走向核心素养的深度学习——以“碳中和”情境下分压平衡常数的教学实践为例

广东 胡凯威

深度学习是一种基于理解与迁移的、主动的、高投入的学习方式，注重学生对所学习知识的批判性理解，学习结果迁移性强。美国著名教育家约翰·杜威曾说过“如果我们仍用昨天的教育培养今天的儿童，那我们就是在剥夺他们的明天”。深度学习是走向课程改革、落实核心素养的必经之路，作为一线教师，需“亲历亲为，亲身体验”。

一、确定挑战性学习主题——分压平衡常数

分压平衡常数是教材中浓度平衡常数的延伸，笔者分析近几年的高考卷，统计分压平衡常数的考查情况如表1所示，可知其考查频率越来越高，难度普遍较大，但也有难度较低的情况出现，例如2021年全国甲卷和广东省选择性考试中均出现了简单考查的情况，因此，在复习中教师有必要帮助学生认识、掌握分压平衡常数的概念和计算。

续表

二、设计“体现育人价值，彰显核心素养及水平进阶”的教学目标

1.通过探讨平衡常数的发展历史过程，帮助学生深刻认识分压平衡常数。

2.利用典型例题，建构分压平衡常数的解题模型。

3.借助“碳中和”情境，引导学生强化解题模型，提升学生数据处理、图像读取的能力。

4.引导学生响应国家“碳达峰”“碳中和”的号召，落实科学态度与社会责任的化学学科核心素养。

4个教学目标依次体现由知识目标到能力目标到情感目标的水平进阶。前三个目标意在发展学生证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想的学科核心素养。最后一个目标回归育人价值——立德树人。

三、深度教学的策略运用

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中的教学策略建议为“引导学生经历化学平衡常数模型建构的过程。”同理，教师需要引导学生经历由浓度平衡常数迁移到分压平衡常数的模型建构过程。结合刘月霞、郭华主编的《深度学习：走向核心素养(理论普及读本)》，笔者设计了如图1所示的四个教学策略。

图1 基于深度学习的四个教学策略

四、教学流程

1.学习活动设计图

图2 分压平衡常数的深度学习活动设计

2.教学主要环节

环节一：Kp的“前世今生”

【导入】1867年，挪威化学家C.M.古德贝格和P.瓦格通过大量实验发现化学反应中生成物浓度的幂之积与反应物浓度的幂之积的比值是一个常数，即同学们熟悉的浓度平衡常数。

【追问】实际生产过程中，气体的浓度和气体的压强，哪一个更容易测定？

【投影】工厂生产中的气压计。

图3

图4

【追问】Kc与Kp代表反应进行的程度是否一致？

提示：理想气体状态方程：pV=nRT(一定温度下，R是一个常数)，请同学们借助该方程，分析、推导浓度和压强之间的关系。

【启示】恒温气体反应体系中，气体的分压与浓度成正比，两者代表的意义并不冲突。

【追问】Kp在使用过程中，会出现哪些问题？

【小结】方法一：规定使用统一单位。

方法二：可以引入量纲(总压强或者标准压强)，图5是化学平衡常数演变和优化的过程(以合成氨的反应为例)。

图5

【投影】近几年高考中有关Kp的考查情况。

【启示】虽然分压平衡常数的考查难度普遍较大，但也出现了简单考查的情况，因此还是不应该放弃掌握Kp。

【设计意图】以Kp发展的历史情境作为引导线，设置一系列环环相扣的问题驱动学生探讨、质疑Kp存在的必要性和不足之处，引导学生优化Kp，从而延伸到近些年高考中出现的相对压力或标准压力平衡常数，有助于学生完整、系统、有序地认识分压平衡常数。

环节二：构建分压平衡常数解题模型

【提问】同学们知道最近一两年的网络热词“碳达峰”“碳中和”的含义吗？

【投影】中国要在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”。“碳达峰”是指二氧化碳的排放量不再增长。“碳中和”是指通过植树造林、节能减排等形式，抵消掉CO2排放量。其中将CO2转化为其他化工产品是实现碳中和的重要途径之一。

【“青铜”晋级赛】(2021·广东省选择性考试·19·改编)我国力争于2030年前做到碳达峰，2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一，该重整反应体系主要涉及以下反应：

在恒压(p0)的密闭容器中，投入物质的量比为1∶1的CH4和CO2，达到平衡时，CO2的转化率为50%，则该反应的分压平衡常数为________(用含p0的代数式表示，已知：某物质的分压=总压×物质的量分数)

【模型建构】

【提问】该模型的核心是什么？

【设计意图】创设“碳中和”的试题情境，并将其融入高考改编题，帮助学生获得解决分压平衡常数的一般“套路”，快速找到解题的突破口，消除部分同学对其的“畏惧感”。

图6

环节三：模型的运用与自我定位

【“钻石”晋级赛】(2021·广东省适应性测试·19·改编)温室气体的利用是当前环境和能源领域的研究热点。CH4与CO2重整可以同时利用两种温室气体，其工艺过程中涉及如下反应：

在一定条件下，向恒压(1 kPa)密闭容器通入CH4、CO2各1 mol及少量O2，测得不同温度下反应时各产物产量如图7所示，图中a、b分别代表产物________和________。1 100 K时，CH4和CO2的转化率分别为95%和90%，求反应①的分压平衡常数________(忽略平衡时O2和H2O的含量，列出计算式即可)

图7

原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3，在体系压强为0.1 MPa，反应达到平衡时，四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图8所示。根据图中A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp=________(MPa)-3(列出计算式，以分压表示，分压=总压×物质的量分数)。

图8

【应考策略】过青铜关：填写Kp的表达式；过钻石关：填写Kp的表达式，尝试简单的计算；过王者关：填写Kp的表达式，挑战复杂的计算。

【设计意图】引入三道能力进阶的真题、改编题，意在强化学生对于解题模型的运用能力，同时帮助学生分析自己的“定位”，得出自己面对Kp考查时的应考策略。

环节四：响应国家“碳达峰、碳中和”的号召

【提问】作为国家未来的接班人，同学们能够为“碳达峰”“碳中和”事业做出哪些力所能及的贡献？

【拓展】

作为新时代的青年，同学们应该倡导绿色低碳生活，努力学习，将来有条件可投身新能源行业。

【设计意图】回归《中国高考评价体系》中提到的高考的根本任务——立德树人。教师可引导学生关注到国家政策当中，树立良好的社会品德、社会责任。为“碳达峰”“碳中和”的事业做出自己应有的贡献。

图9

五、教学启示

1.深度学习真正把“教书”和“育人”融为一体，是培养学生核心素养的有效途径

通过设计深度学习的活动，教师不再是知识的搬运工，简单地把书本知识灌输入学生的大脑，而是把知识转化为学生主动“追逐”的对象。例如笔者注重设计学生知识获取的过程，没有生搬硬套分压常数的概念，而是带领学生潜入历史，共同探讨、质疑、优化分压平衡常数。过程中的“一波三折”，既帮助学生深刻认识了概念，又提升了学生的学科核心素养。

2.深度学习是一场由教师发挥主导作用的活动

Kp的学习难度较大，在高考题中的得分率较低。如果直接放上高考真题，则会让学生落入孤立无援的状态。为此，笔者改编了2021年的广东省选择性考试第19题试题，使难度下调到符合学生的学习现状——掌握了浓度平衡常数及利用三段式进行简单计算的能力。由此，可帮助学生建构解题模型，并在后续逐步提高习题难度，体现区分度的同时，让每个同学都有所收获。

3.深度学习依赖于情境作为学习载体

笔者创设了两层情境活动，第一层是简单的历史情境活动，引导学生由浓度平衡常数迁移到分压平衡常数，再利用简单的数学知识进行推导、论证，深化概念认知。第二层是复杂的“碳中和”情境，选自生态建设的热点问题。测试三道与“碳中和”相关的题目，测试情境的统一性，有利于学生“去其糟粕，取其精华”，系统、有效、快速地掌握分压平衡常数的解题模型。情境的进阶性——青铜、钻石到王者，帮助学生分析自己的“定位”，得出自己面对Kp考查时的应考策略。不足之处在于情境的单一性，不利于学生提升实战的解题能力，教师需在后续添加其他情境类型的习题练习。