从情境素材到设计基于真实情境的化学教学

梁弘文 武衍杰 黄丹青

摘要： 在分析化学教学情境相关研究的基础上，依据优质化学教学情境的结构和特征，提出从孤立的情境素材事件到生成课堂教学情境的设计流程： 选择适切的情境素材;抽提學科核心知识或学科核心概念;完善情境素材结构。并以“工业制硝酸”真实情境素材为例，将这一设计流程付诸于教学实践。

关键词： 情境素材; 教学情境; 工业制硝酸; 教学研究

文章编号： 10056629（2019）9005605            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）明确提出，真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会[1]。因此，素养为本的课堂教学要求教师应积极创设真实且富有价值的问题情境，促进学生化学学科核心素养的形成和发展。新课标中在每一主题下基本都增加了“情境素材建议”，这为教师设计基于真实情境的教学提供了丰富资源。但新课标中情境素材建议的表述较为简单，只是一个个孤立的事件，对于提供的这些素材如何结合教学主题在课堂教学中进行设计和呈现却没有过多说明。因此，从选定课堂教学中要使用的情境素材到设计基于真实情境的教学需要教师的再创造。

1  从情境素材到课堂教学情境

什么样的情境是一个好的化学教学情境，这是开发情境素材要搞清楚的理论问题。杨玉琴、王祖浩[2]提出，化学教学情境的本质属性是蕴含学科问题，核心内涵是引导知识建构，深层价值是促进知识迁移，情感取向是弘扬学科价值。郑长龙[3]认为，一个好的化学教学情境应该具备“真实、生动、激疑”的特点，在情境真实而有意义的基础上要特别注重发挥化学教学情境的“激疑”功能，即要通过情境设计将学生疑问聚焦在课堂所要解决的化学问题上。毕华林[4]指出，化学课程中的情境应能揭示知识产生的背景和条件，具有明确的知识指向性，能引发学生积极的思维活动，具有迁移价值。上述对于教学情境特征的观点表述虽然略有差异，但都认为好的教学情境应蕴含学科问题，能够激发学生的思维。如何将课标提供的或教师收集的孤立的情境素材事件设计成能够在课堂教学中使用的教学情境，这是开发情境素材的实操问题。张小菊、王祖浩指出，一个优质的、结构完整的化学课堂教学情境应具备以下结构特征： 发生在一定的时空条件下，围绕化学核心概念或科学方法而展开的具体事件;包含将要解决的化学学科的核心问题;建立在学生已有的化学知识基础之上、为学生的交流和参与化学特定主题的学习提供框架;围绕核心事件的素材、源于学生的日常生活或具有当代社会发展意义的主题[5]。很显然，教师收集到的或课标中直接提供的情境素材只符合课堂教学情境的第一个结构特征，只是一个个具体的事件，并不是一个结构完整的课堂教学情境。王伟、王后雄[6]提出，从情境素材到生成课堂教学情境的逻辑路线，即教学目标——情境素材——教学活动，认为三者是相互作用的统一体，情境素材的收集与使用受到教学目标的制约，而基于情境素材设计的教学活动又可以服务于教学目标的达成。

结合上述观点，可形成如图1所示的情境素材开发设计流程。从情境素材到课堂教学情境的设计，首先要结合教学目标选择适切的教学情境，这点可以通过教师平常的积累或直接选择新课标每一主题下提供的情境素材（课标中提供的情境素材都是切合主题教学目标的）来解决;其次要从选择的情境素材中抽提出其蕴含的学科核心知识或学科核心概念，这样才能使后续的学生活动指向学科活动;最后要完善情境素材的结构。孤立的情境素材事件并不能直接运用到课堂教学中，教师必须基于情境素材设计教学活动，在这一过程中要将情境素材中蕴含的学科核心知识或学科核心概念设计成学科问题融入基于真实情境的教学活动中，为学生提供学习框架。整个情境的开发设计过程必须凸显“情境、知识、问题、活动”的融合。下面以“工业制硝酸”这一情境素材为例，说明从情境素材到设计基于真实情境教学的过程。

2  “工业制硝酸”情境素材的开发与设计

2.1  “工业制硝酸”情境素材介绍

硝酸的生产工艺根据氧化压力和吸收压力的不同，主要分为常压法、全中压法、综合法、全高压法和双加压法等5种工艺。这几种流程都属于氨接触氧化法制硝酸原理，遵循氨氧化物制NO、NOx与水反应吸收成酸、尾气氮氧化物的脱除、空气和氧化氮气体的压缩及能量回收四个步骤[7]。特别是双加压法生产硝酸具有氨利用率高、铂耗低、吸收率高、热能回收利用率高、尾气中NOx含量低实现了清洁排放等特点，利于培养学生能源循环利用、绿色化学的思想。具体工业生产流程如图2所示。空气经净化后与氨气在接触氧化器中发生催化氧化，生成氮氧化物（氮氧化物成分复杂，但结合中学氨的催化氧化反应，可视为NO）;由于催化氧化在高温条件下进行，且氨的催化氧化为放热反应，因此氮氧化物在热交换器和余热锅炉中降温，在此过程中NO被氧化为NO2，热量被回收;为促进NO2的吸收，在加压条件下，将生成的NO2通入水冷却器并与冷凝水（防止温度高硝酸分解）反应生成稀硝酸和NO;稀硝酸经离心泵分离回收至稀硝酸高槽（耐腐蚀材料制成的硝酸收集设备）;NO进入氧化塔进一步被氧化为NO2，NO2进入吸收塔又生成稀硝酸和NO，反复多次循环，可使尾气氮氧化物含量大大降低，达到排放标准;浓缩塔可浓缩稀硝酸至浓硝酸。

2.2  “工业制硝酸”情境素材与教学目标适切性分析

在高中化学必修课程中，新课标将“工业制硝酸”作为重要的情境素材建议用来学习“氮及其重要化合物的主要性质”;选修课程《实验化学》中，新课标也将“氨氧化法制硝酸”作为模拟化工生产过程的重要实验载体。在现行三个版本《化学1》教材中都有提及“工业制硝酸”，如苏教版化学教材中将“工业制硝酸”过程以“问题解决”的形式呈现在专题四第二单元“生产生活中的含氮化合物”中;鲁科版化学教材中以“工业制硝酸”为情境设计了习题检测学生对“氮的循环”的掌握。因此“工业制硝酸”是重要的课程内容，在必修课程中进行开发设计可用来学习“氮及其化合物的主要性质”。本节课选自鲁科版《化学1》第三章第2节“氮的循环”（第二课时）。通过解读新课标对氮及其化合物内容和学业的要求可进一步明确“工业制硝酸”情境素材与教学目标间的适切性，如图3所示。

2.3  “工业制硝酸”情境素材中学科核心知识抽提

结合双加压法生产硝酸的具体过程，“工业制硝酸”流程蕴含着不同价态含氮化合物之间的转化，学生可以借助氧化还原反应原理分析N2—NH3—NO—NO2—HNO3之间的转化路径;而在实际的工业制硝酸生产过程中，又面临着许多实际问题，例如“如何保证NO2与水反应吸收成酸的效率”“为什么要把NO2通入冷却水中吸收成酸”“如何脱除尾气中的氮氧化物”“如何选择合适的生产设备”等，这些实际生产问题蕴含了氮及其化合物的重要性质，其中NO和NO2与水和氧气间的循环反应可以为尾气的达标排放提供思路;硝酸的不稳定性以及较强的氧化性等性质决定了硝酸要在低温条件下生成，防止分解;面对硝酸的强氧化性，工艺生产设备有特殊要求，需要耐强酸耐腐蚀等，而冷的浓硝酸遇铁、铝等金属发生钝化反应为设备材料的选择提供了思路等。具体情境素材蕴含的学科核心知识见图5。

2.4  “工业制硝酸”情境素材中学科问题设计

抽提出的学科核心知识要结合具体情境设计成学科问题，通过基于真实情境的学科问题将学生的疑问聚焦在本节课所要学习的化学核心知识上，引发学生积极思考。学科问题的设计要具有连贯性，基于真实情境的课堂教学整节课都应围绕情境中的问题依次递进展开，而不是扣情境的“帽子”。让学生在真实情境中调用教材知识推进课堂教学的进行，能够给予学生解决实际问题的深度体验，可以最大限度地激发学生的兴趣，在这种深度参与的课堂中能够更好地培养学生的化学学科核心素养。本素材中的学科问题可按照工业制硝酸的实际生产流程来设计，并围绕工业制硝酸的生产技术问题展开讨论，将工业生产和化学知识充分融合，形成如图5所示的学科问题。

2.5  基于“工业制硝酸”情境素材的教学活动设计

有关元素化合物知识的学习，新课标中要求“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究”了解元素及其化合物的重要性质。但面对“工业制硝酸”情境，考虑中学化学教学实际，不可能像培养“化学工程”类人才一样走进化工厂进行教学，只能是以真实的化工生产过程等为研究对象，对化工生产的原理、流程等进行复原、模拟、评价等。因此，本节的教学活动可以围绕整个工业制硝酸的生产过程展开讨论，将学科问题融入所开展的讨论活动中，例如可以让学生根据图2的生产流程简要分析工业制硝酸的过程，看学生在技术原理的基础上还能发现生产过程中的哪些问题;紧接着教师可以根据硝酸生产布置学习任务，如“分析为什么尾气可以直接排放”“思考如何提高氮氧化物的吸收效率”“探讨为什么氮氧化物要降温还要通入冷却水中成酸”“寻找合适的硝酸生产设备材料”等。以“寻找合适的硝酸生产设备材料”教学活动为例，在具体实施教学中学生大多从物质类别的角度“酸的通性”考虑，认为酸不能和金属铜反应因此可选用铜作设备材料，说明学生仍没有认识到硝酸的强氧化性。通过教师演示铜与浓、稀硝酸反应的实验可以帮助学生进一步认识硝酸作为强氧化性酸不同于其他的非氧化性酸。此教学活动的课堂实录如下。

[教师]大家思考一下，如果在实际工业中，生产硝酸的装置设备材料应该有哪些要求？

[学生]耐高温、高压和耐酸腐蚀。

[教师]可以选择哪种材料？

[学生]铜会比较好，铜的活动性弱，铜不会和酸反应。

[教师]（演示铜与稀硝酸、浓硝酸反应的实验）硝酸具有很强的氧化性，几乎可以将所有金属（金、铂、钛除外）氧化，根据实验现象写出铜与稀、浓硝酸反应的化学方程式。

[学生]化学方程式书写。

[教师]硝酸的强氧化性决定了铜不能用来制作硝酸生产设备，请大家结合资料卡片（见图4），根据硝酸的特性选择合适材料。

[学生]选择铁或铝。

[教师]Al、 Fe在冷的浓硫酸、浓硝酸中其表面形成致密的氧化物薄膜而钝化，根据硝酸的这一特性可以选择铝或铁作为设备材料，特别是铸铁中加入硅更能大大增强其抗腐蚀性能。

通过上述教学目标与情境素材适切性分析、学科核心知识抽提、学科问题设计以及教学活动的设计形成如图5所示的教学思路。

3  结语

从普通的情境素材到课堂教学情境需要经过教师的再创造，通过教学目标与情境素材的适切性分析、情境素材中学科核心知识的抽提、基于情境素材的学科问题和教学活动设计等环节可以将情境素材和教材知识密切结合，而不只是扣情境的“帽子”。学生在这种真实情境中调用教材知识推进课堂，可以最大限度地激发学生学习化学的兴趣，发展学生的化学学科核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]杨玉琴， 王祖浩. 教学情境的本真意蕴——基于化学课堂教学案例的分析与思考[J]. 化学教育， 2011， 32（10）： 30～33.

[3]郑长龙. 义务教育化学新课程实施中的几个问题及思考[J]. 课程·教材·教法， 2012， 32（3）： 70～78.

[4]毕华林， 卢姗姗. 化学课程中情境类型与特征分析[J]. 中國教育学刊， 2011， （10）： 60～63.

[5]张小菊， 王祖浩. 化学课堂教学情境的评价研究——基于化学“优质课”教学情境的分析[J]. 化学教育， 2013， 34（3）： 27～32.

[6]王伟， 王后雄. 《普通高中化学课程标准（2017年版）》中“情境素材建议”内容特点及使用建议[J]. 化学教学， 2018， （10）： 15～19， 26.

[7]王全文. 硝酸工业的概况及发展趋势[J]. 大氮肥， 2005， （6）： 361～364.

[8]杜春晓， 孙志高， 黄林林. 浓硝酸装置生产过程中材料的选用及防腐措施[J]. 石油和化工设备， 2013， 16（8）： 61～64.