基于“设计型学习”的化学“工程思维”培养的教学实践

陈粲 严西平

摘要：在中考化学“工艺流程”专题复习课中，运用“设计型”学习和“工程思维”的理论进行了教学设计，改变只重视知识点强化记忆的呆板印象，强化引导学生主动参与工艺流程设计的“设计型”学习，注重培养学生“工程思维”的形成与发展。在教学中体现设计型学习的思路与方法，阐释工程思维的方式和特点，建构解决实际问题的模型。

关键词：设计型学习；工程思维；模型建构；化学工艺流程

文章编号：1008-0546（2023）09-0059-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.011

在中考复习中，很多复习课往往变成知识点的强化记忆，而忽略了运用，即使运用，也仅仅表现在刷题、讲题、练题，而忽略了学生的思维、能力的综合提升。2022年6月，笔者有幸在泰州市凤凰初中上了一节题为“化学工艺流程”的公开课，同时作为泰州市初中化学名师工作室成员，在本节课展示了本工作室江苏省教育科学“十四五”规划课题的阶段性研究成果，有关“设计型学习”以及“工程思维”在化学教学中的实践。

一、教学设计背景

随着新课标的颁布，教育被赋予了新时代新使命，这就要求教育工作者能够与时俱进。义务教育阶段的化学课程需要发挥其育人功能，培养有理想、有本领、有担当的时代新人。[1]新课标要求开展化学教育过程中重视以核心素养为导向的教学，其中核心素养之一科学探究与实践里面就强调：运用简单的技术与工程方法设计、制作与使用相关模型和作品的能力、提出解决实际问题初步方案的能力。

“设计型学习”是一种融合探究活动和设计实践的学习方法，由教师提出设计型学习挑战，学生经过反复探究、设计来完成面向真实情境的项目，最终形成学习成果。设计型学习能帮助课堂提质增效，能帮助培养学生的探究、协作、设计和创造等高阶能力。在国外，“设计型学习”主要应用于K-12教育、教师教育方面，在国内还处于研究、梳理、分析层面，尚未应用于实践。[2]

工程思维是一种高阶思维，是一种科学思维。工程思维以具体的某个实际问题为驱动框架，要求学生在任务的驱动下通过合作、探究等方式解决实际问题。[3]为培养“三有”新人，工程思维的培养就显得尤为重要。作为启蒙阶段的化学学科，旨在培养新人，培养有思维能力的人，培养有动手能力解决实际问题的人，培养有智慧、有悟性、有爱国心的人。

二、教学设计思路

在化学教学中，以旧知唤新知，这种知识之间的内在联系可以为学生的思维发展呈現一个明晰的脉络，所以，我们要搭建知识之间的内在联系契合点，更好地发挥学生最近发展区的作用，让新知识可以有效地融入旧知识系统之中，让学生的化学思维结构清晰、条理分明。基于此实施情境教学，以社会事件、生活实际、化学实验、工业生产、化学史料、学科前沿等视角来创设情境化问题链，促进化学知识与实践应用的结构化，从而在教学中实现情境化、问题化、任务化、活动化；激发学生学习兴趣，引导学生积极开展自主学习、探究学习和合作学习，从而进一步培养学生的工程思维。

本节课从概念人手，设计、探究后进行再设计、再探究，通过迭代提高完成学习任务的挑战。课堂伊始，笔者以“中国制造”创设情境，引出化学工艺流程，目的要培养学生的民族自豪感以及深刻认识到化学工艺在社会发展中的重要性，同时以激昂的背景音乐迅速将学生的注意力拉进课堂中，引出化学工艺的主题。

在课堂中，先帮助学生理解化学工艺流程的概念及步骤，初步了解化学工艺流程的规则和解读方法，然后设计两个问题：侯德榜制碱法和疫情防控方面的消毒剂制取，创设这两个问题的初衷也是为了能够培养学生的民族自豪感和爱国情怀。在流程图中，将酸、碱、盐的相关知识配合相关实验操作进行组合，让学生能够学以致用，因此，在分离提纯的环节中创设一个真实情境，让学生自主合作完成流程图的设计，并且让学生知道很多物质其实就是在我们身边，并没有想象得那么遥不可及，明白知识源于生活、反哺生活。在硝土和草木灰的讲解中，贯彻传统文化的渗透，再次激发学生的求知欲以及对文化自信的强化。

三、教学过程

1．创设情境，引入主题

【展示】视频播放：中国制造

【教师】中国制造，世界闻名。中国制造是速度的代名词，而在实际生产、建设中，往往都存在着一定的制造流程，待流程设定完毕后，即可完成工艺制造。今天我们就一起来学习化学工艺流程该如何设计。

2．直奔主题，初识概念

【教师】化学工艺是什么？什么是化学工艺流程？

【展示】化学工艺即是化学技术或化学生产技术。化学工艺流程指将原料主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，也包括实现这一转变的全部措施。

【教师】我们为什么要研究学习化学工艺流程问题？

【展示】（1）化学工艺流程问题来源于真实广泛的工业生产和日常生活；

（2）新课标要求学生具备综合运用化学的相关知识和科学方法解决生产、生活实际和科学研究中的简单化学问题的能力；

（3）化学工艺流程题问题设置灵活，考查的知识点全面，对学生的综合素质和能力要求较高，帮助学生提高分析和解决实际问题的能力。

3．问题指引，模型建构

【教师】化学工艺是国家发展的命脉，在近代，我国涌现了一大批爱国化学家，侯德榜和他的“侯氏制碱法”享誉世界，我们跟随侯德榜先生制碱的流程一起来认识化学工艺。

【展示】1926年，我国化工专家侯德榜创造出的“侯氏制碱法”，结束了由美、英、法等国垄断世界纯碱市场的时代。其模拟流程如图1所示：

【教师】同学们，这就是“侯氏制碱法”的流程简图，让我们带着问题自主学习工艺流程有哪些要点？从图中你可以知道哪些信息？

【展示】（1）在该流程中，所需原料是什么？

（2）在流程中涉及到哪些具体操作和反应？

（3）目标产品是什么？

（4）可循环使用的物质是什么？

（5）你认为化工流程分几步进行？

【学生活动】以小组为单位（6人一组），自主学习，小组交流，最后汇报。

【教师】在大家的自主思考、相互合作之下，我们对上述这一流程有了进一步的认识，而化工流程分几步进行呢？老师在大家的总结之后精炼了一下，分为三步进行，其实刚才大家都已经总结到了，我们一起来看。

【展示】化工流程一般分为三步：原料预处理、化学反应、产品精制。其中化学反应是整个流程的核心（见图2）。

4．初窥门径，小试牛刀

【教师】我们刚才已经认识了化工流程的基本要素，接下来我们一起解决一个我们生产中的问题。疫情防控是当下的主流安全问题，而消毒剂是我们生活中必不可少的物品，那么它的制造又有什么样的问题呢？一起解决吧！

【展示】在抗击疫情期间，消毒剂在公共场所进行卫生防疫时发挥着重要作用。二氧化氯（ClO2）是一种高效、广谱、安全的杀菌消毒剂。以粗盐水（含可溶性杂质MgSO4.CaCl2）为原料，制取ClO2的工艺流程如图3所示：

（1）试剂A为▲。

（2）加入过量Na2CO3溶液的作用是▲。

（3）步骤④中发生反应的化学方程式▲。

（4）上述流程中可循环利用的物质有▲。

【学生活动】独立解决问题，请小组代表为大家讲解解决问题的思路与方法。

【总结】解读工藝流程的思路与方法：阅读题干，找关键词，明确目标，理解流程，整合信息，细心解题。其中还需要注意把名称换为化学式，写出相关反应的化学方程式，注意细节并规范语言。

5．模型已成，思维展现

【教师】古法制硝流传已久，作为中国人，作为化学人，传承中华传统文化义不容辞。古法制硝后的硝酸钾中有许多杂质．请大家设计一个切实可行的方案，提纯硝酸钾，并画出工艺流程图。

【展示】小组活动：制取硝酸钾可以用硝土和草木灰作原料，现有用该法制取的某硝酸钾固体样品，其中含有少量杂质（氯化钠、氯化钾、碳酸钾、氢氧化钠、碳酸钙），请以小组为单位，为KNO3的提纯制定方案，以流程图呈现。

【学生活动】独立思考，小组合作、探究，展示小组研究成果（以投影展示）。

【评价】学生对方案的优缺点进行自评，对彼此方案的异同进行分析，对设计过程中的困惑进行公开讨论解决，最后教者给出建议。

四、教学反思

本节课在新课标的理念之下，运用“设计型”学习融合探究活动和设计实践的学习方法，增进对学科内容的学习和理解，提升学生的综合能力与核心素养，以此培养学生的工程思维以及通过学习来解决复杂的现实问题的习惯与能力。

在课堂设计时，以爱国心、民族结、传统情为暗线贯穿始终，培养学生正确的价值观。在解决实际问题时，以正向思维引入，以逆向思维结尾，在正逆思维的双向碰撞下，能较大程度地培养并提升学生的高阶思维，引导学生巧用分析、评价、创造等思维来解决实际问题，这样更能体现学科价值，更能贴合新课标的要求，才能不负总书记培根铸魂、启智增慧的嘱托。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部，义务教育化学课程标准（2022年版）北京：北京师范大学出版社，2022.4．

[2] 李美凤，孙玉杰，国外“设计型学习”研究与应用综述[J]．现代教育技术，2015 （7）：12-18．

[3] 陆庭銮，化学教学中工程思维的内涵及培养[J]．教学与管理，2022（07）：62-65．