基于模型認知的高中化學項目式學習設計與實施

陳霞 車建偉 潘永根

關(guān)鍵詞：項目式學習;模型認知;海洋資源

一、項目主題分析

基于項目的學習是以學科的概念和原理為中心，以制作作品為目的，在真實的情境中，借助多種資源開展探究活動解決一系列相互關(guān)聯(lián)的問題，最終達到知識建構(gòu)和核心素養(yǎng)發(fā)展的一種學習模式[1]。本文探索在新授課中用項目式學習提高學生論證和交流能力，改變學生學習方式，促進學生核心素養(yǎng)的形成。

“海洋資源的開發(fā)與利用”是化學必修第二冊第八章的內(nèi)容，主要包括工業(yè)提取Br2的工藝流程和海水的綜合利用。作為新授課，教學重點應定位于工業(yè)提取海水中的化學物質(zhì)流程的設計與分析和化學學科價值的認識。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》必修課程主題5“化學與社會發(fā)展”要求認識化學科學與技術(shù)對我國的生產(chǎn)發(fā)展、人民生活富裕、生態(tài)良好發(fā)揮著重要作用。以海洋的開發(fā)利用為例，了解根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)及其變化綜合利用資源和能源的方法，樹立“綠色化學”的觀念，形成資源全面節(jié)約、物能循環(huán)利用的意識[2]。筆者選取幫助海島發(fā)展、開發(fā)海洋資源的真實情境，體現(xiàn)“化學能夠滿足人民日益增長的美好生活需要”的社會價值;以提取海水中的溴為例，建構(gòu)工業(yè)提取物質(zhì)的基本模型，再讓學生應用工業(yè)提取物質(zhì)的基本模型設計海水中提取鎂的流程，為開發(fā)海水中的其他資源奠定基礎，發(fā)展學生的“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng);由海水制溴和海水制鎂兩個項目，形成物能循環(huán)利用的意識，促進學生形成創(chuàng)造性思維，發(fā)展學生的“科學態(tài)度與社會責任”“科學探究與創(chuàng)新意識”等核心素養(yǎng)。

二、教學目標

（1）通過了解海水曬鹽的原理和海水曬鹽技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)歸納物質(zhì)分離的方法與適用范圍，為建構(gòu)工業(yè)生產(chǎn)模型奠定基礎，認識化學科學技術(shù)對生產(chǎn)發(fā)展的重要作用。

（2）通過設計和分析工業(yè)生產(chǎn)溴單質(zhì)的流程，建構(gòu)工業(yè)提取物質(zhì)的基本模型，認識化學知識和方法對實際工業(yè)生產(chǎn)的推進作用。

（3）設計工業(yè)生產(chǎn)金屬鎂的流程，提高學生實踐、合作、質(zhì)疑和創(chuàng)新的能力，了解物質(zhì)性質(zhì)及其變化、綜合利用資源的方法，認識化學科學與技術(shù)的發(fā)展對化工生產(chǎn)發(fā)展的重要性。

（4）樹立“綠色化學”的觀念，形成資源全面節(jié)約、物能循環(huán)利用的意識，深刻認識化學對創(chuàng)造更多物質(zhì)財富、滿足人民美好生活需要的重大貢獻。

三、教學流程

“高塘島鄉(xiāng)靠海吃?！?，本項目學習過程包括1個知識儲備環(huán)節(jié)和3 個核心環(huán)節(jié)：從海水中提取溴單質(zhì)、海水中提取鎂單質(zhì)、海水的聯(lián)合利用。組織學生完成項目任務，注重學生自主能動性，引導學生建構(gòu)工業(yè)提取物質(zhì)的流程模型，應用模型解決其他生產(chǎn)問題，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，最終達成課標要求的學習目標。

“海洋資源的開發(fā)與利用”項目式學習流程見表1。

四、學習過程

1. 項目背景——海島開發(fā)項目

寧波市象山縣高塘島鄉(xiāng)基本情況：島面積52.8平方千米，人口2萬人，2005年，全鄉(xiāng)社會總產(chǎn)值7.15億元，漁業(yè)總產(chǎn)值4.12億元。島上大多數(shù)居民以捕魚、幫漁、養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植為生，少數(shù)居民在小型化工廠工作，生產(chǎn)生活趨近原生態(tài)，農(nóng)漁民人均收入不高。（授課教師是寧波市象山縣高塘島鄉(xiāng)人，使海島的開發(fā)項目變得貼近學生生活。）

[教師]我們可以從海水中獲取哪些化學物質(zhì)？

[學生]食鹽。

[提供圖片]曬鹽和曬鹽蒸餾一體機（圖1）。

[教師]從海水中獲取食鹽屬于哪一種分離物質(zhì)的方法，除此之外，我們還學習過哪些分離物質(zhì)的方法？

[學生]總結(jié)物質(zhì)的分離方法（表2）。

2. 模型建構(gòu)——海水中提取溴單質(zhì)

[資料1]溴及其化合物的用途、金屬鎂的用途、碘單質(zhì)的用途、期貨價格。

[資料2]海水中溴元素以Br-形式存在，海水中Br-的濃度約為8.38×10-4 mol/L。

[資料3]通常狀況下，Br2是深紅棕色、密度比水大的液體，易揮發(fā)，沸點為58.8 ℃。

[資料4]海水由于弱酸性陰離子的水解作用而呈弱堿性。pH一般在8.0～8.5之間，表層海水通常穩(wěn)定在8.l±0.2左右，中、深層海水一般在7.8～7.5之間變動。

[教師]從氧化還原角度考慮，如何將Br-轉(zhuǎn)化為Br2？

[學生]需要加氧化劑。

[教師]你覺得可以加哪些氧化劑？

[學生1]H2O2。

[學生2]Cl2。

[學生3]KMnO4。

[教師]從氧化還原角度，大家說的氧化劑都可以將Br-轉(zhuǎn)化為Br2。接下來請同學們以同桌為小組單位，從原料獲得難易、價格等方面選擇合適的氧化劑，利用資料確定Br2的分離方法，初步畫出從海水中獲取Br2的流程。

[教師]轉(zhuǎn)化：選擇一些化學方法將原料轉(zhuǎn)化為目標物質(zhì)。

[教師]提供腳手架如圖2。

[學生]展示畫的流程圖，見圖3、圖4。

蒸發(fā)再收集就是蒸餾。

[教師]分離：根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)選擇合適的分離方法分離出目標物質(zhì)。

[教師]請同學們對比教材101頁圖8-4工業(yè)提取Br2的流程，找到我們畫的流程圖和教材中流程圖的區(qū)別，完成其中涉及的化學反應方程式或離子反應方程式，并思考為什么工業(yè)生產(chǎn)要這樣設計？

[學生1]用氯氣去氧化溴離子，但是后面又用SO2還原Br2，最后又用Cl2去氧化前一步生成的溴離子。

[學生2]在第一次用氯氣氧化Br-之后，用空氣把Br2吹出來了。

[教師]海水中的c（Br-）約為8.38×10-4mol/L。

[教師]1.向海水中直接通入Cl2得到的c（Br2）濃度大嗎？如果直接蒸餾含有Br2的海水會有什么問題？

[學生]大量的能耗，但是最后溴單質(zhì)的產(chǎn)量很少。

[教師]大家覺得在進入蒸餾塔中的HBr的濃度是高還是低？

[學生]肯定高，為了節(jié)約能耗。

[教師]大家覺得為什么工業(yè)生產(chǎn)要用SO2吸收第一次Cl2氧化得到的Br2呢？

[學生觀點]是為了提高Br-的濃度，降低后續(xù)蒸餾的能耗。

[教師]富集：通過一些方法提高某物質(zhì)濃度的過程。

[教師]在實際生產(chǎn)中，將溴單質(zhì)從水溶液中分離出來用了哪些分離方法？

[學生觀點]蒸餾，吹出。

[教師]呈現(xiàn)工業(yè)提取化學物質(zhì)基本模型（見圖5）。

3.模型運用——海水中提取鎂單質(zhì)

[教師]如何從海水中獲取金屬Mg？請前后4人為小組，討論并畫出工業(yè)制取金屬Mg的流程圖。其中，箭頭、方框、橢圓可以根據(jù)需要增加或刪除（見圖6）。

[資料1]海水中Mg2+濃度為0.05 mol/L。

[資料2]鎂的化合物的熔融溫度，一些試劑的價格（見表3、表4）。

[教師]

①富集：如何提高海水中Mg2+的濃度？

②分離：如何將鎂元素從海水中分離出來？

③轉(zhuǎn)化：應該用什么樣的方法冶煉得到金屬鎂？

[學生]展示畫的流程圖，見圖7、圖8。

[教師]兩個小組設計的流程圖有相同之處也有不同之處，請兩個小組各派一個代表說明自己的設計理由。

[小組代表1]海水中Mg2+濃度太低，所以我們選擇蒸發(fā)提高濃度;氫氧化鈣的價格比較低，所以我們選擇用氫氧化鈣溶液來沉淀Mg2+。對比另一小組的流程，我們忘記了加鹽酸后得到的是MgCl2溶液，應該要將MgCl2固體分離出來。

[小組代表2]雖然Ca（OH）2 的價格低，但是我們小組考慮到Ca（OH）2 溶解度低，實際操作產(chǎn)量低，所以我們選擇NaOH。

[教師]其他同學認為應該選擇Ca（OH）2 還是NaOH？

[學生1評價]考慮成本，可以選擇渾濁石灰水。

[小組代表2]那會引入沉淀Ca（OH）2 。

[學生2]可以選擇加入適量渾濁石灰水。

[教師]為什么選擇電解熔融MgCl2？

[學生]MgCl2熔點低，熔化時耗能小。

4.思維發(fā)散——海洋資源的綜合利用

[教師]海島上已有曬鹽工廠，請同學們考慮能否將制鎂項目和制溴項目進行聯(lián)合建廠，使得化工生產(chǎn)綠色化，讓物質(zhì)、能源的循環(huán)利用最大化。

[學生]交流討論，繪制海水綜合利用圖（見圖9、圖10）。

[小結(jié)]工業(yè)生產(chǎn)需要考慮反應進行的可能性、原料來源、成本高低、設備要求和環(huán)境保護等因素，因此可以聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)的原料和產(chǎn)品，充分利用各種海洋資源以達到物能循環(huán)、綜合效益最大化和綠色化學的目的。

[作業(yè)]利用所學知識，開發(fā)海洋資源，設計生產(chǎn)其他化學物質(zhì)。

五、反思與展望

項目式學習以建構(gòu)主義理論為指導，用小組合作方式進行規(guī)劃和解決項目任務，可以有效地促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展，對學生模型建構(gòu)、能力提高和學習動機有著良好的促進作用[3]?；陧椖渴綄W習思路，本課一方面選取海島實際情況為真實情境，將海洋資源的開發(fā)作為項目任務，提高學生項目設計的學習動機，認識化學對創(chuàng)造物質(zhì)財富、改善人民生活的重大貢獻;另一方面應用氧化還原反應知識和物質(zhì)分離方法初步設計理想的工業(yè)提取溴流程，對比工業(yè)實際提取溴的流程，優(yōu)化完善工業(yè)提取化學物質(zhì)的基本模型，并通過小組合作和交流，自行設計工業(yè)提取鎂的流程，深化模型的應用，形成工業(yè)流程設計的思路和方法[4]。在完成項目的過程中，學生一方面能夠初步構(gòu)建工業(yè)提取物質(zhì)的模型，聯(lián)系無機化合物的性質(zhì)與應用，另一方面學生也能夠體驗化學知識創(chuàng)造美好生活的喜悅。

在開展項目式學習中應以發(fā)展學生核心素養(yǎng)為指導，挖掘生產(chǎn)生活中與化學有關(guān)的現(xiàn)象與事實，精心設計能激發(fā)學生學習動機的項目任務，提供起引導作用的信息資料和階梯問題，提示學生應用已學知識解決實際問題。讓學生在完成項目任務的同時達成教學目標，落實核心素養(yǎng)。在開展項目學習的過程中會發(fā)現(xiàn)很多與預設不同的地方，例如：在本項目中，在選擇氫氧化鈣還是氫氧化鈉沉淀鎂離子的討論中，學生會因為缺乏溶解平衡相關(guān)知識考慮氫氧化鈣溶解性的問題，贊同選擇氫氧化鈉，教師應給予肯定，并作為課后研究問題，激發(fā)學生研究熱情或讓其他學生討論與評價，從而了解學生的學習心理，為之后的教學奠定基礎。在挖掘與化學有關(guān)的現(xiàn)象和事實的過程中，需要教師自身保持好奇心與研究意識，只有教師自身有著研究的心思，那么項目式學習設計才會有引人入勝的學習魅力。