驅動性問題鏈解決主題式教學設計
——以“如何處理工業(yè)酸堿性廢水達標排放”為例

江蘇 王海英

一、教學設計背景分析

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)指出，必修課程內容依據主題組織，提高課程實施的整體性。倡導基于學科核心素養(yǎng)實施主題式教學。主題式教學是圍繞某主題，讓學生借助各種探究活動以及與主題相關的各種資源，使學生的認知發(fā)生遷移，提高學生解決問題的能力以及科學探究精神的有效教學方式。問題驅動教學法是“一種以學生為主體，以問題為核心規(guī)劃學習內容，讓學生圍繞問題尋求解決方案的一種學習方法”。通過教學過程中生成的問題鏈，驅動學生層層深入分析問題，解決問題，既復習鞏固了必備知識和基本技能，又鍛煉了學生科學探究與問題解決的能力，進而內化為學生的化學學科核心素養(yǎng)。

溶液的酸堿性是選擇性必修課程《模塊1 化學反應原理》中“主題3 水溶液中的離子反應與平衡”的重要知識，本節(jié)課通過復習溶液的酸堿性來解決“如何處理工業(yè)酸堿性廢水達標排放”這一問題，圍繞解決這一主題性問題，采用“提出問題→設計方案→發(fā)現問題→解決問題→歸納思維”模型進行教學活動，通過這種方式不僅能夠提高學生的學習興趣，鍛煉學生運用知識解決實際問題的能力，發(fā)展學生證據推理與模型認知及科學態(tài)度與社會責任等化學核心素養(yǎng)，還能培養(yǎng)學生環(huán)保意識，使之感受到化學是一門實用的學科。

二、教學目標設計

1.通過設計實驗檢驗廢水的酸堿性，使學生掌握檢測溶液酸堿性的簡單方法，通過思考“使酸堿指示劑變色能否用來判斷溶液酸堿性”“pH=7的溶液是否一定顯中性”等問題，使學生辯證地掌握判斷溶液酸堿性的依據。

2.通過定量計算調節(jié)廢水pH使之達到排放標準，使學生能夠進行溶液pH的簡單計算，并總結pH簡單計算的思維模型。

3.通過設計實驗測定廢水中酸的準確濃度，讓學生熟悉基本的滴定操作，通過定量分析和教師演示手持式技術進行酸堿中和滴定，使學生能夠理解酸堿指示劑對中和滴定實驗的意義并能正確進行選擇。

4.通過設計如何處理工業(yè)酸堿性廢水達到排放標準這樣的真實情境和解決學以致用的問題，讓學生知道測定和控制溶液的酸堿性在日常生活和工農業(yè)生產中的重要意義并提高他們解決實際問題的能力。

三、教學過程設計

環(huán)節(jié)1：設計真實問題情境導入新課

[情境引入]2021年4月13日，日本政府召開相關閣僚會議，正式決定將福島第一核電站核廢水排入大海。日本政府一旦把含有放射性物質的核廢水排入大海，其中含有的大量有害物質將在幾十天內從洋流較強的福島海岸擴散到太平洋大部分水域，不僅會破壞海洋生態(tài)環(huán)境，還會給沿岸地區(qū)人民的健康和生存造成嚴重的威脅。

[問題鏈]

(1)核廢水為何不能直接排放？

(2)工業(yè)廢水能否隨意排放？

(3)工業(yè)酸堿性廢水是最常見的廢水，如何處理才能排放呢？

[設計意圖]以真實的STSE問題導入新課，引發(fā)學生思考，增強學生環(huán)保意識，激發(fā)學生運用化學知識解決這一問題的欲望，并以此引入新課。

環(huán)節(jié)2：設計實驗方案檢驗工業(yè)廢水的酸堿性

[探究任務]以實驗室鹽酸與氫氧化鈉反應后的廢液模擬工業(yè)廢水，請學生設計實驗方案檢驗廢水A、廢水B的酸堿性。

[學生活動]分組討論，總結匯報。

[分組實驗]學生根據提供的試劑和用品：廢水A、廢水B、甲基橙、酚酞、pH試紙、pH計等，動手操作驗證方案的可行性。

[問題鏈]實驗過程中生成五個問題：

(1)滴加幾滴酚酞未變紅的溶液一定顯酸性么？

(2)滴加幾滴甲基橙呈黃色的溶液一定顯堿性么？

(3)pH=7的溶液一定顯中性么？

(4)判斷溶液酸堿性的依據是什么呢？

(5)用實驗方法檢驗溶液酸堿性需要注意什么呢？

[設計意圖]通過學生設計并動手操作檢驗廢水的酸堿性，提高學生綜合運用知識、技能解決問題的能力，實驗過程中生成的問題鏈引發(fā)學生思考，從本質上認識溶液的酸堿性，從定性到定量判斷，從粗略到精確測定溶液的酸堿性，為酸堿中和滴定定量分析溶液埋下伏筆。

環(huán)節(jié)3：處理工業(yè)酸堿性廢水達到排放標準

[查閱資料]我國對排放工業(yè)廢水pH的要求。

[問題鏈]

(1)廢水A、廢水B能否直接排放呢？

(2)若廢水A不能直接排放，如何達到排放標準呢？

[探究任務]請設計實驗處理廢水A達到排放標準。

[學生活動]分組討論，總結匯報。

[分組實驗]學生根據提供的試劑和用品：廢水A、碳酸鈣固體、碳酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液、蒸餾水、pH試紙等，動手操作驗證方案的可行性。

(3)能否通過加水稀釋實現排放標準呢？

[計算]常溫下，1.0 L pH=2.0的污水(只含強酸)若直接用水稀釋至達排放標準，需要加入水的體積約為多少(忽略體積相加的誤差)？

(4)通過中和法實現排放標準需要注意什么呢？

[計算]常溫下，1.0 L pH=2.0的污水(只含強酸)若加入生石灰0.56 g進行中和處理(忽略溶液體積變化)，該溶液符合排放標準嗎？若要符合排放標準，需要加生石灰多少克呢？

[學生活動]通過計算，分析、思考形成結論并歸納總結計算思維模型如圖1所示。

圖1 pH計算思維模型

[計算]酸性污水中和處理經常采用的兩種中和劑生石灰和碳酸鈉，上網查出兩種中和劑的價格，判斷分別用兩種中和劑將廢水pH從2.0調到6.0時，哪種性價比高呢？

[學生活動]通過計算，分析思考形成結論并總結歸納中和劑選擇的思維模型如圖2所示。

圖2 中和劑選擇的思維模型

[查閱資料]工業(yè)酸堿性廢水處理的常用方法。

[設計意圖]通過學生設計并動手操作處理廢水達標的實驗，初步感受工業(yè)上用中和法處理酸堿性廢水的方法，通過探討實驗過程中生成的問題鏈和查閱資料，深入了解工業(yè)處理廢水的復雜性和進行定量分析的必要性，培養(yǎng)學生靈活、綜合、有效地處理復雜問題的能力，總結pH計算和中和劑選擇的思維模型，有助于提升學生化學知識結構化水平，發(fā)展化學核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)4：準確測定工業(yè)廢水中酸堿的濃度

[教師過渡]工業(yè)上選擇處理酸堿廢水的方法時往往要進行定量分析確定投料比，如何定量分析溶液中酸或堿的濃度呢？

[探究任務]準確測定廢水A中鹽酸的濃度。

[問題鏈]

(1)用什么方法測定呢？

(2)利用的原理是什么呢？

(3)中和滴定所需要的主要儀器有哪些？

(4)如何選擇酸堿指示劑呢？滴定終點的現象是什么呢？

(5)中和滴定怎么操作呢？

[分組實驗]學生根據提供的試劑：廢水A、0.10 mol·L-1NaOH溶液、酚酞試劑等，測定廢水A中鹽酸的濃度。

[問題鏈]實驗過程中生成四個問題：

(1)滴定終點時酸堿一定恰好中和嗎？

(2)酸堿指示劑的選擇對實驗結果影響大嗎？

[計算]0.10 mol·L-1NaOH溶液滴定20 mL 0.10 mol·L-1鹽酸，若少滴加半滴(體積大約為0.02 mL)和多滴加半滴pH分別為多少呢？(已知：lg2≈0.3，lg5≈0.7)

[教師演示1]用0.10 mol·L-1NaOH溶液滴定20.00 mL 廢水A溶液，用手持技術pH計測量并繪制pH曲線圖，如圖3所示。

圖3 氫氧化鈉滴定鹽酸pH曲線

[教師演示2]用0.10 mol·L-1NaOH溶液滴定20.00 mL 醋酸溶液，用手持技術pH計測量并繪制pH曲線圖，如圖4所示。

圖4 氫氧化鈉滴定醋酸pH曲線

(3)弱酸或弱堿參與的中和滴定，指示劑該如何選擇呢？

[學生活動]通過討論，分析思考、形成結論并歸納酸堿指示劑選擇的思維模型如圖5。

圖5 酸堿指示劑選擇的思維模型

(4)若滴定計算出的鹽酸濃度偏低，可能是哪些因素造成的呢？

[學生活動]通過討論，分析思考形成結論并歸納中和滴定誤差分析的思維模型如圖6。

圖6 中和滴定誤差分析的思維模型

[設計意圖]通過學生設計并動手測定廢水中酸的濃度，復習鞏固了酸堿中和滴定的基礎知識和基本技能，從推理計算和運用手持式技術進行探討指示劑對實驗誤差的影響，構建理論計算與實踐測量相互證實的學科認知模型，讓學生感知科技的進步對學科研究的幫助，進而激發(fā)學生學習化學的興趣和熱情。

環(huán)節(jié)5：利用所學知識解決實際問題

[教師過渡]測定和控制溶液的酸堿性在工農業(yè)生產和日常生活中具有重要的意義，下面舉幾個例子，請同學們思考。

[問題鏈]

(1)在工業(yè)生產中，溶液的pH是影響產品質量和產量的關鍵因素，查閱Fe3+、Cu2+、Mg2+開始和完全沉淀的pH，思考如何除去氯化鎂溶液中含有的氯化鐵和氯化銅雜質。

(2)在醫(yī)學中，治療胃酸過多可以使用碳酸氫鈉、氫氧化鋁等藥物，原理是什么呢？

(3)在生活中，蚊蟲叮咬皮膚時會釋放甲酸刺激皮膚，涂抹哪些物質可以緩解痛癢，消退紅腫呢？

(4)在農業(yè)生產和園林綠化中，不同農作物和綠植花卉對土壤酸堿性的要求不同，有些花卉，比如繡球花的花色受土壤酸堿度影響：偏堿性的土壤中花色為紅色，偏酸性的土壤中花色為藍色，土壤酸堿性改變的過程中花色還會變?yōu)樽仙头凵?。如何根據需求將繡球花進行調色呢？

[學生活動]通過討論，分析思考形成結論。

[設計意圖]通過幾道實例，不僅讓學生知道利用測定和控制溶液的酸堿性在工農業(yè)生產和日常生活中的重要性，也提高了他們運用知識解決實際問題的能力。

環(huán)節(jié)6：歸納總結自我評價

[教師總結]通過本節(jié)課的學習，我們不僅復習了溶液酸堿性的基礎知識，還掌握了如何設計實驗方案、pH的簡單計算、酸堿指示劑如何選擇等技能，提升了我們科學探究和解決問題的能力。請同學們從以下七個方面：判斷溶液的酸堿性、檢測溶液酸堿性的簡單方法、pH的簡單計算、酸堿中和滴定操作、酸堿指示劑的選擇、利用中和法處理工業(yè)酸堿性廢水、利用調節(jié)pH解決某些實際問題，從熟練掌握、基本掌握、有困難三個角度對自己進行評價。

[學生活動]總結反思完成自我評價。

[設計意圖]引導學生進行總結反思、自我評價，對學生存在的普遍問題進行針對性備課，為更好地發(fā)展學生學科素養(yǎng)提供依據。

四、教學反思

1.創(chuàng)設真實情境展開教學。本節(jié)課從工業(yè)廢水直接排放污染環(huán)境這一真實情境出發(fā)，衍生出三個學科問題，將化學知識通過情境活動與核心素養(yǎng)對接，幫助學生形成知識網絡。

2.生成問題鏈驅動教學。學生在設計實驗方案并實施方案的過程中產生多個問題，形成問題鏈，在解決問題的過程中，提高學生應用知識解決實際問題的能力。

3.歸納思維模型實現重難點突破。對解決問題的過程和方法進行證據推理并歸納總結形成思維模型，幫助學生形成結構化思維，實現重難點突破。