浅议中学化学教学联系化工案例的思考与实践

王钦忠 高明

摘要： 对中学化学教学中联系化工生产实际的做法进行了分析，认为联系化工生产实际不仅仅是为了激发学生的学习兴趣，更重要的是要关注联系化工生产实际给学生带来的思维变化；提出化学教学联系化工生产实际要能促进学生从科学实验思维到化工生产思维的转变，最后给出了中学阶段培养学生化工生产思维的几个要点及相应的教学案例。

关键词： 科学实验思维； 化工生产思维； 工业生产实际； 化学教学

文章编号： 10056629（2018）2002505中图分类号： G633.8文献标识码： B

在中学化学教学中紧密联系化工生产实际越来越受到重视，以至于在中高考命题中联系化工生产实际也成了一个非常重要的取材方向。究其原因，一是因为化工生产实际素材可以很容易与学生的社会生活经验建立某种关联，比如，学生虽然对氯碱工业比较陌生，但是它的产品学生却是很熟悉，由此可以利用化工生产实际吸引学生的注意力，继而激发学生探究化学原理的欲望；二是因为利用已学化学知识分析化工生产实际本身就是知识建构的过程，在分析过程中可以帮助学生更加深刻地理解化学知识的适用条件和感悟人们解决实际问题的智慧；三是因为化工生产实际可以彰显化学知识的价值，让学生感受到掌握化学知识的必要性和重要性；四是可以通过认识和分析化工生产实际问题，培养学生“科学精神和社会责任”方面的化学核心素养。

虽然，在化学教学中联系化工生产实际有很多价值，但是，对于学生的学习来说，从书本知识跨度到化工生产实际却是需要一个思维转变的过程。

1科学实验思维与化工生产思维的差异分析

化工生产在化学科学中与之相对应的即是科学实验。二者有相同之处但又存在很大差异，化学科学实验是“一种独立的化学科学实践活动、重要的化学科学认识方法。只有通过化学科学实验，才能达到对物质的本质及其变化规律的正确认识”[1]，化学科学实验“不仅仅是获得化学实验事实的重要途径、手段和方法，而且还具有验证化学假说和检验化学理论，发现和合成新物质、奠基和推动化学分支学科建立和发展的作用”[2]；“化工生产工业则要对生产原理、成本、场地、设备、劳动组织和生产效率等因素进行综合性和系统性的研究”[3]。这些论述从内涵的角度对科学实验和化工生产的区别与联系进行了阐释。

但从学生学习的角度来说，则涉及两种思维的转变，即从科学实验思维到化工生产思维的转变。在中学化学学习阶段，学生接受的主要是科学实验思维的培养，即按照科学实验的要求、过程和方法来认识化学物质及其变化规律，旨在探索“是什么”和“为什么”的问题。这种思维方式聚焦在实验目的、化学反应原理、实验装置和操作步驟上，其特点主要表现在以下几个方面： （1）学生完成科学实验的目的是多元化的，制备或合成物质仅是其中一个目的，而化工生产的目的相对比较单一，大部分都是以生产物质产品为主要目的；（2）学生对反应物的理解比较简单——反应物本身都是纯度很高的化学试剂，除非需要临时制备反应物，一般不需要学生考虑反应物的成本、来源和其他杂质的影响，但这种思维定势很容易被学生演绎到化工生产实际中去；（3）学生对控制化学反应条件的认识也比较有限——科学实验一般是在实验室条件下实现的，比如，科学实验所需要的条件一般都是常温（或加热）、常压、通电、催化剂或者改变物质浓度，在实验室中即可完成操作；反应器也基本都是玻璃仪器，对温度和压强的要求也比较低；（4）学生完成科学实验的操作步骤也比较有限——科学实验给学生的印象一般都是“有始有终”的，反应物消耗完了或者出现目标产物了或者出现实验现象了，实验目的也就达到了，而不像化工生产那样是一个规模化的、连续不断的生产过程；（5）学生完成科学实验时，更加关注科学实验与化学理论的关系以及对实验室内各影响因素的分析，而较少关注实验室以外的其他因素。

但是在认识化工生产实际问题时，过度强调科学实验思维就会导致学生在认识或解决实际问题时出现障碍。这是因为化工生产思维与科学实验思维存在很大的差异。虽然，化工生产技术是以化学原理为基础的，但是，化工生产思维本质上是一种“大工程观”[4]的思维，它要求以整合、系统、应变、再循环的视角看待生产过程，旨在解决“怎么办”的问题。其特点主要表现在以下几个方面： （1）化工生产中原料的选择不能只考虑化学反应原理的要求，还要考虑原料的实际来源、有效成分、预处理成本、运输等等因素；（2）生产中反应条件的控制要根据实际情况来选择合适的反应条件，而不是理论上的最佳条件，既要考虑到化学反应速率和目标物质的产率，也要考虑到设备要求和生产成本等因素；（3）化工生产具有规模化要求，从原料投入到目标物的获取要形成一个合理的生产流程，能够保证化工生产连续不断地进行下去；（4）化工生产在最大限度获取目标物质的同时，也要做好“三废”的处理，创造性地循环利用生产原料，实现零排放的绿色生产；（5）化工生产追求经济效益，要合理控制化工生产各个环节的成本，尤其是能量的充分利用，要综合利用“废热”；（6）化工生产的产品质量和技术要求也都会受到政策因素、资金因素和管理因素的影响。

在现行的初高中化学课程中多少也会涉及化工生产的内容，但更多的是对化工生产中化学反应原理的分析和认识，而缺乏将科学、技术、非技术、工程实践融为一体的“大工程观”的渗透。这种观念的培养对提升学生理解和解决实际问题的能力是非常重要的。

2促进思维转变的可行性路径分析

基于上述分析，结合中学阶段学生的认知能力，分别构建了“化学科学实验思维模型”（见图1）和“化工生产思维模型”（见图2），对照这两个思维模型之间的差异可以找到促进学生思维转变的一些可行性路径。

通过对比两个思维模型，在中学阶段培养学生化工生产思维应该注重以下几个关键点的转变： （1）要拓展学生对反应物的全面认识，通过实际案例帮助学生认识理想的“化学试剂”与现实的“化工原料”之间的差异；（2）要强化学生对条件控制重要性的认识，要让学生认识到不仅可以通过控制反应条件来达到生产目的，而且还可以通过改进反应条件控制技术和工艺不断提升生产品质；（3）要提升学生对绿色环保的认识，切实感受到在化工生产过程中循环利用物质、节约能源以及不断改进生产工艺的重要性；（4）要让学生具备成本意识，在提升生产品质和生产效率的同时，要在生产的各个环节中尽可能降低生产成本；（5）要提升学生解决实际问题的能力，现实问题都是很复杂的，解决问题不能单因素思维，要能够综合考虑多种因素，从而最优化的解决问题。

3促进思维转变的教学案例分析

“工业生产实际分析”类试题是近年来北京市中考化学试卷中的一个非常重要的题型。在这类题目中，一般会给出相应的化工原料、生产目的、生产流程图、生产工艺等信息，然后让学生根据题目信息和已学知识解决相应的问题。虽然题目难度属于中等难度，但是此类题目对学生的要求已经凸显了一些化工生产的思维，比如，要求学生能够根据题目信息确定反应物和生成物，书写出化学方程式；能够根据方程式判断有无污染物生成、有无可以循环利用的物质、元素的化合价是否改变等等；有些还要求学生能够对生产工艺的优缺点进行简单评价。

为了促进学生从科学实验思维转变到化工生产思维，北京市房山区第四中学的高明老师以“碳酸钠的工业生产分析”教学为例进行了教学实践。其基本的教学思路和教学过程如下：

3.1教学环节一： 学生分组合作设计碳酸钠工业生产流程

在这个环节中，教师首先以图文的形式展示有关碳酸钠的重要用途、在自然界中的存在形态以及需要工业生产的原因。然后提出问题： 请同学们尝试利用已学知识设计碳酸钠的工业生产流程，并思考要注意哪些问题？学生先独立思考教师提出的问题，然后再以小组合作的形式设计工业生产流程和总结需要注意的问题。最后每个小组派代表汇报、展示设计成果。

学生设计的比较有代表性碳酸钠生产流程图见图3：

从图3两个比较有代表性的学生作品中可以看出，虽然，学生在设计生产流程图时是基于科学实验的过程与方法来思考的，但是学生已经开始考虑一些实际问题，比如原料的来源、能量的综合利用、降低生产成本等问题，初步产生了一些化工生产思维的火花。

此环节的设计意图有三个： 一是让学生以任务的形式复习巩固已有的碳酸钠知识；二是通过学生完成任务的情况，评估学生的思维状态是科学实验思维还是化工生产思维；三是为教学环节二做铺垫，把学生自主设计的成果与后面索尔维制碱法进行对比。

3.2教学环节二： 学生自主分析索尔维制碱法

教师首先按照学生能够理解的形式构建出了索尔维制碱法的流程图（见图4），要求学生认真

阅读流程图，完成流程图中的空白内容，分析流程图中各物質的作用，最后总结出自己在设计流程图时的思考与索尔维的思考存在哪些差异。

学生活动所需要的资料是：

参考资料：

（1） NH3+H2O+CO2NH4HCO3

（2） NH+4+OH-NH3↑+H2O

（3） 相关物质的溶解度