基于化學學科本質的探究學習與解決問題教學策略

摘要：工藝流程設計是高中化學的教學難點，提升教學有效性的關鍵是促進學生深入理解學科本質。教師應基于調研和教學實踐，梳理學生在工藝流程設計類問題學習中的困惑，引導學生先明確工藝流程設計中蘊含的化學學科本質，再結合問題的本源性特點構建及應用思維模型主線的學習與解決問題策略。關鍵詞：化學學科本質；學習與解決問題；化學學科核心素養(yǎng)；思維主線《普通高中化學課程標準（2017年版2022年修訂）》（以下通稱“新課標”）強調“素養(yǎng)立意”，重視在實際情境中解決問題?；瘜W工藝流程設計類問題教學的深入研究符合新課標和高考評價體系的指向。化學學科的本質可概括為“認識物質和創(chuàng)造物質”，化學作為一門與大眾生活緊密聯系的學科，具備很強的應用性。工藝流程設計的教學通過追問學科本質，發(fā)展學生的化學學科思維，培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)。一、基于化學學科本質理解的教學研究（一）從化學學科視角分析問題學生需要具備的學科認知角度有：用于工業(yè)生產的原料一般為從自然界直接獲取的資源（如礦石等）或在其他工業(yè)生產中產生的廢料，因而原料的純度不高，含有較多雜質，要考慮處理雜質的問題——化學知識運用于工業(yè)生產。工業(yè)對產品“質和量”的要求不同于實驗室制取，經濟問題是必須考慮的，確定最優(yōu)方法、加入的物質及產生的熱量等需循環(huán)再利用、雜質的回收與再生產副產品等可以幫助工業(yè)生產實現利益最大化、成本最低化——化學思維滲透于社會發(fā)展。綠色化學思想的滲透，即在考慮工業(yè)生產的情況下同時重視環(huán)境保護，力爭實現環(huán)境友好。以上化學工藝流程設計常識需要作為重要觀念，作為學生建構思維模型的基本原則和框架——化學觀念服務于思維進階。（二）基于學科本質解決問題工藝流程設計的化學本質即“更好地得到產品”，將學科本質中蘊含的復雜且完整的“大問題”進行拆解得到“小問題”?！靶栴}”包含4條思維線，即“試劑線、雜質線、操作線、產品線”，應先進行集中學習，在形成必備知識和關鍵能力的足夠儲備后，將4條“小問題”思維線串聯，讓零散的知識串聯為解決完整“大問題”的一般方法，形成解決工藝流程設計問題的思維主線。1.試劑線學生需要掌握在化學工藝流程中常用到的試劑類型及作用體現（見表1）。教師要引導學生能夠依據試劑性質判斷試劑的作用，理解實際操作中每步加入某些試劑的作用，從而進一步判斷能夠發(fā)生的核心化學反應，再通過反應產物的狀態(tài)和性質判斷應該采取的分離提純操作。2.雜質線學生需要通過實際情況中所含雜質確定除雜所需的試劑、方法和步驟（見表2）。教師要引導學生抓住雜質的去向進行重點分析，更要確定雜質是在哪里除掉、如何除掉。3.操作線原料階段預處理、產品提純處理階段的主要實驗手段，在協同試劑線分析時需要考慮是否需要進行操作、進行什么操作、如何進行操作。教師要引導學生思考各操作步驟的意義和必要性（見表3）。4.產品線從獲得產品實際角度出發(fā)，學生需要考慮產品的純度、產率、速率等重要指標。教師要引導學生關注原料和產品含有的共同元素，抓住關鍵元素的去向是理解試劑、雜質和操作三大主線的核心觀念。教師關注化學工藝流程設計中的“產品控制”，可促進學生將相關知識內容結構化（見表4）。二、問題解決策略的形成（一）提煉教材化學教材非常重視化學工藝流程設計類問題的探討和學習，多以“課本正文”“思考與討論”“資料卡片”“科學·技術·社會”“練習與應用”等形式引出，但無完整的“大問題”的解決路徑。教師需要對教材進行提煉、整合和再設計，形成服務于思維主線形成的工藝流程設計教學單元。教師可以先整理人教版必修教材的六個基本范例：礦石中金屬單質的冶煉，如鋁土礦中提煉金屬鋁等；非金屬單質的獲取，如單晶硅的制備；海水資源的利用，如海水淡化、粗鹽提純、氯堿工業(yè)、海水中提取鎂和溴、海帶中提取碘；常用酸的制取，如黃鐵礦（FeS2）制硫酸、硝酸；化石能源的綜合利用；其他常見工業(yè)流程，如工業(yè)制純堿（侯氏制堿法）、自然界水的凈化、工業(yè)廢水廢氣的處理。然后，教師依據教材素材進行“試劑線、雜質線、操作線、產品線”思維主線的建構，是幫助學生理解情境、完成“去情境化”的蛻變、形成問題解決策略的重要教學過程。（二）應用教材化學學科理解是對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本源性、結構化的認識，教師要依托于教材素材建構思維主線幫助學生從本源出發(fā)，逐步得到系統化結構化知識體系。例如，以鋁土礦中提煉金屬鋁作為思維模型的建構與應用素材，有助于學生基于教材范例理解化學工藝流程設計的初衷、關鍵問題及思考方式。教學中，教師應推動學生抓住基本概念、化學觀念和思維程序建構化學工藝流程設計的完整思維主線。教學過程包括：梳理試劑線——尋找能夠分離物質的試劑，從氧化鋁為兩性氧化物、氧化鐵為堿性氧化物、二氧化硅為酸性氧化物出發(fā)，第一步可以為酸溶或堿溶。第二步產物中鋁元素為偏鋁酸鈉，結合物質性質選擇二氧化碳通入該溶液中形成氫氧化鋁沉淀，從而達到分離提純鋁元素的目的。明確雜質線——根據礦石中主要物質確定雜質元素，通過物質性質設計雜質除去的路徑。理解操