学的眼光观察世界，理解调控物质变化的现实意义。本案例中，从学生认知的一般视角入手，从教学素材中找出气囊保障安全的关键要素，从而搭建“脚手架”。任务二，聚焦化学认识视角，运用定量计算、比较任务一的信息，关联任务二和任务一，感悟模型认知的科学意义。任务三，再次聚焦该化学反应，多角度观察，继续发现新问题。从产物金属钠的性质评价此时的可行性问题，提出解决方案。在水平层次上 ，三项任务依次由浅入深，由局部到全面，满足学生的一般认知逻辑。

（三）测评反馈，提升学科核心素养的策略

《2020修订版课标》指出，化学日常学习评价是化学教学不可或缺的有机组成部分［1］。本节复习课上，以“工业制硝酸”的真实情境为载体，根据教学目标筛选了若干实际问题，学生在学习活动中分工合作，也在书写个人设计方案中完成测评。

“工业制硝酸”设计方案的问题链如下。

Q1：从硝酸的元素组成来看，你会选择什么物质作为生产硝酸的原料？

Q2：以氮气为原料，你会选择哪些反应设计生产硝酸的流程？

Q3：与小组同学商议，选出最优的流程，并说明判断依据。

Q4：在实现这些物质转化的化工生产中，是否还需优化流程实现物尽其用？

Q5：实验室模拟氨的催化氧化实验中，调控反应的措施是什么？

资料显示，氨气和氧气在加热时可生成多种含氮物质。如何尽可能多地产生NO，减少副反应的发生？

Q7：氨氧化装置中，按一定比例混合的空气与氨气通过铑合金催化网。图6为NO、N2的生成速率与温度的关系图。请选出适宜的反应温度。

图6 NO、N2的生成速率与温度的关系图

Q8： NO2生成硝酸环节，对于气体和水的反应可以采取哪些工艺方法调控反应，以符合工业生产的需求？

在教学实施过程中，学生合作完成Q1—Q3后，由教师提供一份1951年介绍永利化工公司的报刊资料，通过阅读硝酸工艺的文字描述，反馈了使用氨氧化法生产硝酸的工艺，学生在课堂上及时见证了所学知识产生的价值。Q4测评了“原子利用率”这一核心概念，并且在工业制硝酸的情境中应用氮氧化合物转化的化学知识来解决问题。又如Q7测试了“运用比较法分析选择反应温度的依据”，激发学生产生新的思考和见解。

三、结语

从单元复习的功能需求来看，要有效提取出学生脑海中散乱的知识点，并优化原有的认知结构，建立起分析同类问题的思维模型。真实情境的复杂性和可变性正是达成上述目标的良好载体。同时结构良好的教学情境也让课堂成为看世界的一个窗口。在教学中，学生更能体会到化学认识视角是认识世界的重要维度，在实际问题的讨论过程中认识到总能提供更优化的解决方案。

值得继续研究的是，如何加工同一个情境素材，从而能从不同层次发展化学学科核心素养目标？是否有某种基本要素或规律可循？以此实现对核心素养的准确测评，更好地发挥复习教学的作用。