基于真實化工生產情境的化學教學

張瑜

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中提出要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學，倡導真實問題情境的創(chuàng)設。何為真實情境？真實情境是指在真實世界中捕獲的與學生生活環(huán)境、知識背景相關的、有社會現實意義的物質或現象。在不斷教學實踐過程中，廣大教師已經充分認識化學課堂中使用真實情境的重要作用，并積極創(chuàng)設可以引發(fā)學生共鳴的真實情境，但是教師往往從環(huán)境、飲食、健康等貼近學生生活體驗的簡單情境入手，不傾向于選擇化工生產等較為復雜的真實情境。那么，化工生產真的不適合作為情境用于教學嗎？

一、基于真實化工生產情境進行化學教學的合理性

生活情境是學生的直接經驗，而化工生產情境是學生熟悉的間接經驗，兩種情境從與學生已有經驗的關聯程度看，化工生產情境不如生活情境來得緊密，但是化工生產情境也有其存在的合理性。

1.學科性質的必然要求

化工生產與化學學科有著密不可分的關系，化學是一門研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的基礎學科，而在化工生產中，人類就是運用化學方法改變物質的組成、結構來合成新物質。工業(yè)生產中產品的合成、檢驗、測定、回收處理等生產環(huán)節(jié)和化學教學中物質的轉化、物質的檢驗、分離與提純、尾氣處理等實驗思想一致、操作原理相同。此外，化工生產中反應原理、設備選擇、流程設計等環(huán)節(jié)需要精通高分子化學、環(huán)境科學、能源科學、礦物學、材料科學等新興學科和交叉學科，而這些學科大多以化學學科為基礎。化工生產具有承載化學學科知識、實驗操作技術應用、多學科融合的作用，體現化學的學科價值。

2.解決社會問題的應然追求

教育的目的之一是將學生培養(yǎng)成合格的公民，公民是社會的公民，解決社會問題是學生需要形成的關鍵能力，參與社會問題的解決要求學生能對與化學有關的社會熱點問題作出正確的價值判斷、形成清晰的本質認識。但是真實的社會問題向來都是復雜的，化工生產中融合了化學知識、技術應用、交叉學科，具有真實性、生動性、復雜性、現實性的特點，在化學教學中使用化工生產情境可以有效培養(yǎng)學生對于復雜性、綜合性問題的解決能力。

3.能力提升的自然訴求

工業(yè)生產流程題是高考中非常典型的一類題目，該題型取材于真實的工業(yè)生產和日常生活，問題設計靈活，是落實高考對考生素質和能力要求的具體體現。工業(yè)生產流程題來源于化工生產，是由真實工業(yè)流程簡化而成，因其內容靈活、寬泛，且學生平時接觸較少，因此學生往往失分嚴重。重視化工生產類情境應用，可以讓學生在平時學習中熟悉、強化工業(yè)生產背景與流程，培養(yǎng)學生綜合應用化學知識辨析、解釋問題的習慣，提高學生解決實際問題的能力。

二、基于真實化工生產情境的設計框架

“變形計——鐵鹽與亞鐵鹽的性質”的教學中圍繞化工生產中的三個情境（傳統(tǒng)電路板刻蝕工藝、化工生產中常用電路板刻蝕工藝、工業(yè)生產中含鐵鹽的相互轉化）設計了學生實驗、探究分析、方案設計等一系列活動，在活動過程中學生學會實驗操作、原理設計、數據分析，在活動過程中使化學學科素養(yǎng)得到落實。本節(jié)課的教學設計框架如圖1所示。

三、基于真實化工生產情境的教學設計環(huán)節(jié)一：初識傳統(tǒng)電路板刻蝕工藝

[引入]我們生活在信息時代，手機、電腦已成為生活必不可少的一部分，這些電子產品都需要一種最基礎的原件——集成電路板，電路板的刻蝕是電路板制造工藝中很重要的一個環(huán)節(jié)，工業(yè)上是如何刻蝕電路板的呢？

[PPT展示]介紹傳統(tǒng)印刷電路板的制作方法。

[教師介紹]刻蝕電路板的刻蝕液種類很多，FeCl3溶液是我們最早使用的刻蝕液，因其易于操作且原料便宜而使用廣泛。

[學生實驗]使用FeCl3溶液刻蝕銅板。

[學生討論]總結電路板刻蝕的原理并書寫化學方程式。

[思考與討論]電路板刻蝕廢液中是否存在Fe2+與Fe3+？Fe2+與Fe3+該如何檢驗？

[教師介紹]利用FeCl3溶液進行刻蝕的傳統(tǒng)工藝因其廢水污染嚴重等問題對使用產生巨大影響。

[討論與設計]從綠色環(huán)保的角度，對傳統(tǒng)刻蝕工藝進行優(yōu)化升級。

圖2所示為學生設計的優(yōu)化流程圖。

[提問]在整個工藝流程中，Cu、H2O2起到了什么作用？

[分析與實驗]教師引導學生進行分析Cu、H2O2在氧化還原反應中扮演的角色，并尋找兩者的代替物，進行學生實驗。

[提問]鐵鹽與亞鐵鹽相互轉化需要什么條件？

[歸納與總結]教師從氧化還原角度引導得出如圖3所示的Fe2+與Fe3+相互轉化條件。

設計意圖 環(huán)節(jié)一知識的呈現立足于化工生產中傳統(tǒng)電路板的刻蝕工藝，從生活角度切入，在生活不可缺少的電子產品中挖掘與化學相關的內容。同時轉換認識角度，由生活走向化學，由化學走向化工生產工藝，從工藝生產角度認識電子產品原件，從化學知識角度探究電路板的刻蝕工藝流程，還原真實的生產過程，研究廢液回收原理，滲透綠色環(huán)保思想，形成“科學態(tài)度與社會責任”的素養(yǎng)。在刻蝕電路板的傳統(tǒng)工藝以及廢液回收的整體流程中，研究Fe2+與Fe3+的相互轉化，總結兩者相互轉化的條件，在實驗、分析、歸納總結的過程中感受物質的性質與變化，融入“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)，理解鐵鹽與亞鐵鹽在在工業(yè)生產中的價值，增強化學學習的真實性與實用性。

環(huán)節(jié)二：再探電路板工業(yè)生產中常用刻蝕工藝

[教師介紹]盡管同學們已經對以FeCl3為刻蝕液的傳統(tǒng)刻蝕工藝流程進行了優(yōu)化，但是傳統(tǒng)刻蝕工藝還是因為其刻蝕工藝穩(wěn)定性不好，廢液處理難度大、污染嚴重的問題而逐漸被市場所淘汰。

[PPT展示]如圖4所示，認識工業(yè)生產中不同的電路板刻蝕液。

[對比分析]選取三種不同類型的刻蝕液（見表1），學生通過課前查閱資料進行分析、對比、總結。

[思考與討論]1.在不同的刻蝕工藝中，Cu發(fā)生了什么反應？扮演了什么角色？

2.在工業(yè)生產中選擇電路板刻蝕液應該考慮哪些因素？

[歸納與總結]對比不同的刻蝕工藝，可以發(fā)現：Cu化合價均升高，扮演了還原劑的角色。工業(yè)生產中刻蝕液的選擇需考慮原料的成本問題、工藝的優(yōu)缺點、適用的對象，以及廢液的污染與回收問題。

[教師介紹]除了刻蝕液種類的不同，刻蝕方法、工藝的規(guī)范與成熟程度、蝕刻基材的差異都會對電路板的刻蝕效果產生影響。高度集成的現代印刷電路板必須要更加精細的刻蝕工藝，但是優(yōu)質的集成電路板光有精細的刻蝕工藝還是遠遠不夠的，曝光、顯影、蝕刻、去膠，每一個環(huán)節(jié)的完美呈現才會出現我們手上一塊性能優(yōu)越的小小芯片，這就是工業(yè)生產，真實復雜只為完美呈現。

[拓展與延伸]如圖5所示是幾種刻蝕廢液的常見處理方法，思考其中發(fā)生的反應與添加試劑的作用。

設計意圖 在學生對書本呈現的傳統(tǒng)刻蝕工藝流程有所了解之后，再次聚焦刻蝕工業(yè)，深入探究真實的刻蝕行業(yè)，打開學生的視野，不被書本知識所束縛，認識復雜的生產，學習真實的化學。深入了解刻蝕工業(yè)，面對真實的、現實的化工生產流程，在經歷反復的思考、討論、設計、分析的過程中，學生認識物質的性質，感受物質的變化，對于“變化觀念與平衡思想”的滲透起到了進一步的促進作用。在處理化工生產中的復雜問題時，解決刻蝕液種類選擇的種種難題，克服廢液處理的重重困難，攻堅克難，有利于學生思維的進階發(fā)展，形成復雜的高階思維，培養(yǎng)持之以恒的學習耐心，滲透深度學習的優(yōu)良品質。

環(huán)節(jié)三：回看工業(yè)生產中的鐵及其化合物的轉化

[思考與討論]表2列出化學生產中Fe、Fe2+、Fe3+的相互轉化。

[學生活動]書寫上述轉化中涉及的方程式。

[思考與討論]Fe、Fe2+、Fe3+之間是如何轉化的呢？能否總結出規(guī)律呢？

[教師]建立價態(tài)與鐵元素存在形式之間的關系圖，引導學生總結出價態(tài)律（如圖6所示）。

設計意圖 通過工業(yè)生產中不同價態(tài)含鐵物質之間轉化方程式的書寫，使學生感受到鐵元素除了在電路板的刻蝕工藝中具有重要作用，在其他化工生產過程中同樣不可或缺，引導學生認同、理解化工生產在學習生活中的重要價值。化工生產情境是進行化學教學的載體，是為了促進學生的認知，但絕不能只重情境而輕知識，在總結化工生產含鐵物質轉化的過程中，深化了學生對元素變化觀的認識，總結出氧化還原反應的一般規(guī)律，提升學生對元素觀內涵的進一步理解，在感悟物質變化的過程中提高學生“變化觀念和平衡思想”的核心素養(yǎng)。

四、基于真實化工生產情境教化學的意義

1.有利于“科學態(tài)度和社會責任”素養(yǎng)的養(yǎng)成

《普通高中化學課程標準》要求學生能夠深刻認識化學對創(chuàng)造物質財富和精神財富、滿足人民日益增長的美好生活需要的重大貢獻，能對與化學有關的社會熱點問題作出正確的判斷。化工生產是化學對社會最大的貢獻，可將化學研究成果轉化為物質，造福于人類，但是化工生產在創(chuàng)造物質的同時，也帶來了很多的負面影響。在真實的化工生產情境中，學生可能直接面對生產高效率與環(huán)境高污染之間的的兩難抉擇，而困難始

終都是促進人進步的墊腳石，真實的生產難題促進學生權衡利弊，增強安全意識與嚴謹求實的科學態(tài)度，絕不以犧牲環(huán)境作為發(fā)展化學、獲取物質滿足的代價，強化社會責任意識與個人擔當精神，分析問題，解決問題。在化工生產情境中教化學，有利于“科學態(tài)度和社會責任”素養(yǎng)的形成。

2.促進深度學習目標的落地生根

“深度學習”指在理解學習的基礎上，學生能夠批判性地學習新的思想和事實，將新的思想和事實融入已有的認知結構，可以在眾多的思想間建立聯系并且將已有的知識遷移到新的情境中，以此作為問題決策和解決的一種學習方式。本課教學基于真實的、復雜的化工生產情境，在設計傳統(tǒng)刻蝕工藝流程優(yōu)化方案、工業(yè)常用刻蝕液的對比與選擇的過程中，設計了學生討論、信息查閱、對比分析、資料展示等多種更為開放、交互的教學活動方式來落實鐵鹽與亞鐵鹽的相互轉化、氧化還原反應知識的學習，在交流討論的過程中，產生思想的碰撞，求同存異，批判繼承。在化工生產情境教學中，學生經歷了淺層探究學習到深度學習的學習進階，更加符合學生一般漸進思維的發(fā)展規(guī)律，促發(fā)高階思維、批判思維的產生，提高學習品質。

基于化工生產情境進行化學教學是對“教真實的化學”理念的踐行，真實、復雜、多樣化的化工生產工藝流程為學生化學核心素養(yǎng)的發(fā)展提供了最堅實的現實基礎，也有利于促進學生高階思維的養(yǎng)成與深度學習品質的形成。

（收稿日期：2021-09-10）