促进化学学科核心素养发展的深度学习实践

摘 要 化学学科核心素养是化学学科育人价值的集中体现。在课堂教学中落实核心素养培育是对一线教师提出的新挑战，而深度学习是促进化学学科核心素养发展的有效学习方式。以“实验室中CO2的资源化利用”为例进行高二年级复习课实践研究，涵盖了物质性质及转化、化学反应方向、电解原理及其装置图设计等内容。通过真实情境激发思考、驱动问题引领思维过程来促进化学观念、证据推理、社会责任、科学决策等化学学科核心素养发展。

关键词 高中化学 深度学习 化学学科核心素养 CO2的资源化利用

一、问题提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出的基本理念之一是化学学科核心素养，这是化学学科育人价值的集中体现[1]3。发展化学学科核心素养是化学课堂教学的核心目标。“素养为本”的教学倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养创新精神和实践能力[2]。

深度学习是促进核心素养发展的有效学习方式。深度学习要求学生通过深度思维参与促进知识建构和方法迁移。[3]在学习过程中，以问题解决为主线，通过创设真实的情境来激发思考，设计有效的活动来促进思维发展，启发学生自主地运用高阶思维深度参与其中，关注能否多角度系统地理解化学知识，能否基于化学核心观念和思想方法去创新性地解决复杂情境问题，以此促进学生的化学学科核心素养发展。如何在学习过程中实现学生的深度学习成为教学改革的新方向。[4]“价值与评价”是深度学习的重要特征之一，是指学生对所学知识进行批判、质疑与评价。[5]

本文依托“碳达峰”“碳中和”的时代发展背景，以“实验室中CO2的资源化利用”为例，基于深度学习理念开展促进化学学科核心素养发展的学习实践研究。本节课是高二年级的复习课，对学习内容进行了重新整合，形成了新的学习单元，涉及物质性质及转化、化学反应方向、电解原理等化学知识。

二、教学目标

（1）通过CO2的转化路径设计，感悟化学知识在解决社会问题中的重要价值，增强化学学习兴趣和社会责任感。

（2）通过设计CO2的转化路径和书写反应方程式，初步形成元素观、守恒观和变化观等化学观念。

（3）通过吉布斯自由能判据判断CO2转化为CH3OH反应的自发性，初步形成证据推理能力。

（4）通过电解装置图的设计，进一步巩固和优化电化学认知模型，发展模型认知和创新意识。

三、教学思路

“实验室中CO2的资源化利用”的教学思路，如图1所示。

四、深度学习实践过程

【情境引入】2020年9月，中国在联合国大会上向世界宣布了2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和的目标。在“碳达峰”“碳中和”的时代背景下，二氧化碳的捕获与释放方法是化学研究的重要方向之一。目前，尽管二氧化碳捕获已取得重要进展，但是仍存在捕集成本过高等问题。

（一）任务一：CO2合成CH3OH反应路径设计

【驱动问题1】通过“过程”中的哪些途径可以降低二氧化碳的捕获成本呢？

【学生活动】小组交流讨论降低捕获成本的可能方法。

【学生表现】表现1：采用低成本的捕捉剂；表现2：改进生产工艺；表现3：CO2可以转化为经济效益更高的物质，获取额外收益，降低成本。

【师】为了实现CO2深度减排，目前国际上主要有两种技术手段，请阅读学习资料了解相关信息。

【学习资料】二氧化碳捕集和封存技术（Carbon Capture and Storage，CCS），是指把CO2从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并长期与大气隔绝的过程。[6]随着CCS技术发展及认识的不断深化，我国于2006年在香山会议首次提出二氧化碳捕集、利用与封存技术（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS），在CO2捕集和封存之间引入CO2资源化利用，通过化学转化利用将CO2封存在化工产品当中。[7]

【驱动问题2】CCS技术和CCUS技术的差别是什么？

【生】与CCS技术相对比，CCUS技术增加了“CO2资源化利用”环节，也就是将CO2转化、封存在化工产品中。

【追问1】如果把CO2资源化处理，可以转化为哪些产品呢？

【学生活动】小组交流讨论CO2转化的可能产物。

【学生表现】可能产物包括甲烷、甲醇、乙烯、葡萄糖等。

【师】甲醇作为一种重要的有机化工原料，在化石能源逐渐枯竭的今天，把二氧化碳转化为甲醇对缓解能源危机及实现“碳中和”目标有着不可忽视的战略价值。

【驱动问题3】CO2转化为甲醇的可能反应路线有哪些呢？

【学生活动】分析、书写转化反应方程式，交流想法。

【学生表现】[方案1]根据元素守恒和氧化还原知识，书写方程式：CO2 + 3 H2 = CH3OH + H2O；

[方案2]从原材料来源和经济角度，再结合氧化还原知识，书写方程式：2 CO2 + 4 H2O = 2 CH3OH + 3 O2。

【追问2】哪个方案更合理呢？

【学生评价】方案2更合理，因为方案1中氢气价格昂贵，且难以获得，操作不方便。

设计意图：问题1的目的是通过基于转化途径（过程）视角进行问题解决，培养学生认识在过程（途径）中分析问题的能力。问题2的目的是通过比较CCS技术和CCUS技术的差别，为实现CO2资源化利用做铺垫。追问1的目的是引导学生猜想CO2转化的可能目标产物，为转化路线设计做铺垫，培养学生合理想象的能力。问题3的目的是通过CO2合成CH3OH反应路径设计，帮助学生强化从元素守恒和化合价视角认识物质转化的思路。追问2的目的是考查学生多角度分析真实问题能力，培养学生决策意识。素养目标是培养学生化学观念和社会责任意识。

（二）任务二：CO2合成CH3OH反应可行性分析

【驱动问题】CO2合成CH3OH的反应能够自发进行吗？请同学们基于【资料支持】中所给数据，结合已学的关于化学反应方向的知识进行解释。

【资料支持】在298.15 K、100 kPa下，2 CO2（g）+ 4 H2O（l）= 2 CH3OH（l）+3 O2（g），ΔH = +1453.2 kJ·mol-1，ΔS = + 162.8 J·mol-1·K-1。

【学生活动】根据公式ΔG = ΔH－TΔS进行计算。

【学生表现】根据公式ΔG = ΔH－TΔS = +1453.2 kJ·mol-1－298.15 K×162.8×10-3 kJ·mol-1·K-1 = +1404.6 kJ·mol-1＞0，因此该反应在常温下不能自发进行。

设计意图：通过给定信息，基于吉布斯自由能判断化学反应自发的可能性，培养学生分析、计算、判断、推理等能力。素养目标是初步形成严谨求实的科学态度和证据推理能力。

（三）任务三：CO2合成CH3OH的电解转化原理探讨

【师】在常温下，既然CO2合成CH3OH不能自发进行，那就需要给反应从外部施加驱动力。通过条件改变引发化学反应。下面以电解为例，探讨CO2合成CH3OH电解原理。

【驱动问题】请同学们依据总反应方程式写出电极反应式，并谈一谈，你是如何分析的？

总反应方程式：2 CO2 + 4 H2O = 2 CH3OH + 3 O2。

【学生活动】小组交流讨论，书写电极方程式。

【学生表现】[方案1]阴极：CO2 + 6 e-+ 6 H+ = CH3OH + H2O；阳极：2 H2O－4 e-= O2↑ + 4 H+ ；

[方案2]阴极：CO2 + 6 e- + 5 H2O= CH3OH + 6 OH-；阳极：4 OH- －4 e- = O2↑ + 2 H2O。

【追问】两组同学的答案是不是都可行？哪一个表达得更合理呢？

【学生评价】我认为方案2不妥，因为阴极附近碱性变强，二氧化碳和碱发生反应，降低了甲醇的产率。

【师】所以在二氧化碳制取甲醇时，一般采用酸性电解质溶液。

设计意图：问题的目的是考查学生基于总反应方程式书写电极反应式的能力，为设计电解装置图做准备；追问的目的是培养基于化学反应原理对方案进行评价的能力。素养目标是发展学生创新意识和科学决策能力。

（四）任务四：CO2合成CH3OH电解装置图设计

【师】解决完电解原理问题，需要解决在实验室用什么样的装置吸收CO2问题。

【驱动问题】根据电解装置构成要素，能否设计CO2合成CH3OH的电解装置呢？

【学生活动】小组合作，画出CO2制CH3OH的电解装置图，并展示分享。

【学生表现】学生设计的电解原理图，如图2所示。

【追问1】请同学们观察、分析、对比三幅装置原理图，可以从哪些角度进行评价来选择合适的装置呢？

【学生评价1】从电极材料看，图（1）用的是Pt电极，而图（2）（3）用的是石墨电极，因此图（1）装置造价更高。

【学生评价2】从CO2的处理看，图（3）处理方法较好，采用的是海绵吸附；而图（1）没有给出具体的处理方法，图（2）采用的是通过气柱吸收。

【追问2】为什么海绵更好呢？

【生】海绵疏松多孔的结构决定它具有很好的吸附效果，使电极表面聚集更多的CO2，提高效率，成本也低。

【学生评价3】图（3）使用了H+交换膜，使其能循环使用，符合绿色化学理念。

【师】三位同学分别从经济、效率、环保角度对三个装置图进行了分析、比较，g79LfP8CN+TwuwO81j9c+jlHOoQ99OFSIWuwDIAgDP4=都认为图（3）设计得更合理。

设计意图：问题的目的是基于“任务三”的结论和电解池原理来设计电解装置图；追问1和追问2的目的是培养学生从多角度进行分析、比较等高阶思维能力。本环节的素养目标是发展学生知识迁移能力和创新意识。

五、教学反思

（一）注重真实问题情境的创设，培养学生智力因素和非智力因素

新课标指出，在教学过程中，教师应重视创设真实且富有价值的问题情境。“富有价值”的内涵除问题情境应承载必备知识、方法、能力和素养外，还要能激发学生的学习兴趣和学习动力，凸显化学的学科价值，彰显爱国主义情怀，体现立德树人的基本要求。本节课教学以“实验室中CO2的资源化利用”为问题情境，这是“碳中和”时代背景下的社会热点问题，与每个人息息相关，与国家发展战略紧密相关，是促使学生产生强烈的探索欲望、增强化学使命感和社会责任感的重要情境素材。

（二）注重学生思维深度的培养，实现认知结构化

深度学习过程是一个个问题逐渐解决的过程，以学生外在行为表现变化为明线，以学生认知思维发展和观念提升为暗线。布局这样一条线索，教师需要充分了解学生当下处在哪里，要到哪里去，也就是要解决好认知起点和认知终点的问题。通过情境的创设，引导学生自主建构认知发展路径。教师需要尊重学生的思维习惯，不要急于把自己认为正确的逻辑强加给学生。只有在学习中通过师生互评、生生互评反馈，进行自我反思，寻找自己与别人思维异同点，不断突破思维障碍点，建立符合自己习惯的逻辑思维，学生才能真正实现思维深度化，形成结构化认知。本节课引导学生对复杂化学问题情境中的关键要素进行分析与提炼，不断建构和优化认知模型。在模型的建构中将认识思路外显，有助于学生在面对陌生情境和问题时实现自主迁移，利用化学学科知识解决实际问题，体现知识的学科价值和社会价值。

（三）注重基于学生课堂学习表现，开展素养导向评价

学生是课堂教学的主体，针对教师布置的学习任务或驱动问题，通过探究、交流、研讨等形式参与到学习活动中来。基于学生多样化的学习表现，教师提出有针对性的引领问题，开展师评、生生互评等评价形式，多角度对学生表现进行评价。本节课在任务一、任务三和任务四中均出现针对同一问题，学生有不同的学习表现的现象，教师通过“追问”的形式引领学生对问题进行深入思考和多角度评价，这也是培养学生评价、决策能力的重要手段。

（四）通过教师驱动问题引领，让学生成为深度学习的主体

深度学习应充分发挥学生在学习过程中的主体地位。教师通过驱动性问题和追问，引领学生思考方向。学生在学习活动中进行探究、交流、思考、汇报等，实现对知识的建构，并通过对学生回答问题的点评，发展多视角认识能力，实现对知识的再认识、再思考，以此达到培养学生化学学科核心素养的目的。

课堂教学的首要任务是促进学生发展。[8]在新课程改革基本理念指引下，让学生积极参与、体验、建构知识学习过程，并通过知识学习发展核心素养，在知识学习过程中成长和发展。深度学习是一种基于学生立场进行知识学习和建构的学习方式，符合化学学科核心素养发展要求。[9]一线教师需要为此进行积极准备，在一线课堂上让立德树人和化学学科核心素养发展得到落实。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]宋靳红.“素养为本”的新教材教学实践探索：以“化学反应与电能”为例[J].教育与装备研究，2022（10）：39-44.

[3]马云鹏.深度学习的理解与实践模式：以小学数学学科为例[J].课程·教材·教法，2017，37（4）：60-67.

[4]朱立明，冯用军，马云鹏.论深度学习的教学逻辑[J].教育科学，2019，35（3）：14-20.

[5]郭华.深度学习的五个特征[J].人民教育，2019（6）：76-80.

[6]阳平坚，彭栓，王静，等.碳捕集、利用和封存（CCUS）技术发展现状及应用展望[J].中国环境科学，2024，44（1）：404-416.

[7]秦积舜，李永亮，吴德彬，等.CCUS全球进展与中国对策建议[J].油气地质与采收率，2020，27（1）：20-28.

[8]郭华.基于深度学习的教学改进[J].教育科学论坛，2015（4）：13-23.

[9]韩建丰，高凌蕊.素养为本的深度学习作业设计：以“化学反应限度的认知”作业设计为例[J].中小学教学研究，2023，24（2）：37-41.

（责任编辑：姜显光）