立足技術素養的教學設計

劉玉榮 蔣楠

摘要：技術滲透在我們生活的方方面面，無論是社會進步、個人生活還是職業發展都要求學生具備一定的技術素養。技術素養是使用、管理、評價和理解技術的能力。在學科教學中滲透技術素養是培養學生技術素養的重要途徑。選取蘇教版“硫酸的制備與性質”教學主題，從技術知識，技術能力與方法，技術思想、情感態度等方面制定教學目標，立足技術素養進行教學設計和實施，以期提高學生的技術素養。

關鍵詞：技術素養；教學設計；硫酸制備；硫酸性質

文章編號：1005–6629（2016）5–0045–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

我們生活在一個被技術包圍的世界里，時常面臨著各式各樣的技術問題，無論社會進步、個人生活還是職業發展都和技術有密切的關系。那究竟什么是技術呢？《美國國家技術教育標準》界定技術“就是人們如何改造自然界以適應他們自己的需要。……是指人們用來拓展人類能力以及滿足人類需要和欲望的過程和知識的多種多樣的集合”[1]。當今世界，技術的內容和含義己經非常復雜和豐富，不僅涵蓋了工程、設計和技巧，還涉及制造、安全、維修和信息處理等等，而且還包括人類為達到利用、改造和保護世界的目的而運用到的各種工具、方法、技能及態度等的系統綜合。總之，我們可以認為技術是人們為了滿足某些需要而對自身已有的知識、資源、工具、經驗等進行的優化改造，是人類進步與社會發展的巨大推動力。技術的重要性使得人們越來越重視技術教育。美國“2061計劃”曾指出，技術教育應當讓人們有機會學習并體驗技術過程，了解技術的歷史，并將技術作為人們當下和未來生活的一個組成部分。技術教育旨在提高學生的技術素養，培養學生的創新精神，著力發展學生以信息的交流與處理、技術的設計與應用為基礎的技術實踐能力。化學是自然學科的重要分支，并且也是一門蘊含技術的學科，包含了技術知識（實驗、生產與工程、生活實用），技術能力（實驗、信息與認知），技術設計（實驗、信息與認知、生產與工程），技術理性（批判、創新、風險、人本、STSE意識等）[2]。普通高中化學課程“重視反映化學、技術、社會的相互聯系”，在《化學與技術》模塊中強調學生“能運用所學知識對化學有關的一系列技術問題做出合理的分析，強化應用意識和實踐能力”[3]。由此可知高中化學課程同樣重視學生技術素養的發展。

1 技術素養的內涵

關于技術素養的定義，國際大多數研究者界定為一種和技術相關聯的能力。其中對技術素養研究最多的是美國，美國著名理科課程專家赫德早在1975年發表的著名論文“科學、技術和社會——綜合理科教學的新目標”中就已指出，技術素養與科學素養應當并列為科學教學的一個主要目標[4]，1985年，美國科學促進會也開始了對于技術素養的關注與研究。表1是1985年以來美國對技術素養研究的大事件紀要。

關于技術素養的典型觀點來自美國國家科學院出版的《美國國家技術教育標準：技術學習的內容》（Standards for Technological Literacy：Content for the Study of Technology），即技術素養是使用、管理、評價和理解技術的能力[9]。這種定義經常被采用，具有高度概括性。美國技術素養委員會則認為，技術素養是相互依存的知識、思維和行為方式以及能力的綜合體，是與時代發展相適應的“關于技術人們應當了解多少東西”的一種最低標準，是與人們能否看書讀報、是否掌握最基本的算術技巧和概率概念、是否了解基本的科學知識和方法等等平行的有關人的知識與能力的一種人為規定[10]。我國著名學者吳俊明認為，技術素養是人在先天遺傳素質的基礎上，經過教育和實踐養成、發展的應用自然規律和各種資源進行技術活動的較為穩定的內在品質，它是人在后天養成的，但又以先天遺傳素質為基礎。技術素養是人的素質結構的重要組成部分，是技術時代任何一個公民都不可缺少的基本素養。

技術素養的內涵分為4個層次[11]。如表2所示。

2 化學教學中技術素養的培養

化學以其特有的實用性成為與人們生產、生活聯系最為緊密的學科之一，這種聯系總是通過一定的技術手段加以實現，比如能源與資源的開發和利用，材料的合成，環境的保護以及工農業生產等。在以往的化學教學中過于重視知識的傳授，也在一定程度上聯系到生活與社會，然而與技術的聯系不夠緊密，出現了重科學輕技術的現象。進入新世紀課程改革以來，提高所有學生的技術素養己經成為我國中學科學教育目標中的核心內容之一[12]。滲透技術素養的課堂教學是培養學生技術素養的一個良好途徑。在化學教學中培養技術素養，可以潛移默化地使學生自覺思考到底什么是真正的技術、如何使技術在人類社會中發揮作用，思考在科學轉化為技術的過程中，到底為什么要轉化、怎么轉化，以及某一技術的真正內涵或包含要素等等[13]。本文是以技術素養內涵和技術素養三個維度等理論為基礎，結合普通高中化學課程標準，將“硫酸的制備和性質”這節課的教學目標分為：技術知識，技術能力、思想和方法，技術情感態度價值觀，并立足技術素養進行教學設計和實施。

3 “硫酸的制備與性質”教學設計

“硫酸的制備和性質”是蘇教版必修《化學1》專題4“硫、氮和可持續發展”第一單元“含硫化合物的性質和應用”中的第二節內容，是中學階段為數不多的作為化工知識學習的重點內容，特征顯著，條理清晰，易于在教學中整合，并且其中包含了大量的技術原理及技術思想。盡管硫酸在工業中的應用學生在生活中就有所耳聞，但真正的生產環節，學生知之甚少。在本課的學習中，學生既可以聯系原有知識和生活實際來學習硫酸的制備和性質，又可以站在技術的角度上進一步運用探究性學習的方法，探究硫酸生產中的技術要素，所以本課是一節將學科知識和生產實際相結合的重要內容，是充分滲透著技術思想的一節內容。

3.1 教學目標

本節課的教學目標如表3所示。

3.2 教學流程

見圖1。

3.3 教學課堂實錄

環節一：工業制H2SO4反應原理的確定

[情境引入]硫酸被譽為化學工業之母，在國民經濟中發揮著重要作用，是衡量一個國家的化工生產能力的重要標準之一。

[投影]作為基礎化學工業的重要產品，硫酸也是許多企業的生產原料，農業方面，硫酸可以用來制化肥和農藥；工業上，可以酸洗除去金屬表面的氧化物膜，制取許多有實用價值的硫酸鹽，精煉石油等；軍事上，可以用來制造炸藥；實驗室中，常用作干燥劑，制取各種揮發性酸等等。

[設問]硫酸有如此多的用途和巨大的經濟效益，投資硫酸工業生產必定潛力無窮，那我們就來角色模擬一位硫酸企業的工藝設計師，生產硫酸我們需要具備什么樣的知識呢？

[生]工業制備硫酸的方法、工藝流程、反應原理、生產設備、原材料的選擇等等。

[設問]硫酸的制備從一千多年前的加熱膽礬或綠礬的方法至今有許多的方法，我們應該如何選擇呢？請充分考慮可行性與最優化原則，可多步完成。

[投影]制備硫酸的方法有：

[討論] 1，2的方法固體加熱高溫能耗大，原料來源少，價格昂貴，副產物多，產量小，不易利用，難以大規模生產等，所以方法1，2不合適。Na2SO4制取H2SO4需要酸，同時生成一種鈉鹽。但產物中硫酸和鈉鹽都是可溶性的，故此反應不能發生，所以方法5不可行。

選方法3，原因是S燃燒可生成SO2，原理方法簡單。但是學生懷疑方法4中反應可否發生。教師進行解釋說明，我國的黃鐵礦相對于單質硫來說，資源豐富，產量高。并且FeS2中的S是-1價，處于低價態，應該能被氧化成高價態SO2。所以綜合多方面來說方法4最合適。

[評價]同學們考慮周全，不僅考慮到反應能否發生等科學問題，還考慮到原料是否易得、反應條件是否合適等經濟成本問題。世界上主要用硫磺制硫酸，是因為用硫磺作原料成本低，對環境的污染少。我國由于硫磺礦產資源較少，主要用黃鐵礦作原料。因此，工業制硫酸應使用方法4最佳。

[學生書寫]工業接觸法制硫酸反應原理

設計意圖：讓學生親自選擇反應原理與方法，并在選擇的過程中初步體會原料選取，反應設備條件最優化、降低成本等技術思想，逐步發展自己的技術素養。

環節二：反應裝置的設計

[追問]反應原理已經選好，整個制備過程也就分為了三階段。那第一階段的反應裝置應如何設計呢？

[生]第一階段是固體和氣體高溫反應，可以用高溫的爐子燃燒黃鐵礦，然后用排氣管道將生成的SO2轉移到下一個裝置，剩余的不反應的爐渣可以從爐子下邊排掉。

[追問]那我們如何做到原料利用率最大化，并且提高產率呢？

[討論]可以將黃鐵礦在入爐之前進行粉碎，增大反應接觸面積。也可以將礦石進口料放在進風口的上面，這樣氣流與礦石接觸更加充分。不必選用純凈的O2，選用空氣就可以，這樣可以節約成本。

[繼續追問]生成的氣體可以直接通入到第二個反應裝置嗎？

[生]不可以，生成的爐氣里含有雜質，需要除雜凈化，否則在SO2被氧化成SO3的反應裝置里會使催化劑中毒，同時還要干燥，水蒸氣會對設備和生產造成影響。

[追問]那第二步SO2被催化氧化成SO3的設備又該如何設計才能使利用率與轉化率都更高呢？

[生]SO2被催化氧化成SO3這個反應是放熱反應，可以吸收這些熱進行再次利用，使氣體與熱交換器逆流吸收熱的效果更好，并且使催化劑與SO2和O2充分接觸。

[投影展示]多媒體演示接觸法制硫酸的工藝流程，以及各個階段所使用的設備。

[質疑]為什么用98.3%濃硫酸吸收SO3而不直接用水吸收呢？

[生] SO3溶于水形成硫酸是放熱反應，放出的大量的熱會造成酸霧，不利于SO3的吸收。

[教師補充]濃硫酸長時間不使用其濃度會變低；濃硫酸的吸水性很強而且可以使帶結晶水的化合物失去結晶水；從經濟角度來說也很樂觀。

設計意圖：在選取了生產原料之后，學生進入到反應裝置的實際設計過程。在裝置的設計過程中，可以體會到對原料的處理，進料口與進風口的相對位置的設計，爐氣的凈化等可以提高生產率，保護反應裝置等技術思想與方法。

環節三：尾氣處理方法的確定

[提問]硫酸廠的尾氣可能含有什么成分？應該如何處理呢？

[生]尾氣中含有SO2、O2、SO3、N2等，直接排放會污染大氣。通過查閱資料可以用氨水來吸收尾氣，生成的硫酸銨可以做化肥，做到綠色環保。

[投影]總結1.三個過程；2.三個設備；3.三個反應。

1.沸騰爐：

設計意圖：學生利用已有的理論知識和工藝知識進行發散思維，提出切合實際的、彰顯技術思想的制備硫酸的反應設備，并且能對尾氣提出合理的處理方法，也顯示出了綠色化學的思想，進而對學生進行技術素養的培養，取代了將裝置原理圖直接灌輸給學生的傳統教學方式。

環節四：總結與提升

鼓勵學生親自將討論出來的硫酸生產裝置畫在草稿紙上，對細節進行準確標注，并與書上的硫酸制備流程圖進行對比，并對學生的設計予以肯定與評價。學生可以體會到在實際遇到問題中如何利用技術進行解決的過程，利用技術解決問題的過程中所收獲的技術知識記憶會更加深刻，在最后的總結中贊賞技術為社會所帶來的進步。

設計意圖：學生親自將整個流程圖畫出來，既是對本節課工業制硫酸的反應原理、步驟、裝置設計等知識點的整體回顧與掌握，也是從整體角度上感受技術給硫酸工業生產帶來的進步，是對學生進行技術素養培養的最佳方式。

4 設計反思

借助化學課堂這一載體，通過硫酸制備的教學設計，在工業制取硫酸的原料選擇上、制取裝置的設計上，以及結合經濟效益角度有目的地引導學生切實感受到技術在實際硫酸生產中的應用，體會到技術所帶來的硫酸產量、經濟效益的提高，尾氣處理綠色環保的獨特魅力，思考和理解硫酸生產的化學歷史背景、制取硫酸反應原理、硫酸的社會價值；同時以工業生產硫酸為載體引導學生科學認識技術、正確掌握技術、合理使用技術，培養學生的技術意識，逐步培養技術創新、技術理性、技術思想、技術風險、技術道德與技術倫理等觀念，最終形成一定的技術素養。即從技術知識開始，通過技術能力培養和技術實踐活動，逐步提升到技術思想和技術設計、技術理性和技術評價水平。所以在化學教學中培養技術素養，既有利于增強化學在利用技術解決社會問題中的作用，也更有利于促進學生個人素質的全面發展。

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