走向真實(shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐

丁浩 黃金泉 韓竹海

摘要：鑒于傳統(tǒng)高三復(fù)習(xí)中存在的一些弊端，重構(gòu)以培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)為主旨，探討多模塊知識(shí)融合，選擇將知識(shí)情境化、情境問(wèn)題化的高三復(fù)習(xí)教學(xué)模式，形成了走向真實(shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)手段。文章以“滅菌劑ClO2的學(xué)習(xí)”為總?cè)蝿?wù)，分解成“實(shí)驗(yàn)室制取ClO2”和“ClO2的用途及其工作原理”兩個(gè)子任務(wù)，圍繞“ClO2的制備原理、實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)定ClO2水溶液的純度”以及“ClO2結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)、ClO2水體消毒原理及其副產(chǎn)物、水體除錳優(yōu)化條件探究”等方面探索高三復(fù)習(xí)課實(shí)施項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，以期體驗(yàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的物質(zhì)制備及性質(zhì)的探究過(guò)程，提升學(xué)生的學(xué)科關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：真實(shí)情境；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；高三復(fù)習(xí)；二氧化氯

文章編號(hào)：1008-0546（2022）01-0010-06中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.003

*本文系江蘇省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“‘教學(xué)做合一’思想下高中化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的研究”（批準(zhǔn)號(hào)：TY-c/2020/04）階段性成果。

一、問(wèn)題的提出

1.高三化學(xué)復(fù)習(xí)課現(xiàn)狀

高三復(fù)習(xí)課堂普遍存在著“乏味”的“題海戰(zhàn)術(shù)”，一方面教師“滔滔不絕”，另一方面學(xué)生卻“昏昏欲睡”，復(fù)習(xí)效率低下。老師們總喜歡憑借自己固有的經(jīng)驗(yàn)上課，喜歡按現(xiàn)成復(fù)習(xí)資料編排的體系上課，即所謂一輪復(fù)習(xí)梳理知識(shí)、二輪復(fù)習(xí)專(zhuān)題復(fù)習(xí)、三輪模擬訓(xùn)練，但這種做法耗時(shí)費(fèi)力；更有甚者江蘇高考近幾年來(lái)根本不涉及的內(nèi)容，有的老師卻還在樂(lè)此不疲地進(jìn)行“拉網(wǎng)式”復(fù)習(xí)，過(guò)度教學(xué)嚴(yán)重，造成了時(shí)間和精力的浪費(fèi)。這種“以題代練”的復(fù)習(xí)方式，高耗低效，把活生生的學(xué)生當(dāng)“做題機(jī)器”，結(jié)果是做了一些與高考不太相干的廢題，學(xué)生一旦遇到新情境的題目依舊是“一籌莫展”，甚至“無(wú)從下手”，顯然，高三的化學(xué)復(fù)習(xí)課堂令人堪憂(yōu)。

2.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)和基于綜合性問(wèn)題解決的主題式教學(xué)。而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是通過(guò)設(shè)置一個(gè)真實(shí)情境化的任務(wù)，學(xué)生作為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的主體在完成項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中與教師不斷對(duì)話(huà)來(lái)診斷其學(xué)習(xí)障礙點(diǎn)，發(fā)展其核心素養(yǎng)，同時(shí)解決問(wèn)題的綜合能力得到提升[1]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是秉承“做中學(xué)”的理念，讓學(xué)生在真實(shí)、復(fù)雜問(wèn)題的解決過(guò)程中提升理解和運(yùn)用化學(xué)知識(shí)的綜合能力，有效幫助學(xué)生將知識(shí)內(nèi)化為能力和素養(yǎng)，從而實(shí)現(xiàn)“知識(shí)、能力、素養(yǎng)”一體化的教學(xué)。

3.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在高三復(fù)習(xí)中的意義

針對(duì)高三復(fù)習(xí)課堂上“炒冷飯”的現(xiàn)象，實(shí)施項(xiàng)目式學(xué)習(xí)就顯得很有必要。一則項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是基于真實(shí)情境，能使學(xué)生感受到自己在學(xué)真實(shí)的化學(xué)，感受到化學(xué)知識(shí)的實(shí)用性，增強(qiáng)了學(xué)化學(xué)的內(nèi)驅(qū)力；二則學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的“以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以問(wèn)題為導(dǎo)向”的真實(shí)情境中，時(shí)時(shí)刻刻面臨新的問(wèn)題新的挑戰(zhàn)，他們?cè)诮鉀Q一個(gè)個(gè)真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中收獲了知識(shí)、提升了學(xué)科能力、培養(yǎng)了學(xué)科素養(yǎng)；再則項(xiàng)目式學(xué)習(xí)重視學(xué)科內(nèi)核心知識(shí)的融合，學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，能內(nèi)化學(xué)科內(nèi)核心知識(shí)，體驗(yàn)真實(shí)問(wèn)題的復(fù)雜性、綜合性，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生既能獨(dú)立思考又能共享交流，學(xué)生的思維不斷碰撞，思維品質(zhì)得以提升。

二、走向真實(shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.項(xiàng)目設(shè)計(jì)意圖

本節(jié)內(nèi)容選擇“滅菌消毒劑ClO2”作為項(xiàng)目主題，引領(lǐng)學(xué)生走向真實(shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)室制備ClO2過(guò)程中，體驗(yàn)從原理到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)再到實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的過(guò)程，培養(yǎng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的核心素養(yǎng)；在性質(zhì)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)過(guò)程中，體驗(yàn)“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-用途”的化學(xué)學(xué)科思想，培養(yǎng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的核心素養(yǎng)。

2.項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）通過(guò)ClO2制備原理的分析以及工業(yè)上制備方法的介紹，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)的豐富性，深刻體會(huì)到基礎(chǔ)理論的重要性。

（2）通過(guò)模擬工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室制備ClO2的設(shè)計(jì)，掌握并應(yīng)用“價(jià)-類(lèi)”二維圖設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化的一般方法，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室制取氣體的一般模型，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。

（3）通過(guò)ClO2消毒劑性質(zhì)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步理解“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-用途”的化學(xué)學(xué)科思想，樹(shù)立正確的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感。

3.項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)

項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

4.項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

引入：二氧化氯在殺菌消毒、水體處理、漂白除臭等方面具有安全、高效、環(huán)保和廣譜性，那么，何謂二氧化氯？

過(guò)渡：ClO2因?yàn)榫哂袣⒕芰?qiáng)，對(duì)人體及動(dòng)物沒(méi)有危害以及環(huán)境不造成二次污染等特點(diǎn)而備受人們的青睞。主要用途在自來(lái)水的消毒和面粉、木質(zhì)紙漿的漂白等。但是，ClO2極易分解發(fā)生爆炸，受熱、光照或遇有機(jī)物等能促進(jìn)氧化作用的物質(zhì)時(shí)，均會(huì)促進(jìn)分解甚至引起爆炸，因而需隨制隨用。實(shí)驗(yàn)室如何來(lái)制備二氧化氯？

任務(wù)一：實(shí)驗(yàn)室制取二氧化氯

活動(dòng)1：探究二氧化氯的制備原理

交流研討：常見(jiàn)的較穩(wěn)定的含氯物質(zhì)有HCl、Na？ Cl、Cl2、HClO2、NaClO2、NaClO、HClO4、NaClO3等。請(qǐng)以上述含氯物質(zhì)為原料，利用”價(jià)-類(lèi)”二維圖討論二氧化氯的制備方案（見(jiàn)圖2）。

學(xué)生：從“價(jià)-類(lèi)”二維圖中可知，上述含氯物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化氯均發(fā)生了化合價(jià)變化。從價(jià)態(tài)角度看，二氧化氯中氯元素價(jià)態(tài)為+4，處于中間價(jià)態(tài)，可以尋找較強(qiáng)的氧化劑，將低價(jià)態(tài)的氯元素氧化為二氧化氯；也可以尋找合適的還原劑，將高價(jià)態(tài)的氯元素還原成ClO2。

設(shè)計(jì)意圖：“價(jià)類(lèi)二維圖”是以元素為核心，從類(lèi)別和價(jià)態(tài)兩個(gè)角度來(lái)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的二維坐標(biāo)圖。高三復(fù)習(xí)階段，讓學(xué)生從價(jià)類(lèi)二維圖的角度分析物質(zhì)間可能的轉(zhuǎn)化，有助于學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系，形成多角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型。

提出問(wèn)題：如何尋找合適的氧化劑和還原劑？

知識(shí)鏈接：根據(jù)熱力學(xué)定義，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，可以根據(jù)電極電勢(shì)的大小判斷氧化劑、還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱和氧化還原反應(yīng)的方向。

交流研討：上述“價(jià)-類(lèi)”二維圖中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化均能實(shí)現(xiàn)嗎？請(qǐng)根據(jù)以下表1中常見(jiàn)氧化劑、還原劑電極電勢(shì)的大小[2]，從熱力學(xué)角度分析可能發(fā)生的制備二氧化氯的反應(yīng)原理，并解釋原因。

ClO2為黃綠色有強(qiáng)烈刺激性臭味的氣體，沸點(diǎn)為11℃；極易溶于水但與水不反應(yīng)，水溶液相對(duì)穩(wěn)定；溶于堿溶液生成亞氯酸鹽和氯酸鹽；空氣中的濃度超過(guò)10%便有爆炸危險(xiǎn)。

學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)思路：先使用亞硫酸鈉和中等濃度的硫酸制備SO2，然后將SO2氣體通入盛有氯酸鈉溶液和稀硫酸的燒瓶中進(jìn)行反應(yīng)，再用向上排空氣法收集產(chǎn)生的ClO2氣體，最后進(jìn)行尾氣處理。

提出問(wèn)題：用排空氣法收集ClO2是否存在安全隱患？如若存在安全隱患，如何進(jìn)行改進(jìn)？

學(xué)生：會(huì)產(chǎn)生安全隱患，根據(jù)信息當(dāng)空氣中的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)10%時(shí)便有爆炸危險(xiǎn)?？紤]到ClO2易溶于水，不與水反應(yīng)，且其水溶液較穩(wěn)定，因此我覺(jué)得可以用水直接吸收ClO2，這樣既可以防止爆炸，又便于課堂觀察。

提出問(wèn)題：用水直接吸收ClO2的想法不錯(cuò)，是用冰水好還是用常溫下的水好？

學(xué)生：肯定是用冰水好，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)只有11℃，溫度越低越好。

教師展示整套裝置（見(jiàn)圖3）并課堂演示：

活動(dòng)三：測(cè)定ClO2水溶液的純度

交流研討：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)定量測(cè)定ClO2溶液純度的實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生1：（沉淀質(zhì)量法）將ClO2轉(zhuǎn)化為Cl-，然后加入足量的經(jīng)硝酸酸化的硝酸銀溶液，過(guò)濾、洗滌、干燥，通過(guò)測(cè)定生成的AgCl質(zhì)量計(jì)算ClO2的純度。

學(xué)生2：（氣體質(zhì)量法）將ClO2轉(zhuǎn)化為Cl2，用過(guò)量的堿石灰吸收，通過(guò)測(cè)定堿石灰反應(yīng)前后的質(zhì)量差，測(cè)定Cl2質(zhì)量，計(jì)算ClO2純度。

學(xué)生3：（氣體體積法）將ClO2轉(zhuǎn)化為Cl2，用排飽和食鹽水法測(cè)定Cl2體積，通過(guò)測(cè)定生成的Cl2的體積，計(jì)算ClO2含量；

學(xué)生4：（滴定法）利用ClO2的氧化性，用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)液直接或間接滴定，找到標(biāo)準(zhǔn)液與ClO2的比例關(guān)系，通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)液消耗的量，計(jì)算ClO2純度。

教師一一點(diǎn)評(píng)，然后按照學(xué)生4的方案進(jìn)行演示（具體操作如下）：

學(xué)生：不清楚

教師：一般用作指示劑的淀粉通常是直鏈淀粉，是籠狀結(jié)構(gòu)，它會(huì)吸附I2，把它藏起來(lái)，如果不這樣操作，即使溶液的藍(lán)色消失，也不能說(shuō)明滴定達(dá)到終點(diǎn)，產(chǎn)生的誤差比較大。

設(shè)計(jì)意圖：意在引導(dǎo)學(xué)生重視真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境下的問(wèn)題解決，如實(shí)驗(yàn)過(guò)程的分析與理解，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的判斷與預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)條件的控制與優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)等。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的綜合能力，幫助學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理和方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案解決簡(jiǎn)單化學(xué)問(wèn)題。

任務(wù)二：ClO2的用途及工作原理

活動(dòng)1：ClO2結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)

交流研討：ClO2為V型分子，鍵角110.9°，氯原子的價(jià)電子排布為3s23p5，只有一個(gè)未成對(duì)電子，怎樣才能結(jié)合兩個(gè)氧原子的呢？ClO2中心原子的雜化方式、分子中的共價(jià)鍵的類(lèi)型以及分子的空間構(gòu)型是怎樣的？

學(xué)生：ClO2中，中心原子Cl為sp2雜化，其中兩個(gè)雜化軌道與O原子形成σ鍵，另一個(gè)雜化軌道有一孤電子對(duì)。根據(jù)價(jià)電子對(duì)互斥理論可知，排斥力：孤電子對(duì)-孤電子對(duì)>>孤電子對(duì)-成鍵電子對(duì)>>成鍵電子對(duì)-成鍵電子對(duì)，故氯氧鍵鍵角小于120°，為110.9°。這就決定了ClO2的空間構(gòu)型是V型或角型。

教師點(diǎn)評(píng)：回答得很好！投影ClO2分子的球棍模型（見(jiàn)圖4）。

提出問(wèn)題：ClO2的高效殺菌消毒能力和Cl2相比如何體現(xiàn)？

活動(dòng)2：ClO2水體消毒原理及其副產(chǎn)物

過(guò)渡：用傳統(tǒng)的液氯和氯氣處理自來(lái)水會(huì)產(chǎn)生三氯甲烷、氯酚、氯胺等致畸致癌物質(zhì)，而ClO2不會(huì)與水中的有機(jī)化合物反應(yīng)產(chǎn)生這類(lèi)有毒物質(zhì)，除了消毒、殺菌、除去金屬離子外，ClO2在自來(lái)水的除臭脫色等方面也有較好的效果。

二氧化氯發(fā)生過(guò)程中，原料反應(yīng)不充分，氯酸鹽隨著二氧化氯一起被投到待處理水中；二氧化氯不穩(wěn)定，暴露在陽(yáng)光下、高溫或者其他條件下自身分解，同時(shí)產(chǎn)生亞氯酸鹽和氯酸鹽；二氧化氯與被處理的水體作用時(shí)，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成亞氯酸鹽和氯酸鹽；在堿性水體中，二氧化氯發(fā)生歧化反應(yīng)生成亞氯酸鹽和氯酸鹽。

過(guò)渡：認(rèn)識(shí)副產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化過(guò)程的規(guī)律，有助于進(jìn)一步正確評(píng)價(jià)ClO2消毒工藝的安全性，為正確使用ClO2提供理論依據(jù)。

控制pH為7.0～8.0，調(diào)節(jié)ClO2的投入量，沉淀后水溶液Mn2+含量和ClO-2含量如圖6、圖7所示：

提出問(wèn)題：從上述圖像的變化趨勢(shì)中，你能得出什么結(jié)論？

學(xué)生1：錳的含量基本上隨pH升高而降低，故pH越高，越有利于Mn2+的去除。

學(xué)生2：ClO2濃度的增大一定程度上能增大Mn2+的去除率，pH在7～8時(shí)，ClO2的濃度越大，越有利于Mn2+的去除，但同時(shí)也會(huì)使副產(chǎn)物ClO-2的含量越來(lái)越高。

過(guò)渡：堿性溶液中，ClO2會(huì)歧化，如何控制二者的量以及ClO2的投加點(diǎn)？

探究二：ClO2投加時(shí)間點(diǎn)對(duì)除錳效果和亞氯酸鹽含量的影響（提示：同時(shí)是指ClO2和絮凝劑同時(shí)間點(diǎn)投加）

過(guò)渡：在其他條件相同的情況下，進(jìn)行不同投加時(shí)間點(diǎn)的預(yù)氧化除錳實(shí)驗(yàn)，測(cè)定Mn2+的去除率和ClO-2含量如圖8所示。

提出問(wèn)題：請(qǐng)根據(jù)圖像分析變化趨勢(shì)，由此你能得出什么結(jié)論？

學(xué)生1：由圖8（a）可知，投加時(shí)間點(diǎn)與絮凝劑投加時(shí)間點(diǎn)接近時(shí)，除錳效果較好，而在加入絮凝劑5min后投加ClO2的除錳效果相對(duì)最好。

學(xué)生2：由圖8（b）可知，亞氯酸鹽生成量主要取決于ClO2投加量，ClO2投加量越大，亞氯酸鹽生成量越大。隨著投加點(diǎn)越來(lái)越靠后，亞氯酸鹽生成量有減少趨勢(shì)。

教師總結(jié)：堿性條件下（較高pH）有利于ClO2和Mn2+反應(yīng)，即Mn2+易被氧化成四價(jià)錳而沉淀，從而提高除錳效果；同時(shí)，二氧化氯是一種酸性氣體，溶于水又會(huì)在一定程度上降低水的pH。

設(shè)計(jì)意圖：綜合應(yīng)用化學(xué)學(xué)科知識(shí)與方法解決復(fù)雜、陌生情境問(wèn)題，是學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的綜合體現(xiàn)。解決綜合探究性問(wèn)題首先要具有良好的信息素養(yǎng)，能有效地獲取和加工信息，建立情境信息與已有知識(shí)和問(wèn)題指向之間的聯(lián)系。其次要能準(zhǔn)確分析問(wèn)題情境，確定問(wèn)題指向，通過(guò)分析比較、類(lèi)比遷移、概括推理等方法，確定解決問(wèn)題的方向和途徑。高三復(fù)習(xí)階段如果一味單純地簡(jiǎn)單重復(fù)知識(shí)對(duì)大多數(shù)學(xué)生而言是無(wú)效的，只有經(jīng)過(guò)深度理解和構(gòu)建的知識(shí)，把知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決問(wèn)題的能力，才能在新的復(fù)雜情境中遷移運(yùn)用。如何培養(yǎng)學(xué)生在新情境中獲取、加工并處理信息的能力，平時(shí)教學(xué)中就要多多挖掘新素材、新情境加以訓(xùn)練。

小結(jié)：ClO2的用途，如殺菌消毒、脫色漂白、水處理劑、除臭、重金屬去除、保鮮、石油井去堵、滅藻等。

三、實(shí)踐反思

從本項(xiàng)目實(shí)施情況和課堂上學(xué)生的表現(xiàn)來(lái)看，學(xué)生的成就感和參與度明顯提升。究其原因一方面環(huán)環(huán)相扣的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題激發(fā)了他們極大的興趣，引發(fā)他們的思維碰撞，在面對(duì)真實(shí)的化學(xué)問(wèn)題情境時(shí)，他們充分運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識(shí)，努力嘗試著去解決，在一個(gè)個(gè)真實(shí)問(wèn)題的解決過(guò)程中收獲了知識(shí)、提升了學(xué)科關(guān)鍵能力、培養(yǎng)了學(xué)科素養(yǎng)；另一方面，教師通過(guò)有效的追問(wèn)促進(jìn)了學(xué)生不斷反思其認(rèn)識(shí)思路和角度，外顯其思維過(guò)程，診斷了學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展障礙點(diǎn)，提升了其解決問(wèn)題的能力，并潛移默化地指導(dǎo)學(xué)生在后續(xù)的元素化合物的學(xué)習(xí)中，主動(dòng)調(diào)用“價(jià)-類(lèi)”二維圖模型去解決問(wèn)題，自覺(jué)形成用二維圖工具復(fù)習(xí)其他元素及其化合物的思路和方法。

參考文獻(xiàn)

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