化学典型问题核心素养价值分析及教学构想

摘要：化学典型问题具有固定结构类型和表达模式，在教学实际中具有潜在的重要影响。化工流程情境类问题饱含丰富的必备知识和关键能力，充分体现化学学科核心素养。实现该类问题有效解决的教学策略主要有：事实知识、概念原理的实践探究式融合性教学;实验思维模型、流程（情境）表征模型及问题解决思维模型的建构性教学;多快好省原则、技术思想和工程思维的统摄性教学。

关键词：典型问题; 化工流程情境; 核心素养; 价值分析; 教学构想

文章编号：1005-6629（2021）08-0086-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 概述

“典型”词义原指“旧法”“模范”，可理解为模型或样范，现指代表某类事物特性的标准形式。典型化学问题，本文指具有固定结构类型和表达模式的化学问题，如化工流程类情境问题、有机合成路线设计问题、物质制备实验方案设计问题等。典型化学问题形成于化学共同体长期的认识积淀，在教学实践中具有潜在的影响。探讨典型化学问题解决的核心素养表现和教学策略方法，对于推进素养化课堂教学变革具有积极意义。

作为化学典型问题，化工情境类问题是高考常见题。此类问题以化学工业生产真实情境为载体，以灵活多样的问题形式和设问视角，测查必备知识和关键能力，体现学科核心素养水平。整个问题情境由文字术语符号、数据模型图表等图式建构呈现，其主导情境是物质转化过程和生產执行方式流程图。必备知识主要有元素化合物、变化平衡原理等，关键能力包含高考评价体系能力群：知识获取能力、实践操作能力和思维认知能力。具体指向有阅读理解、信息搜索整理应用能力，演绎推理、分析判断、批判性思维能力，以及实验设计、语言表达能力等。问题考察的认知目标几乎包含布卢姆认知目标分类中“记忆、理解、应用、分析、评价、创造”的六个方面[1]，重点指向“理解”和“应用”，也会有“分析”“评价”“创造”等高阶认知目标。比如在流程图中某步骤具体操作是什么或者添加物是什么，属于理解认知的“推断”，书写已知方程式属于应用认知的“执行”，对整个问题的审题和解答则属于分析认知中的“组织和归因”[2]。又如，该类问题中有“方法方案比较评判”“陌生方程式书写”，则分属于“评价”“创造”高阶认知目标。该类问题由于对认知目标考察的全面性和综合性，受到高考命题者的青睐和重视。在“一核四层四翼”评价体系背景下，明晰化工生产流程情境类问题的教学价值，评价该问题对学生核心素养的水平表现情况，构建问题解决的有效教学策略，对于探索素养化试题命制和新高考备考教学具有现实意义。

2 化工流程题核心素养价值表现

化学工业或化学工艺简称化工，以化工素材中的流程作为真实的问题情境，简称“化工流程题”。根据对化工流程题的情境材料、形式结构、问题设计及问题解决分析看，该问题对学科素养价值具有强大的承载能力，对必备知识、关键能力及核心素养的表现评价有很大的灵活自由度，非常有利于考题研制。

2.1 基于必备知识的学习掌握和操作运用素养

化工流程题多以无机物质转化制备为题材，考查元素化合物知识。如根据生产事实和现象推断识别物质及其反应，联系物质组成、结构和性质解释生产事实等，这是“宏观辨识与微观探析”素养的基本要求[3]。根据生产目的选用氧化剂、酸化剂、调节pH的物质等，都需要从物质微观结构考虑同类物质的性质差异。再如，事实究因和推断类问题，往往需要从物质变化的能量视角或物质结构和类别视角结合真实情境来描述、预测性质，这是“宏观辨识与微观探析”素养的高层次水平[4]，属于学习掌握素养，表现出学生对必备知识理解、整合、操作、运用的素养水平。

化工生产中有大量的概念原理知识，如速率、方向、平衡等。其中速率、热效应、反应选择及进程控制等，是“化学变化伴随能量变化”“变化有条件，变化可控制”的观念体现。认识、理解、应用溶解度曲线图、pH-浓度分数坐标图以及原理变化图等问题的解决，是“通过现象、观察和数据图表等概括变化条件、特征与规律”，表现了“学习获取”“理解掌握”“知识整合”素养。原料利用、产率提高、转化充分等生产问题，是“运用动态平衡观点”分析变化的主要表现。物质变化、反应判断、陌生方程式的书写等，是“对物质性质和变化作出解释预测，运用变化规律分析说明生产、生活实际中的化学变化”[5]的要求。如此速率变化、平衡原理的综合应用，是重点考查学生的“实践探索操作运用”素养。

化工流程问题以元素物质、速率变化和平衡原理等必备知识为平台，主要体现“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”素养，重点指向学习掌握和实践探索能力的考查。

2.2 基于问题形式结构的研究探索和思维方法素养

化工流程题脱胎萌芽于上世纪90年代，从“人为编造”痕迹较重的“无机框图推断题”发展而来[6]，历经改造演变，现成为具有独特样态风格的高考题型：（1）问题由“题干—流程—设问”构成，在题干中交代生产背景与目的，明示或隐含信息以及伏线问题的设置和解决。问题结构表现出模式化特征，对该模型理解（读题破题）需要模型认知素养（理解模型），整个问题解决需要证据推理素养。（2）流程图内在逻辑结构是“原料预备处理—核心制备反应—目标产物获得”[7]，该思维模型兼容并包元素物质、概念原理、实验实践和生产实际等多维要素，用术语、符号、文字、图式集成了复杂的认知情境。对该模型认知需要模型理解力和原型匹配力，需将此表征模型与化学事实原型进行关联。（3）流程题解答，则需依据情境信息，寻找证据，进行推理，建构思维方法模型，属于“建模”“用模”高层次素养[8]，需要关键能力群中思维认知能力的洞察、推理能力，学习能力的阅读解码、符号理解能力以及实践操作能力的信息转化、数据处理能力等。化工流程类情境问题的内容、结构和特征，非常有利于对学习掌握、实践探索和思维方法素养[9]的全面考查。

2.3 基于真实生产情境的探究创新与价值观念素养

工业生产实践情境的化工问题，讨论生产原料利用、方法路径选择、条件控制以及产品质量等问题。“科学探究与创新意识”素养内涵[10]，本质就是“问题意识”指向“发现思考、探究解决和评价完善”任务，发现解决是探究，评价完善是创新。该素养水平以问题质量划分为4级，分别对应“教材给出的问题”“简单的化学问题”“提出探究问题”和“提出综合探究课题”[11]。化学工艺情境是提出、解决、完善问题的极佳载体。如在实际生产中，最佳投料比和投料方式、分离除杂、控制流速浓度、晶体析出与过滤分离的温度选择等，属于科学探究实践，表现操作运用素养水平。再如生产中气、液、固三态物质间混合的六种形式如何“增大反应物接触面积”问题的提出、解决和完善，指向演绎思维和创新思维，体现探究创新核心素养。

源于真实素材情境的化工流程问题，符合“真实问题情境”学习理念，通过学科化、简约化改造，体现“有用”“真实”的化学价值，表现“科学态度与社会责任”素养。无论是“化学安全意识”“认识化学贡献”“环保意识绿色观念”“合理利用自然资源可持续发展评估”等基本素养，还是“理论联系实际”“运用所学解决问题”“实践中有效利用资源意识”“提出处理解决问题方案”[12]等高层次素养，都可以得到体现。2020年四套高考卷中该问题体现“科学态度与社会责任”素养的内容分析见表1。

3 教学思考

化工流程问题核心素养价值的实现遵循育成规律。素养是一种综合质性能力，其形成并非可以在某个课题课时学习中发展到位，而是要经过持续性培育和螺旋式发展[13]，要经过教学培养和涵化孕育。化工流程题核心素养的培育思考，应该秉持融合渐进思维和系统性思维，运用技术思想和工程思维来统摄知识融合实践。提出以下三点设想。

3.1 融合性

融合性指元素物质、概念原理和实验探究的融合式教学。传统教学容易造成学习内容单点孤立，学生难以形成课时、单元、课程内容的有机融合。比如，必修内容“Na2CO3性质及其应用”教学[14]，教师在教学中更多关注Na2CO3、 NaHCO3散点知识学习，很少运用概念（原理）理解知识实现逻辑意义建构，只能形成符号化知识记忆学习。教学中尽管也提倡实验探究，但多是事实验证的假探究，这种教学使得“事实知识、概念原理与实验探究”分离割裂，不能形成化学素养。加强教学融合，是用概念原理预测、解释、指导事实知识学习，同时联系实验探究活动促进学习，形成“事实-概念-实践”相互联结支撑的“铁三角”融合式学习。例如，Na2CO3教学不能局限在具体性质、反应现象及方程式书写的掌握训练层次，要启发学生用“分类观”“复分解反应原理”预测并揭示性质。Na2CO3属于盐，预测具有盐通性，可与某些酸、碱、盐反应，这是分类观指导猜想，再设计实验证明猜想成立，完成“铁三角”融合式学习闭环。教学中，让学生体验“猜想假设证明结论”式探究学习，感受模式化学习流程，在元素化合物学习中持续应用，必然逐渐习得建模学习行为，促进证据推理与模型认知素养的培育。这种基于知识掌握、观念形成和实践提升的模型化学习，有助于培育核心素养。

原理指导、事实知识、实践验证的融合式学习，是符合化学学科思维特征的学习法，也很契合化工流程问题的素养培育要求。

3.2 建构性

建构性教学设想指向三方面：实验思维模型建构、流程表征模型建构和问题解决（思维）模型建构。

化工流程问题离不开实验教学。比如，江苏高考中常遇复杂情境背景下筛选获取题给信息、利用信息并调用原有知识，设计物质制备实验方案且准确表征的问题。对该问题，传统实验教学中的操作规范、现象观察与描述、获得推论或结论等教学活动已经不能解决问题。化学实验教学应在化学学科核心素养全面内涵发展基础上，注重从关键能力发展、必备品格形成和正确价值观念培育三个取向上创新化学实验教学的指导思想和实施策略[15]。化工流程题给实验教学提出了挑战。中学化学实验教学的根本思路和方法的研究是一个大课题，单就流程题来说，首先要考虑实验思维模型建构问题，在实验基本知识掌握背后，要形成系列化实验思维，用一根根思维“红线”对实验知识进行统整，比如“从溶液中获得固体模型”“盐结晶析出模型”[16]“制备实验方案设计模型”[17]等，提高实验教学中的思维参与度。

流程表征教学，是指流程问题模型的表征、认识、理解、建构和应用的教学。流程图是集成式表征，属于语义、符号和图式的综合模型，对学生模型识别、理解和应用能力要求高，教学可以渐进开展。在初中“粗盐提纯”“海水制碱”[18]教学中，可根据教材文本和图示，将教学内容的抽象表达改为简单流程形式，让学生初步接触并感受流程模型。在高一必修阶段学习物质分离提纯后，可在海水中获取物质教学时适当安排流程图问题教学，一方面巩固实验知识，另一方面结合工业生产实际认识和理解流程图，初步建构流程图问题的表征阅读、审题答题的思维模型;选择性必修“化学反应原理”学习后可深入理解该问题的形式结构、素养要求和解答方法;在高考复习阶段，可进行问题解决的“建模用模”專题教学，通过“尝试解决-讨论初建-完善表征-应用巩固”课堂主题教学[19]，全面培育学生的模型认知素养。为了提高学生化工流程题的应试水平，除了“泛读、精读、标注、解答”审题模型外，还可以根据该题的细分问题，建构多个对应的思维模型，如“陌生情境方程式书写”[20]“制备实验方案设计”“化学事实究因”等方法思维模型。

3.3 统摄性

统摄性是基于系统思维的教学构想。系统思维源于系统论，系统由相互联系和相互作用的若干要素组成。比如，化工生产中的原料设备、反应路径、成本效益、安全环保等关键要素组成了“化工生产系统”。从系统视角审视化工流程问题，可以摆脱事实性碎片知识的束缚，有利于建构要素与要素之间、要素与系统之间的有序结构，有利于用系统思维统摄问题的分析解决。分析“化工生产系统”中各要素之间的内在联系，进行多维度子系统重构，相当于把纷繁复杂的具体问题进行有序组织，可以更好地解决问题。

对于化工生产系统，可从不同视角建构子系统。比如，从产能角度思考反应速率，建构浓度、温度、压强、催化剂、接触面积、电化学等因素在流程题中的问题样态及解决模型，这是“速率思维系统”。该系统再分，如“温度影响速率思维系统”：温度直接改变影响、反应热效应影响、混合溶解热效应影响、温度引起催化活性影响等。类似的，“反应限度和反应平衡思维系统”“安全”“環保”“效益”等思维系统，都会在问题解决中起到统摄作用。综合化工生产核心要素，这样的大系统应该有“多快好省原则”“技术思想”和“工程思维”，而这些系统又包含在“提高综合经济效益”“可持续科学发展观”等更大系统中。

技术思想和工程思维在中学化学教学中的应用有见研究。“技术”是以对知识、经验和资源利用为基础，通过设计、操作、条件及风险控制，使其产生预期功能变化来满足某些方法程序、技能规则的综合体[21]。技术思想是技术观指导下理性认识的结晶，以考虑人类生存和可持续发展为前提，经济化和绿色化是“技术思想”的目标原则。经济化追求“多快”获得效益，绿色化追求“好省”持续发展，根据化工流程题素养价值分析和问题解决要求，“技术思想”是化工生产问题中一种具有统摄力的思维系统，其在化工生产中的具体表现以及运用该思想解决问题在此不再赘述。

工程思维对化工生产实践及问题解决也具有统摄性。思维是人类高级认知活动，不同领域体现不同认知思维方式，如科学研究中发现的科学思维，艺术创作中的想象思维，而通过工程活动进行物品创造则是“工程思维”。工程思维及其培养研究，随着近几年STEM教育的发展，开始进入基础教育视野。工程思维主要包括创造性思维、系统性思维、权衡性思维、价值性思维和双赢思维等。从工程思维的要素涵义可知[22]，工程思维在化学工业生产实践中具有理论指导作用，对化工流程问题解决具有统摄意义。比如，工业合成氨中温度、压强、催化剂的选定体现了权衡性和系统性思维，投料方式、分离产品以及循环操作等生产工艺，体现了创造性思维和价值性思维等。

化工流程真实情境问题是化学典型问题，素养价值和教学价值丰富，实现其素养培育的教学策略可从融合性、建构性及统摄性三个角度建构。尽管如此，也要注意该问题在教学和评价中的不足，比如实际生产工艺经过教学匹配性简化改造后的科学性问题;又如作为高利害性评价考试模式固化后带来的教学导向问题，都需要我们在核心素养评价体系背景下，深入研究真实化工生产内容的教学方法，变革创新试题研制形式，让“真实的有用的”化工化学在新时代教学实践和新高考评价中再创辉煌。

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