新高考改革背景下的化學深度學習實踐案例

［摘 要］文章以實驗室模擬侯氏制堿為例，在高中化學實驗探究活動中踐行深度學習理念，通過明確教學主題，分析教學現狀，尋找實驗探究教學與深度學習理念的融合點，引導學生進行深度學習。

［關鍵詞］高考改革；深度學習；侯氏制堿

［中圖分類號］" " G633.8" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）23-0059-04

新高考改革背景下的化學教學踐行“素養為本”的教學理念，強調將化學知識與生產生活進行有機聯系。化學新課標倡導以實驗探究為中心進行教學，并在各教學環節中培養學生的化學學科核心素養。深度學習是實現素養為本教學的重要方式。它既能促進學生全面發展，同時也能提升學生的核心素養。北京師范大學胡久華教授將化學教學與深度學習進行整合，并在此基礎上細化了化學深度學習的概念，即學生在素養目標的引領下，聚焦引領性學習主題，開展以化學實驗為主的挑戰性探究活動。

筆者在高中化學實驗教學中引導學生進行深度學習，以探秘侯氏制堿法為學習主題，開展設計和優化侯氏制堿裝置的系列探究活動，從科學探究、創新創作的視角，引導學生建立運用化學知識解決實際問題的思維模式，培養學生的證據推理與模型認知、科學探究與創新意識等化學學科核心素養。

一、教學主題內容及教學現狀分析

（一）教學主題內容

人教版化學九年級下冊第十一單元“鹽" " 化肥”中以資料卡片的形式簡單介紹了侯氏制堿法。2017年人教版高中化學選修二《化學與技術》第一章的第三節重點介紹了“純堿的生產”。該內容在課標中的要求為：了解化學在材料制造、工業生產、農業生產、資源利用等領域的應用情況；以發展性思維看待化學技術創新與社會進步的關系，培養創新精神和社會責任感。2019年人教版高中化學必修一第二章第一節“鈉及其化合物”中設置了侯氏制堿法的研究與實踐內容。在選修板塊中，課標建議將真實的化工生產過程作為研究對象，借助相關文獻資料的幫助，對侯氏制堿法的生產原理和工藝流程進行復原和模擬。

（二）教學現狀

侯氏制堿法在初中、高中教材中都有出現。高中舊教材雖然沒有在必修板塊中對侯氏制堿法進行詳細介紹，但在解決化工流程問題時，經常會運用侯氏制堿法的原理及思想。而制堿工業是我國的重要工業，純堿的生產對我國經濟發展發揮了重要作用。侯氏制堿法作為高中化學的重頭戲，不僅在教材中多次出現，而且還多次被選為高考命題背景。

通過對教材以及課標的解讀不難發現，侯氏制堿法涵蓋了元素及其化合物、STSE教育、工業流程等多個主題內容，是高中化學學習中非常重要的一環。學生雖對化工工藝有一定的興趣，但對其涉及的抽象理論及相關知識點的理解能力較弱。由于學校缺少硬件條件模擬真實的生產過程，故導致學生對化工生產多停留在感性認識層面。

二、教學設計與創新點

本節課教學設計的創新點在于學習模式的創新，打破了傳統的教師演示實驗課模式，采用基于“真實問題情境”的“學”與“用”有機結合的層進式深度學習模式。課前設計了兩個環節，分別為“微課先行”和“查閱文獻”，以此引發學生思考，夯實學生知識基礎。課堂上通過對制堿裝置的多次探究，引導學生交流評價，并引發頭腦風暴。課后，通過家庭實驗探究、通技課堂探究及工廠研學活動層層推進，讓學生體會到學有所用的魅力。綜合來看，本節課是一節指向深度學習、發展學生核心素養的實驗探究課。

三、教學目標

根據學生核心素養培養要求，結合學生現有知識儲備及認知水平，筆者確定了以下五個教學目標：

1.宏觀辨識與微觀探析：觀察侯氏制堿法的實驗現象，學會用化學用語表達其微觀過程。

2.變化觀念與平衡思想：認識侯氏制堿法的原理，并從化學平衡角度解釋其過程。

3.證據推理與模型認知：通過探究實驗為主的層進式學習，逐步構建化工生產流程的認知模型。

4.科學探究與創新意識：針對實驗缺陷，提出可行性改進方案，并動手進行實驗創新與改進。

5.科學態度與社會責任：通過項目式學習，激發學生學習化學及化工知識的興趣，培養學生的創新意識、可持續發展意識和環保意識。

四、評價目標

為實現深度學習中“教學評一體化”的要求，筆者結合課程標準的內容要求和學業要求，制訂了如下評價目標：

1.通過設計方案、觀察現象、描述現象、從微觀視角分析宏觀現象成因的表現，診斷學生對侯氏制堿原理的理解情況。

2.通過生生交流互評、分析實驗設計可行性的表現，診斷學生的學習認知水平和知識遷移能力。

3.通過觀察學生討論、設計并進行實驗的課堂表現，診斷并發展學生的科學探究能力。

五、教學流程

筆者共設計了課前、課中、課后三大教學環節和七項過程活動，具體內容如圖1所示。

六、教學過程

（一）課前環節

【環節1】觀看微課視頻，了解侯德榜事跡以及純堿生產的歷史。

【教師活動】提前制作侯氏制堿的微課視頻，在班群組織學生進行觀看，并提出思考問題：1.侯德榜對人類的主要貢獻有哪些？2.你從侯德榜的事跡中得到什么啟示？3.侯氏制堿法的具體流程是什么？與傳統的索爾維制堿法相比，侯氏制堿法有哪些優點？4.如何在課堂上利用現有的儀器模擬侯氏制堿法？

【學生活動】觀看微課視頻，簡單梳理侯德榜與中國純堿生產的歷史關系，回答相關的問題。

設計意圖：創設情境，引發學生對制堿史的關注，并引導學生通過歷史人物視角，親歷純堿生產發展的歷程，思考相關問題，使情境成為課堂展開的指向和依歸。以上環節的設計，不僅下啟學科活動的開展，還能對歷史事件進行深化和補充。

【環節2】查閱制堿工業相關文獻，夯實基礎。

【教師活動】教授學生在知網上查詢文獻資料的方法，并將相關文獻資料發送至班群，組織學生閱讀。

【學生活動】查閱文獻資料，初步了解侯氏制堿工藝，繪制生產流程示意圖并在班級群中展示，討論化工流程圖有哪些基本構成要素。

設計意圖：學生通過查閱文獻、翻閱資料，在求知的過程中構建相關知識，建立起對侯氏制堿工業的初步認識，為接下來解決實際問題奠定基礎。

（二）課中環節

【環節3】實驗室模擬侯氏制堿初探。

【教師活動1】組織課堂探究，提問并啟發學生設計實驗室模擬侯氏制堿的裝置。

【學生活動1】初步設計實驗裝置（如圖2）。

【教師活動2】在學生動手搭建實驗裝置的環節給予學生適時的指導，引導學生總結實驗裝置的優缺點和實驗室模擬侯氏制堿的制約因素。

【學生活動2】動手做實驗，并分析其優缺點。

優點：使用實驗室常見的藥品及儀器。

缺點：CO2和NH3的氣源不穩定，需同時控制氣流，操作不便；反應過程不斷放熱，氣體吸收效率不好。

【學生活動3】總結現階段模擬侯氏制堿的四大制約因素：（1）穩定的氣體來源；（2）氣體通入速度的控制；（3）反應溫度的控制；（4）操作的簡便性。

設計意圖：通過在實驗室模擬侯氏制堿，加深學生對制堿工藝的理解，同時也更加明確侯氏制堿法相比于氨堿法的創新之處。通過實驗總結，引導學生正確看待模擬過程中出現的問題，體會化學研究路程的任重道遠，鼓勵學生繼續深入探究。

【環節4】引發學生頭腦風暴，并對裝置進行二探、三探……

【教師活動1】協助學生找出可改進的地方，并提供支持與幫助。

【學生活動1】查閱資料，總結三點可改進的地方：1.提前配制氨鹽水，省略控制氨氣通入速度的操作；2. 參考實驗室中多孔球泡的設計思想，想辦法增大二氧化碳與氨鹽水的接觸面，增強吸收效率；3. 控制反應溫度，促進吸收。

【學生活動2】自制多孔球泡（如圖3），解決接觸不充分的問題；設計并搭建新的模擬制堿裝置（如圖4）。

【學生活動3】進行實驗，記錄出現渾濁所需時間和NaHCO3產出率（如表1）。

【教師活動2】評價學生的實驗結果（碳酸氫鈉的生成量），引導學生總結實驗失敗或不理想的原因。

【學生活動4】個別小組實驗結果不理想，派代表總結原因。第二小組認為可能是二氧化碳溶于水（或堿液）的速度太慢所導致的；第三小組認為可能是實驗過程中，二氧化碳流速太快，導致氣體來不及被堿液吸收就擴散到空氣中去了。

【教師活動3】講授影響氣體吸收效率的主要因素：氣體流速、液體噴淋密度、溫度、壓強、接觸面積等；引導學生繼續進行文獻研究，并基于以上五個因素，聯系生產與生活實際，找出最優方案。

【教師活動4】提示學生侯氏制堿法的關鍵步驟：碳酸化。引導學生參考工業碳酸化塔的設計，從日常生活中尋找替代品，設計出新的模擬裝置。

【學生活動5】再次進行文獻調研，并匯報結果：工業制堿過程中有一個核心設備——碳酸化塔，也就是將氨鹽水碳酸化。它的具體操作是將氨鹽水自上而下地跟底部、中部通入的CO2進行逆流接觸。除了分段通氣、逆流接觸這兩個操作，工業上還采用風帽（見圖5）來增加氣液接觸。

【教師活動5】引導學生結合碳化塔的工作原理，聯系生活實際，積極尋求解決辦法。

【學生活動6】了解侯氏制堿中碳化塔的工作原理（分段通氣、逆流接觸、風帽通氣），小組交流得出提高CO2吸收效率的三個途徑：

1. 氣液逆流，充分接觸。（從上方噴淋氨鹽水，下面通CO2，使氣液逆流，充分接觸）

2. 細化氣體，增強吸收。（水草缸用到的CO2細化器就像碳化塔的風帽一樣，不僅能將CO2細化成小氣泡，還能保證CO2的出口壓強，增強CO2的吸收）

3. 霧化液體，促進吸收。（澆花用的噴霧器可將氨鹽水霧化成小液滴，增大液體噴淋密度）

根據以上思路，學生設計了如圖6所示的改進裝置。

【教師活動6】對學生新設計的侯氏制堿模擬裝置表示肯定，并對學生聯系生產與生活實際的改進思路表示贊賞。

設計意圖：通過解決侯氏制堿過程中出現的問題，引導學生利用課前的自學成果以及課中的頭腦風暴解決問題，強化學生主動學習、合作學習的意識，學會聯系生產與生活實際進行裝置的改進，進行創造性學習，從而實現本課教學目標。

【環節5】高考真題速遞，在問題解決中習得知識。

【教師活動7】展示2021年河北卷關于侯氏制堿法的考查內容，帶領學生一起分析裝置連接順序、霧化裝置的優點、制備原理等。

設計意圖：將理論知識與習題相結合，提升學生解決問題的能力，豐富學習活動形式，讓學生真正學有所成。

（三）課后環節

【環節6】課后再次優化裝置，提升勞動創新意識。

1. 利用自動加濕器（如圖7）代替原來的手動噴瓶，解放雙手，實現裝置的微自動化。

2. 利用通用技術課堂上學到的3D打印技術，設計并打印出具有多層塔板結構的碳化塔裝置（如圖8），實現了不同學科之間的技術融合。

設計意圖：對實驗裝置的設計與改進不應局限于課堂教學，可以讓學生將實踐的場域放寬到其他學科課堂、家庭活動、社會活動中，從而將挑戰性的化學實驗活動延伸至化學課堂之外，達到全方位育人的效果。

【環節7】制堿工廠實地研學，學中做，做中學。

【主要活動】1.聽負責人介紹本次參觀路線圖、參觀的主要內容和注意事項等；2.進入制堿工廠，聽化工工程師介紹生產設備和工藝流程；3.與一線工人進行交流，實地了解一線工人的生產工作和制堿技術；4.在工作人員的指導下，體驗生產工作；5.學生互相分享心得體會，教師總結。

設計意圖：通過工廠研學環節，使學生切身體會從“實驗室研究”到“化工生產”的放大效應，并明確放大效應對化工生產的影響，進而明白為什么許多在實驗室中可以忽略不計的細節問題在生產過程中卻必須重視。通過研學，學生可以在簡單的實驗流程圖基礎上，進一步細化對侯氏制堿法化工生產流程的認識。通過切身體會制堿過程，提升學生的實踐技能，并進一步建立化工生產基本流程的認知模型。同時，通過對細節的體驗與感悟，使學生更加了解侯德榜在破解制堿技術過程中的艱辛與偉大，激發學生的勞動創新意識與愛國情懷。

七、教學效果與反思

侯氏制堿法是高中化工流程知識的啟蒙，對學生形成化工思想、解決實際問題有著重要作用。但由于受硬件條件的限制，導致傳統教學無法模擬真實的生產過程。針對這一情況，教師將侯氏制堿的探究過程貫穿課堂，以模擬侯氏制堿法作為課堂情境，引導學生設計實驗探究活動，并在層層遞進的探究中實現化學深度學習。

總體而言，本次教學實踐以問題引發學生思考，在問題解決過程中激發學生對所學內容進行再思考、再探究，提升學生解決真實問題的能力，進而發展學生的核心素養。同時，通過課內、課外活動相結合的方式促使學生在活動中體驗，在探究中感悟，并在一種自然狀態中習得知識。在教學過程中，只有將學生置于真實問題情境，并設計具有挑戰性的實驗探究活動，才會使深度學習落地生根。

（責任編輯 羅 艷）