基于真實(shí)情境的項(xiàng)目式復(fù)習(xí)

薛琴

摘 要：本文以多維度探析磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)為例，開展“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”專題復(fù)習(xí)。展示基于真實(shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí); 真實(shí)情境; 磷酸鐵鋰; 教學(xué)案例

中圖分類號(hào)：G633.8? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）5-020-002

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)。真實(shí)、具體的情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)一方面需要在真實(shí)問題情境下才能表現(xiàn)出來，另一方面也只有在分析和解決具體的真實(shí)情境問題時(shí)才能得到培養(yǎng)和發(fā)展。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心，落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要教學(xué)方式。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)重要的理論基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)是以他們自己的經(jīng)驗(yàn)為背景，基于已有的知識(shí)鑒別新知識(shí)，最后重新建構(gòu)個(gè)人化知識(shí)。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)從學(xué)科概念出發(fā)，通過例題和練習(xí)鞏固概念，知識(shí)往往是碎片化和割裂的;基于真實(shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)從宏觀的視角辨析化學(xué)反應(yīng)，從微觀的尺度進(jìn)行探析，基于證據(jù)進(jìn)行推理形成認(rèn)知模型，在問題解決中形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

一、設(shè)計(jì)思想

“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”（選修三）考點(diǎn)內(nèi)容零碎，沒有如原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)化學(xué)史推理的邏輯線索。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自己開發(fā)教學(xué)情境開展項(xiàng)目式復(fù)習(xí)，打破教材知識(shí)模塊界限，構(gòu)建零碎知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的有效整合。以磷酸鐵鋰電池為真實(shí)情境背景的試題在高考中多次出現(xiàn)。考查的內(nèi)容涉及化學(xué)工業(yè)流程、電化學(xué)知識(shí)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等，是項(xiàng)目式復(fù)習(xí)的好素材[1]。

本文以多維度探析磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)開展“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”專題復(fù)習(xí)為例，以磷酸鐵鋰電池真實(shí)情境為載體，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、學(xué)生為主體，進(jìn)行項(xiàng)目式復(fù)習(xí)。讓學(xué)生從多維度認(rèn)識(shí)和探究磷酸鐵鋰電池，為學(xué)生后續(xù)復(fù)習(xí)提供可遷移的方法形成以點(diǎn)帶面的聯(lián)想式復(fù)習(xí)。教學(xué)中注重情境線、任務(wù)線（學(xué)生活動(dòng)線）、知識(shí)線、核心素養(yǎng)線的有機(jī)整合，凸顯了基于真實(shí)情境的項(xiàng)目式化學(xué)教學(xué)特色。

二、教學(xué)過程

（一）課堂導(dǎo)入以及真實(shí)情境創(chuàng)設(shè)

2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)公布，瑞典斯德哥爾摩皇家科學(xué)院將這項(xiàng)榮譽(yù)授予了三名科學(xué)家，以表彰他們?cè)阡囯姵匕l(fā)展上做出的杰出貢獻(xiàn)。其中，97歲的約翰·古迪納夫（John B. Goodenough）更是刷新了獲獎(jiǎng)年齡最大的紀(jì)錄。古迪納夫是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，鋰離子電池的奠基人之一。

（二）初步認(rèn)識(shí)鋰離子電池（學(xué)生討論并完成學(xué)案）

【情境】鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。目前正極材料主要是鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰（LiNiO2）。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料做電池正極的鋰離子電池，是鋰離子家族的新成員。這種電池具有能量密度高、安全性能好、原材料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。目前被廣泛應(yīng)用于新能源汽車上。

【任務(wù)】以鈦酸鋰和磷酸亞鐵鋰做電極組成電池，充電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為Li4Ti5O12 + LiFePO4 = Li4+xTi5O12 + Li1-xFePO4（0

【設(shè)計(jì)意圖】

通過初步認(rèn)識(shí)鋰離子電池引入情境，回顧電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)行思維熱身。提醒學(xué)生不要將知識(shí)割裂，要注重高三復(fù)習(xí)的整體性。

（三）認(rèn)識(shí)正極材料（學(xué)生討論并完成學(xué)案）

【考點(diǎn)1】核外電子排布

（1）基態(tài)Li+的核外電子云輪廓圖的形狀怎樣？畫出基態(tài)Li原子的電子排布圖。

（2）基態(tài)Fe2+與Fe3+離子中未成對(duì)的電子數(shù)之比是多少？Fe3+比Fe2+穩(wěn)定的原因是什么？

（3）在周期表中，與Li的化學(xué)性質(zhì)最相似的鄰族元素是什么？該元素基態(tài)原子核外M層電子的自旋狀態(tài)怎樣？

【考點(diǎn)2】第一電離能

給出Li及其周期表中相鄰元素的第一電離能數(shù)據(jù)，回答：

（1）I1（Li）>I1（Na），原因是什么？

（2）I1（Be）>I1（B）>I1（Li），原因是什么？

【考點(diǎn)3】立體構(gòu)型、等電子體

（1）在正極材料磷酸鐵鋰中，磷酸根離子的空間構(gòu)型是怎樣的？與磷酸根互為等電子體的分子有哪些？其中P的價(jià)層電子對(duì)數(shù)是多少？雜化軌道類型？

（2）價(jià)層電子對(duì)的立體構(gòu)型和分子的立體構(gòu)型是一回事嗎？?jī)烧哂惺裁磪^(qū)別和聯(lián)系？

【考點(diǎn)4】鍵的極性、分子極性、氫鍵

PH3是_____鍵（填“極性”或“非極性”）形成的_____分子（填“極性”或“非極性”），其在水中的溶解性比NH3小，原因是什么？

【設(shè)計(jì)意圖】

以認(rèn)識(shí)正極材料為情境線索將零碎知識(shí)點(diǎn)整合。其基本思路是以電子→原子→原子組合為主線，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生交流與研討，根據(jù)考點(diǎn)層層推進(jìn)。復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)相關(guān)理論、價(jià)層電子對(duì)互斥理論、雜化軌道理論、等電子體理論、氫鍵理論。能夠計(jì)算中心原子上的孤電子對(duì)數(shù)，并根據(jù)孤電子對(duì)數(shù)和σ鍵電子對(duì)數(shù)確定中心原子上的價(jià)層電子對(duì)數(shù)，推導(dǎo)VSEPR模型的空間構(gòu)型和雜化軌道類型。能夠根據(jù)VSEPR理論確定分子的空間構(gòu)型，理清鍵的極性和分子極性的關(guān)系。

【考點(diǎn)5】有關(guān)晶胞的計(jì)算（學(xué)生討論并完成學(xué)案）

【任務(wù)】（2020年新課標(biāo)Ⅰ卷）LiFePO4的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖如（a）所示。其中O圍繞Fe和P分別形成正八面體和正四面體，它們通過共頂點(diǎn)、共棱形成空間鏈結(jié)構(gòu)。每個(gè)晶胞中含有LiFePO4的單元數(shù)有____個(gè)。電池充電時(shí)，LiFeO4脫出部分Li+，形成Li1-xFePO4，結(jié)構(gòu)示意圖如（b）所示，則x=_______，n（Fe2+）∶n（Fe3+）=_______。

【設(shè)計(jì)意圖】

整合空間想象力、化學(xué)信息、推理、分析圖像和計(jì)算的能力。特別復(fù)習(xí)“均攤法”的應(yīng)用。

（四）認(rèn)識(shí)負(fù)極材料（閱讀材料后開展討論）

【情境】鋰電池在充電過程中，Li+還原時(shí)形成樹枝狀金屬鋰。其在生長過程中會(huì)不斷消耗電解液并導(dǎo)致金屬鋰的不可逆沉積，造成低庫倫效率;同時(shí)，鋰枝晶的形成甚至還會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短接，造成電池?zé)崾Э乩^而引發(fā)燃燒爆炸。如何利用鋰元素的優(yōu)勢(shì)又克服鋰枝晶的弊端呢？關(guān)鍵在于尋找能夠承載Li+嵌入和脫嵌的正負(fù)極材料。

【任務(wù)】

投影石墨的層狀結(jié)構(gòu)的球棍模型。給出數(shù)據(jù)：石墨中層與層的間距335pm、每層中兩個(gè)碳原子之間的鍵長142pm、Li+半徑60pm?；卮穑?/p>

（1）在石墨層狀晶體結(jié)構(gòu)中，層與層之間如何結(jié)合？每層中的相鄰碳原子之間如何結(jié)合？

（2）從結(jié)構(gòu)的角度解釋石墨具有良好導(dǎo)電性的原因。晶體中碳原子的雜化類型？石墨是否適合做負(fù)極材料？

學(xué)生經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)：石墨中碳原子都是SP2雜化，雜化的碳原子與未參與雜化的P軌道上的電子形成大π鍵，從而使石墨具有優(yōu)良的導(dǎo)電能力。另外基于石墨晶體層與層間距和Li+半徑大小的數(shù)據(jù)，十分適合Li+反復(fù)嵌入和脫出，可以考慮使用石墨作為負(fù)極材料[2]。

【設(shè)計(jì)意圖】

從宏觀辨識(shí)到微觀探析，復(fù)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)的部分知識(shí)。通過理論聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，樹立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的思想。重溫鋰離子電池發(fā)展歷史中的設(shè)計(jì)思路，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（五）認(rèn)識(shí)電解液（學(xué)生討論并完成學(xué)案）

【考點(diǎn)6】晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

LiPF6在是鋰離子電池電解液的重要組成部分，一般采用PF5、LiF為原料制備。上述原料的熔點(diǎn)PF5和LiF熔點(diǎn)高低比較，比較依據(jù)是什么？

【考點(diǎn)7】配位鍵及其形成條件

LiPF6在有機(jī)溶劑中具有適中的解離常數(shù)，且能與正負(fù)極材料匹配，是目前使用最廣泛的鋰鹽。[PF6]-中P原子與F-形成配位鍵，不考慮空間構(gòu)型，用示意圖表示[PF6]-的結(jié)構(gòu)。[PF6]-中提供孤電子對(duì)的原子是什么？判斷依據(jù)？

【設(shè)計(jì)意圖】

證據(jù)推理與模型認(rèn)知，復(fù)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、配位鍵知識(shí)。

（六）了解“足夠好”先生的傳奇人生

【設(shè)計(jì)意圖】

情感態(tài)度價(jià)值觀的教育不是空喊口號(hào)，而是潛移默化、潤物細(xì)無聲的。約翰·古迪納夫（John B. Goodenough），“足夠好”先生30歲才入行，58歲時(shí)提出了鈷酸鋰，75歲時(shí)提出了磷酸鐵鋰，94歲時(shí)研制出全固態(tài)電池，97歲獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，至今仍然在全固態(tài)電池的研究工作一線。有人說他的研究已經(jīng)足夠好了，但是他卻不這么認(rèn)為。生命不息，奮斗不止?？赐赀@位老爺子的故事，我只有一個(gè)想法：我們年輕人，還有什么理由不努力！

三、教學(xué)反思

1.復(fù)習(xí)課若局限于對(duì)已學(xué)知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)和再現(xiàn)，用碎片化的知識(shí)去思考和解決問題，就容易忽略知識(shí)體系的完整性，會(huì)導(dǎo)致思考不夠深刻。項(xiàng)目式復(fù)習(xí)，打破了原有知識(shí)的孤立性和零散性，有如一條線索，將一顆顆知識(shí)的珍珠串起。通過圍繞一個(gè)主題講述故事，開展研究，不僅促使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，拓展了復(fù)習(xí)的深度和廣度，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高了他們的思維能力。

2.本節(jié)課從磷酸鐵鋰電池出發(fā)，以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為宗旨，圍繞相關(guān)內(nèi)容的研究和討論，整合了物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)多個(gè)高考熱門考點(diǎn)，從多個(gè)維度進(jìn)行教學(xué)，不僅落實(shí)了基礎(chǔ)知識(shí)，還把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，讓他們?cè)谡鎸?shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中自主完成知識(shí)的構(gòu)建。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重核心知識(shí)的再建構(gòu)，創(chuàng)建真實(shí)的驅(qū)動(dòng)性問題，用高階學(xué)習(xí)包裹低階學(xué)習(xí)，將素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為持續(xù)的學(xué)習(xí)實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]單旭峰，宋修明.真實(shí)情境的高考化學(xué)命題理論與實(shí)踐[J]中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（5）：1-5

[2]江合佩.走向真實(shí)情境的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)[M]濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2020.7：267-269