張巍

摘要：? 以“染織工業(yè)中的酸和堿”為例，探討如何開發(fā)和應用化工情境素材，提出篩選化工情境素材的思路方法，梳理將化工情境素材轉化為有價值的教學情境的加工流程，總結了開發(fā)和應用化工情境素材的注意事項。

關鍵詞： 初中化學； 化工情境素材； 染織工業(yè)； 酸和堿

文章編號： 10056629（2024）04004506

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下稱“新課標”）指出，教師要大力開展核心素養(yǎng)導向教學，通過創(chuàng)設真實、生動、直觀且富有啟迪性的學習情境，激發(fā)學生的化學學習興趣，引發(fā)學生的思考，幫助學生建構大概念和核心概念，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展［1］。新課標在五個學習主題下，共列出96點情境素材建議，并鼓勵教師創(chuàng)造性地設計和開發(fā)新的情境素材?；で榫匙鳛榛瘜W學科典型的真實情境，承載著化學學科知識的應用、實驗操作技能的實踐［2］，化學學科的性質決定了化學教學要重視化工情境的再現(xiàn)與深化，使學生熟悉工業(yè)生產(chǎn)背景與流程，養(yǎng)成應用化學知識辨析、解釋真實復雜問題的習慣，促進學生工程思維的形成和綜合實踐、創(chuàng)新能力的提高［3］。在中國知網(wǎng)上以“初中化學+情境+化工”為關鍵詞進行相關主題的檢索，有45條結果，其中34篇來自碩士或博士論文數(shù)據(jù)庫。可見，初中一線教師對化工情境素材的開發(fā)和使用率較低，究其原因可能是因為初中教師對化工生產(chǎn)實際接觸較少，知識儲備不夠。如何找到適宜教學的化工情境素材并將其加工成有價值的教學情境，是教師面臨的一大難題。

“常見的酸和堿”是初中化學學習的重點、難點，也是學生認識物質的性質、探討物質化學變化規(guī)律的基礎。在新課標中有關酸堿的要求為：以鹽酸、硫酸、氫氧化鈉和氫氧化鈣為例，通過實驗探究認識酸、堿的主要性質和用途；知道酸堿性對人體健康和農(nóng)作物生長的影響［4］。通過對酸、堿性質的學習可以為鹽類性質的學習打下知識基礎，完善無機物之間的關系網(wǎng)絡。探究酸堿性質的思維方法，可以為探索鹽的性質提供學法指導。在初中化學滬教版（2021版）教材中涉及常見酸、堿應用的表述有：鹽酸常用于金屬表面除銹、制藥等。硫酸常用于制化肥、農(nóng)藥、火藥、染料、冶煉金屬、精煉石油和金屬表面除銹。燒堿常用于制人造絲、造紙、煉油、紡織、印染與橡膠工業(yè)。熟石灰常用于建筑業(yè)、改良酸性土壤和配制農(nóng)藥波爾多液［5］。硫酸和氫氧化鈉的用途中都提到了染織，因此，研究以“染織工業(yè)中的酸和堿”為例，將碎片化的酸堿鹽知識串聯(lián)起來，在復習酸堿相關知識的同時，增強學生對工藝生產(chǎn)全貌、成本利潤考量、環(huán)評機制等方面的感受，同時給出化工情境素材具體的開發(fā)策略和應用思路。

2? 化工情境素材的開發(fā)策略

2.1? 化工情境素材的選取

選取化工情境素材時，要充分考慮素材內(nèi)容、形式、真實性和難度。情境內(nèi)容要有助于教學目標的達成，涵蓋教學知識點。呈現(xiàn)形式能體現(xiàn)概念間的邏輯關系和順序，體現(xiàn)知識結構。既要體現(xiàn)真實生產(chǎn)流程也要兼顧素材難度，應與學生已有的知識和經(jīng)驗建立起聯(lián)系，引起學生的興趣和共鳴，體現(xiàn)化學的實際應用價值。想要從紛繁的化工產(chǎn)品、復雜的生產(chǎn)流程中高效地選擇合適的情境素材，要求教師平時對化學發(fā)展史有所了解，閱讀積累化學家的生平事跡和研究，熟悉常見化工產(chǎn)品的用途，生活中多關注社會熱點及業(yè)內(nèi)最新研究成果。具體可從以下三個方向篩選。

（1） 從傳統(tǒng)化工工藝切入挖掘化工情境。例如中國傳統(tǒng)造紙工藝將竹子放入“徨”桶內(nèi)與石灰一道蒸煮，用石灰的堿性除脂；古代紡織工藝，酸和堿被用來處理纖維，使其質感柔軟和耐用。非遺染色技藝——草木染也利用各種酸堿性媒染劑，來調(diào)節(jié)織物色彩。這些古法化學工藝都可作為酸堿學習的情境素材；以“史”為“境”能傳承和弘揚民族文化，但值得提醒的是中國古代化學史料深澀難懂，需要教師進行提煉和解釋。

（2） 從化工產(chǎn)品用途切入挖掘化工情境。酸和堿是重要的化工原料，常用于生產(chǎn)各種化學品，比如制備硫酸亞鐵。農(nóng)業(yè)上，鐵肥可調(diào)節(jié)土壤的酸堿度，促使葉綠素形成；醫(yī)藥上，硫酸亞鐵是常用補鐵劑，此外，硫酸亞鐵還可對印染污水進行脫色處理，因此在復習階段，我們可從硫酸亞鐵產(chǎn)品出發(fā)探討其制備工藝，復習酸堿鹽的性質。再如硫酸常用于石油精煉、冶煉金屬，燒堿在造紙、紡織工業(yè)的應用，以及氫氧化鐵用作顏料等，都是很好的化工情境切入點。

（3） 從社會熱點問題切入挖掘化工情境。當今時代，人類面臨生態(tài)環(huán)境、衛(wèi)生醫(yī)療、能源資源等危機。環(huán)境方面可選取如碳中和、煙氣脫硫脫氮、廢金屬回收和水資源處理及循環(huán)利用工藝；能源方面可以選取圍繞氫能等綠色新能源的開發(fā)與應用工藝；在疫情常態(tài)化下的醫(yī)療衛(wèi)生用品生產(chǎn)工藝等等。以社會熱點問題為化工情境能讓學生體會化學是推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要力量，培養(yǎng)學生面對陌生、不確定性挑戰(zhàn)的勇氣和理性思維。

2.2? 化工情境素材的加工

新課標中提出試題命制時改編原始素材為問題情境的加工流程，試題情境素材加工注重的是問題的設計和問題的呈現(xiàn)方式，而教學情境素材的加工強調(diào)基于問題的活動和任務設計，不僅涉及知識，還涉及活動環(huán)境、具體任務、連接素材和任務的“問題”，使情境具有教學敘事的背景屬性、引發(fā)參與的活動屬性及承載核心知識的屬性［6］。綜合化工情境素材步驟流程化、情境復雜化、學生經(jīng)驗間接化的特點，研究提出化工情境素材加工流程。

2.2.1? 確定關鍵詞，精選主素材

根據(jù)課標要求，確定一至兩個與教學內(nèi)容有關的關鍵詞，再根據(jù)與教學內(nèi)容的關聯(lián)度選擇一至兩個化工行業(yè)作為關鍵詞，常見化工行業(yè)有冶金、煉油、染織、醫(yī)藥、化肥與農(nóng)藥、能源等。組合兩組關鍵詞進行檢索，在綜合考慮學生學情及可發(fā)展進階空間的基礎上，精選切合教學目標的化工生產(chǎn)主素材。

2.2.2? 提煉流程，簡化素材

非理想化的宏觀過程決定了化工情境相較于一般生活情境更為復雜［7］，因此，加工素材時要先提煉核心工藝流程，根據(jù)核心素養(yǎng)目標對工藝流程進行簡化和取舍，不要在生產(chǎn)過程中細枝末節(jié)的問題上過多耗費學生的精力和時間［8］。通過信息技術手段如圖像、視頻和動畫等形式簡化情境素材，必要時直接呈現(xiàn)化工生產(chǎn)背景、重要流程和關鍵技術等，將工藝和知識具體化、簡單化和生動化，有利于激發(fā)學生的學習興趣，克服畏難情緒。簡化素材是順利進行化工情境教學的首要任務。

2.2.3? 設計問題，任務驅動

巧妙設計情境問題是實現(xiàn)從情境素材到有價值的教學情境的關鍵?；で榫车谋举|屬性是蘊含學科問題，核心內(nèi)涵是引導知識建構［9］。緊密聯(lián)系學生能力素養(yǎng)水平，通過數(shù)據(jù)、圖表等形式進行問題表征，提出有連貫性、啟發(fā)性、遞進性的學科問題，并設計教學活動?？紤]到化工生產(chǎn)并非是孤立存在的，總是在特定的歷史或社會環(huán)境中發(fā)生和實現(xiàn)，因此，教學活動任務的設計要統(tǒng)籌化工發(fā)展史、經(jīng)濟效益、綠色化學、社會責任等更多角度的問題［10］，落實對學生學科核心素養(yǎng)的培育，形成質疑反思、概括綜合等思維品質。

以“染織工業(yè)中的酸和堿”為例，化工情境素材具體的加工流程如圖1所示。

3? 基于化工情境素材的教學案例

3.1? 教學目標

（1） 通過對比現(xiàn)代與古代煮練布匹方法的不同，欣賞古人的智慧，認識化學能促進人類文明進步和科技發(fā)展，提高對化學學科價值的認同感。

（2） 通過探索古代堿煮的原理以及推測堿煮液的使用和保存方法，自主構建堿性物質的知識網(wǎng)絡圖，發(fā)展

物質轉化的學科觀念。

（3） 通過閱讀文獻并計算不同酸洗劑成本，提升提取關鍵信息的能力，以及處理數(shù)據(jù)并基于計算數(shù)據(jù)進行推測的思維能力。

（4） 通過理解和分析實驗圖像，能合理正確地選擇酸度調(diào)節(jié)劑，建立從價格、設備要求、操作可行性等維度研究化工反應的思維模型，發(fā)展批判和系統(tǒng)的科學思維。

3.2? 教學設計思路

本節(jié)復習課基于酸和堿在古今染織業(yè)中的應用，復習并利用酸堿的性質解決相關的實際問題，對物質用途進行分析和解釋，從而形成合理利用物質的化學觀念。引導學生從辯證的角度評價物質的實際應用，發(fā)展科學思維和大膽質疑、嚴謹求實的科學態(tài)度。具體的教學流程如圖2所示。

3.3? 情境教學實例

3.3.1? 環(huán)節(jié)一：真實情境，引出工藝

［情境1］草木染是利用天然植物汁液染色，其取彩自然，染色柔和。經(jīng)過草木汁液浸染后的織物還可以借助不同的酸、堿性溶液進行調(diào)色。

問題：酸、堿性溶液對草木染后的衣物進行調(diào)色的原理是什么？為什么不同酸堿溶液噴染后的顏色以及深淺不盡相同？

學生：酸、堿溶液能使指示劑呈現(xiàn)不同的顏色變化，溶液酸堿性不同，酸堿性的強弱程度不同，噴染后的顏色也不同。

教師：草木染的色譜正是由于染液酸堿性和酸堿度的不同而變得豐富多彩起來。

［設計意圖］創(chuàng)設情境引入課題，讓學生了解草木染這一古代染織技術?；仡櫵?、堿的定義，認識可以利用溶液的酸堿性以及酸堿度的變化對布匹進行調(diào)色，感受我國古代輝煌的化學工藝，同時，形成物質之間可以相互轉化且化學反應是遵循一定規(guī)律的化學觀念。

3.3.2? 環(huán)節(jié)二：探究古代“堿煮”原理

［情境2］染色之前，布料需要先經(jīng)過堿煮等預處理，利用燒堿除去原布坯表面的油污，腐蝕布坯表面的細小纖維，使布料表面變得光滑、有光澤。燒堿是現(xiàn)代制堿工業(yè)的產(chǎn)物，古代人們精練絲綢方法為：（1）絲綢放入草木灰水中浸潤透；（2）向其中加入蚌殼灼燒而成的灰燼一起浸泡。

問題1：草木灰和蚌殼灼燒而成的灰燼遇水后均呈堿性，為什么古人卻要將兩者混合之后再煮練布匹？煮練時混合石灰水還是石灰乳的效果更好？

學生：小組交流討論提出猜想并設計實驗，蚌殼煅燒后的灰燼主要成分是氧化鈣，遇水后生成氫氧化鈣，會和碳酸鉀反應生成堿性更強的氫氧化鉀，因此煮練效果更好。

A組學生實驗：用pH計測定飽和碳酸鉀溶液的pH為11.2，澄清石灰水的pH為12.0，將兩者混合后溶液的pH為11.7。

B組學生實驗：用pH計測定飽和碳酸鉀溶液的pH為11.2，石灰乳的pH為12.1，將兩者混合后上層清液的pH為12.8。

追問：為什么A組實驗中，混合后生成了堿性更強的氫氧化鉀，溶液的pH卻略微下降，B組石灰乳和碳酸鉀溶液混合后上層清液的pH較混合前增大？

學生：氫氧化鈣微溶于水，石灰乳中隨著溶解的氫氧化鈣被反應消耗，原來不能溶解的氫氧化鈣可以繼續(xù)溶解，持續(xù)反應生成更多的強堿氫氧化鉀，所以pH較反應前增大。而澄清石灰水中含有的氫氧化鈣很少，生成的氫氧化鉀也很少，溶液中大量水反而起到稀釋作用，所以混合后溶液的pH減小。想要使煮練效果更好，應選石灰乳。

問題2：為了保持氫氧化鉀較好的煮練布坯的效果，請大家對它的使用或保存提出建議？

學生：提出猜想，氫氧化鉀是堿，可能會和空氣中的二氧化碳反應而容易變質，所以應該密封保存。

演示實驗：向充滿二氧化碳的兩個集氣瓶中分別加入10mL氫氧化鉀溶液和10mL蒸餾水，充分振蕩后倒扣集氣瓶，觀察“玻璃片”掉落情況。

總結：氫氧化鉀能和二氧化碳反應而變質，故應密封保存或者現(xiàn)配現(xiàn)用。

［設計意圖］堿煮是染織工業(yè)的第一個重要流程，通過對比現(xiàn)代與古代煮練布匹方法的不同，既欣賞古人的智慧，又認識到化學能促進人類文明進步和科技發(fā)展。探究古法堿煮原理時，設計分別采用石灰水和石灰乳進行實驗，得出了與學生的預測和認知相矛盾的實驗結果，激起學生的好奇心和求知欲，促進學生的深度思考和學習。在深度思考中認識到石灰乳中氫氧化鈣的反應歷程是不斷溶解、轉化，再溶解、再轉化的過程，新的認知為高中學習物質沉淀溶解平衡埋下伏筆，該實驗探究活動突破了“預設”的樊籬，變“預設”為“生成”。通過推測堿煮液的使用和保存方法，引導學生從熟悉的氫氧化鈉預測氫氧化鉀的性質，進一步通過倒扣集氣瓶后“玻璃片”不斷掉下的對比實驗來驗證氫氧化鉀能和二氧化碳反應，視覺和心理上的沖擊加深學生對氫氧化鉀性質的認識，構建堿的知識網(wǎng)絡圖，促進學生物質轉化觀的發(fā)展，養(yǎng)成學生嚴謹?shù)目茖W探究精神。

3.3.3? 環(huán)節(jié)三：探索現(xiàn)代“酸洗”工藝

［情境3］堿煮之后布料不能直接用于染色制衣，布料表面殘留的堿液、金屬銹斑會影響布料的手感和后續(xù)工藝，需要經(jīng)過酸洗工藝。酸洗劑常用硫酸或鹽酸，選擇時很大程度上取決于價格。需要提醒的是，稀硫酸酸洗后織物必須充分水洗至呈中性才能烘干，稀鹽酸則無此嚴格要求。

問題3：已知31%鹽酸的市場價為230元/噸；98%硫酸的市場價為650元/噸。若堿煮后，每千噸布料上殘留NaOH的質量為4噸（不考慮其他雜質）。請通過計算說明該選擇哪種酸洗劑？

學生：根據(jù)方程式計算得到：中和等量的氫氧化鈉，鹽酸酸洗需花2714元，若采用硫酸酸洗需花3250元，故選稀鹽酸更合適。

追問1：為什么稀硫酸酸洗后織物必須充分水洗至呈中性才能烘干，稀鹽酸則無此嚴格要求？

學生：提出猜想，鹽酸有揮發(fā)性而硫酸沒有，烘干時隨著布料上的水分蒸發(fā)稀硫酸濃度增大，濃硫酸會腐蝕衣物使其脫水炭化而變黑。

追問2：工業(yè)上酸洗溫度常控制在45℃，不宜過高也不適合太低的原因是什么？

學生：溫度過高，布條的強度和韌性會受損嚴重；溫度過低，酸洗的反應速率慢會導致除雜不充分。

［設計意圖］通過閱讀理解文獻資料，培養(yǎng)提取數(shù)據(jù)和信息的能力。酸洗劑的選擇問題讓學生自然而然從定性分析過渡到定量計算，在基于數(shù)據(jù)事實的基礎上再進行分析決策，養(yǎng)成嚴謹求實的態(tài)度。在探究酸洗工藝條件過程中，通過兩個追問巧妙回憶濃鹽酸和濃硫酸不同的特性，理解溫度等條件會影響化學反應速率，促進養(yǎng)成多角度（反應限度、快慢、經(jīng)濟效率）選取、優(yōu)化化學反應條件的科學意識。

3.3.4? 環(huán)節(jié)四：探尋織物pH調(diào)節(jié)劑

［情境4］經(jīng)過堿煮、酸洗等預處理后的織物經(jīng)過漂白、染色便成了精美的布匹，最后經(jīng)過質檢合格即可出廠。一塊合格的布料要經(jīng)過九項測試工序，其中一項是pH，已知人體皮膚偏弱酸性，可以抑制某些病菌的繁殖。如果服裝pH過高，會生瘙癢感，滋生細菌，引起疾病。標準規(guī)定直接接觸皮膚織物的pH應在4.0至7.5之間。

問題4：對于堿超標的織物要調(diào)節(jié)其pH為4.0～7.5之間，選擇價格便宜的稀鹽酸還是酸性較弱的稀醋酸更適宜？這兩種酸中和堿時有什么區(qū)別？

演示實驗：分別向60mL 0.4%的NaOH溶液中逐滴加入等濃度的稀鹽酸和稀醋酸，測定溶液pH與加入酸體積之間的關系，結果如圖3、圖4所示。

學生：從圖像上分析，鹽酸不適合作為織物pH調(diào)節(jié)劑，因為pH為7.5時對應加入鹽酸的體積為6.1mL，pH下降到4.0時加入鹽酸的體積為6.4mL，中和過程中pH變化太快不易于控制，容易導致酸超標。與鹽酸相比，醋酸的用量范圍更廣。

追問：其他條件相同時，不同濃度的醋酸中和等量等濃度的氫氧化鈉溶液的pH酸體積關系如圖5所示，結合圖像分析工業(yè)上選擇醋酸調(diào)節(jié)織物pH還有什么優(yōu)點？

學生：由圖像可知，醋酸的濃度和用量對溶液最終的pH沒有明顯影響，好像反應后的溶液有緩沖pH的能力，使溶液pH能維持在合格范圍內(nèi)，在實際生產(chǎn)中對工人的操作要求大大降低，容錯率大，不需要太嚴格控制工藝條件，對設備的要求也相應降低。

［設計意圖］了解織物pH對我們生命健康的影響，意識到化學來源于生活也指導生活。通過探究酸的種類和酸的濃度對中和反應所得溶液pH的影響，培養(yǎng)學生收集證據(jù)、數(shù)形結合進行分析推理解決實際問題的能力。在“酸洗”工藝探討了酸的價格和性質是影響酸洗劑選擇的因素之后，再提出從實際操作角度考慮織物pH調(diào)節(jié)劑的選擇，讓學生意識到在生產(chǎn)實際中不僅要考慮生產(chǎn)要求和成本，還要綜合考慮操作的簡易性以及環(huán)境友好等多方面因素，合理選擇反應原料、控制反應條件，最終達到多快好省的目的。“衣食住行”衣排在首位，不僅是因為它能幫我們遮羞蔽體、抵御嚴寒，服飾也反映了一個民族的文化和國家的強盛。通過學習，學生能利用所學，挖掘染織技術背后的科學原理，未來才能更好地造“服”人類。

4? 教學效果與反思

化學教學倡導真實問題情境的創(chuàng)設，開展以實驗為主的多種探究活動，重視教學內(nèi)容的結構化設計，激發(fā)學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力［11］。本復習課以“探究古代堿煮原理探索現(xiàn)代酸洗工藝探尋織物pH調(diào)節(jié)劑”為問題線，通過實驗設計與探究及文獻閱讀等活動，將酸堿性質巧妙地關聯(lián)在一起，在解決真實化工生產(chǎn)情境問題中加深了對舊知的理解，建構物質轉化的結構化知識體系，意識到化學學科知識在工業(yè)生產(chǎn)中的綜合利用價值。三個問題中有兩處探討酸的選擇，先從成本角度通過計算數(shù)據(jù)說明酸洗劑的選擇依據(jù)，后又從實際操作角度借助實驗數(shù)據(jù)和圖像推理織物pH調(diào)節(jié)劑的選擇，發(fā)展學生多維度研究化工原理的思維模型，形成批判和系統(tǒng)的科學思維。

與一般的情境教學不同，教師開展化工情境教學時要注重通過模擬分析真實的化工生產(chǎn)案例，引導學生參與到實際生產(chǎn)和工藝設計中，探討多因素對化學生產(chǎn)工藝的影響，如成本、對設備的要求、操作的簡易性，資源的回收再利用等問題，真正實現(xiàn)知識和生產(chǎn)的整合和深化。隨著跨學科教學時代的來臨，化工生產(chǎn)項目恰恰具備多學科綜合的特點，充分開發(fā)和利用化工情境素材教學能讓學生更好地理解多學科知識在化工生產(chǎn)中的應用，有利于促進不同學科之間的交流與融合。

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