新高考改革背景下的化学深度学习实践案例

［摘 要］文章以实验室模拟侯氏制碱为例，在高中化学实验探究活动中践行深度学习理念，通过明确教学主题，分析教学现状，寻找实验探究教学与深度学习理念的融合点，引导学生进行深度学习。

［关键词］高考改革；深度学习；侯氏制碱

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）23-0059-04

新高考改革背景下的化学教学践行“素养为本”的教学理念，强调将化学知识与生产生活进行有机联系。化学新课标倡导以实验探究为中心进行教学，并在各教学环节中培养学生的化学学科核心素养。深度学习是实现素养为本教学的重要方式。它既能促进学生全面发展，同时也能提升学生的核心素养。北京师范大学胡久华教授将化学教学与深度学习进行整合，并在此基础上细化了化学深度学习的概念，即学生在素养目标的引领下，聚焦引领性学习主题，开展以化学实验为主的挑战性探究活动。

笔者在高中化学实验教学中引导学生进行深度学习，以探秘侯氏制碱法为学习主题，开展设计和优化侯氏制碱装置的系列探究活动，从科学探究、创新创作的视角，引导学生建立运用化学知识解决实际问题的思维模式，培养学生的证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等化学学科核心素养。

一、教学主题内容及教学现状分析

（一）教学主题内容

人教版化学九年级下册第十一单元“盐    化肥”中以资料卡片的形式简单介绍了侯氏制碱法。2017年人教版高中化学选修二《化学与技术》第一章的第三节重点介绍了“纯碱的生产”。该内容在课标中的要求为：了解化学在材料制造、工业生产、农业生产、资源利用等领域的应用情况；以发展性思维看待化学技术创新与社会进步的关系，培养创新精神和社会责任感。2019年人教版高中化学必修一第二章第一节“钠及其化合物”中设置了侯氏制碱法的研究与实践内容。在选修板块中，课标建议将真实的化工生产过程作为研究对象，借助相关文献资料的帮助，对侯氏制碱法的生产原理和工艺流程进行复原和模拟。

（二）教学现状

侯氏制碱法在初中、高中教材中都有出现。高中旧教材虽然没有在必修板块中对侯氏制碱法进行详细介绍，但在解决化工流程问题时，经常会运用侯氏制碱法的原理及思想。而制碱工业是我国的重要工业，纯碱的生产对我国经济发展发挥了重要作用。侯氏制碱法作为高中化学的重头戏，不仅在教材中多次出现，而且还多次被选为高考命题背景。

通过对教材以及课标的解读不难发现，侯氏制碱法涵盖了元素及其化合物、STSE教育、工业流程等多个主题内容，是高中化学学习中非常重要的一环。学生虽对化工工艺有一定的兴趣，但对其涉及的抽象理论及相关知识点的理解能力较弱。由于学校缺少硬件条件模拟真实的生产过程，故导致学生对化工生产多停留在感性认识层面。

二、教学设计与创新点

本节课教学设计的创新点在于学习模式的创新，打破了传统的教师演示实验课模式，采用基于“真实问题情境”的“学”与“用”有机结合的层进式深度学习模式。课前设计了两个环节，分别为“微课先行”和“查阅文献”，以此引发学生思考，夯实学生知识基础。课堂上通过对制碱装置的多次探究，引导学生交流评价，并引发头脑风暴。课后，通过家庭实验探究、通技课堂探究及工厂研学活动层层推进，让学生体会到学有所用的魅力。综合来看，本节课是一节指向深度学习、发展学生核心素养的实验探究课。

三、教学目标

根据学生核心素养培养要求，结合学生现有知识储备及认知水平，笔者确定了以下五个教学目标：

1.宏观辨识与微观探析：观察侯氏制碱法的实验现象，学会用化学用语表达其微观过程。

2.变化观念与平衡思想：认识侯氏制碱法的原理，并从化学平衡角度解释其过程。

3.证据推理与模型认知：通过探究实验为主的层进式学习，逐步构建化工生产流程的认知模型。

4.科学探究与创新意识：针对实验缺陷，提出可行性改进方案，并动手进行实验创新与改进。

5.科学态度与社会责任：通过项目式学习，激发学生学习化学及化工知识的兴趣，培养学生的创新意识、可持续发展意识和环保意识。

四、评价目标

为实现深度学习中“教学评一体化”的要求，笔者结合课程标准的内容要求和学业要求，制订了如下评价目标：

1.通过设计方案、观察现象、描述现象、从微观视角分析宏观现象成因的表现，诊断学生对侯氏制碱原理的理解情况。

2.通过生生交流互评、分析实验设计可行性的表现，诊断学生的学习认知水平和知识迁移能力。

3.通过观察学生讨论、设计并进行实验的课堂表现，诊断并发展学生的科学探究能力。

五、教学流程

笔者共设计了课前、课中、课后三大教学环节和七项过程活动，具体内容如图1所示。

六、教学过程

（一）课前环节

【环节1】观看微课视频，了解侯德榜事迹以及纯碱生产的历史。

【教师活动】提前制作侯氏制碱的微课视频，在班群组织学生进行观看，并提出思考问题：1.侯德榜对人类的主要贡献有哪些？2.你从侯德榜的事迹中得到什么启示？3.侯氏制碱法的具体流程是什么？与传统的索尔维制碱法相比，侯氏制碱法有哪些优点？4.如何在课堂上利用现有的仪器模拟侯氏制碱法？

【学生活动】观看微课视频，简单梳理侯德榜与中国纯碱生产的历史关系，回答相关的问题。

设计意图：创设情境，引发学生对制碱史的关注，并引导学生通过历史人物视角，亲历纯碱生产发展的历程，思考相关问题，使情境成为课堂展开的指向和依归。以上环节的设计，不仅下启学科活动的开展，还能对历史事件进行深化和补充。

【环节2】查阅制碱工业相关文献，夯实基础。

【教师活动】教授学生在知网上查询文献资料的方法，并将相关文献资料发送至班群，组织学生阅读。

【学生活动】查阅文献资料，初步了解侯氏制碱工艺，绘制生产流程示意图并在班级群中展示，讨论化工流程图有哪些基本构成要素。

设计意图：学生通过查阅文献、翻阅资料，在求知的过程中构建相关知识，建立起对侯氏制碱工业的初步认识，为接下来解决实际问题奠定基础。

（二）课中环节

【环节3】实验室模拟侯氏制碱初探。

【教师活动1】组织课堂探究，提问并启发学生设计实验室模拟侯氏制碱的装置。

【学生活动1】初步设计实验装置（如图2）。

【教师活动2】在学生动手搭建实验装置的环节给予学生适时的指导，引导学生总结实验装置的优缺点和实验室模拟侯氏制碱的制约因素。

【学生活动2】动手做实验，并分析其优缺点。

优点：使用实验室常见的药品及仪器。

缺点：CO2和NH3的气源不稳定，需同时控制气流，操作不便；反应过程不断放热，气体吸收效率不好。

【学生活动3】总结现阶段模拟侯氏制碱的四大制约因素：（1）稳定的气体来源；（2）气体通入速度的控制；（3）反应温度的控制；（4）操作的简便性。

设计意图：通过在实验室模拟侯氏制碱，加深学生对制碱工艺的理解，同时也更加明确侯氏制碱法相比于氨碱法的创新之处。通过实验总结，引导学生正确看待模拟过程中出现的问题，体会化学研究路程的任重道远，鼓励学生继续深入探究。

【环节4】引发学生头脑风暴，并对装置进行二探、三探……

【教师活动1】协助学生找出可改进的地方，并提供支持与帮助。

【学生活动1】查阅资料，总结三点可改进的地方：1.提前配制氨盐水，省略控制氨气通入速度的操作；2. 参考实验室中多孔球泡的设计思想，想办法增大二氧化碳与氨盐水的接触面，增强吸收效率；3. 控制反应温度，促进吸收。

【学生活动2】自制多孔球泡（如图3），解决接触不充分的问题；设计并搭建新的模拟制碱装置（如图4）。

【学生活动3】进行实验，记录出现浑浊所需时间和NaHCO3产出率（如表1）。

【教师活动2】评价学生的实验结果（碳酸氢钠的生成量），引导学生总结实验失败或不理想的原因。

【学生活动4】个别小组实验结果不理想，派代表总结原因。第二小组认为可能是二氧化碳溶于水（或碱液）的速度太慢所导致的；第三小组认为可能是实验过程中，二氧化碳流速太快，导致气体来不及被碱液吸收就扩散到空气中去了。

【教师活动3】讲授影响气体吸收效率的主要因素：气体流速、液体喷淋密度、温度、压强、接触面积等；引导学生继续进行文献研究，并基于以上五个因素，联系生产与生活实际，找出最优方案。

【教师活动4】提示学生侯氏制碱法的关键步骤：碳酸化。引导学生参考工业碳酸化塔的设计，从日常生活中寻找替代品，设计出新的模拟装置。

【学生活动5】再次进行文献调研，并汇报结果：工业制碱过程中有一个核心设备——碳酸化塔，也就是将氨盐水碳酸化。它的具体操作是将氨盐水自上而下地跟底部、中部通入的CO2进行逆流接触。除了分段通气、逆流接触这两个操作，工业上还采用风帽（见图5）来增加气液接触。

【教师活动5】引导学生结合碳化塔的工作原理，联系生活实际，积极寻求解决办法。

【学生活动6】了解侯氏制碱中碳化塔的工作原理（分段通气、逆流接触、风帽通气），小组交流得出提高CO2吸收效率的三个途径：

1. 气液逆流，充分接触。（从上方喷淋氨盐水，下面通CO2，使气液逆流，充分接触）

2. 细化气体，增强吸收。（水草缸用到的CO2细化器就像碳化塔的风帽一样，不仅能将CO2细化成小气泡，还能保证CO2的出口压强，增强CO2的吸收）

3. 雾化液体，促进吸收。（浇花用的喷雾器可将氨盐水雾化成小液滴，增大液体喷淋密度）

根据以上思路，学生设计了如图6所示的改进装置。

【教师活动6】对学生新设计的侯氏制碱模拟装置表示肯定，并对学生联系生产与生活实际的改进思路表示赞赏。

设计意图：通过解决侯氏制碱过程中出现的问题，引导学生利用课前的自学成果以及课中的头脑风暴解决问题，强化学生主动学习、合作学习的意识，学会联系生产与生活实际进行装置的改进，进行创造性学习，从而实现本课教学目标。

【环节5】高考真题速递，在问题解决中习得知识。

【教师活动7】展示2021年河北卷关于侯氏制碱法的考查内容，带领学生一起分析装置连接顺序、雾化装置的优点、制备原理等。

设计意图：将理论知识与习题相结合，提升学生解决问题的能力，丰富学习活动形式，让学生真正学有所成。

（三）课后环节

【环节6】课后再次优化装置，提升劳动创新意识。

1. 利用自动加湿器（如图7）代替原来的手动喷瓶，解放双手，实现装置的微自动化。

2. 利用通用技术课堂上学到的3D打印技术，设计并打印出具有多层塔板结构的碳化塔装置（如图8），实现了不同学科之间的技术融合。

设计意图：对实验装置的设计与改进不应局限于课堂教学，可以让学生将实践的场域放宽到其他学科课堂、家庭活动、社会活动中，从而将挑战性的化学实验活动延伸至化学课堂之外，达到全方位育人的效果。

【环节7】制碱工厂实地研学，学中做，做中学。

【主要活动】1.听负责人介绍本次参观路线图、参观的主要内容和注意事项等；2.进入制碱工厂，听化工工程师介绍生产设备和工艺流程；3.与一线工人进行交流，实地了解一线工人的生产工作和制碱技术；4.在工作人员的指导下，体验生产工作；5.学生互相分享心得体会，教师总结。

设计意图：通过工厂研学环节，使学生切身体会从“实验室研究”到“化工生产”的放大效应，并明确放大效应对化工生产的影响，进而明白为什么许多在实验室中可以忽略不计的细节问题在生产过程中却必须重视。通过研学，学生可以在简单的实验流程图基础上，进一步细化对侯氏制碱法化工生产流程的认识。通过切身体会制碱过程，提升学生的实践技能，并进一步建立化工生产基本流程的认知模型。同时，通过对细节的体验与感悟，使学生更加了解侯德榜在破解制碱技术过程中的艰辛与伟大，激发学生的劳动创新意识与爱国情怀。

七、教学效果与反思

侯氏制碱法是高中化工流程知识的启蒙，对学生形成化工思想、解决实际问题有着重要作用。但由于受硬件条件的限制，导致传统教学无法模拟真实的生产过程。针对这一情况，教师将侯氏制碱的探究过程贯穿课堂，以模拟侯氏制碱法作为课堂情境，引导学生设计实验探究活动，并在层层递进的探究中实现化学深度学习。

总体而言，本次教学实践以问题引发学生思考，在问题解决过程中激发学生对所学内容进行再思考、再探究，提升学生解决真实问题的能力，进而发展学生的核心素养。同时，通过课内、课外活动相结合的方式促使学生在活动中体验，在探究中感悟，并在一种自然状态中习得知识。在教学过程中，只有将学生置于真实问题情境，并设计具有挑战性的实验探究活动，才会使深度学习落地生根。

（责任编辑 罗 艳）