大概念统领的跨学科项目式学习*——以“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”为例

江合佩 林艺玲

（1.厦门市教育科学研究院 福建 厦门 361003；2.厦门大学附属科技中学 福建 厦门 361005）

一、项目教学主题分析

核心素养是学生在面对真实、陌生的和不确定的问题任务时所需要的关键能力、必备品格和正确态度价值观。化学学科核心素养一方面需要在真实问题情境下才能表现出来，另一方面也只有在分析和解决真实问题任务的过程中才能得到培养和发展。目前，项目式教学被认为是最具有核心素养融合发展效力的教学方式。［1］项目式教学因其任务的挑战性、问题的真实性、活动的体验性往往很难在一个课时完成，因此设计单元项目式教学势在必行。STEM项目设计强调将知识蕴含于情境化的真实问题中，强调调动学生主动积极地利用各学科的相关知识设计解决方案，跨越学科界限提高学生解决实际问题的能力。［2］STEAM教育强调跨学科整合、重视真实情境与问题解决等基本理念，与项目式学习存在天然联系。［3］对单元进行整体设计，让学生在实际应用的问题解决过程中不断迁移学科知识、认识思路和方法，有助于实现学生的深度学习。［4］在具体进行单元整体教学过程中，以大概念为统领进行单元教学，有利于教师把握教学内容的本质和关键，让具体内容的学习服务于学生学科核心素养的发展。［5］大概念有助于达成高通路迁移，形成具体与抽象交错的复杂认知结构，不仅可以打通跨学段、跨学科的学习，而且能解决学校教育和真实世界相阻隔的问题。［6］

1.项目的育人价值

“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”项目的育人价值如图1所示。

图1 “设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”项目的育人价值

项目致力于解决“纯碱”和“氯乙烯”的工业生产问题，如何在化工生产中减少能耗，并使原料得到充分利用是需要解决的问题，属于化学与生产的设计类实践活动，对于化工生产具有重要的意义。

以纯碱的生产和氯乙烯的生产为主要研究对象，探究设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产，承载了价类二维、化学热力学和动力学等必备知识，融合科学、数学和技术等相关内容，促进学生发展元素观、变化观、平衡观等化学观念，进一步建构变化观念、平衡思想等学科大概念。

将学生置身于“实现纯碱和氯乙烯联产”真实情境中，发展学生融合科学、技术、工程等解决实际问题的能力，形成解决真实复杂化学问题的一般思路，发展社会责任、国家认同、国际理解等素养，促进知、意、行的统一。

2.内容结构

项目涉及多个学科的内容，其内容结构如图2 所示。从化学热力学和动力学视角设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产的实际转化是化学学科“化学反应原理”模块的核心知识；设计生产纯碱、氯乙烯以及两者联产的工业流程，涉及物料的循环利用、绿色化学等思想，属于工程的重要内容；如何巧妙设计融入反应条件和试剂的顺序，属于技术的问题；了解“释氨反应”“释氯反应”过程中有关的数据的处理和图表的绘制等与数学课程内容息息相关。

图2 “设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”项目的内容结构

项目以“基于化学环分解氯化铵的纯碱和氯乙烯集成清洁工艺”［7］为真实情境，将其设计成“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”［8］单元项目式教学，可用于选择性必修1“化学反应原理”模块第三章单元复习当中使用。大概念抽象性强，具有高度的统摄性，本项目选择“变化观念与平衡思想”核心素养作为主要的培育点，遴选“变化观念”与“平衡思想”这两个大概念进行统摄，将其拆解为凸显学科认识视角和思维方式的次级大概念物质转化（“价—类”二维）、能量转化（原电池、电解池等）、热力学、动力学，再将次级大概念进一步拆解为基本概念，寻找本项目涉及到的具体知识进行匹配，形成了“化学环联产纯碱和氯乙烯”的大概念知识层级，如图3所示。

图3 “化学环联产纯碱和氯乙烯”大概念知识层级

二、项目教学目标

通过“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”项目，对化学反应中的物质转化及能量转化、热力学、动力学、绿色化学等相关知识进行复习，帮助学生形成知识的结构化，建立学科大概念与具体问题之间的关联，发展学生的变化观念与平衡思想的学科核心素养，制定教学目标如下：

1.通过“设计生产纯碱的工业流程”，帮助学生形成在多平衡复杂竞争体系中利用“价—类”二维、热力学、动力学、能量及物质循环利用等思想综合解决真实问题的能力。

2.通过“设计生产聚氯乙烯的工业流程”，帮助学生利用逆合成分析和正合成分析系统解决陌生有机物的合成设计问题。

3.通过“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产的理想转化”，帮助学生系统构建解决无机物和有机物耦合联产的一般思路与方法。

4.通过“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产的实际转化”，帮助学生形成利用热力学、动力学系统调控反应条件的思路。

三、项目任务及教学流程

根据项目式教学的特点及教学目标，遴选“利用化学环联产纯碱和氯乙烯”真实情境，抽提出“变化观念”“平衡思想”大概念统摄下的学科核心知识，将其转化为对应的驱动性问题，设计了4个不断进阶的学习活动任务，让学生亲历问题的解决过程，教学流程设计如表1所示。

表1 “设计化学环联产纯碱和氯乙烯”项目流程设计

四、项目学习实施

本项目在厦门双十中学高二年级进行教学实践。由于篇幅所限，以第1课时任务1“设计纯碱的工业流程”为例呈现实施具体过程。

1.设计制备纯碱的理想转化

【情境导入】纯碱是重要的化工产品，可用于热碱去油污；可用作缓冲剂、中和剂和面团改良剂；可用于解酸、轻泻剂；更是制玻璃的重要原料。请利用工业中常见的原料设计实现纯碱的转化。

【小组代表汇报】方案1：Na2O2与CO2反应；方案2：NaOH溶液中通入少量CO2；方案3：加热NaHCO3固体粉末。

【小组互评】方案1 中Na2O2一般由金属钠氧化获得，而钠一般是由电解熔融的NaCl获得，成本昂贵，不是常见的工业原料；方案2 中NaOH 一般由电解饱和食盐水获得，高耗能，不适合做原料；方案3 中加热NaHCO3固体没有问题，但是NaHCO3本身就不是常见的工业原料，需要其他化学物质制备。

2.设计制备纯碱的实际转化

【提供支持】制备Na2CO3根据元素守恒关键是要选取含钠元素和含碳元素的化学原料，自然界中含钠元素最广泛的化学物质应该是NaCl、含碳元素来源最广泛的应该是CO2，此时要获得纯碱需提供碱性环境，刚刚同学们已经注意到了选择NaOH，那还有没有其他成本低廉、来源广泛的碱呢？请同学们以小组为单位设计生产纯碱的工业流程，以框图形式表示。

【学生】小组讨论并汇报（见图4）。

图4 学生小组汇报展示的内容

3.评价设计方案的优劣

【教师点评】请设计方案1 的小组分析为什么要使用饱和食盐水？为什么先通CO2再通入NH3呢？

【方案1小组】使用饱和食盐水，Na+浓度可以达到最大；先通CO2再通入NH3有助于产生大量的CO2-3，最终获得目标产品Na2CO3。

【提供支持】表2 为该研究中涉及到的几种盐的溶解性数据

表2 几种盐的溶解性数据

【教师点评】请设计方案2 的小组同学分析为什么先通入NH3再通入CO2，为什么获得的是NaHCO3而不是Na2CO3？

【方案2 小组】因为NaHCO3的溶解度远小于Na2CO3，先通入NH3再通入CO2有助于增大HCO-3浓度并避免最终生成CO2-3，有利于NaHCO3析出。

【教师追问】请试着分析溶液中的物质组成、相互作用及作用结果，从微观角度揭示反应的实质。

【方案2小组】

见图5。

图5 方案2原理分析

【思维建模】分析电解质溶液中多重平衡竞争体系的一般思路方法如图6所示：

图6 多重平衡竞争体系“宏观-微观-符号”三重表征分析模型

【教师点评】请设计方案3的小组同学分析为什么要增加石灰石煅烧获得CO2这一环节呢？

【方案3小组】实际工业生产过程中从空气中捕获富集CO2成本较高，但是确实是未来发展的重要方向。从目前的实际情况来看，利用廉价易得的石灰石获取CO2是比较适宜的方案。

【教师点评】请设计方案4 的小组同学分析通入CO2副产品为什么还有NaCl呢？

【方案4 小组】根据图4 分析模型，母液中一定还存在大量的Na+和Cl-。

【教师追问】方案2～方案4都注意到了CO2的循环再利用问题，母液中的NH4Cl 和制备CO2产生的副产品石灰乳怎么实现综合利用呢？

【生】将石灰乳与母液进行混合加热即可得到NH3，将其循环利用，实现再生。

【教师】请同学们进一步完善设计方案，接下来请小组代表进行展示。

【学生】小组讨论并汇报（见图7）。

图7 修正后的工业流程

4.优化流程得出侯氏制碱法

【教师追问】该工业流程是1867年比利时化学家索尔维设计的，因此被命名为索尔维制碱法，该法食盐利用率只有72%～74%，为什么食盐利用率较低？如何优化流程并提高NaCl的利用率？

【提供支持】表3为氯化铵在不同温度下的溶解度

【小组汇报1】图6母液中含有大量NH+4和Cl-以及高浓度的Na+和HCO-3，“灰蒸”过程只实现了NH+4的回收利用，Na+和Cl-等都随废液排放，因此Na+和Cl-利用率较低。

【小组汇报2】要提高食盐的利用率，循环利用母液很重要。可通过补充氨气、食盐和CO2提高母液中Na+和HCO-3的浓度生成NaHCO3，但是溶液中大量的NH+4和Cl-不利于该过程，尤其是高浓度的Cl-使得添加的食盐难以溶解。根据表2 的数据，NH+4浓度过高会析出碳酸氢铵。利用表3的溶解度随温度变化的数据，可通过降温使得NH4Cl盐析脱离体系实现目标。

表3 氯化铵在不同温度下的溶解度

【教师】请同学们在索尔维制碱法基础上根据刚才的讨论的结果用图式将新的工业流程绘制出来。

【作品展示】

【教师点评】刚刚同学们自主设计出的流程就是侯氏制碱法，食盐利用率可达98%。该法是在特殊历史时期巧妙设计加入试剂的顺序和反应条件，调控多个平衡发生移动，同时实现循环利用母液、补充原料和联产有价值副产物氯化铵等多个目标，体现工程技术与平衡思想耦合的创造性应用。

图8 优化后的工业流程

5.项目成果展示

本项目以“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”为真实情境，抽提出设计物质转化的一般认识思路与方法，如图9所示。

图9 学生的项目作品

【作品展示】

五、项目教学效果及反思

本项目通过设计4 个不同复杂程度的学习任务，在大概念统摄下设计跨学科单元项目式教学，从学生实际的认知水平出发，以期能够解决“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”前沿学术问题，发展学生的变化观念与平衡思想等化学学科核心素养。学生历经3课时的项目化学习，获得了以下成长：

1.精心设计跨学科挑战性任务，激发了学生主动探究的兴趣

索尔维制碱法和侯氏制碱法学生在初中、高中都有所涉猎，基本都是从培养学生的爱国热情，激发民族自豪感的视角开展教学的。本项目不仅将侯氏制碱法的内核指向多平衡竞争体系的调控，更是将问题指向了将无机工业原料纯碱和有机工业原料聚氯乙烯联合生产这样一个真实复杂具有高度挑战性的学习任务。通过设计这一个具有挑战性的任务，将问题拆解成四个学习任务，融合科学、技术、数学和工程等思维实现设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产的理想转化和实际转化，抽丝剥茧，层层递进，最终实现问题的解决。学生在解决问题的过程中感受到了科学家创新的精髓，更是感受到了科学家解决复杂问题的一般思路与方法，将初高中必修阶段低水平的科学精神与社会责任提升到“针对某些化学工艺设计存在的多种问题，提出处理或解决的具体方案”。

2.精心设计学习活动，发展学生的高阶思维

侯氏制碱法等问题因其综合性、复杂性，传统的教学基本都是将其设计成分析型任务，让学生利用已学的知识来解决其中涉及到的化学问题。本项目直面教学中的难点问题，无论是侯氏制碱法、聚氯乙烯的合成还是联产纯碱和聚氯乙烯，都将其设计成了“设计、评价”等高阶的学习任务，让学生通过小组合作，生生互评，不断修正和完善设计方案，形成问题解决的结构化思路，发展学生的高阶思维。

3.突出实践性，关注学生的过程体验

“设计化学环实现纯碱和氯乙烯联产”的项目融合跨学科思维，通过层层递进的问题，引导学生提出“生产纯碱”“生产聚氯乙烯”“联产纯碱和氯乙烯”的设计思路和工业流程，在师生交流和生生交流的互动中不断完善方案，在解决单个学习任务的同时，及时帮助学生实现“知识关联”的结构化走向“认识思路”的结构化，从具体的问题解决形成解决一般问题的思路与方法。在问题的解决过程中，发展学生跨学科思维和迁移应用的能力，提升学生跨学科素养。