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      淺議中學(xué)化學(xué)教學(xué)聯(lián)系化工案例的思考與實(shí)踐

      2018-03-26 10:18王欽忠高明
      化學(xué)教學(xué) 2018年2期
      關(guān)鍵詞:化學(xué)教學(xué)

      王欽忠 高明

      摘要: 對(duì)中學(xué)化學(xué)教學(xué)中聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際的做法進(jìn)行了分析,認(rèn)為聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際不僅僅是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,更重要的是要關(guān)注聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際給學(xué)生帶來(lái)的思維變化;提出化學(xué)教學(xué)聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際要能促進(jìn)學(xué)生從科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維到化工生產(chǎn)思維的轉(zhuǎn)變,最后給出了中學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生化工生產(chǎn)思維的幾個(gè)要點(diǎn)及相應(yīng)的教學(xué)案例。

      關(guān)鍵詞: 科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維; 化工生產(chǎn)思維; 工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際; 化學(xué)教學(xué)

      文章編號(hào): 10056629(2018)2002505中圖分類號(hào): G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B

      在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中緊密聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際越來(lái)越受到重視,以至于在中高考命題中聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際也成了一個(gè)非常重要的取材方向。究其原因,一是因?yàn)榛どa(chǎn)實(shí)際素材可以很容易與學(xué)生的社會(huì)生活經(jīng)驗(yàn)建立某種關(guān)聯(lián),比如,學(xué)生雖然對(duì)氯堿工業(yè)比較陌生,但是它的產(chǎn)品學(xué)生卻是很熟悉,由此可以利用化工生產(chǎn)實(shí)際吸引學(xué)生的注意力,繼而激發(fā)學(xué)生探究化學(xué)原理的欲望;二是因?yàn)槔靡褜W(xué)化學(xué)知識(shí)分析化工生產(chǎn)實(shí)際本身就是知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程,在分析過(guò)程中可以幫助學(xué)生更加深刻地理解化學(xué)知識(shí)的適用條件和感悟人們解決實(shí)際問(wèn)題的智慧;三是因?yàn)榛どa(chǎn)實(shí)際可以彰顯化學(xué)知識(shí)的價(jià)值,讓學(xué)生感受到掌握化學(xué)知識(shí)的必要性和重要性;四是可以通過(guò)認(rèn)識(shí)和分析化工生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”方面的化學(xué)核心素養(yǎng)。

      雖然,在化學(xué)教學(xué)中聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際有很多價(jià)值,但是,對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō),從書本知識(shí)跨度到化工生產(chǎn)實(shí)際卻是需要一個(gè)思維轉(zhuǎn)變的過(guò)程。

      1科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維與化工生產(chǎn)思維的差異分析

      化工生產(chǎn)在化學(xué)科學(xué)中與之相對(duì)應(yīng)的即是科學(xué)實(shí)驗(yàn)。二者有相同之處但又存在很大差異,化學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是“一種獨(dú)立的化學(xué)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)、重要的化學(xué)科學(xué)認(rèn)識(shí)方法。只有通過(guò)化學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn),才能達(dá)到對(duì)物質(zhì)的本質(zhì)及其變化規(guī)律的正確認(rèn)識(shí)”[1],化學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)“不僅僅是獲得化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的重要途徑、手段和方法,而且還具有驗(yàn)證化學(xué)假說(shuō)和檢驗(yàn)化學(xué)理論,發(fā)現(xiàn)和合成新物質(zhì)、奠基和推動(dòng)化學(xué)分支學(xué)科建立和發(fā)展的作用”[2];“化工生產(chǎn)工業(yè)則要對(duì)生產(chǎn)原理、成本、場(chǎng)地、設(shè)備、勞動(dòng)組織和生產(chǎn)效率等因素進(jìn)行綜合性和系統(tǒng)性的研究”[3]。這些論述從內(nèi)涵的角度對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和化工生產(chǎn)的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行了闡釋。

      但從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來(lái)說(shuō),則涉及兩種思維的轉(zhuǎn)變,即從科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維到化工生產(chǎn)思維的轉(zhuǎn)變。在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)階段,學(xué)生接受的主要是科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維的培養(yǎng),即按照科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求、過(guò)程和方法來(lái)認(rèn)識(shí)化學(xué)物質(zhì)及其變化規(guī)律,旨在探索“是什么”和“為什么”的問(wèn)題。這種思維方式聚焦在實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、化學(xué)反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)裝置和操作步驟上,其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: (1)學(xué)生完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的是多元化的,制備或合成物質(zhì)僅是其中一個(gè)目的,而化工生產(chǎn)的目的相對(duì)比較單一,大部分都是以生產(chǎn)物質(zhì)產(chǎn)品為主要目的;(2)學(xué)生對(duì)反應(yīng)物的理解比較簡(jiǎn)單——反應(yīng)物本身都是純度很高的化學(xué)試劑,除非需要臨時(shí)制備反應(yīng)物,一般不需要學(xué)生考慮反應(yīng)物的成本、來(lái)源和其他雜質(zhì)的影響,但這種思維定勢(shì)很容易被學(xué)生演繹到化工生產(chǎn)實(shí)際中去;(3)學(xué)生對(duì)控制化學(xué)反應(yīng)條件的認(rèn)識(shí)也比較有限——科學(xué)實(shí)驗(yàn)一般是在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)的,比如,科學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的條件一般都是常溫(或加熱)、常壓、通電、催化劑或者改變物質(zhì)濃度,在實(shí)驗(yàn)室中即可完成操作;反應(yīng)器也基本都是玻璃儀器,對(duì)溫度和壓強(qiáng)的要求也比較低;(4)學(xué)生完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作步驟也比較有限——科學(xué)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的印象一般都是“有始有終”的,反應(yīng)物消耗完了或者出現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物了或者出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了,實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊簿瓦_(dá)到了,而不像化工生產(chǎn)那樣是一個(gè)規(guī)模化的、連續(xù)不斷的生產(chǎn)過(guò)程;(5)學(xué)生完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí),更加關(guān)注科學(xué)實(shí)驗(yàn)與化學(xué)理論的關(guān)系以及對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各影響因素的分析,而較少關(guān)注實(shí)驗(yàn)室以外的其他因素。

      但是在認(rèn)識(shí)化工生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題時(shí),過(guò)度強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在認(rèn)識(shí)或解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)出現(xiàn)障礙。這是因?yàn)榛どa(chǎn)思維與科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維存在很大的差異。雖然,化工生產(chǎn)技術(shù)是以化學(xué)原理為基礎(chǔ)的,但是,化工生產(chǎn)思維本質(zhì)上是一種“大工程觀”[4]的思維,它要求以整合、系統(tǒng)、應(yīng)變、再循環(huán)的視角看待生產(chǎn)過(guò)程,旨在解決“怎么辦”的問(wèn)題。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: (1)化工生產(chǎn)中原料的選擇不能只考慮化學(xué)反應(yīng)原理的要求,還要考慮原料的實(shí)際來(lái)源、有效成分、預(yù)處理成本、運(yùn)輸?shù)鹊纫蛩?;?)生產(chǎn)中反應(yīng)條件的控制要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇合適的反應(yīng)條件,而不是理論上的最佳條件,既要考慮到化學(xué)反應(yīng)速率和目標(biāo)物質(zhì)的產(chǎn)率,也要考慮到設(shè)備要求和生產(chǎn)成本等因素;(3)化工生產(chǎn)具有規(guī)?;?,從原料投入到目標(biāo)物的獲取要形成一個(gè)合理的生產(chǎn)流程,能夠保證化工生產(chǎn)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去;(4)化工生產(chǎn)在最大限度獲取目標(biāo)物質(zhì)的同時(shí),也要做好“三廢”的處理,創(chuàng)造性地循環(huán)利用生產(chǎn)原料,實(shí)現(xiàn)零排放的綠色生產(chǎn);(5)化工生產(chǎn)追求經(jīng)濟(jì)效益,要合理控制化工生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的成本,尤其是能量的充分利用,要綜合利用“廢熱”;(6)化工生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)要求也都會(huì)受到政策因素、資金因素和管理因素的影響。

      在現(xiàn)行的初高中化學(xué)課程中多少也會(huì)涉及化工生產(chǎn)的內(nèi)容,但更多的是對(duì)化工生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)原理的分析和認(rèn)識(shí),而缺乏將科學(xué)、技術(shù)、非技術(shù)、工程實(shí)踐融為一體的“大工程觀”的滲透。這種觀念的培養(yǎng)對(duì)提升學(xué)生理解和解決實(shí)際問(wèn)題的能力是非常重要的。

      2促進(jìn)思維轉(zhuǎn)變的可行性路徑分析

      基于上述分析,結(jié)合中學(xué)階段學(xué)生的認(rèn)知能力,分別構(gòu)建了“化學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維模型”(見(jiàn)圖1)和“化工生產(chǎn)思維模型”(見(jiàn)圖2),對(duì)照這兩個(gè)思維模型之間的差異可以找到促進(jìn)學(xué)生思維轉(zhuǎn)變的一些可行性路徑。

      通過(guò)對(duì)比兩個(gè)思維模型,在中學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生化工生產(chǎn)思維應(yīng)該注重以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的轉(zhuǎn)變: (1)要拓展學(xué)生對(duì)反應(yīng)物的全面認(rèn)識(shí),通過(guò)實(shí)際案例幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)理想的“化學(xué)試劑”與現(xiàn)實(shí)的“化工原料”之間的差異;(2)要強(qiáng)化學(xué)生對(duì)條件控制重要性的認(rèn)識(shí),要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到不僅可以通過(guò)控制反應(yīng)條件來(lái)達(dá)到生產(chǎn)目的,而且還可以通過(guò)改進(jìn)反應(yīng)條件控制技術(shù)和工藝不斷提升生產(chǎn)品質(zhì);(3)要提升學(xué)生對(duì)綠色環(huán)保的認(rèn)識(shí),切實(shí)感受到在化工生產(chǎn)過(guò)程中循環(huán)利用物質(zhì)、節(jié)約能源以及不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝的重要性;(4)要讓學(xué)生具備成本意識(shí),在提升生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)效率的同時(shí),要在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中盡可能降低生產(chǎn)成本;(5)要提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,現(xiàn)實(shí)問(wèn)題都是很復(fù)雜的,解決問(wèn)題不能單因素思維,要能夠綜合考慮多種因素,從而最優(yōu)化的解決問(wèn)題。

      3促進(jìn)思維轉(zhuǎn)變的教學(xué)案例分析

      “工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際分析”類試題是近年來(lái)北京市中考化學(xué)試卷中的一個(gè)非常重要的題型。在這類題目中,一般會(huì)給出相應(yīng)的化工原料、生產(chǎn)目的、生產(chǎn)流程圖、生產(chǎn)工藝等信息,然后讓學(xué)生根據(jù)題目信息和已學(xué)知識(shí)解決相應(yīng)的問(wèn)題。雖然題目難度屬于中等難度,但是此類題目對(duì)學(xué)生的要求已經(jīng)凸顯了一些化工生產(chǎn)的思維,比如,要求學(xué)生能夠根據(jù)題目信息確定反應(yīng)物和生成物,書寫出化學(xué)方程式;能夠根據(jù)方程式判斷有無(wú)污染物生成、有無(wú)可以循環(huán)利用的物質(zhì)、元素的化合價(jià)是否改變等等;有些還要求學(xué)生能夠?qū)ιa(chǎn)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。

      為了促進(jìn)學(xué)生從科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維轉(zhuǎn)變到化工生產(chǎn)思維,北京市房山區(qū)第四中學(xué)的高明老師以“碳酸鈉的工業(yè)生產(chǎn)分析”教學(xué)為例進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。其基本的教學(xué)思路和教學(xué)過(guò)程如下:

      3.1教學(xué)環(huán)節(jié)一: 學(xué)生分組合作設(shè)計(jì)碳酸鈉工業(yè)生產(chǎn)流程

      在這個(gè)環(huán)節(jié)中,教師首先以圖文的形式展示有關(guān)碳酸鈉的重要用途、在自然界中的存在形態(tài)以及需要工業(yè)生產(chǎn)的原因。然后提出問(wèn)題: 請(qǐng)同學(xué)們嘗試?yán)靡褜W(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)碳酸鈉的工業(yè)生產(chǎn)流程,并思考要注意哪些問(wèn)題?學(xué)生先獨(dú)立思考教師提出的問(wèn)題,然后再以小組合作的形式設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)流程和總結(jié)需要注意的問(wèn)題。最后每個(gè)小組派代表匯報(bào)、展示設(shè)計(jì)成果。

      學(xué)生設(shè)計(jì)的比較有代表性碳酸鈉生產(chǎn)流程圖見(jiàn)圖3:

      從圖3兩個(gè)比較有代表性的學(xué)生作品中可以看出,雖然,學(xué)生在設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程圖時(shí)是基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程與方法來(lái)思考的,但是學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始考慮一些實(shí)際問(wèn)題,比如原料的來(lái)源、能量的綜合利用、降低生產(chǎn)成本等問(wèn)題,初步產(chǎn)生了一些化工生產(chǎn)思維的火花。

      此環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖有三個(gè): 一是讓學(xué)生以任務(wù)的形式復(fù)習(xí)鞏固已有的碳酸鈉知識(shí);二是通過(guò)學(xué)生完成任務(wù)的情況,評(píng)估學(xué)生的思維狀態(tài)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維還是化工生產(chǎn)思維;三是為教學(xué)環(huán)節(jié)二做鋪墊,把學(xué)生自主設(shè)計(jì)的成果與后面索爾維制堿法進(jìn)行對(duì)比。

      3.2教學(xué)環(huán)節(jié)二: 學(xué)生自主分析索爾維制堿法

      教師首先按照學(xué)生能夠理解的形式構(gòu)建出了索爾維制堿法的流程圖(見(jiàn)圖4),要求學(xué)生認(rèn)真

      閱讀流程圖,完成流程圖中的空白內(nèi)容,分析流程圖中各物質(zhì)的作用,最后總結(jié)出自己在設(shè)計(jì)流程圖時(shí)的思考與索爾維的思考存在哪些差異。

      學(xué)生活動(dòng)所需要的資料是:

      參考資料:

      (1) NH3+H2O+CO2NH4HCO3

      (2) NH+4+OH-NH3↑+H2O

      (3) 相關(guān)物質(zhì)的溶解度

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