化學典型問題核心素養價值分析及教學構想

摘要：化學典型問題具有固定結構類型和表達模式，在教學實際中具有潛在的重要影響。化工流程情境類問題飽含豐富的必備知識和關鍵能力，充分體現化學學科核心素養。實現該類問題有效解決的教學策略主要有：事實知識、概念原理的實踐探究式融合性教學;實驗思維模型、流程（情境）表征模型及問題解決思維模型的建構性教學;多快好省原則、技術思想和工程思維的統攝性教學。

關鍵詞：典型問題; 化工流程情境; 核心素養; 價值分析; 教學構想

文章編號：1005-6629（2021）08-0086-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 概述

“典型”詞義原指“舊法”“模范”，可理解為模型或樣范，現指代表某類事物特性的標準形式。典型化學問題，本文指具有固定結構類型和表達模式的化學問題，如化工流程類情境問題、有機合成路線設計問題、物質制備實驗方案設計問題等。典型化學問題形成于化學共同體長期的認識積淀，在教學實踐中具有潛在的影響。探討典型化學問題解決的核心素養表現和教學策略方法，對于推進素養化課堂教學變革具有積極意義。

作為化學典型問題，化工情境類問題是高考常見題。此類問題以化學工業生產真實情境為載體，以靈活多樣的問題形式和設問視角，測查必備知識和關鍵能力，體現學科核心素養水平。整個問題情境由文字術語符號、數據模型圖表等圖式建構呈現，其主導情境是物質轉化過程和生產執行方式流程圖。必備知識主要有元素化合物、變化平衡原理等，關鍵能力包含高考評價體系能力群：知識獲取能力、實踐操作能力和思維認知能力。具體指向有閱讀理解、信息搜索整理應用能力，演繹推理、分析判斷、批判性思維能力，以及實驗設計、語言表達能力等。問題考察的認知目標幾乎包含布盧姆認知目標分類中“記憶、理解、應用、分析、評價、創造”的六個方面[1]，重點指向“理解”和“應用”，也會有“分析”“評價”“創造”等高階認知目標。比如在流程圖中某步驟具體操作是什么或者添加物是什么，屬于理解認知的“推斷”，書寫已知方程式屬于應用認知的“執行”，對整個問題的審題和解答則屬于分析認知中的“組織和歸因”[2]。又如，該類問題中有“方法方案比較評判”“陌生方程式書寫”，則分屬于“評價”“創造”高階認知目標。該類問題由于對認知目標考察的全面性和綜合性，受到高考命題者的青睞和重視。在“一核四層四翼”評價體系背景下，明晰化工生產流程情境類問題的教學價值，評價該問題對學生核心素養的水平表現情況，構建問題解決的有效教學策略，對于探索素養化試題命制和新高考備考教學具有現實意義。

2 化工流程題核心素養價值表現

化學工業或化學工藝簡稱化工，以化工素材中的流程作為真實的問題情境，簡稱“化工流程題”。根據對化工流程題的情境材料、形式結構、問題設計及問題解決分析看，該問題對學科素養價值具有強大的承載能力，對必備知識、關鍵能力及核心素養的表現評價有很大的靈活自由度，非常有利于考題研制。

2.1 基于必備知識的學習掌握和操作運用素養

化工流程題多以無機物質轉化制備為題材，考查元素化合物知識。如根據生產事實和現象推斷識別物質及其反應，聯系物質組成、結構和性質解釋生產事實等，這是“宏觀辨識與微觀探析”素養的基本要求[3]。根據生產目的選用氧化劑、酸化劑、調節pH的物質等，都需要從物質微觀結構考慮同類物質的性質差異。再如，事實究因和推斷類問題，往往需要從物質變化的能量視角或物質結構和類別視角結合真實情境來描述、預測性質，這是“宏觀辨識與微觀探析”素養的高層次水平[4]，屬于學習掌握素養，表現出學生對必備知識理解、整合、操作、運用的素養水平。

化工生產中有大量的概念原理知識，如速率、方向、平衡等。其中速率、熱效應、反應選擇及進程控制等，是“化學變化伴隨能量變化”“變化有條件，變化可控制”的觀念體現。認識、理解、應用溶解度曲線圖、pH-濃度分數坐標圖以及原理變化圖等問題的解決，是“通過現象、觀察和數據圖表等概括變化條件、特征與規律”，表現了“學習獲取”“理解掌握”“知識整合”素養。原料利用、產率提高、轉化充分等生產問題，是“運用動態平衡觀點”分析變化的主要表現。物質變化、反應判斷、陌生方程式的書寫等，是“對物質性質和變化作出解釋預測，運用變化規律分析說明生產、生活實際中的化學變化”[5]的要求。如此速率變化、平衡原理的綜合應用，是重點考查學生的“實踐探索操作運用”素養。

化工流程問題以元素物質、速率變化和平衡原理等必備知識為平臺，主要體現“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”素養，重點指向學習掌握和實踐探索能力的考查。

2.2 基于問題形式結構的研究探索和思維方法素養

化工流程題脫胎萌芽于上世紀90年代，從“人為編造”痕跡較重的“無機框圖推斷題”發展而來[6]，歷經改造演變，現成為具有獨特樣態風格的高考題型：（1）問題由“題干—流程—設問”構成，在題干中交代生產背景與目的，明示或隱含信息以及伏線問題的設置和解決。問題結構表現出模式化特征，對該模型理解（讀題破題）需要模型認知素養（理解模型），整個問題解決需要證據推理素養。（2）流程圖內在邏輯結構是“原料預備處理—核心制備反應—目標產物獲得”[7]，該思維模型兼容并包元素物質、概念原理、實驗實踐和生產實際等多維要素，用術語、符號、文字、圖式集成了復雜的認知情境。對該模型認知需要模型理解力和原型匹配力，需將此表征模型與化學事實原型進行關聯。（3）流程題解答，則需依據情境信息，尋找證據，進行推理，建構思維方法模型，屬于“建模”“用模”高層次素養[8]，需要關鍵能力群中思維認知能力的洞察、推理能力，學習能力的閱讀解碼、符號理解能力以及實踐操作能力的信息轉化、數據處理能力等。化工流程類情境問題的內容、結構和特征，非常有利于對學習掌握、實踐探索和思維方法素養[9]的全面考查。

2.3 基于真實生產情境的探究創新與價值觀念素養

工業生產實踐情境的化工問題，討論生產原料利用、方法路徑選擇、條件控制以及產品質量等問題。“科學探究與創新意識”素養內涵[10]，本質就是“問題意識”指向“發現思考、探究解決和評價完善”任務，發現解決是探究，評價完善是創新。該素養水平以問題質量劃分為4級，分別對應“教材給出的問題”“簡單的化學問題”“提出探究問題”和“提出綜合探究課題”[11]。化學工藝情境是提出、解決、完善問題的極佳載體。如在實際生產中，最佳投料比和投料方式、分離除雜、控制流速濃度、晶體析出與過濾分離的溫度選擇等，屬于科學探究實踐，表現操作運用素養水平。再如生產中氣、液、固三態物質間混合的六種形式如何“增大反應物接觸面積”問題的提出、解決和完善，指向演繹思維和創新思維，體現探究創新核心素養。

源于真實素材情境的化工流程問題，符合“真實問題情境”學習理念，通過學科化、簡約化改造，體現“有用”“真實”的化學價值，表現“科學態度與社會責任”素養。無論是“化學安全意識”“認識化學貢獻”“環保意識綠色觀念”“合理利用自然資源可持續發展評估”等基本素養，還是“理論聯系實際”“運用所學解決問題”“實踐中有效利用資源意識”“提出處理解決問題方案”[12]等高層次素養，都可以得到體現。2020年四套高考卷中該問題體現“科學態度與社會責任”素養的內容分析見表1。

3 教學思考

化工流程問題核心素養價值的實現遵循育成規律。素養是一種綜合質性能力，其形成并非可以在某個課題課時學習中發展到位，而是要經過持續性培育和螺旋式發展[13]，要經過教學培養和涵化孕育。化工流程題核心素養的培育思考，應該秉持融合漸進思維和系統性思維，運用技術思想和工程思維來統攝知識融合實踐。提出以下三點設想。

3.1 融合性

融合性指元素物質、概念原理和實驗探究的融合式教學。傳統教學容易造成學習內容單點孤立，學生難以形成課時、單元、課程內容的有機融合。比如，必修內容“Na2CO3性質及其應用”教學[14]，教師在教學中更多關注Na2CO3、 NaHCO3散點知識學習，很少運用概念（原理）理解知識實現邏輯意義建構，只能形成符號化知識記憶學習。教學中盡管也提倡實驗探究，但多是事實驗證的假探究，這種教學使得“事實知識、概念原理與實驗探究”分離割裂，不能形成化學素養。加強教學融合，是用概念原理預測、解釋、指導事實知識學習，同時聯系實驗探究活動促進學習，形成“事實-概念-實踐”相互聯結支撐的“鐵三角”融合式學習。例如，Na2CO3教學不能局限在具體性質、反應現象及方程式書寫的掌握訓練層次，要啟發學生用“分類觀”“復分解反應原理”預測并揭示性質。Na2CO3屬于鹽，預測具有鹽通性，可與某些酸、堿、鹽反應，這是分類觀指導猜想，再設計實驗證明猜想成立，完成“鐵三角”融合式學習閉環。教學中，讓學生體驗“猜想假設證明結論”式探究學習，感受模式化學習流程，在元素化合物學習中持續應用，必然逐漸習得建模學習行為，促進證據推理與模型認知素養的培育。這種基于知識掌握、觀念形成和實踐提升的模型化學習，有助于培育核心素養。

原理指導、事實知識、實踐驗證的融合式學習，是符合化學學科思維特征的學習法，也很契合化工流程問題的素養培育要求。

3.2 建構性

建構性教學設想指向三方面：實驗思維模型建構、流程表征模型建構和問題解決（思維）模型建構。

化工流程問題離不開實驗教學。比如，江蘇高考中常遇復雜情境背景下篩選獲取題給信息、利用信息并調用原有知識，設計物質制備實驗方案且準確表征的問題。對該問題，傳統實驗教學中的操作規范、現象觀察與描述、獲得推論或結論等教學活動已經不能解決問題。化學實驗教學應在化學學科核心素養全面內涵發展基礎上，注重從關鍵能力發展、必備品格形成和正確價值觀念培育三個取向上創新化學實驗教學的指導思想和實施策略[15]。化工流程題給實驗教學提出了挑戰。中學化學實驗教學的根本思路和方法的研究是一個大課題，單就流程題來說，首先要考慮實驗思維模型建構問題，在實驗基本知識掌握背后，要形成系列化實驗思維，用一根根思維“紅線”對實驗知識進行統整，比如“從溶液中獲得固體模型”“鹽結晶析出模型”[16]“制備實驗方案設計模型”[17]等，提高實驗教學中的思維參與度。

流程表征教學，是指流程問題模型的表征、認識、理解、建構和應用的教學。流程圖是集成式表征，屬于語義、符號和圖式的綜合模型，對學生模型識別、理解和應用能力要求高，教學可以漸進開展。在初中“粗鹽提純”“海水制堿”[18]教學中，可根據教材文本和圖示，將教學內容的抽象表達改為簡單流程形式，讓學生初步接觸并感受流程模型。在高一必修階段學習物質分離提純后，可在海水中獲取物質教學時適當安排流程圖問題教學，一方面鞏固實驗知識，另一方面結合工業生產實際認識和理解流程圖，初步建構流程圖問題的表征閱讀、審題答題的思維模型;選擇性必修“化學反應原理”學習后可深入理解該問題的形式結構、素養要求和解答方法;在高考復習階段，可進行問題解決的“建模用模”專題教學，通過“嘗試解決-討論初建-完善表征-應用鞏固”課堂主題教學[19]，全面培育學生的模型認知素養。為了提高學生化工流程題的應試水平，除了“泛讀、精讀、標注、解答”審題模型外，還可以根據該題的細分問題，建構多個對應的思維模型，如“陌生情境方程式書寫”[20]“制備實驗方案設計”“化學事實究因”等方法思維模型。

3.3 統攝性

統攝性是基于系統思維的教學構想。系統思維源于系統論，系統由相互聯系和相互作用的若干要素組成。比如，化工生產中的原料設備、反應路徑、成本效益、安全環保等關鍵要素組成了“化工生產系統”。從系統視角審視化工流程問題，可以擺脫事實性碎片知識的束縛，有利于建構要素與要素之間、要素與系統之間的有序結構，有利于用系統思維統攝問題的分析解決。分析“化工生產系統”中各要素之間的內在聯系，進行多維度子系統重構，相當于把紛繁復雜的具體問題進行有序組織，可以更好地解決問題。

對于化工生產系統，可從不同視角建構子系統。比如，從產能角度思考反應速率，建構濃度、溫度、壓強、催化劑、接觸面積、電化學等因素在流程題中的問題樣態及解決模型，這是“速率思維系統”。該系統再分，如“溫度影響速率思維系統”：溫度直接改變影響、反應熱效應影響、混合溶解熱效應影響、溫度引起催化活性影響等。類似的，“反應限度和反應平衡思維系統”“安全”“環保”“效益”等思維系統，都會在問題解決中起到統攝作用。綜合化工生產核心要素，這樣的大系統應該有“多快好省原則”“技術思想”和“工程思維”，而這些系統又包含在“提高綜合經濟效益”“可持續科學發展觀”等更大系統中。

技術思想和工程思維在中學化學教學中的應用有見研究。“技術”是以對知識、經驗和資源利用為基礎，通過設計、操作、條件及風險控制，使其產生預期功能變化來滿足某些方法程序、技能規則的綜合體[21]。技術思想是技術觀指導下理性認識的結晶，以考慮人類生存和可持續發展為前提，經濟化和綠色化是“技術思想”的目標原則。經濟化追求“多快”獲得效益，綠色化追求“好省”持續發展，根據化工流程題素養價值分析和問題解決要求，“技術思想”是化工生產問題中一種具有統攝力的思維系統，其在化工生產中的具體表現以及運用該思想解決問題在此不再贅述。

工程思維對化工生產實踐及問題解決也具有統攝性。思維是人類高級認知活動，不同領域體現不同認知思維方式，如科學研究中發現的科學思維，藝術創作中的想象思維，而通過工程活動進行物品創造則是“工程思維”。工程思維及其培養研究，隨著近幾年STEM教育的發展，開始進入基礎教育視野。工程思維主要包括創造性思維、系統性思維、權衡性思維、價值性思維和雙贏思維等。從工程思維的要素涵義可知[22]，工程思維在化學工業生產實踐中具有理論指導作用，對化工流程問題解決具有統攝意義。比如，工業合成氨中溫度、壓強、催化劑的選定體現了權衡性和系統性思維，投料方式、分離產品以及循環操作等生產工藝，體現了創造性思維和價值性思維等。

化工流程真實情境問題是化學典型問題，素養價值和教學價值豐富，實現其素養培育的教學策略可從融合性、建構性及統攝性三個角度建構。盡管如此，也要注意該問題在教學和評價中的不足，比如實際生產工藝經過教學匹配性簡化改造后的科學性問題;又如作為高利害性評價考試模式固化后帶來的教學導向問題，都需要我們在核心素養評價體系背景下，深入研究真實化工生產內容的教學方法，變革創新試題研制形式，讓“真實的有用的”化工化學在新時代教學實踐和新高考評價中再創輝煌。

參考文獻：

[1]洛林·W. 安德森等編著. 蔣小平等譯. 布盧姆教育目標分類學[M]. 北京：外語教學與研究出版社，2009：序.

[2]朱志江. 高考試題認知目標分類研究：工具、方法及意義[J]. 化學教學，2020，（2）：77.

[3][4][5][8][10][11][12]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：89，90，91，4，66，91.

[6][7][20]趙銘. 化學工業流程題溯源、特點及價值思考[J]. 化學教學，2017，（6）：82～85.

[9]教育部考試中心. 中國高考評價體系說明[M]. 北京：人民教育出版社，2018：18～26.

[13]楊玉琴，倪娟. 學科核心素養視域下的教學目標：科學研制與準確表達[J]. 化學教學，2019，（3）：7.

[14]朱志江. 課時目標素養化結構模型的建構研究[J]. 課程·教材·教法，2019，（7）：79.

[15]黃恭福，鄒海龍. 學科核心素養視域下的中學化學實驗教學取向研究[J]. 化學教學，2020，（4）：5.

[16]馮姍. 基于“U型模式”的高中化學結晶專題復習教學探索[J]. 中學化學教學參考，2020，（11）：54.

[17][19]朱志江，鄧善銀. 例談思維建模的教學操作及應用價值——以“制備實驗方案設計”復習教學為例[J]. 中學化學教學參考，2020，（10）：53，54.

[18]畢華林，盧巍主編. 化學（九年級下冊）[M]. 濟南：山東教育出版社，2013：41，43.

[21]吳俊明. 科學課程中的技術教育[J]. 化學教學，2013，（4）：9.

[22]鄒國華，劉帥等. 化學教學中培養工程思維：內涵、必要性及實現途徑[J]. 化學教學，2020，（8）：3.