大概念統領的跨學科項目式學習*
——以“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”為例

江合佩 林藝玲

（1.廈門市教育科學研究院 福建 廈門 361003；2.廈門大學附屬科技中學 福建 廈門 361005）

一、項目教學主題分析

核心素養是學生在面對真實、陌生的和不確定的問題任務時所需要的關鍵能力、必備品格和正確態度價值觀。化學學科核心素養一方面需要在真實問題情境下才能表現出來，另一方面也只有在分析和解決真實問題任務的過程中才能得到培養和發展。目前，項目式教學被認為是最具有核心素養融合發展效力的教學方式。［1］項目式教學因其任務的挑戰性、問題的真實性、活動的體驗性往往很難在一個課時完成，因此設計單元項目式教學勢在必行。STEM項目設計強調將知識蘊含于情境化的真實問題中，強調調動學生主動積極地利用各學科的相關知識設計解決方案，跨越學科界限提高學生解決實際問題的能力。［2］STEAM教育強調跨學科整合、重視真實情境與問題解決等基本理念，與項目式學習存在天然聯系。［3］對單元進行整體設計，讓學生在實際應用的問題解決過程中不斷遷移學科知識、認識思路和方法，有助于實現學生的深度學習。［4］在具體進行單元整體教學過程中，以大概念為統領進行單元教學，有利于教師把握教學內容的本質和關鍵，讓具體內容的學習服務于學生學科核心素養的發展。［5］大概念有助于達成高通路遷移，形成具體與抽象交錯的復雜認知結構，不僅可以打通跨學段、跨學科的學習，而且能解決學校教育和真實世界相阻隔的問題。［6］

1.項目的育人價值

“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”項目的育人價值如圖1所示。

圖1 “設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”項目的育人價值

項目致力于解決“純堿”和“氯乙烯”的工業生產問題，如何在化工生產中減少能耗，并使原料得到充分利用是需要解決的問題，屬于化學與生產的設計類實踐活動，對于化工生產具有重要的意義。

以純堿的生產和氯乙烯的生產為主要研究對象，探究設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產，承載了價類二維、化學熱力學和動力學等必備知識，融合科學、數學和技術等相關內容，促進學生發展元素觀、變化觀、平衡觀等化學觀念，進一步建構變化觀念、平衡思想等學科大概念。

將學生置身于“實現純堿和氯乙烯聯產”真實情境中，發展學生融合科學、技術、工程等解決實際問題的能力，形成解決真實復雜化學問題的一般思路，發展社會責任、國家認同、國際理解等素養，促進知、意、行的統一。

2.內容結構

項目涉及多個學科的內容，其內容結構如圖2 所示。從化學熱力學和動力學視角設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產的實際轉化是化學學科“化學反應原理”模塊的核心知識；設計生產純堿、氯乙烯以及兩者聯產的工業流程，涉及物料的循環利用、綠色化學等思想，屬于工程的重要內容；如何巧妙設計融入反應條件和試劑的順序，屬于技術的問題；了解“釋氨反應”“釋氯反應”過程中有關的數據的處理和圖表的繪制等與數學課程內容息息相關。

圖2 “設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”項目的內容結構

項目以“基于化學環分解氯化銨的純堿和氯乙烯集成清潔工藝”［7］為真實情境，將其設計成“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”［8］單元項目式教學，可用于選擇性必修1“化學反應原理”模塊第三章單元復習當中使用。大概念抽象性強，具有高度的統攝性，本項目選擇“變化觀念與平衡思想”核心素養作為主要的培育點，遴選“變化觀念”與“平衡思想”這兩個大概念進行統攝，將其拆解為凸顯學科認識視角和思維方式的次級大概念物質轉化（“價—類”二維）、能量轉化（原電池、電解池等）、熱力學、動力學，再將次級大概念進一步拆解為基本概念，尋找本項目涉及到的具體知識進行匹配，形成了“化學環聯產純堿和氯乙烯”的大概念知識層級，如圖3所示。

圖3 “化學環聯產純堿和氯乙烯”大概念知識層級

二、項目教學目標

通過“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”項目，對化學反應中的物質轉化及能量轉化、熱力學、動力學、綠色化學等相關知識進行復習，幫助學生形成知識的結構化，建立學科大概念與具體問題之間的關聯，發展學生的變化觀念與平衡思想的學科核心素養，制定教學目標如下：

1.通過“設計生產純堿的工業流程”，幫助學生形成在多平衡復雜競爭體系中利用“價—類”二維、熱力學、動力學、能量及物質循環利用等思想綜合解決真實問題的能力。

2.通過“設計生產聚氯乙烯的工業流程”，幫助學生利用逆合成分析和正合成分析系統解決陌生有機物的合成設計問題。

3.通過“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產的理想轉化”，幫助學生系統構建解決無機物和有機物耦合聯產的一般思路與方法。

4.通過“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產的實際轉化”，幫助學生形成利用熱力學、動力學系統調控反應條件的思路。

三、項目任務及教學流程

根據項目式教學的特點及教學目標，遴選“利用化學環聯產純堿和氯乙烯”真實情境，抽提出“變化觀念”“平衡思想”大概念統攝下的學科核心知識，將其轉化為對應的驅動性問題，設計了4個不斷進階的學習活動任務，讓學生親歷問題的解決過程，教學流程設計如表1所示。

表1 “設計化學環聯產純堿和氯乙烯”項目流程設計

四、項目學習實施

本項目在廈門雙十中學高二年級進行教學實踐。由于篇幅所限，以第1課時任務1“設計純堿的工業流程”為例呈現實施具體過程。

1.設計制備純堿的理想轉化

【情境導入】純堿是重要的化工產品，可用于熱堿去油污；可用作緩沖劑、中和劑和面團改良劑；可用于解酸、輕瀉劑；更是制玻璃的重要原料。請利用工業中常見的原料設計實現純堿的轉化。

【小組代表匯報】方案1：Na2O2與CO2反應；方案2：NaOH溶液中通入少量CO2；方案3：加熱NaHCO3固體粉末。

【小組互評】方案1 中Na2O2一般由金屬鈉氧化獲得，而鈉一般是由電解熔融的NaCl獲得，成本昂貴，不是常見的工業原料；方案2 中NaOH 一般由電解飽和食鹽水獲得，高耗能，不適合做原料；方案3 中加熱NaHCO3固體沒有問題，但是NaHCO3本身就不是常見的工業原料，需要其他化學物質制備。

2.設計制備純堿的實際轉化

【提供支持】制備Na2CO3根據元素守恒關鍵是要選取含鈉元素和含碳元素的化學原料，自然界中含鈉元素最廣泛的化學物質應該是NaCl、含碳元素來源最廣泛的應該是CO2，此時要獲得純堿需提供堿性環境，剛剛同學們已經注意到了選擇NaOH，那還有沒有其他成本低廉、來源廣泛的堿呢？請同學們以小組為單位設計生產純堿的工業流程，以框圖形式表示。

【學生】小組討論并匯報（見圖4）。

圖4 學生小組匯報展示的內容

3.評價設計方案的優劣

【教師點評】請設計方案1 的小組分析為什么要使用飽和食鹽水？為什么先通CO2再通入NH3呢？

【方案1小組】使用飽和食鹽水，Na+濃度可以達到最大；先通CO2再通入NH3有助于產生大量的CO2-3，最終獲得目標產品Na2CO3。

【提供支持】表2 為該研究中涉及到的幾種鹽的溶解性數據

表2 幾種鹽的溶解性數據

【教師點評】請設計方案2 的小組同學分析為什么先通入NH3再通入CO2，為什么獲得的是NaHCO3而不是Na2CO3？

【方案2 小組】因為NaHCO3的溶解度遠小于Na2CO3，先通入NH3再通入CO2有助于增大HCO-3濃度并避免最終生成CO2-3，有利于NaHCO3析出。

【教師追問】請試著分析溶液中的物質組成、相互作用及作用結果，從微觀角度揭示反應的實質。

【方案2小組】

見圖5。

圖5 方案2原理分析

【思維建模】分析電解質溶液中多重平衡競爭體系的一般思路方法如圖6所示：

圖6 多重平衡競爭體系“宏觀-微觀-符號”三重表征分析模型

【教師點評】請設計方案3的小組同學分析為什么要增加石灰石煅燒獲得CO2這一環節呢？

【方案3小組】實際工業生產過程中從空氣中捕獲富集CO2成本較高，但是確實是未來發展的重要方向。從目前的實際情況來看，利用廉價易得的石灰石獲取CO2是比較適宜的方案。

【教師點評】請設計方案4 的小組同學分析通入CO2副產品為什么還有NaCl呢？

【方案4 小組】根據圖4 分析模型，母液中一定還存在大量的Na+和Cl-。

【教師追問】方案2～方案4都注意到了CO2的循環再利用問題，母液中的NH4Cl 和制備CO2產生的副產品石灰乳怎么實現綜合利用呢？

【生】將石灰乳與母液進行混合加熱即可得到NH3，將其循環利用，實現再生。

【教師】請同學們進一步完善設計方案，接下來請小組代表進行展示。

【學生】小組討論并匯報（見圖7）。

圖7 修正后的工業流程

4.優化流程得出侯氏制堿法

【教師追問】該工業流程是1867年比利時化學家索爾維設計的，因此被命名為索爾維制堿法，該法食鹽利用率只有72%～74%，為什么食鹽利用率較低？如何優化流程并提高NaCl的利用率？

【提供支持】表3為氯化銨在不同溫度下的溶解度

【小組匯報1】圖6母液中含有大量NH+4和Cl-以及高濃度的Na+和HCO-3，“灰蒸”過程只實現了NH+4的回收利用，Na+和Cl-等都隨廢液排放，因此Na+和Cl-利用率較低。

【小組匯報2】要提高食鹽的利用率，循環利用母液很重要。可通過補充氨氣、食鹽和CO2提高母液中Na+和HCO-3的濃度生成NaHCO3，但是溶液中大量的NH+4和Cl-不利于該過程，尤其是高濃度的Cl-使得添加的食鹽難以溶解。根據表2 的數據，NH+4濃度過高會析出碳酸氫銨。利用表3的溶解度隨溫度變化的數據，可通過降溫使得NH4Cl鹽析脫離體系實現目標。

表3 氯化銨在不同溫度下的溶解度

【教師】請同學們在索爾維制堿法基礎上根據剛才的討論的結果用圖式將新的工業流程繪制出來。

【作品展示】

【教師點評】剛剛同學們自主設計出的流程就是侯氏制堿法，食鹽利用率可達98%。該法是在特殊歷史時期巧妙設計加入試劑的順序和反應條件，調控多個平衡發生移動，同時實現循環利用母液、補充原料和聯產有價值副產物氯化銨等多個目標，體現工程技術與平衡思想耦合的創造性應用。

圖8 優化后的工業流程

5.項目成果展示

本項目以“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”為真實情境，抽提出設計物質轉化的一般認識思路與方法，如圖9所示。

圖9 學生的項目作品

【作品展示】

五、項目教學效果及反思

本項目通過設計4 個不同復雜程度的學習任務，在大概念統攝下設計跨學科單元項目式教學，從學生實際的認知水平出發，以期能夠解決“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”前沿學術問題，發展學生的變化觀念與平衡思想等化學學科核心素養。學生歷經3課時的項目化學習，獲得了以下成長：

1.精心設計跨學科挑戰性任務，激發了學生主動探究的興趣

索爾維制堿法和侯氏制堿法學生在初中、高中都有所涉獵，基本都是從培養學生的愛國熱情，激發民族自豪感的視角開展教學的。本項目不僅將侯氏制堿法的內核指向多平衡競爭體系的調控，更是將問題指向了將無機工業原料純堿和有機工業原料聚氯乙烯聯合生產這樣一個真實復雜具有高度挑戰性的學習任務。通過設計這一個具有挑戰性的任務，將問題拆解成四個學習任務，融合科學、技術、數學和工程等思維實現設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產的理想轉化和實際轉化，抽絲剝繭，層層遞進，最終實現問題的解決。學生在解決問題的過程中感受到了科學家創新的精髓，更是感受到了科學家解決復雜問題的一般思路與方法，將初高中必修階段低水平的科學精神與社會責任提升到“針對某些化學工藝設計存在的多種問題，提出處理或解決的具體方案”。

2.精心設計學習活動，發展學生的高階思維

侯氏制堿法等問題因其綜合性、復雜性，傳統的教學基本都是將其設計成分析型任務，讓學生利用已學的知識來解決其中涉及到的化學問題。本項目直面教學中的難點問題，無論是侯氏制堿法、聚氯乙烯的合成還是聯產純堿和聚氯乙烯，都將其設計成了“設計、評價”等高階的學習任務，讓學生通過小組合作，生生互評，不斷修正和完善設計方案，形成問題解決的結構化思路，發展學生的高階思維。

3.突出實踐性，關注學生的過程體驗

“設計化學環實現純堿和氯乙烯聯產”的項目融合跨學科思維，通過層層遞進的問題，引導學生提出“生產純堿”“生產聚氯乙烯”“聯產純堿和氯乙烯”的設計思路和工業流程，在師生交流和生生交流的互動中不斷完善方案，在解決單個學習任務的同時，及時幫助學生實現“知識關聯”的結構化走向“認識思路”的結構化，從具體的問題解決形成解決一般問題的思路與方法。在問題的解決過程中，發展學生跨學科思維和遷移應用的能力，提升學生跨學科素養。