從情境素材到設計基于真實情境的化學教學

梁弘文 武衍杰 黃丹青

摘要： 在分析化學教學情境相關研究的基礎上，依據(jù)優(yōu)質(zhì)化學教學情境的結構和特征，提出從孤立的情境素材事件到生成課堂教學情境的設計流程： 選擇適切的情境素材;抽提學科核心知識或?qū)W科核心概念;完善情境素材結構。并以“工業(yè)制硝酸”真實情境素材為例，將這一設計流程付諸于教學實踐。

關鍵詞： 情境素材; 教學情境; 工業(yè)制硝酸; 教學研究

文章編號： 10056629（2019）9005605? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）明確提出，真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學生化學學科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會[1]。因此，素養(yǎng)為本的課堂教學要求教師應積極創(chuàng)設真實且富有價值的問題情境，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。新課標中在每一主題下基本都增加了“情境素材建議”，這為教師設計基于真實情境的教學提供了豐富資源。但新課標中情境素材建議的表述較為簡單，只是一個個孤立的事件，對于提供的這些素材如何結合教學主題在課堂教學中進行設計和呈現(xiàn)卻沒有過多說明。因此，從選定課堂教學中要使用的情境素材到設計基于真實情境的教學需要教師的再創(chuàng)造。

1? 從情境素材到課堂教學情境

什么樣的情境是一個好的化學教學情境，這是開發(fā)情境素材要搞清楚的理論問題。楊玉琴、王祖浩[2]提出，化學教學情境的本質(zhì)屬性是蘊含學科問題，核心內(nèi)涵是引導知識建構，深層價值是促進知識遷移，情感取向是弘揚學科價值。鄭長龍[3]認為，一個好的化學教學情境應該具備“真實、生動、激疑”的特點，在情境真實而有意義的基礎上要特別注重發(fā)揮化學教學情境的“激疑”功能，即要通過情境設計將學生疑問聚焦在課堂所要解決的化學問題上。畢華林[4]指出，化學課程中的情境應能揭示知識產(chǎn)生的背景和條件，具有明確的知識指向性，能引發(fā)學生積極的思維活動，具有遷移價值。上述對于教學情境特征的觀點表述雖然略有差異，但都認為好的教學情境應蘊含學科問題，能夠激發(fā)學生的思維。如何將課標提供的或教師收集的孤立的情境素材事件設計成能夠在課堂教學中使用的教學情境，這是開發(fā)情境素材的實操問題。張小菊、王祖浩指出，一個優(yōu)質(zhì)的、結構完整的化學課堂教學情境應具備以下結構特征： 發(fā)生在一定的時空條件下，圍繞化學核心概念或科學方法而展開的具體事件;包含將要解決的化學學科的核心問題;建立在學生已有的化學知識基礎之上、為學生的交流和參與化學特定主題的學習提供框架;圍繞核心事件的素材、源于學生的日常生活或具有當代社會發(fā)展意義的主題[5]。很顯然，教師收集到的或課標中直接提供的情境素材只符合課堂教學情境的第一個結構特征，只是一個個具體的事件，并不是一個結構完整的課堂教學情境。王偉、王后雄[6]提出，從情境素材到生成課堂教學情境的邏輯路線，即教學目標——情境素材——教學活動，認為三者是相互作用的統(tǒng)一體，情境素材的收集與使用受到教學目標的制約，而基于情境素材設計的教學活動又可以服務于教學目標的達成。

結合上述觀點，可形成如圖1所示的情境素材開發(fā)設計流程。從情境素材到課堂教學情境的設計，首先要結合教學目標選擇適切的教學情境，這點可以通過教師平常的積累或直接選擇新課標每一主題下提供的情境素材（課標中提供的情境素材都是切合主題教學目標的）來解決;其次要從選擇的情境素材中抽提出其蘊含的學科核心知識或?qū)W科核心概念，這樣才能使后續(xù)的學生活動指向?qū)W科活動;最后要完善情境素材的結構。孤立的情境素材事件并不能直接運用到課堂教學中，教師必須基于情境素材設計教學活動，在這一過程中要將情境素材中蘊含的學科核心知識或?qū)W科核心概念設計成學科問題融入基于真實情境的教學活動中，為學生提供學習框架。整個情境的開發(fā)設計過程必須凸顯“情境、知識、問題、活動”的融合。下面以“工業(yè)制硝酸”這一情境素材為例，說明從情境素材到設計基于真實情境教學的過程。

2? “工業(yè)制硝酸”情境素材的開發(fā)與設計

2.1? “工業(yè)制硝酸”情境素材介紹

硝酸的生產(chǎn)工藝根據(jù)氧化壓力和吸收壓力的不同，主要分為常壓法、全中壓法、綜合法、全高壓法和雙加壓法等5種工藝。這幾種流程都屬于氨接觸氧化法制硝酸原理，遵循氨氧化物制NO、NOx與水反應吸收成酸、尾氣氮氧化物的脫除、空氣和氧化氮氣體的壓縮及能量回收四個步驟[7]。特別是雙加壓法生產(chǎn)硝酸具有氨利用率高、鉑耗低、吸收率高、熱能回收利用率高、尾氣中NOx含量低實現(xiàn)了清潔排放等特點，利于培養(yǎng)學生能源循環(huán)利用、綠色化學的思想。具體工業(yè)生產(chǎn)流程如圖2所示。空氣經(jīng)凈化后與氨氣在接觸氧化器中發(fā)生催化氧化，生成氮氧化物（氮氧化物成分復雜，但結合中學氨的催化氧化反應，可視為NO）;由于催化氧化在高溫條件下進行，且氨的催化氧化為放熱反應，因此氮氧化物在熱交換器和余熱鍋爐中降溫，在此過程中NO被氧化為NO2，熱量被回收;為促進NO2的吸收，在加壓條件下，將生成的NO2通入水冷卻器并與冷凝水（防止溫度高硝酸分解）反應生成稀硝酸和NO;稀硝酸經(jīng)離心泵分離回收至稀硝酸高槽（耐腐蝕材料制成的硝酸收集設備）;NO進入氧化塔進一步被氧化為NO2，NO2進入吸收塔又生成稀硝酸和NO，反復多次循環(huán)，可使尾氣氮氧化物含量大大降低，達到排放標準;濃縮塔可濃縮稀硝酸至濃硝酸。

2.2? “工業(yè)制硝酸”情境素材與教學目標適切性分析

在高中化學必修課程中，新課標將“工業(yè)制硝酸”作為重要的情境素材建議用來學習“氮及其重要化合物的主要性質(zhì)”;選修課程《實驗化學》中，新課標也將“氨氧化法制硝酸”作為模擬化工生產(chǎn)過程的重要實驗載體。在現(xiàn)行三個版本《化學1》教材中都有提及“工業(yè)制硝酸”，如蘇教版化學教材中將“工業(yè)制硝酸”過程以“問題解決”的形式呈現(xiàn)在專題四第二單元“生產(chǎn)生活中的含氮化合物”中;魯科版化學教材中以“工業(yè)制硝酸”為情境設計了習題檢測學生對“氮的循環(huán)”的掌握。因此“工業(yè)制硝酸”是重要的課程內(nèi)容，在必修課程中進行開發(fā)設計可用來學習“氮及其化合物的主要性質(zhì)”。本節(jié)課選自魯科版《化學1》第三章第2節(jié)“氮的循環(huán)”（第二課時）。通過解讀新課標對氮及其化合物內(nèi)容和學業(yè)的要求可進一步明確“工業(yè)制硝酸”情境素材與教學目標間的適切性，如圖3所示。

2.3? “工業(yè)制硝酸”情境素材中學科核心知識抽提

結合雙加壓法生產(chǎn)硝酸的具體過程，“工業(yè)制硝酸”流程蘊含著不同價態(tài)含氮化合物之間的轉(zhuǎn)化，學生可以借助氧化還原反應原理分析N2—NH3—NO—NO2—HNO3之間的轉(zhuǎn)化路徑;而在實際的工業(yè)制硝酸生產(chǎn)過程中，又面臨著許多實際問題，例如“如何保證NO2與水反應吸收成酸的效率”“為什么要把NO2通入冷卻水中吸收成酸”“如何脫除尾氣中的氮氧化物”“如何選擇合適的生產(chǎn)設備”等，這些實際生產(chǎn)問題蘊含了氮及其化合物的重要性質(zhì)，其中NO和NO2與水和氧氣間的循環(huán)反應可以為尾氣的達標排放提供思路;硝酸的不穩(wěn)定性以及較強的氧化性等性質(zhì)決定了硝酸要在低溫條件下生成，防止分解;面對硝酸的強氧化性，工藝生產(chǎn)設備有特殊要求，需要耐強酸耐腐蝕等，而冷的濃硝酸遇鐵、鋁等金屬發(fā)生鈍化反應為設備材料的選擇提供了思路等。具體情境素材蘊含的學科核心知識見圖5。

2.4? “工業(yè)制硝酸”情境素材中學科問題設計

抽提出的學科核心知識要結合具體情境設計成學科問題，通過基于真實情境的學科問題將學生的疑問聚焦在本節(jié)課所要學習的化學核心知識上，引發(fā)學生積極思考。學科問題的設計要具有連貫性，基于真實情境的課堂教學整節(jié)課都應圍繞情境中的問題依次遞進展開，而不是扣情境的“帽子”。讓學生在真實情境中調(diào)用教材知識推進課堂教學的進行，能夠給予學生解決實際問題的深度體驗，可以最大限度地激發(fā)學生的興趣，在這種深度參與的課堂中能夠更好地培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。本素材中的學科問題可按照工業(yè)制硝酸的實際生產(chǎn)流程來設計，并圍繞工業(yè)制硝酸的生產(chǎn)技術問題展開討論，將工業(yè)生產(chǎn)和化學知識充分融合，形成如圖5所示的學科問題。

2.5? 基于“工業(yè)制硝酸”情境素材的教學活動設計

有關元素化合物知識的學習，新課標中要求“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究”了解元素及其化合物的重要性質(zhì)。但面對“工業(yè)制硝酸”情境，考慮中學化學教學實際，不可能像培養(yǎng)“化學工程”類人才一樣走進化工廠進行教學，只能是以真實的化工生產(chǎn)過程等為研究對象，對化工生產(chǎn)的原理、流程等進行復原、模擬、評價等。因此，本節(jié)的教學活動可以圍繞整個工業(yè)制硝酸的生產(chǎn)過程展開討論，將學科問題融入所開展的討論活動中，例如可以讓學生根據(jù)圖2的生產(chǎn)流程簡要分析工業(yè)制硝酸的過程，看學生在技術原理的基礎上還能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的哪些問題;緊接著教師可以根據(jù)硝酸生產(chǎn)布置學習任務，如“分析為什么尾氣可以直接排放”“思考如何提高氮氧化物的吸收效率”“探討為什么氮氧化物要降溫還要通入冷卻水中成酸”“尋找合適的硝酸生產(chǎn)設備材料”等。以“尋找合適的硝酸生產(chǎn)設備材料”教學活動為例，在具體實施教學中學生大多從物質(zhì)類別的角度“酸的通性”考慮，認為酸不能和金屬銅反應因此可選用銅作設備材料，說明學生仍沒有認識到硝酸的強氧化性。通過教師演示銅與濃、稀硝酸反應的實驗可以幫助學生進一步認識硝酸作為強氧化性酸不同于其他的非氧化性酸。此教學活動的課堂實錄如下。

[教師]大家思考一下，如果在實際工業(yè)中，生產(chǎn)硝酸的裝置設備材料應該有哪些要求？

[學生]耐高溫、高壓和耐酸腐蝕。

[教師]可以選擇哪種材料？

[學生]銅會比較好，銅的活動性弱，銅不會和酸反應。

[教師]（演示銅與稀硝酸、濃硝酸反應的實驗）硝酸具有很強的氧化性，幾乎可以將所有金屬（金、鉑、鈦除外）氧化，根據(jù)實驗現(xiàn)象寫出銅與稀、濃硝酸反應的化學方程式。

[學生]化學方程式書寫。

[教師]硝酸的強氧化性決定了銅不能用來制作硝酸生產(chǎn)設備，請大家結合資料卡片（見圖4），根據(jù)硝酸的特性選擇合適材料。

[學生]選擇鐵或鋁。

[教師]Al、 Fe在冷的濃硫酸、濃硝酸中其表面形成致密的氧化物薄膜而鈍化，根據(jù)硝酸的這一特性可以選擇鋁或鐵作為設備材料，特別是鑄鐵中加入硅更能大大增強其抗腐蝕性能。

通過上述教學目標與情境素材適切性分析、學科核心知識抽提、學科問題設計以及教學活動的設計形成如圖5所示的教學思路。

3? 結語

從普通的情境素材到課堂教學情境需要經(jīng)過教師的再創(chuàng)造，通過教學目標與情境素材的適切性分析、情境素材中學科核心知識的抽提、基于情境素材的學科問題和教學活動設計等環(huán)節(jié)可以將情境素材和教材知識密切結合，而不只是扣情境的“帽子”。學生在這種真實情境中調(diào)用教材知識推進課堂，可以最大限度地激發(fā)學生學習化學的興趣，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

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[4]畢華林， 盧姍姍. 化學課程中情境類型與特征分析[J]. 中國教育學刊， 2011， （10）： 60～63.

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[6]王偉， 王后雄. 《普通高中化學課程標準（2017年版）》中“情境素材建議”內(nèi)容特點及使用建議[J]. 化學教學， 2018， （10）： 15～19， 26.

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