淺議中學化學教學聯系化工案例的思考與實踐

王欽忠 高明

摘要： 對中學化學教學中聯系化工生產實際的做法進行了分析，認為聯系化工生產實際不僅僅是為了激發學生的學習興趣，更重要的是要關注聯系化工生產實際給學生帶來的思維變化；提出化學教學聯系化工生產實際要能促進學生從科學實驗思維到化工生產思維的轉變，最后給出了中學階段培養學生化工生產思維的幾個要點及相應的教學案例。

關鍵詞： 科學實驗思維； 化工生產思維； 工業生產實際； 化學教學

文章編號： 10056629（2018）2002505中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

在中學化學教學中緊密聯系化工生產實際越來越受到重視，以至于在中高考命題中聯系化工生產實際也成了一個非常重要的取材方向。究其原因，一是因為化工生產實際素材可以很容易與學生的社會生活經驗建立某種關聯，比如，學生雖然對氯堿工業比較陌生，但是它的產品學生卻是很熟悉，由此可以利用化工生產實際吸引學生的注意力，繼而激發學生探究化學原理的欲望；二是因為利用已學化學知識分析化工生產實際本身就是知識建構的過程，在分析過程中可以幫助學生更加深刻地理解化學知識的適用條件和感悟人們解決實際問題的智慧；三是因為化工生產實際可以彰顯化學知識的價值，讓學生感受到掌握化學知識的必要性和重要性；四是可以通過認識和分析化工生產實際問題，培養學生“科學精神和社會責任”方面的化學核心素養。

雖然，在化學教學中聯系化工生產實際有很多價值，但是，對于學生的學習來說，從書本知識跨度到化工生產實際卻是需要一個思維轉變的過程。

1科學實驗思維與化工生產思維的差異分析

化工生產在化學科學中與之相對應的即是科學實驗。二者有相同之處但又存在很大差異，化學科學實驗是“一種獨立的化學科學實踐活動、重要的化學科學認識方法。只有通過化學科學實驗，才能達到對物質的本質及其變化規律的正確認識”[1]，化學科學實驗“不僅僅是獲得化學實驗事實的重要途徑、手段和方法，而且還具有驗證化學假說和檢驗化學理論，發現和合成新物質、奠基和推動化學分支學科建立和發展的作用”[2]；“化工生產工業則要對生產原理、成本、場地、設備、勞動組織和生產效率等因素進行綜合性和系統性的研究”[3]。這些論述從內涵的角度對科學實驗和化工生產的區別與聯系進行了闡釋。

但從學生學習的角度來說，則涉及兩種思維的轉變，即從科學實驗思維到化工生產思維的轉變。在中學化學學習階段，學生接受的主要是科學實驗思維的培養，即按照科學實驗的要求、過程和方法來認識化學物質及其變化規律，旨在探索“是什么”和“為什么”的問題。這種思維方式聚焦在實驗目的、化學反應原理、實驗裝置和操作步驟上，其特點主要表現在以下幾個方面： （1）學生完成科學實驗的目的是多元化的，制備或合成物質僅是其中一個目的，而化工生產的目的相對比較單一，大部分都是以生產物質產品為主要目的；（2）學生對反應物的理解比較簡單——反應物本身都是純度很高的化學試劑，除非需要臨時制備反應物，一般不需要學生考慮反應物的成本、來源和其他雜質的影響，但這種思維定勢很容易被學生演繹到化工生產實際中去；（3）學生對控制化學反應條件的認識也比較有限——科學實驗一般是在實驗室條件下實現的，比如，科學實驗所需要的條件一般都是常溫（或加熱）、常壓、通電、催化劑或者改變物質濃度，在實驗室中即可完成操作；反應器也基本都是玻璃儀器，對溫度和壓強的要求也比較低；（4）學生完成科學實驗的操作步驟也比較有限——科學實驗給學生的印象一般都是“有始有終”的，反應物消耗完了或者出現目標產物了或者出現實驗現象了，實驗目的也就達到了，而不像化工生產那樣是一個規模化的、連續不斷的生產過程；（5）學生完成科學實驗時，更加關注科學實驗與化學理論的關系以及對實驗室內各影響因素的分析，而較少關注實驗室以外的其他因素。

但是在認識化工生產實際問題時，過度強調科學實驗思維就會導致學生在認識或解決實際問題時出現障礙。這是因為化工生產思維與科學實驗思維存在很大的差異。雖然，化工生產技術是以化學原理為基礎的，但是，化工生產思維本質上是一種“大工程觀”[4]的思維，它要求以整合、系統、應變、再循環的視角看待生產過程，旨在解決“怎么辦”的問題。其特點主要表現在以下幾個方面： （1）化工生產中原料的選擇不能只考慮化學反應原理的要求，還要考慮原料的實際來源、有效成分、預處理成本、運輸等等因素；（2）生產中反應條件的控制要根據實際情況來選擇合適的反應條件，而不是理論上的最佳條件，既要考慮到化學反應速率和目標物質的產率，也要考慮到設備要求和生產成本等因素；（3）化工生產具有規模化要求，從原料投入到目標物的獲取要形成一個合理的生產流程，能夠保證化工生產連續不斷地進行下去；（4）化工生產在最大限度獲取目標物質的同時，也要做好“三廢”的處理，創造性地循環利用生產原料，實現零排放的綠色生產；（5）化工生產追求經濟效益，要合理控制化工生產各個環節的成本，尤其是能量的充分利用，要綜合利用“廢熱”；（6）化工生產的產品質量和技術要求也都會受到政策因素、資金因素和管理因素的影響。

在現行的初高中化學課程中多少也會涉及化工生產的內容，但更多的是對化工生產中化學反應原理的分析和認識，而缺乏將科學、技術、非技術、工程實踐融為一體的“大工程觀”的滲透。這種觀念的培養對提升學生理解和解決實際問題的能力是非常重要的。

2促進思維轉變的可行性路徑分析

基于上述分析，結合中學階段學生的認知能力，分別構建了“化學科學實驗思維模型”（見圖1）和“化工生產思維模型”（見圖2），對照這兩個思維模型之間的差異可以找到促進學生思維轉變的一些可行性路徑。

通過對比兩個思維模型，在中學階段培養學生化工生產思維應該注重以下幾個關鍵點的轉變： （1）要拓展學生對反應物的全面認識，通過實際案例幫助學生認識理想的“化學試劑”與現實的“化工原料”之間的差異；（2）要強化學生對條件控制重要性的認識，要讓學生認識到不僅可以通過控制反應條件來達到生產目的，而且還可以通過改進反應條件控制技術和工藝不斷提升生產品質；（3）要提升學生對綠色環保的認識，切實感受到在化工生產過程中循環利用物質、節約能源以及不斷改進生產工藝的重要性；（4）要讓學生具備成本意識，在提升生產品質和生產效率的同時，要在生產的各個環節中盡可能降低生產成本；（5）要提升學生解決實際問題的能力，現實問題都是很復雜的，解決問題不能單因素思維，要能夠綜合考慮多種因素，從而最優化的解決問題。

3促進思維轉變的教學案例分析

“工業生產實際分析”類試題是近年來北京市中考化學試卷中的一個非常重要的題型。在這類題目中，一般會給出相應的化工原料、生產目的、生產流程圖、生產工藝等信息，然后讓學生根據題目信息和已學知識解決相應的問題。雖然題目難度屬于中等難度，但是此類題目對學生的要求已經凸顯了一些化工生產的思維，比如，要求學生能夠根據題目信息確定反應物和生成物，書寫出化學方程式；能夠根據方程式判斷有無污染物生成、有無可以循環利用的物質、元素的化合價是否改變等等；有些還要求學生能夠對生產工藝的優缺點進行簡單評價。

為了促進學生從科學實驗思維轉變到化工生產思維，北京市房山區第四中學的高明老師以“碳酸鈉的工業生產分析”教學為例進行了教學實踐。其基本的教學思路和教學過程如下：

3.1教學環節一： 學生分組合作設計碳酸鈉工業生產流程

在這個環節中，教師首先以圖文的形式展示有關碳酸鈉的重要用途、在自然界中的存在形態以及需要工業生產的原因。然后提出問題： 請同學們嘗試利用已學知識設計碳酸鈉的工業生產流程，并思考要注意哪些問題？學生先獨立思考教師提出的問題，然后再以小組合作的形式設計工業生產流程和總結需要注意的問題。最后每個小組派代表匯報、展示設計成果。

學生設計的比較有代表性碳酸鈉生產流程圖見圖3：

從圖3兩個比較有代表性的學生作品中可以看出，雖然，學生在設計生產流程圖時是基于科學實驗的過程與方法來思考的，但是學生已經開始考慮一些實際問題，比如原料的來源、能量的綜合利用、降低生產成本等問題，初步產生了一些化工生產思維的火花。

此環節的設計意圖有三個： 一是讓學生以任務的形式復習鞏固已有的碳酸鈉知識；二是通過學生完成任務的情況，評估學生的思維狀態是科學實驗思維還是化工生產思維；三是為教學環節二做鋪墊，把學生自主設計的成果與后面索爾維制堿法進行對比。

3.2教學環節二： 學生自主分析索爾維制堿法

教師首先按照學生能夠理解的形式構建出了索爾維制堿法的流程圖（見圖4），要求學生認真

閱讀流程圖，完成流程圖中的空白內容，分析流程圖中各物質的作用，最后總結出自己在設計流程圖時的思考與索爾維的思考存在哪些差異。

學生活動所需要的資料是：

參考資料：

（1） NH3+H2O+CO2NH4HCO3

（2） NH+4+OH-NH3↑+H2O

（3） 相關物質的溶解度