走向核心素養的深度學習
——以“碳中和”情境下分壓平衡常數的教學實踐為例

廣東 胡凱威

深度學習是一種基于理解與遷移的、主動的、高投入的學習方式，注重學生對所學習知識的批判性理解，學習結果遷移性強。美國著名教育家約翰·杜威曾說過“如果我們仍用昨天的教育培養今天的兒童，那我們就是在剝奪他們的明天”。深度學習是走向課程改革、落實核心素養的必經之路，作為一線教師，需“親歷親為，親身體驗”。

一、確定挑戰性學習主題——分壓平衡常數

分壓平衡常數是教材中濃度平衡常數的延伸，筆者分析近幾年的高考卷，統計分壓平衡常數的考查情況如表1所示，可知其考查頻率越來越高，難度普遍較大，但也有難度較低的情況出現，例如2021年全國甲卷和廣東省選擇性考試中均出現了簡單考查的情況，因此，在復習中教師有必要幫助學生認識、掌握分壓平衡常數的概念和計算。

續表

二、設計“體現育人價值，彰顯核心素養及水平進階”的教學目標

1.通過探討平衡常數的發展歷史過程，幫助學生深刻認識分壓平衡常數。

2.利用典型例題，建構分壓平衡常數的解題模型。

3.借助“碳中和”情境，引導學生強化解題模型，提升學生數據處理、圖像讀取的能力。

4.引導學生響應國家“碳達峰”“碳中和”的號召，落實科學態度與社會責任的化學學科核心素養。

4個教學目標依次體現由知識目標到能力目標到情感目標的水平進階。前三個目標意在發展學生證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想的學科核心素養。最后一個目標回歸育人價值——立德樹人。

三、深度教學的策略運用

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中的教學策略建議為“引導學生經歷化學平衡常數模型建構的過程。”同理，教師需要引導學生經歷由濃度平衡常數遷移到分壓平衡常數的模型建構過程。結合劉月霞、郭華主編的《深度學習：走向核心素養(理論普及讀本)》，筆者設計了如圖1所示的四個教學策略。

圖1 基于深度學習的四個教學策略

四、教學流程

1.學習活動設計圖

圖2 分壓平衡常數的深度學習活動設計

2.教學主要環節

環節一：Kp的“前世今生”

【導入】1867年，挪威化學家C.M.古德貝格和P.瓦格通過大量實驗發現化學反應中生成物濃度的冪之積與反應物濃度的冪之積的比值是一個常數，即同學們熟悉的濃度平衡常數。

【追問】實際生產過程中，氣體的濃度和氣體的壓強，哪一個更容易測定？

【投影】工廠生產中的氣壓計。

圖3

圖4

【追問】Kc與Kp代表反應進行的程度是否一致？

提示：理想氣體狀態方程：pV=nRT(一定溫度下，R是一個常數)，請同學們借助該方程，分析、推導濃度和壓強之間的關系。

【啟示】恒溫氣體反應體系中，氣體的分壓與濃度成正比，兩者代表的意義并不沖突。

【追問】Kp在使用過程中，會出現哪些問題？

【小結】方法一：規定使用統一單位。

方法二：可以引入量綱(總壓強或者標準壓強)，圖5是化學平衡常數演變和優化的過程(以合成氨的反應為例)。

圖5

【投影】近幾年高考中有關Kp的考查情況。

【啟示】雖然分壓平衡常數的考查難度普遍較大，但也出現了簡單考查的情況，因此還是不應該放棄掌握Kp。

【設計意圖】以Kp發展的歷史情境作為引導線，設置一系列環環相扣的問題驅動學生探討、質疑Kp存在的必要性和不足之處，引導學生優化Kp，從而延伸到近些年高考中出現的相對壓力或標準壓力平衡常數，有助于學生完整、系統、有序地認識分壓平衡常數。

環節二：構建分壓平衡常數解題模型

【提問】同學們知道最近一兩年的網絡熱詞“碳達峰”“碳中和”的含義嗎？

【投影】中國要在2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”。“碳達峰”是指二氧化碳的排放量不再增長。“碳中和”是指通過植樹造林、節能減排等形式，抵消掉CO2排放量。其中將CO2轉化為其他化工產品是實現碳中和的重要途徑之一。

【“青銅”晉級賽】(2021·廣東省選擇性考試·19·改編)我國力爭于2030年前做到碳達峰，2060年前實現碳中和。CH4與CO2重整是CO2利用的研究熱點之一，該重整反應體系主要涉及以下反應：

在恒壓(p0)的密閉容器中，投入物質的量比為1∶1的CH4和CO2，達到平衡時，CO2的轉化率為50%，則該反應的分壓平衡常數為________(用含p0的代數式表示，已知：某物質的分壓=總壓×物質的量分數)

【模型建構】

【提問】該模型的核心是什么？

【設計意圖】創設“碳中和”的試題情境，并將其融入高考改編題，幫助學生獲得解決分壓平衡常數的一般“套路”，快速找到解題的突破口，消除部分同學對其的“畏懼感”。

圖6

環節三：模型的運用與自我定位

【“鉆石”晉級賽】(2021·廣東省適應性測試·19·改編)溫室氣體的利用是當前環境和能源領域的研究熱點。CH4與CO2重整可以同時利用兩種溫室氣體，其工藝過程中涉及如下反應：

在一定條件下，向恒壓(1 kPa)密閉容器通入CH4、CO2各1 mol及少量O2，測得不同溫度下反應時各產物產量如圖7所示，圖中a、b分別代表產物________和________。1 100 K時，CH4和CO2的轉化率分別為95%和90%，求反應①的分壓平衡常數________(忽略平衡時O2和H2O的含量，列出計算式即可)

圖7

原料初始組成n(CO2)∶n(H2)=1∶3，在體系壓強為0.1 MPa，反應達到平衡時，四種組分的物質的量分數x隨溫度T的變化如圖8所示。根據圖中A(440 K,0.39),計算該溫度時反應的平衡常數Kp=________(MPa)-3(列出計算式，以分壓表示，分壓=總壓×物質的量分數)。

圖8

【應考策略】過青銅關：填寫Kp的表達式；過鉆石關：填寫Kp的表達式，嘗試簡單的計算；過王者關：填寫Kp的表達式，挑戰復雜的計算。

【設計意圖】引入三道能力進階的真題、改編題，意在強化學生對于解題模型的運用能力，同時幫助學生分析自己的“定位”，得出自己面對Kp考查時的應考策略。

環節四：響應國家“碳達峰、碳中和”的號召

【提問】作為國家未來的接班人，同學們能夠為“碳達峰”“碳中和”事業做出哪些力所能及的貢獻？

【拓展】

作為新時代的青年，同學們應該倡導綠色低碳生活，努力學習，將來有條件可投身新能源行業。

【設計意圖】回歸《中國高考評價體系》中提到的高考的根本任務——立德樹人。教師可引導學生關注到國家政策當中，樹立良好的社會品德、社會責任。為“碳達峰”“碳中和”的事業做出自己應有的貢獻。

圖9

五、教學啟示

1.深度學習真正把“教書”和“育人”融為一體，是培養學生核心素養的有效途徑

通過設計深度學習的活動，教師不再是知識的搬運工，簡單地把書本知識灌輸入學生的大腦，而是把知識轉化為學生主動“追逐”的對象。例如筆者注重設計學生知識獲取的過程，沒有生搬硬套分壓常數的概念，而是帶領學生潛入歷史，共同探討、質疑、優化分壓平衡常數。過程中的“一波三折”，既幫助學生深刻認識了概念，又提升了學生的學科核心素養。

2.深度學習是一場由教師發揮主導作用的活動

Kp的學習難度較大，在高考題中的得分率較低。如果直接放上高考真題，則會讓學生落入孤立無援的狀態。為此，筆者改編了2021年的廣東省選擇性考試第19題試題，使難度下調到符合學生的學習現狀——掌握了濃度平衡常數及利用三段式進行簡單計算的能力。由此，可幫助學生建構解題模型，并在后續逐步提高習題難度，體現區分度的同時，讓每個同學都有所收獲。

3.深度學習依賴于情境作為學習載體

筆者創設了兩層情境活動，第一層是簡單的歷史情境活動，引導學生由濃度平衡常數遷移到分壓平衡常數，再利用簡單的數學知識進行推導、論證，深化概念認知。第二層是復雜的“碳中和”情境，選自生態建設的熱點問題。測試三道與“碳中和”相關的題目，測試情境的統一性，有利于學生“去其糟粕，取其精華”，系統、有效、快速地掌握分壓平衡常數的解題模型。情境的進階性——青銅、鉆石到王者，幫助學生分析自己的“定位”，得出自己面對Kp考查時的應考策略。不足之處在于情境的單一性，不利于學生提升實戰的解題能力，教師需在后續添加其他情境類型的習題練習。