基于学业质量水平进阶的教学实践——以“固碳生碱”主题教学为例

北京市第一七一中学 贺珊珊

北京市东城区教育科学研究院 黄满霞

一、指导思想

学业质量水平4要求能根据物质的类别、组成等说明或预测物质的性质；能选择简明、合理的表征方式描述和说明化学变化的本质和规律；能从调控反应速率、提高反应转化率等方面综合分析反应的条件，提出有效控制反应条件的措施；能基于“绿色化学”理念设计无机化合物制备方案，并对方案进行评价和优化；能分析评估物质转化过程对环境和资源利用的影响。

选择性必修课程主题3“水溶液中的离子反应与平衡”内容要求在本课程中以水溶液中的离子反应与平衡探索化学反应的规律及应用。必修课程主题5“化学与社会发展”内容要求通过学习认识到化学科学与技术对我国走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路将发挥重要作用，树立建设美丽中国、为全球生态安全做出贡献的信念。

二、背景分析

（一）教材分析

本节课是人民教育出版社2022年版高二化学选择性必修3《化学反应原理》第三章“水溶液”中水溶液中的离子反应与平衡。本章内容实际上是应用前一章所学的化学平衡理论，探讨水溶液中离子间的相互作用。电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡的过程分析，体现了化学平衡理论的指导作用；pH的应用、盐类水解反应的应用、沉淀溶解平衡的应用等，体现了理论知识在生产、生活中的应用价值。

新授课中，电离平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡的学习情境都相对独立。为了检测学生对“平衡”理论的掌握情况，以及是否具有用所学知识解决真实问题的能力，以及宏观辨识与微观探析的素养水平，本节课深化对水溶液中的离子反应与平衡、化学与可持续发展的体会和认识。

真实、具体的问题情境是化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生学科核心素养提供了真实的表现机会。基于此，本节课着眼于在“双碳”目标的愿景中如何推进切实有效的行动为情境，通过“固碳生碱”反应的选择、产品的提取方案设计、工艺流程的设计为具体任务展开教学，通过对真实问题研究的分析和研讨，使学生主动利用所学的物质性质和化学平衡原理解决问题、提炼相应的转化及调控思路和方案、建构应用化学平衡原理解决溶液中的离子问题的思维模型；帮助学生寻找分析问题和解决问题的角度和思路；培养科学决策的意识、创新精神与实践能力；深化绿色化学与可持续发展理念，提升变化观念与平衡思想、宏观辨识与微观探析、科学态度与社会责任等方面的学科核心素养水平。

（二）学情分析

（1）学生已了解典型元素及其重要化合物的主要性质、了解了离子反应发生的条件及反应的规律，但水平还停留在必修阶段的认知。认识了化学平衡理论、水溶液中的离子平衡理论，但未认识到化学平衡原理与反应规律二者之间的联系，不能主动从定量层面认识反应的规律进而更全面认识物质性质及变化，对物质性质与变化认识的一般思维模型有待完善，主动应用反应原理分析物质变化、调控物质转化的能力还有待提升。

（2）学生能认识到通过改变条件能对反应进行调控以解决实际问题，但在真实情境中多角度调用知识解决问题能力略有欠缺，不能准确迅速地提出解决问题的策略和方案。

（3）学生已初步掌握用工艺流程图表达物质转化过程，但设计流程方案时的条件控制意识、创新意识、优化意识以及绿色化学的理念有待增强。

三、学习目标

（1）通过对二氧化碳转化为碳酸钠的方案设计和评价，提升学生从物质类别和核心元素化合价角度认识物质性质的能力，培养学生反应观和元素观。

（2）通过对碳酸氢钠能从溶液中析出的本质原因的分析，能从化学平衡的视角探索化学反应的规律；通过只向氯化钠溶液中通二氧化碳能否产生碳酸氢钠沉淀的分析，能从化学平衡常数的角度认识反应规律。通过对“氨的作用”及促进碳酸氢钠析出的措施的探究，建立应用化学平衡原理调控溶液中离子反应的一般模型。

（3）通过对滤液中氯化铵的提取方案的设计，学会在复杂体系中应用化学平衡原理调控溶液中离子反应的一般模型。

（4）通过对“固碳生碱”工艺流程的设计，体验作为工程师从原理设计到实验探究再到实际应用的整个过程，能从化学角度分析从资源到产品的转化途径，认识化学学科在实现物质转化、环境保护过程中的作用，在解决实际问题的过程中逐步形成节约成本、提高效率、循环利用、保护环境等观念。

重点分析：①二氧化碳转化为碳酸钠反应方案的选择及原理分析；②促进溶液中离子反应的模型建构；③滤液中氯化铵的提取方案设计；④“固碳生碱”工艺流程的设计。

难点分析：应用化学平衡原理调控离子反应，实现从滤液中提取氯化铵的方案设计。

四、问题框架

表1 核心问题及问题链

五、方法策略

学生在“零碳使命”任务驱动下，设计将二氧化碳转化为有价值的工业产品纯碱及肥料氯化铵的方案，将实际问题转化为学科问题，感悟运用化学反应原理对科学技术和人类文明所起的作用，发展化学学科核心素养。为突破重难点、达成学习目标，笔者选择了以下方法开展教学。

（1）创设真实有意义的问题情境，促进学生学习方式转变，增强学生社会责任感、使命感。从社会热点问题出发，激发学生学习兴趣，引导学生开展建构学习、探究学习、问题解决学习，促进学生化学学习方式的转变，体会化学学科对社会发展的促进作用。对比真实工艺流程环节时适时介绍“侯氏制碱”的化学史，增强学生民族自豪感，提升学生社会责任感、使命感。

（2）通过问题链设计，激发学生高阶思维，促进深度学习的发生。通过四个核心问题为任务驱动，帮助学生扩展分析问题和解决问题的角度和思路；以提升变化观念与平衡思想、宏观辨识与微观探析、科学态度与社会责任等方面的学科核心素养水平。

第一个核心问题的子问题1“你能想到将CO2转化为Na2CO3的途径有哪些？”实施时采取的方式是课前思考、课中生生交流。课前思考反映出学生对物质转化角度的认识参差不齐，有些学生还停留在必修1元素化合物知识的认识水平，为丰富认识物质性质及转化的角度，笔者通过课上生生交流展示环节的设计，让学生思维外显，展示多角度实现物质转化及选择转化方案的一般思路与依据，启发与帮助其他学生完善实现物质转化的一般思路。

通过第二个核心问题的子问题“NaHCO3从溶液中析出的本质原因”及“仅向氯化钠溶液中通入二氧化碳能否产生碳酸氢钠”问题的深入分析，引导学生从化学平衡的视角探索化学反应的规律、应用化学平衡常数为定量判据判断离子反应发生的条件。为建立定量视角认识和调控反应做好铺垫。通过“有氨条件下碳酸氢钠就能析出”以及“如何尽可能多地析出碳酸氢钠”两个问题的深入分析，为学生总结“促进溶液中离子反应的一般思维模型”做好铺垫，通过本环节设计，帮助学生建构从化学反应原理视角定量认识和调控物质转化的思路，让学生体会物质不转化是相对的，并学会如何去“创造”反应实现转化、体会化学在实现物质转化中的价值，赞赏化学的魅力。

通过对第三个核心问题“从滤液中分离NH4Cl的措施有哪些？”的深入分析，发展学生从微观角度基于平衡思想分析复杂溶液体系的能力，面对体系中相互作用的多种可能性，通过严谨的证据推理，并结合实际需要调控体系中的多个平衡，发展“证据推理与模型认知”化学学科核心素养。

第四个核心问题设计是通过“固碳生碱”工艺流程的方案设计评价学生能否应用化学平衡原理、认知模型系统分析、解决工业实际问题的能力，通过方案展示交流探查本节课的学习效果，探查学生是否关注到如何安排加料顺序、是否采取合适的条件使物质尽可能地利用、副产品是否处理、能否连续生产等问题。

从上述分析中可知，本节课通过一系列问题链的分析，引领学生在问题驱动下构建模型、应用模型、内化模型。创设深度学习情境，帮助学生获得了结构化知识，通过知识构建过程中所蕴含的学科核心素养及研究问题的科学方法的学习，帮助学生完成了认识思路结构化，提升了化学学科素养，实现了学业质量水平的进阶。

（3）实施“教、学、评”一体化，突破应用模型解决复杂问题的教学难点。将学生自评、同伴互评和教师评价相结合，再通过追问进一步外显学生的思维过程，从素养发展的角度对学生给予指导，充分发挥评价促进化学学科核心素养全面发展的功能，助力学业质量水平的进阶。

六、教学活动设计

（一）课前活动设计

活动目标：课前了解学情，探查学生相关认知达到的学业质量水平等级。

活动内容：1.请设计将CO2转化为Na2CO3的转化途径，并书写相关反应方程式。

2.请从平衡角度论证向NaCl溶液中通入CO2是否有NaHCO3固体析出？

学生回答情况及分析如下。

表2

对问题1的分析：如回答1所示，大部分学生对物质转化路径还是基于必修1水平的记忆（学业质量水平1-1），不能从物质类别、组成及化学反应原理角度进行梳理，极少部分同学（回答2）可以从价、类二维角度，应用反应原理进行梳理（学业质量水平4-2）。

表3

对问题2的分析：大部分学生（回答Ⅰ）对反应规律的认识还是停留在定性层面上（学业质量水平2-2），少部分同学（回答Ⅱ）能通过定量角度判定反应能否自发进行（学业质量水平4-2）。

基于前测评价结果，本节课教学活动要引导学生从物质类别和核心元素价态、化学反应原理定性和定量等多个角度认识物质性质及变化，提升学生解决实际问题的能力。

（二）课堂教学活动

图2 教学结构

七、评价设计

（一）课前评价设计

前测内容包括“请设计将二氧化碳转化为碳酸钠的途径”及“请从平衡角度论证向NaCl溶液中通入CO2能否有碳酸氢钠固体析出？”，通过课前反馈，教师诊断学生对物质性质及转化的认识水平。学生通过课前自测、课中交流、互评，初步丰富物质转化角度和思路。

（二）课堂评价设计

（1）评价对变化本质的认识。通过教师评价学生对碳酸氢钠能从溶液中析出的本质原因分析、评价对促进碳酸氢钠析出的条件调控，诊断学生对物质变化本质的认识水平，强化从化学平衡角度认识物质变化规律。落实“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”的化学核心素养。

（2）评价物质提取的方案设计。学生设计、讨论、汇报从滤液中提取氯化铵的方案，教师引导学生进行自评、互评方案的优缺点，帮助学生进一步优化方案，提升学生应用平衡移动原理调控反应解决实际问题的能力，培养学生创新意识。

（3）评价工艺流程方案图示表征。学生设计、讨论、汇报“固碳生碱”工艺流程图，教师引导学生进行自评、互评方案的优缺点，通过对工艺流程方案分析，教师评价学生是否具有微粒观、转化观、平衡观的化学核心观念及绿色化学思想。

（三）课后评价设计

在课堂深入研究应用化学平衡解决溶液中的离子问题的基础上，课后又设计了“侯德榜制碱的历史背景——食盐稀缺，因此工艺流程中食盐的回收利用非常重要。思考：要提高食盐的利用率，母液的循环利用至关重要，那么母液能否不经过处理直接回收循环利用呢？”此问题的设计旨在评价学生能否在未给角度的情况下应用模型对实际问题进行分析和解决，学生通过此问题的解决，实现认知水平的再提升。教师再次探查学生必备知识、关键能力、学科核心素养的水平并促进其发展，完成对课堂教学的反思与学生认知水平的再提升。

八、作业设计

作业目标：应用模型解决新问题，夯实解决此类问题的一般思路。

作业要求：侯德榜制碱的历史背景——食盐稀缺，因此食盐的回收利用非常重要。

思考：要提高食盐的利用率，滤液的循环利用至关重要，那么滤液能否不经过处理直接回收循环利用呢？为什么？

图3

作业参考答案：

（1）滤液中高浓度的Cl-会抑制补加的食盐的溶解，导致Na＋浓度低，不利于碳酸氢钠的析出。（2）滤液＋浓度过高一定程度可能不利于氨气的溶解。（3）滤液中NH4＋浓度过高可能会因补加氯化钠后氯离子浓度上升，以铵盐的形式析出，影响产物的产率和纯度。因此要循环利用氯化钠，就要先从母液中分离出NH4Cl。

测试结果：100%学生有角度，40.5%的学生能从三个角度做出分析，32.4%的学生能从两个角度做出分析，27%的学生能从一个角度做出分析。

成绩分析：通过本节课的学习，学生对“固碳生碱”真实问题，建立起了应用化学平衡原理解决溶液中的离子问题的分析模型。课后作业以母液能否直接回收循环利用为研究对象，考查学生知识迁移能力。通过反馈，可以看出学生能基于母液成分，从组成微粒出发，自主调用溶液中的离子反应和平衡知识，基于多种反应和平衡间的相互影响思考问题，应用认知模型分析问题，并提出解决问题的方案。

中NH4

九、本主题教学特色分析

（一）遵循教学活动设计，完成学业质量水平进阶

通过“前测”了解学生认知水平，基于学生认知发展规律设计了4个核心问题及16个子问题，通过有导向的问题链引发学生的高阶思维活动，引导学生开展建构学习、问题解决学习，促进学生学习方式的转变。实施“教、学、评”一体化，将学生自评、同伴互评和教师评价相结合，进一步外显学生的思维过程，从学业质量水平发展的角度指导学生，充分发挥评价促进学生化学学科核心素养全面发展的功能。创设深度学习情境，发展学生从定性到定量、从宏观到微观、从孤立到系统、从静态到动态、从理论到实际的分析解决问题的能力。学生通过问题的解决自主调用溶液中离子反应与平衡的知识，增加了必备知识，实现了模型的构建、应用与内化，获得了结构化知识，提升了认知。

（二）坚持素养导向的主题教学

本节课有明确的教学定位：坚持素养导向的主题教学。通过创设“零碳使命”这个真实有意义的情境，以固碳生碱为任务驱动，将知识“溶解”在情境中，激发学生学习兴趣。通过对知识构建过程中所蕴含的学科核心素养及研究问题的科学方法的学习，帮助学生完成认识思路结构化，发展宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知的化学学科素养。