基于“設計型學習”的化學“工程思維”培養的教學實踐

陳粲 嚴西平

摘要：在中考化學“工藝流程”專題復習課中，運用“設計型”學習和“工程思維”的理論進行了教學設計，改變只重視知識點強化記憶的呆板印象，強化引導學生主動參與工藝流程設計的“設計型”學習，注重培養學生“工程思維”的形成與發展。在教學中體現設計型學習的思路與方法，闡釋工程思維的方式和特點，建構解決實際問題的模型。

關鍵詞：設計型學習；工程思維；模型建構；化學工藝流程

文章編號：1008-0546（2023）09-0059-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.011

在中考復習中，很多復習課往往變成知識點的強化記憶，而忽略了運用，即使運用，也僅僅表現在刷題、講題、練題，而忽略了學生的思維、能力的綜合提升。2022年6月，筆者有幸在泰州市鳳凰初中上了一節題為“化學工藝流程”的公開課，同時作為泰州市初中化學名師工作室成員，在本節課展示了本工作室江蘇省教育科學“十四五”規劃課題的階段性研究成果，有關“設計型學習”以及“工程思維”在化學教學中的實踐。

一、教學設計背景

隨著新課標的頒布，教育被賦予了新時代新使命，這就要求教育工作者能夠與時俱進。義務教育階段的化學課程需要發揮其育人功能，培養有理想、有本領、有擔當的時代新人。[1]新課標要求開展化學教育過程中重視以核心素養為導向的教學，其中核心素養之一科學探究與實踐里面就強調：運用簡單的技術與工程方法設計、制作與使用相關模型和作品的能力、提出解決實際問題初步方案的能力。

“設計型學習”是一種融合探究活動和設計實踐的學習方法，由教師提出設計型學習挑戰，學生經過反復探究、設計來完成面向真實情境的項目，最終形成學習成果。設計型學習能幫助課堂提質增效，能幫助培養學生的探究、協作、設計和創造等高階能力。在國外，“設計型學習”主要應用于K-12教育、教師教育方面，在國內還處于研究、梳理、分析層面，尚未應用于實踐。[2]

工程思維是一種高階思維，是一種科學思維。工程思維以具體的某個實際問題為驅動框架，要求學生在任務的驅動下通過合作、探究等方式解決實際問題。[3]為培養“三有”新人，工程思維的培養就顯得尤為重要。作為啟蒙階段的化學學科，旨在培養新人，培養有思維能力的人，培養有動手能力解決實際問題的人，培養有智慧、有悟性、有愛國心的人。

二、教學設計思路

在化學教學中，以舊知喚新知，這種知識之間的內在聯系可以為學生的思維發展呈現一個明晰的脈絡，所以，我們要搭建知識之間的內在聯系契合點，更好地發揮學生最近發展區的作用，讓新知識可以有效地融入舊知識系統之中，讓學生的化學思維結構清晰、條理分明。基于此實施情境教學，以社會事件、生活實際、化學實驗、工業生產、化學史料、學科前沿等視角來創設情境化問題鏈，促進化學知識與實踐應用的結構化，從而在教學中實現情境化、問題化、任務化、活動化；激發學生學習興趣，引導學生積極開展自主學習、探究學習和合作學習，從而進一步培養學生的工程思維。

本節課從概念人手，設計、探究后進行再設計、再探究，通過迭代提高完成學習任務的挑戰。課堂伊始，筆者以“中國制造”創設情境，引出化學工藝流程，目的要培養學生的民族自豪感以及深刻認識到化學工藝在社會發展中的重要性，同時以激昂的背景音樂迅速將學生的注意力拉進課堂中，引出化學工藝的主題。

在課堂中，先幫助學生理解化學工藝流程的概念及步驟，初步了解化學工藝流程的規則和解讀方法，然后設計兩個問題：侯德榜制堿法和疫情防控方面的消毒劑制取，創設這兩個問題的初衷也是為了能夠培養學生的民族自豪感和愛國情懷。在流程圖中，將酸、堿、鹽的相關知識配合相關實驗操作進行組合，讓學生能夠學以致用，因此，在分離提純的環節中創設一個真實情境，讓學生自主合作完成流程圖的設計，并且讓學生知道很多物質其實就是在我們身邊，并沒有想象得那么遙不可及，明白知識源于生活、反哺生活。在硝土和草木灰的講解中，貫徹傳統文化的滲透，再次激發學生的求知欲以及對文化自信的強化。

三、教學過程

1．創設情境，引入主題

【展示】視頻播放：中國制造

【教師】中國制造，世界聞名。中國制造是速度的代名詞，而在實際生產、建設中，往往都存在著一定的制造流程，待流程設定完畢后，即可完成工藝制造。今天我們就一起來學習化學工藝流程該如何設計。

2．直奔主題，初識概念

【教師】化學工藝是什么？什么是化學工藝流程？

【展示】化學工藝即是化學技術或化學生產技術。化學工藝流程指將原料主要經過化學反應轉變為產品的方法和過程，也包括實現這一轉變的全部措施。

【教師】我們為什么要研究學習化學工藝流程問題？

【展示】（1）化學工藝流程問題來源于真實廣泛的工業生產和日常生活；

（2）新課標要求學生具備綜合運用化學的相關知識和科學方法解決生產、生活實際和科學研究中的簡單化學問題的能力；

（3）化學工藝流程題問題設置靈活，考查的知識點全面，對學生的綜合素質和能力要求較高，幫助學生提高分析和解決實際問題的能力。

3．問題指引，模型建構

【教師】化學工藝是國家發展的命脈，在近代，我國涌現了一大批愛國化學家，侯德榜和他的“侯氏制堿法”享譽世界，我們跟隨侯德榜先生制堿的流程一起來認識化學工藝。

【展示】1926年，我國化工專家侯德榜創造出的“侯氏制堿法”，結束了由美、英、法等國壟斷世界純堿市場的時代。其模擬流程如圖1所示：

【教師】同學們，這就是“侯氏制堿法”的流程簡圖，讓我們帶著問題自主學習工藝流程有哪些要點？從圖中你可以知道哪些信息？

【展示】（1）在該流程中，所需原料是什么？

（2）在流程中涉及到哪些具體操作和反應？

（3）目標產品是什么？

（4）可循環使用的物質是什么？

（5）你認為化工流程分幾步進行？

【學生活動】以小組為單位（6人一組），自主學習，小組交流，最后匯報。

【教師】在大家的自主思考、相互合作之下，我們對上述這一流程有了進一步的認識，而化工流程分幾步進行呢？老師在大家的總結之后精煉了一下，分為三步進行，其實剛才大家都已經總結到了，我們一起來看。

【展示】化工流程一般分為三步：原料預處理、化學反應、產品精制。其中化學反應是整個流程的核心（見圖2）。

4．初窺門徑，小試牛刀

【教師】我們剛才已經認識了化工流程的基本要素，接下來我們一起解決一個我們生產中的問題。疫情防控是當下的主流安全問題，而消毒劑是我們生活中必不可少的物品，那么它的制造又有什么樣的問題呢？一起解決吧！

【展示】在抗擊疫情期間，消毒劑在公共場所進行衛生防疫時發揮著重要作用。二氧化氯（ClO2）是一種高效、廣譜、安全的殺菌消毒劑。以粗鹽水（含可溶性雜質MgSO4.CaCl2）為原料，制取ClO2的工藝流程如圖3所示：

（1）試劑A為▲。

（2）加入過量Na2CO3溶液的作用是▲。

（3）步驟④中發生反應的化學方程式▲。

（4）上述流程中可循環利用的物質有▲。

【學生活動】獨立解決問題，請小組代表為大家講解解決問題的思路與方法。

【總結】解讀工藝流程的思路與方法：閱讀題干，找關鍵詞，明確目標，理解流程，整合信息，細心解題。其中還需要注意把名稱換為化學式，寫出相關反應的化學方程式，注意細節并規范語言。

5．模型已成，思維展現

【教師】古法制硝流傳已久，作為中國人，作為化學人，傳承中華傳統文化義不容辭。古法制硝后的硝酸鉀中有許多雜質．請大家設計一個切實可行的方案，提純硝酸鉀，并畫出工藝流程圖。

【展示】小組活動：制取硝酸鉀可以用硝土和草木灰作原料，現有用該法制取的某硝酸鉀固體樣品，其中含有少量雜質（氯化鈉、氯化鉀、碳酸鉀、氫氧化鈉、碳酸鈣），請以小組為單位，為KNO3的提純制定方案，以流程圖呈現。

【學生活動】獨立思考，小組合作、探究，展示小組研究成果（以投影展示）。

【評價】學生對方案的優缺點進行自評，對彼此方案的異同進行分析，對設計過程中的困惑進行公開討論解決，最后教者給出建議。

四、教學反思

本節課在新課標的理念之下，運用“設計型”學習融合探究活動和設計實踐的學習方法，增進對學科內容的學習和理解，提升學生的綜合能力與核心素養，以此培養學生的工程思維以及通過學習來解決復雜的現實問題的習慣與能力。

在課堂設計時，以愛國心、民族結、傳統情為暗線貫穿始終，培養學生正確的價值觀。在解決實際問題時，以正向思維引入，以逆向思維結尾，在正逆思維的雙向碰撞下，能較大程度地培養并提升學生的高階思維，引導學生巧用分析、評價、創造等思維來解決實際問題，這樣更能體現學科價值，更能貼合新課標的要求，才能不負總書記培根鑄魂、啟智增慧的囑托。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部，義務教育化學課程標準（2022年版）北京：北京師范大學出版社，2022.4．

[2] 李美鳳，孫玉杰，國外“設計型學習”研究與應用綜述[J]．現代教育技術，2015 （7）：12-18．

[3] 陸庭鑾，化學教學中工程思維的內涵及培養[J]．教學與管理，2022（07）：62-65．