化工思維引領的高中化學課堂深度學習*
——以“不同價態含硫物質的轉化”的教學設計為例

張玉娟 朱 征 劉 芳

“化學課程不能滿足于教給學生具體知識，更重要的是培養學生化學學科的思維方式。”［1］《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“新課標”）建議使用能展示“與化學有關的職業及其與化學科學領域的關系”［2］25的情境素材。人教版高中化學新教材新增設《化學與職業》欄目，介紹與化學相關的職業的特點、工作內容、知識背景、就業方向等。［3］

“化工工程師”是必修第二冊第五章第一節第四課時“不同價態含硫物質的轉化”的內容，介紹了化工工程師的職業概念、主要工作以及必備的職業素養和專業知識。通常，我們將化工工程師對化學工業生產進行設計和實施時的思考方式稱為“化工思維”。化工思維是以化學及工程學知識為基礎，集成多學科知識，權衡多方面因素對一項化工生產目標進行設計、實施、改進、評價等一系列過程中所運用到的思維方式。如何將化工思維運用到本節內容的教學設計之中？筆者在執教該節內容時，做了認真的思考與嘗試。

一、聚焦核心素養，深度分析課標、教材與學情

學科教學中，教師只有站在學科體系之上，選擇最為核心的知識內容，高效智慧地進行結構化處理，［4］才能引導學生積極主動地探索、理解，批判地學習，靈活地遷移與應用，實現真正有“深度”的學習。

結構化處理方式多樣，包括知識點的結構化，也包括將學科核心知識與學生經驗的結構化，或是對學科核心知識與社會發展、科技成果的結構化。這些都離不開教師對學科課程標準的認真研讀與理解，準確把握學科素養目標與最新課程理念。

1.課標解讀

新課標“內容要求”中指出“認識元素在物質中可以具有不同價態，可通過氧化還原反應實現含有不同價態同種元素的物質的相互轉化”［2］14，并建議“結合實例認識非金屬及其化合物的多樣性，了解通過化學反應可以探索物質性質、實現物質轉化，認識物質及其轉化在促進社會文明進步、自然資源綜合利用和環境保護中的重要價值”［2］15。

新課標在“教學策略”部分將該部分內容確定為學生必做實驗（實驗活動5），并在“學業要求”中明確“能從物質類別、元素價態的角度，依據氧化還原反應原理，預測物質的化學性質和變化，設計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關實驗現象”［2］17，同時設置了“與同伴合作實驗探究”“通過實驗探究物質變化規律，設計簡單實驗方案”等不同等級的學業質量標準。這一系列要求印證了實驗探究活動的“高水平”要求，也顯示出在該部分內容教學中設計、融入高水平的實驗探究活動的重要性。

2.教材分析

“不同價態含硫物質的轉化”是人教版化學教材必修第二冊第五章第一節“硫及其化合物”中第四部分的內容。在此之前，學生已學習過硫、二氧化硫、硫酸及硫酸根離子檢驗等相關知識，學習這一部分內容時既可梳理之前所學有關含硫物質的知識，又可討論不同價態含硫物質的轉化，幫助學生加深對硫及其化合物性質的理解，構建硫及其化合物的知識網絡，從而構建元素及其化合物知識的學習方法模型。對氧化還原反應原理及觀念的理解與應用是學習不同價態含硫物質之間轉化的關鍵。對比人教版、蘇教版與魯科版三個版本的教材，可以發現各版本教材在該部分內容設計上略有差異。（見表1）

表1 三個版本教材內容設計比較

盡管三個版本教材的內容編排有區別，但是都強調了硫元素的轉化，涉及了自然界及環境問題，滲透了化工生產與社會生活的聯系，并且都凸顯了氧化還原這一學科核心觀念。其中，人教版教材和魯科版教材更突出實驗在化學學習中的載體作用和育人價值，人教版教材更是安排了完全開放的自主設計實驗，充分發揮教師的教學智慧和學生的主體作用。

3.學情研判

從知識層面分析，學生已掌握了一些學習元素化合物的方法，這有助于師生共同對“不同價態含硫物質之間轉化”中的學科核心知識開展有深度的加工，進而全面深入地探究氧化還原觀念的學科本質和應用。

從能力維度分析，通過高中化學教材必修第一冊的學習，學生初步形成了“變化”的觀念，基本具備運用化學反應原理分析解決簡單的實際問題的能力。同時，該年齡段的學生思維活躍，具有較強的分析、概括和歸納能力，對事物具有強烈的好奇心和求知欲，并且能夠開展自主學習和合作學習。這些均有助于推進本節課教學任務的順利開展，學生可以超越單純的知識記憶，實現學科理解，形成正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力。

二、融入化工思維，準確定位教學與評價目標

以學科知識為主線，本節內容的教學目標可以設定為：（1）從類別、價態的視角預測和分析含硫物質之間的轉化方式和轉化關系，運用價類圖解決真實情境中的真實問題；（2）開展高水平的實驗探究活動，解決含硫化合物的轉化問題；（3）感受“硫循環”在生產生活中的重要作用，感受化學在促進人類發展和社會進步中的重要價值。

在設計教學方案時，筆者以原料開發、物質知識、反應原理知識、化工知識、環境保護知識等為載體，將化工思維貫穿其中。設計工業制硫酸的“藍圖設計—關鍵轉化—污染防治”這一真實情境主線，將學科觀念的培養落實在解決情境任務的過程中，體現“教學評”的一致性，幫助學生體驗、理解并初步形成化工思維模型。

具體設計如下：（1）通過設計工業制硫酸原料步驟的藍圖，初步構建物質轉化的認知模型，診斷并發展學生對物質轉化的認知進階；（2）通過分析工業制硫酸的關鍵轉化反應，學會運用化學知識分析和解決實際問題，診斷并發展學生的實驗探究能力及交流評價能力；（3）通過討論工業制硫酸污染防治的措施，診斷并發展學生對工業生產方案的環境評估能力，增強其社會責任感。

三、落實素養評價，精心設計任務與活動主線

基于以上對課標、教材和學情的分析，以及對教學和評價的目標定位，筆者設計了一個個教學任務，推進教學進程，在不同的任務解決與教學活動中落實不同的素養評價。具體教學思路見圖1。

圖1 教學思路

1.任務一，工業制硫酸的藍圖設計

如何模擬化學工程師在生產化工產品時的思路，首要是考慮原料選擇和生產路線設計。因此，筆者設計了兩個教學活動，包括繪制含硫物質價類圖和討論使用什么原料及轉化路徑。學生在這一教學環節中，不僅可以在回顧已學的各類含硫物質的基礎上繪制價類圖，還可以在討論分析硫在自然界主要存在礦物（硫黃、黃鐵礦等）的基礎上設計并書寫制備硫酸的相關化學方程式。

該任務幫助學生將硫及其化合物之間的轉化關系結構化，讓學生體會學習元素及其化合物知識的一般方法，構建認知模型，發展符號表征能力以及化工生產方案設計能力。

2.任務二，工業制硫酸的關鍵轉化

當確定了工業制硫酸的原料（黃鐵礦）之后，筆者幫助學生建立從原料到目標產物（硫酸）是實現硫元素化合價升高的氧化還原的認識，將化學學科思想融入這一化工思維中。筆者設計了兩個開放式的實驗探究活動，分別是實現－2價硫到0價硫單質的轉化以及＋4價硫到＋6 價硫的轉化。在實驗探究環節，教師給出可選用的試劑有Na2S溶液、Na2SO3溶液、H2O2溶液、溴水、酸性KMnO4溶液等，學生要動手展開實驗探究，并在此基礎上解決選擇反應物、選擇氧化劑、預測目標產物、檢驗以及預判實驗現象等問題。

該任務意在提升學生依據氧化還原思路設計實驗方案的能力。在分組討論、方案分享、實驗探究、結果分享、評價反思等過程中培養學生的合作意識、實踐能力以及交流評價能力。

3.任務三，工業制硫酸的污染防治

在了解工業制硫酸的核心轉化反應后，筆者引導學生從化學工程師的視角分析評估這一系列轉化過程中對環境的影響，提出解決二氧化硫污染問題的方案。脫硫方案具有開放性，要解決該問題，學生需充分分析二氧化硫的相關性質，在諸多反應中選擇應用，并交流、分析、評價。

該任務的設計意圖在于發展學生解決實際問題的能力和綠色化學觀念，用化工思維對化工生產過程做出環境評估，培養風險意識。在SO2污染防治的真實任務中，培養學生自主遷移運用所學物質性質及轉化關系的意識，使學生逐步建立多角度綜合評價問題解決方案的能力。

化工思維引領高中化學課堂的深度學習，首先要求教師善于選取合適的真實問題為素材，教學內容應注重聯系社會生活的真實情境，尤其是化工生產情境，該問題情境要涵蓋學科核心知識、與教學內容有效融合，并將化工思維和學科觀念滲透在問題解決的過程之中；其次，教師要引導學生親歷問題解決的全過程，注重師生互動、生生互動、共同探究，在提出、分析及解決問題的過程中，幫助學生將零散的知識點系統整合；最后，教師要重視營造高質量思考與探究的氛圍，讓教學從無“趣”到有“趣”，從無“效”到有“效”。深度學習不僅能夠幫助學生形成良好的知識結構，更重要的是培養學生靈活的思維和系統的觀念，發展學生的學科素養和關鍵能力。