基于化学学科本质的探究学习与解决问题教学策略——以工艺流程设计为例

韩建丰 高凌蕊

（北京市广渠门中学，首都师范大学第二附属中学）

《普通高中化学课程标准（2017 年版2022 年修订）》（以下通称“新课标”）强调“素养立意”，重视在实际情境中解决问题。化学工艺流程设计类问题教学的深入研究符合新课标和高考评价体系的指向。化学学科的本质可概括为“认识物质和创造物质”，化学作为一门与大众生活紧密联系的学科，具备很强的应用性。工艺流程设计的教学通过追问学科本质，发展学生的化学学科思维，培养学生的化学核心素养。

一、基于化学学科本质理解的教学研究

（一）从化学学科视角分析问题

学生需要具备的学科认知角度有：用于工业生产的原料一般为从自然界直接获取的资源（如矿石等）或在其他工业生产中产生的废料，因而原料的纯度不高，含有较多杂质，要考虑处理杂质的问题——化学知识运用于工业生产。工业对产品“质和量”的要求不同于实验室制取，经济问题是必须考虑的，确定最优方法、加入的物质及产生的热量等需循环再利用、杂质的回收与再生产副产品等可以帮助工业生产实现利益最大化、成本最低化——化学思维渗透于社会发展。绿色化学思想的渗透，即在考虑工业生产的情况下同时重视环境保护，力争实现环境友好。以上化学工艺流程设计常识需要作为重要观念，作为学生建构思维模型的基本原则和框架——化学观念服务于思维进阶。

（二）基于学科本质解决问题

工艺流程设计的化学本质即“更好地得到产品”，将学科本质中蕴含的复杂且完整的“大问题”进行拆解得到“小问题”。“小问题”包含4 条思维线，即“试剂线、杂质线、操作线、产品线”，应先进行集中学习，在形成必备知识和关键能力的足够储备后，将4条“小问题”思维线串联，让零散的知识串联为解决完整“大问题”的一般方法，形成解决工艺流程设计问题的思维主线。

1.试剂线

学生需要掌握在化学工艺流程中常用到的试剂类型及作用体现（见表1）。教师要引导学生能够依据试剂性质判断试剂的作用，理解实际操作中每步加入某些试剂的作用，从而进一步判断能够发生的核心化学反应，再通过反应产物的状态和性质判断应该采取的分离提纯操作。

表1 试剂线索

2.杂质线

学生需要通过实际情况中所含杂质确定除杂所需的试剂、方法和步骤（见表2）。教师要引导学生抓住杂质的去向进行重点分析，更要确定杂质是在哪里除掉、如何除掉。

表2 杂质线索

3.操作线

原料阶段预处理、产品提纯处理阶段的主要实验手段，在协同试剂线分析时需要考虑是否需要进行操作、进行什么操作、如何进行操作。教师要引导学生思考各操作步骤的意义和必要性（见表3)。

表3 操作线索

4.产品线

从获得产品实际角度出发，学生需要考虑产品的纯度、产率、速率等重要指标。教师要引导学生关注原料和产品含有的共同元素，抓住关键元素的去向是理解试剂、杂质和操作三大主线的核心观念。教师关注化学工艺流程设计中的“产品控制”，可促进学生将相关知识内容结构化（见表4）。

表4 产品线索

二、问题解决策略的形成

（一）提炼教材

化学教材非常重视化学工艺流程设计类问题的探讨和学习，多以“课本正文”“思考与讨论”“资料卡片”“科学·技术·社会”“练习与应用”等形式引出，但无完整的“大问题”的解决路径。教师需要对教材进行提炼、整合和再设计，形成服务于思维主线形成的工艺流程设计教学单元。教师可以先整理人教版必修教材的六个基本范例：矿石中金属单质的冶炼，如铝土矿中提炼金属铝等；非金属单质的获取，如单晶硅的制备；海水资源的利用，如海水淡化、粗盐提纯、氯碱工业、海水中提取镁和溴、海带中提取碘；常用酸的制取，如黄铁矿（FeS2）制硫酸、硝酸；化石能源的综合利用；其他常见工业流程，如工业制纯碱（侯氏制碱法）、自然界水的净化、工业废水废气的处理。然后，教师依据教材素材进行“试剂线、杂质线、操作线、产品线”思维主线的建构，是帮助学生理解情境、完成“去情境化”的蜕变、形成问题解决策略的重要教学过程。

（二）应用教材

化学学科理解是对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本源性、结构化的认识，教师要依托于教材素材建构思维主线帮助学生从本源出发，逐步得到系统化结构化知识体系。例如，以铝土矿中提炼金属铝作为思维模型的建构与应用素材，有助于学生基于教材范例理解化学工艺流程设计的初衷、关键问题及思考方式。教学中，教师应推动学生抓住基本概念、化学观念和思维程序建构化学工艺流程设计的完整思维主线。教学过程包括：梳理试剂线——寻找能够分离物质的试剂，从氧化铝为两性氧化物、氧化铁为碱性氧化物、二氧化硅为酸性氧化物出发，第一步可以为酸溶或碱溶。第二步产物中铝元素为偏铝酸钠，结合物质性质选择二氧化碳通入该溶液中形成氢氧化铝沉淀，从而达到分离提纯铝元素的目的。明确杂质线——根据矿石中主要物质确定杂质元素，通过物质性质设计杂质除去的路径。理解操作线——根据杂质和待提纯物质在混合物中的存在方式和相应的化学原理确定分离提纯的操作方法。优化产品线——通过试剂选择和操作方法确定每一步的产品，对照最终产品进行后续工艺流程设计，这个过程中抓住“更好地获得产品”的本质。