基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的化學(xué)計(jì)算教學(xué)探索

李芳芳 沈坤華

摘要：以“配制84消毒液”為項(xiàng)目主題，開展與物質(zhì)的量有關(guān)的各種化學(xué)計(jì)算教學(xué)，學(xué)生通過“計(jì)算制取氯氣時(shí)各種反應(yīng)物的需求量、生成物的產(chǎn)量、電子的轉(zhuǎn)移量“制取84消毒液時(shí)氫氧化鈉的需求量…‘構(gòu)建氧化還原類型計(jì)算模型”三個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，將各種物理量的計(jì)算結(jié)構(gòu)化，可視化。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目化；化學(xué)計(jì)算：物質(zhì)的量；84消毒液

文章編號：1008-0546（ 2022 ）llx-0019-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.llx.005

一、問題提出及研究現(xiàn)狀

《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標(biāo)》）中提出了項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的概念。[1]項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Problem based learning或Project basedleaming，簡稱PBL）是一種創(chuàng)造性解決實(shí)際問題的學(xué)習(xí)方式，注重幫助學(xué)生解決真實(shí)世界中復(fù)雜、非常規(guī)具有挑戰(zhàn)性的問題，是以小組合作的形式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者溝通合作、批判創(chuàng)新的高階認(rèn)知能力和工作方式。

PBL要與《課標(biāo)》對應(yīng)，一旦兩者對應(yīng)起來，就能確保這份學(xué)習(xí)經(jīng)歷是值得投入時(shí)間，學(xué)術(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)性就建立起來了。《課標(biāo)》要求能運(yùn)用定量計(jì)算說明物質(zhì)的組成與變化；能從質(zhì)量守恒分析化學(xué)變化，用化學(xué)計(jì)量單位定量分析化學(xué)反應(yīng)及其伴隨的能量轉(zhuǎn)化；能從定性和定量結(jié)合上收集證據(jù)，通過定性分析和定量計(jì)算推出合理結(jié)論；能用數(shù)據(jù)、圖表、符號等處理實(shí)驗(yàn)信息。化學(xué)計(jì)算是中學(xué)化學(xué)中一個(gè)重要的組成部分，也是學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中的一個(gè)難點(diǎn)，學(xué)起來枯燥乏味，在評價(jià)測試中又不易得分。怎樣調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)計(jì)算的積極性，選用最合適的方法準(zhǔn)確而快速地解決計(jì)算問題，對于學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率有著重要的意義。在實(shí)際的教學(xué)過程中要貼近生活、社會實(shí)際，重視化學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系，充分認(rèn)識化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動，創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問題情境，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)計(jì)算學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，實(shí)施“教、學(xué)、評”一體化。[2]本設(shè)計(jì)以“配制84消毒液”為項(xiàng)目主題，適合在學(xué)業(yè)水平測試復(fù)習(xí)或選考科目一輪復(fù)習(xí)中化學(xué)計(jì)算模塊展開教學(xué)。

二、設(shè)計(jì)思路

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征有“四真”：真實(shí)目標(biāo)、真實(shí)情境、真實(shí)學(xué)習(xí)、真實(shí)評價(jià)。確定真實(shí)目標(biāo)，根據(jù)課程主題和核心內(nèi)容選擇真實(shí)情境并形成課堂目標(biāo)，課堂目標(biāo)指向解決更高水平的真實(shí)問題，在問題的解決中落實(shí)核心知識、素養(yǎng)、方法、思維。圖1是本課的設(shè)計(jì)思路。

1．選擇真實(shí)的情境

真實(shí)的情境貼近生活實(shí)際，讓學(xué)生在不知不覺中進(jìn)入學(xué)習(xí)的狀態(tài)，本節(jié)課主要是化學(xué)計(jì)算的復(fù)習(xí)，若是按部就班地給出一些計(jì)算題目讓學(xué)生做后再講，會使課堂過于沉悶，學(xué)生興趣不高，效率低下。

將核心素養(yǎng)更好地落實(shí)到核心知識中來，打破計(jì)算知識的零碎化，利用疫情期間一瓶難求的84消毒液作為本節(jié)課的核心素材，借用制取消毒液這個(gè)真實(shí)情境來制定學(xué)習(xí)目標(biāo)，安排教學(xué)任務(wù)。

學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（1）通過制取84消毒液，回顧無機(jī)物轉(zhuǎn)化的一般方法，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析的能力，強(qiáng)化變化觀念與平衡思想。

（2）通過定量的計(jì)算，找到制備過程中最合適的藥品取用量，培養(yǎng)問題分析和問題解決能力。

（3）掌握氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移量的計(jì)算。

（4）通過實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，藥品無污染化處理，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感。

2．設(shè)計(jì)有效的情境問題

化學(xué)源于生活，寓于生活，用于生活，在教學(xué)過程中如果從學(xué)生熟悉的生活場景來設(shè)問引入，可以引導(dǎo)學(xué)生一步步地走向?qū)W習(xí)的目標(biāo)。在本節(jié)課的開頭，從新冠肺炎疫情出發(fā)，消毒液一瓶難求，你有好辦法嗎？提問式引入，引導(dǎo)學(xué)生回憶消毒液的成分和如何制取。緊接著拋出另一個(gè)問題：實(shí)驗(yàn)室如何制氯氣？引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)室制取氯氣的方法．引出化學(xué)方程式：2KMnO4+ 16HCl - 2MnCl2+2KCl+SCl2↑ +8H2O，進(jìn)入正題，進(jìn)行與物質(zhì)的量有關(guān)的一系列計(jì)算。

三、教學(xué)實(shí)錄

本設(shè)計(jì)以“配制84消毒液”為項(xiàng)目主題，教學(xué)流程如表1。

1．創(chuàng)設(shè)情境

[引入情境]這段時(shí)間，新冠病毒又有抬頭，想當(dāng)初，84消毒液一瓶難求，如果這個(gè)難題擺在你面前，你有什么好辦法嗎？

[展示]一瓶84消毒液，有效成分：次氯酸鈉。

[生]自己制。

[問題驅(qū)動1]我們怎么制氯氣呢？

[生]學(xué)生各種回答：可以用二氧化錳和濃鹽酸加熱，高錳酸鉀和鹽酸，電解飽和食鹽水……

[師]實(shí)驗(yàn)室常用二氧化錳和濃鹽酸加熱制氯氣，也可用高錳酸鉀和鹽酸，請大家寫出二氧化錳和高錳酸鉀分別和鹽酸反應(yīng)的方程式。

[學(xué)生]書寫反應(yīng)方程式。

2．欲制84，氯氣先行

[問題驅(qū)動2]現(xiàn)在有藥品：KMnO4固體和10 mol/L的鹽酸，儀器：大針筒若干。老師在大針筒中加入了0.316 g KMnO4固體（M=158 g/mol），請問：①為了不浪費(fèi)藥品，吸人多少毫升鹽酸比較合適？②考慮氣體的產(chǎn)量，應(yīng)選用什么規(guī)格的大針筒來收集氣體？（可供選擇的針筒有50 mL、100 mL、200 mL;常溫常壓下，氣體的摩爾體積約為24.5 Umol）

[生]列方程式進(jìn)行計(jì)算，教師投影展示。

[師]通過計(jì)算，制取氯氣的時(shí)候需選用200 mL的針筒，現(xiàn)在每個(gè)小組桌上，藥品有KMnO4固體、濃鹽酸、氫氧化鈉溶液；儀器有大針筒若干，三通閥。先拔出200 mL針筒的活塞，往針筒內(nèi)加入電子天平稱出的0.316 g KMnO4固體，裝上活塞，推到最里面，連接到三通閥的一端，再用另一個(gè)較小的針筒吸取稍大于1.6 mL的濃鹽酸（為了使KMn0。反應(yīng)更充分），接到三通閥另一接口，調(diào)節(jié)閥門使兩針筒相通，將濃鹽酸推入裝KMnO4固體的大針筒，觀察反應(yīng)進(jìn)行。如圖2，圖3所示。

[學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)]觀察現(xiàn)象，針筒中產(chǎn)生黃綠色氣體。

[追問]假設(shè)剛才我們的實(shí)驗(yàn)過程中KMnO4（0.316 g）全部消耗完，反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移了多少個(gè)電子？

[生]計(jì)算，教師展示學(xué)生書寫的計(jì)算過程。

求得電子轉(zhuǎn)移量為0.01 NA。

[問題驅(qū)動3]如何利用剛才得到的氯氣來制取84消毒液？

[生]用氫氧化鈉溶液吸收。

[師]我們來計(jì)算一下，要把0.005 mol的氯氣全部制成84消毒液，理論上需要2.0 mol/LNaOH溶液多少mL？

[學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)]用針筒吸取25 mL NaOH溶液，接上三通管后，聯(lián)通裝氯氣的針筒，觀察針筒內(nèi)氣體體積的變化。

[追問]我們來算一下，這樣制出來的84消毒液中有效氯的理論含量有多少？能不能和市面上出售的84消毒液媲美。一般市面上的84消毒液的有效氯含量在4%-7%左右。（84消毒液有效氯指含氯化合物中氧化能力相當(dāng)?shù)穆葰饬俊Ｋ惴ǎ捍温人徕c的物質(zhì)的量×2×35.5÷消毒液質(zhì)量，0.4 mol/LNaOH溶液密度近似等于1.1g/mL）

[生]計(jì)算得[0.005×2×35.5÷（0.005×2×35.5+5×1.1）]×100%-6%，合格。

[師]剛才我們計(jì)算并實(shí)踐了氯氣與氫氧化鈉溶液反應(yīng)制84消毒液的過程。Cl：與冷的NaOH溶液反應(yīng)：Cl2+2NaOH=NaCl+ NaClO+H2O，產(chǎn)物就是84消毒液的主要成分。但是實(shí)際上這個(gè)反應(yīng)是放熱的，隨著反應(yīng)溫度升高還會有副反應(yīng)，Cl：與熱的NaOH溶液反應(yīng)：3Cl2+6NaOH=△=5NaCl+ NaClO3+ 3H2O。

[真題展示]Cl：與NaOH溶液反應(yīng)可生成NaCl、NaCIO和NaCl03，c（CI-）和c（ClO-）的比值與反應(yīng)溫度有關(guān)。用24 g NaOH配成的250 mL溶液，與Cl2恰好完全反應(yīng)（忽略Cl2與水的反應(yīng)及溶液體積變化）。求：（I）NaOH溶液的物質(zhì)的量濃度____mol/L。

（2）某溫度下，反應(yīng)后溶液中c（Cl-）= 6c（ClO-），則溶液中c（CIO-）=____mol/L。

[模型構(gòu)建]

氧化還原型的計(jì)算關(guān)鍵是找到電子得失守恒和原子個(gè)數(shù)守恒，再列出相應(yīng)的方程式進(jìn)行解答。

本試題要求學(xué)生能運(yùn)用化學(xué)符號和定量計(jì)算等手段說明物質(zhì)的組成及其變化，能從質(zhì)量守恒的觀點(diǎn)看待和分析化學(xué)變化，能運(yùn)用化學(xué)計(jì)量單位定量分析化學(xué)變化。

四、教學(xué)反思

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)要求在課前有明確的項(xiàng)目主目標(biāo)（制取一瓶84消毒液）；在教學(xué)實(shí)施過程中對項(xiàng)目進(jìn)行拆解，制定具體的項(xiàng)目規(guī)劃（次目標(biāo)有：如何制取氯氣？有了氯氣怎么制84消毒液？）；引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，合作探究（通過計(jì)算如何選擇合適的藥品量，儀器規(guī)格），項(xiàng)目終端要有產(chǎn)品展示（得到84消毒液），評價(jià)交流（有效氯含量如何？）。

1．有效情境，環(huán)環(huán)相扣

真實(shí)的情境素材能喚醒學(xué)習(xí)意愿，鏈接舊有知識，引起情感共鳴，讓學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)與學(xué)習(xí)有關(guān)的問題，構(gòu)建概念、提煉觀點(diǎn)、訓(xùn)練思維、情感共鳴……情境素材越是貼近生活，越能驅(qū)動學(xué)生積極參與。本節(jié)課將枯燥的化學(xué)計(jì)算寄托在物質(zhì)制取的真實(shí)情境下，讓學(xué)生帶著明確的目的去計(jì)算，為后續(xù)的84消毒液的制取打下理論基礎(chǔ)。如在用針筒制取氯氣的時(shí)候?qū)W生會想，要是計(jì)算不準(zhǔn)確的話選錯(cuò)了針筒，容積不夠，氯氣泄漏出來后果就不堪設(shè)想！

2．減少污染，注重環(huán)保

用針筒來制取氯氣的裝置密封性非常好，現(xiàn)場幾乎聞不到刺激性氣味，包括氯氣的處理全部在針筒內(nèi)完成，在教室內(nèi)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全沒有污染。

3．課后延伸，深度學(xué)習(xí)

課后學(xué)生圍著實(shí)驗(yàn)儀器很感興趣，有位同學(xué)發(fā)現(xiàn)原來無色的濃鹽酸有點(diǎn)發(fā)黃，順著這個(gè)疑惑，讓學(xué)生去找原因，引導(dǎo)幾個(gè)比較感興趣的同學(xué)形成了一個(gè)研究小組。他們重復(fù)課堂上制取氯氣的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)研究后得出一條大家都覺得可行的結(jié)論：實(shí)驗(yàn)過程中，從鹽酸的試劑瓶里吸取液體時(shí)用到了不銹鋼制取的針頭，查閱資料發(fā)現(xiàn)，常用的不銹鋼針頭為鐵素體不銹鋼，除了主體元素為鐵元素以外還含11%-30%的鉻元素，以及少量的鉬、鈦、鈮等元素。當(dāng)針頭進(jìn)入鹽酸溶液吸取液體時(shí)，與鹽酸反應(yīng)形成二價(jià)鐵，二價(jià)鐵在空氣中慢慢被氧化成三價(jià)鐵之后顏色就出現(xiàn)黃色了。當(dāng)學(xué)生得出這一結(jié)論后，再引導(dǎo)學(xué)生試著用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究小組的同學(xué)將針頭取下后浸泡在鹽酸里，24小時(shí)后鹽酸的顏色變成了綠色。用硫氰化鉀檢驗(yàn)有血紅色產(chǎn)生，說明的確有三價(jià)鐵離子生成，但是為什么顏色那么綠呢？聯(lián)想到三價(jià)鉻離子的顏色也是亮綠色的，應(yīng)該是鉻也與鹽酸反應(yīng)出現(xiàn)了三價(jià)鉻離子，由于條件有限，未能后續(xù)驗(yàn)證。通過這次研究小組的學(xué)習(xí)，將課堂上發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行自主研究，不僅解了疑惑，還對合金、鐵及其化合物的知識有了更深刻的認(rèn)識。將短短40分鐘的課堂學(xué)習(xí)延伸到課堂之外，拓展了學(xué)習(xí)場域，實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

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