基于化學(xué)學(xué)科理解的“從海水中提取鎂”教學(xué)設(shè)計(jì)*

吳風(fēng)琴

（江蘇省華羅庚中學(xué) 江蘇常州 213299）

一、化學(xué)學(xué)科理解的內(nèi)涵

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中明確指出：開展“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)，教師要進(jìn)一步增進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解?；瘜W(xué)學(xué)科理解是指教師對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)、思維方式的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)。［1］科學(xué)經(jīng)驗(yàn)傳遞理論認(rèn)為：科學(xué)教育的過程就是將人類已獲得的經(jīng)驗(yàn)傳遞給學(xué)生，學(xué)生通過消化吸收后內(nèi)化為自己的經(jīng)驗(yàn)。從人類已有的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)這個(gè)起點(diǎn)到學(xué)生習(xí)得經(jīng)驗(yàn)為終點(diǎn)，需要經(jīng)過課程化、教材化、教師化、學(xué)生化四個(gè)階段。教師化過程包含內(nèi)化、轉(zhuǎn)化和外化三個(gè)環(huán)節(jié)，其過程如圖1所示。［2］

圖1 教師化過程

教師應(yīng)從學(xué)科視角提升學(xué)科理解，基于課程標(biāo)準(zhǔn)精選教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)具有化學(xué)特質(zhì)的思維模型，開展以實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，指向問題解決，最終達(dá)成學(xué)科育人的價(jià)值目標(biāo)。

二、“從海水中提取鎂”的教材分析

“從海水中提取鎂”，位于蘇教版《普通高中教科書（化學(xué)必修第一冊(cè)）》專題3“從海水中獲得的化學(xué)物質(zhì)”中的第三單元，而人教版和魯科版教材都沒有此內(nèi)容。蘇教版教材以海水資源的綜合利用為背景，以“工業(yè)生產(chǎn)—性質(zhì)探究—社會(huì)應(yīng)用”為主線，將化學(xué)學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)置于真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)背景下開展，學(xué)生在獲取學(xué)科知識(shí)和習(xí)得基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，形成合理利用自然資源的觀念，提升可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)，從而對(duì)化學(xué)學(xué)科價(jià)值有全新的認(rèn)識(shí)。“海洋化學(xué)資源的綜合利用”共有4個(gè)內(nèi)容：粗鹽提純、從海水中提取溴、從海水中提取鎂和從海帶中提取碘，前3個(gè)內(nèi)容是從海水中提取物質(zhì)。筆者在實(shí)際教學(xué)中，調(diào)整教材學(xué)習(xí)順序，先學(xué)習(xí)溴、碘的提取，最后學(xué)習(xí)鎂的提取。通過從海水提取氯、溴、碘的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步掌握了物質(zhì)提取的基本原理和方法；通過氯和鈉的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本掌握了物質(zhì)分類、氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等基本概念。但學(xué)生在面對(duì)真實(shí)情境時(shí)，缺乏認(rèn)識(shí)具體物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化規(guī)律的切入點(diǎn)，也沒有形成認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的路徑。這就需要教師適時(shí)引導(dǎo)，激活學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)（如初中已學(xué)的金屬制備方法），使問題直觀化，降低學(xué)生的認(rèn)知難度。

三、基于學(xué)科理解的教學(xué)設(shè)計(jì)

化學(xué)學(xué)科理解的本原性方式，要求教師對(duì)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行本原性思考，凝練學(xué)科本原性問題；化學(xué)學(xué)科理解的結(jié)構(gòu)化方式，要求教師抽提出認(rèn)識(shí)視角和認(rèn)識(shí)思路，建構(gòu)關(guān)聯(lián)性的知識(shí)體系，形成有機(jī)的整體?；诨瘜W(xué)學(xué)科理解的“從海水中提取鎂”一課的教學(xué)內(nèi)容如圖2所示。

圖2 基于化學(xué)學(xué)科理解的“從海水中提取鎂”一課的教學(xué)內(nèi)容

以“素養(yǎng)為本”的化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)注重基于化學(xué)課堂教學(xué)板塊和化學(xué)學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)。［3］基于學(xué)科理解的教學(xué)板塊及學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)能驅(qū)動(dòng)學(xué)生的深度思考，幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)框架，學(xué)生在任務(wù)解決中深刻理解和掌握核心概念以及學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化、功能化、素養(yǎng)化。本節(jié)課通過展示鎂在航天、生活中的應(yīng)用，引發(fā)3個(gè)問題的思考：如何從海水和礦物中提取單質(zhì)鎂？鎂及其化合物具有怎樣的物理和化學(xué)性質(zhì)？如何構(gòu)建從自然界中提取化學(xué)物質(zhì)的思維模型？本節(jié)課沿著科學(xué)家的腳步探尋鎂的前世、今生、未來，認(rèn)識(shí)鎂的性質(zhì)，其中每個(gè)板塊又由若干個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)組成。教學(xué)板塊、教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)的關(guān)系見圖3。

圖3 教學(xué)板塊、教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)的關(guān)系

四、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

【教師活動(dòng)】展示鎂合金實(shí)物。展示鎂合金在日常生活以及航天領(lǐng)域應(yīng)用的圖片。

【學(xué)生活動(dòng)】觸摸實(shí)物。感受鎂在航空以及生活中的應(yīng)用，進(jìn)行討論、交流。

設(shè)計(jì)意圖：從新聞事件中感知鎂的相關(guān)應(yīng)用，讓學(xué)生感悟“為什么要制備鎂？”凸顯“從生活走進(jìn)化學(xué)”的學(xué)科視角。

2.追尋歷史，感受鎂提取過程的曲折

【教師活動(dòng)】化學(xué)史話：（1）1808年，英國化學(xué)家戴維電解汞和氧化鎂的混合物，得到鎂汞齊，將鎂汞齊中的汞蒸餾后，得到了銀白色的金屬鎂。（2）1828 年，法國科學(xué)家布西用金屬鉀和熔融無水氯化鎂發(fā)生置換反應(yīng)，制取了大量的金屬鎂。（3）二戰(zhàn)時(shí)期，對(duì)鎂合金的需求量急劇增加（航天、火炬以及照明彈），歐洲曾有四個(gè)工廠，采用碳熱還原工藝煉制鎂，但二戰(zhàn)后都倒閉了。

提問：由鎂的制備史分析，前人制鎂的過程中蘊(yùn)含了哪些化學(xué)原理？

【學(xué)生活動(dòng)】討論交流每種制備方法的利弊，分析總結(jié)制備金屬的方法。

設(shè)計(jì)意圖：通過概括、關(guān)聯(lián)等活動(dòng)，比較不同的金屬制備方案并分析金屬冶煉的共性，引導(dǎo)學(xué)生概括將金屬由化合態(tài)轉(zhuǎn)變成游離態(tài)的思路，凸顯氧化還原反應(yīng)理論在金屬制備中的應(yīng)用。

3.走進(jìn)現(xiàn)代制鎂工藝，感知含鎂化合物的性質(zhì)

【教師活動(dòng)】展示數(shù)據(jù)：海水中鎂的總量（1.8×1015t），常見鎂的化合物的溶解度如表1所示。

表1 常見鎂的化合物的溶解度（g）

【問題1】從易分離的角度思考如何將鎂從海水中提取出來？

【學(xué)生活動(dòng)】分析討論，依據(jù)物質(zhì)分離提純的“四原則”，可以加入堿使Mg2＋轉(zhuǎn)化為Mg（OH）2沉淀。

【教師活動(dòng)】展示海水中含有的主要離子的濃度（見表2）。

表2 海水中主要離子的濃度（mol/L）

【問題2】海水中c（Mg2+）=0.054 mol/L，在海水中加沉淀劑能否有沉淀？為什么？

【分組實(shí)驗(yàn)】將模擬海水［c（Mg2+）=0.053 mol/L］、模擬曬鹽后的母液［c（Mg2+）=3 mol/L］分別與NaOH溶液以及澄清石灰水反應(yīng)。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生兩人一組，分工合作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)比發(fā)現(xiàn)向模擬海水中加入堿（不管是NaOH溶液還是澄清石灰水）無沉淀生成，而向模擬曬鹽后的母液中加入一定濃度的NaOH溶液則有沉淀生成。說明當(dāng)離子濃度太小時(shí)產(chǎn)生的沉淀量少，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中必須對(duì)原料進(jìn)行富集。

【教師活動(dòng)】展示數(shù)據(jù)：2020 年的常見堿的價(jià)格（見表3）。

表3 常見堿的價(jià)格（元/噸）

【問題3】從原料來源以及節(jié)約成本的角度，應(yīng)選擇何種沉淀劑？這種沉淀劑可以通過怎樣的化學(xué)反應(yīng)獲得？

【學(xué)生活動(dòng)】從生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率兩個(gè)角度評(píng)價(jià)，選擇使用石灰乳沉淀Mg2+。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，讓學(xué)生感知“富集”的概念，逐步形成“原料分離提純、產(chǎn)品富集精制、條件控制”等技術(shù)思想，幫助學(xué)生樹立經(jīng)濟(jì)效益以及海洋資源綜合利用的意識(shí)，復(fù)習(xí)并鞏固分離與提純等實(shí)驗(yàn)方法。

【教師活動(dòng)】展示數(shù)據(jù)：常見鎂的化合物的熔點(diǎn)（見表4）。

表4 常見鎂的化合物的熔點(diǎn)（℃）

【問題4】如何實(shí)現(xiàn)Mg（OH）2到Mg的轉(zhuǎn)化？

【學(xué)生活動(dòng)】討論、總結(jié)制備Mg的可能途徑，并在討論中分析各種方法的利弊。

【問題5】選擇電解氯化鎂溶液制鎂，還是電解熔融氯化鎂制鎂，為什么？

【實(shí)驗(yàn)探究】Mg與水的反應(yīng)

【學(xué)生活動(dòng)】得出結(jié)論：鎂能與熱水反應(yīng)。聯(lián)系鈉的制備原理，得出選擇電解熔融氯化鎂制備鎂的結(jié)論。

【問題6】電解的副產(chǎn)物氯氣有什么用途？從產(chǎn)業(yè)鏈考慮，可以在電解廠的旁邊再建什么工廠？

【學(xué)生活動(dòng)】繪制從海水中提取鎂的流程圖，思考用氯氣制備HCl，HCl再與Mg（OH）2反應(yīng)生成MgCl2。

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)討論將鎂的化合物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)鎂，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力。繪制“海水→Mg2+→Mg”流程，將學(xué)生的思維外顯，在問題探討中凸顯循環(huán)使用、綠色化學(xué)等思想。

4.展示我國制鎂工藝（圖4），創(chuàng)設(shè)陌生情境，培養(yǎng)演繹推理能力

【教師活動(dòng)】展示中國的菱鎂礦、白云石礦的儲(chǔ)量信息。中國目前主要以皮江法冶煉鎂，皮江法冶煉鎂的工藝流程如圖4所示。

圖4 皮江法冶煉鎂的流程

【問題7】找出皮江法冶煉鎂工藝流程中的關(guān)鍵詞。

【問題8】還原（溫度為1200℃）后的鎂蒸氣（沸點(diǎn)為1090℃）可以用什么氣體冷卻？

【實(shí)驗(yàn)演示】Mg與CO2的反應(yīng)（用雪碧搖晃產(chǎn)生的CO2代替現(xiàn)場(chǎng)制備）

【學(xué)生活動(dòng)】分析流程圖中的各步驟。“粉碎”“磨粉”“壓團(tuán)”是工藝術(shù)語，代表物理過程；“煅燒”“還原”為化學(xué)過程；“高溫”“抽真空”是條件控制。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)真實(shí)復(fù)雜的問題情境，學(xué)生在尋找關(guān)鍵詞的過程中感受制鎂技術(shù)。“高溫”“抽真空”等條件映射出鎂及其化合物的性質(zhì)，冷凝氣體的選擇及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證培養(yǎng)了學(xué)生證據(jù)演繹、推理的能力。

5.分析目前制備的缺點(diǎn)，展望未來鎂的前景

【教師活動(dòng)】在生產(chǎn)實(shí)際中鎂的應(yīng)用不如鋁，請(qǐng)分析原因。

【學(xué)生活動(dòng)】①鎂在地殼中的含量低于鋁；②制備鎂的能耗高，且有大量的溫室氣體排出；③鎂的性質(zhì)比鋁活潑，耐腐蝕性差。

設(shè)計(jì)意圖：在綜合評(píng)價(jià)分析金屬鎂的制備、用途的活動(dòng)中，開展生生評(píng)價(jià)，拓寬學(xué)生視野，有利于學(xué)生高階思維的發(fā)展和化學(xué)價(jià)值觀的建構(gòu)。

五、教學(xué)反思

1.以“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”為載體，抽提認(rèn)識(shí)視角

從海水中提取鎂的過程是化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程：（1）將鎂的化合物從海水中分離出來；（2）將鎂的化合物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)鎂。在兩個(gè)主要學(xué)習(xí)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從微粒觀的視角理解Mg2+富集的本質(zhì)，進(jìn)行繪制流程圖、書寫離子方程式等一系列活動(dòng)，抽提出從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)視角認(rèn)識(shí)鎂的性質(zhì)和制備。不僅凸顯了“宏觀—微觀—符號(hào)”的思維路徑，還引導(dǎo)學(xué)生建立起“結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”之間的關(guān)聯(lián)。

2.以“問題鏈”引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建認(rèn)識(shí)思路

高質(zhì)量且有邏輯性的問題是思維的源泉和動(dòng)力，它能保證學(xué)生始終參與到深層次的認(rèn)知活動(dòng)之中。本節(jié)課設(shè)計(jì)了8 個(gè)問題，圍繞化學(xué)觀念的建構(gòu)而展開，學(xué)生在問題解決的過程中感悟到科學(xué)思維建構(gòu)的過程，加深對(duì)化學(xué)問題的本原性和結(jié)構(gòu)性的理解，并建構(gòu)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般思路以及制備活潑金屬的一般理論模型：“為什么要提取鎂？從哪里提取鎂？從混合物中如何分離得到鎂的化合物？如何將鎂的化合物轉(zhuǎn)化為鎂單質(zhì)？”學(xué)生在自我建構(gòu)的過程中，形成了超越事實(shí)的思維以及對(duì)學(xué)科的深層理解。

3.在理性思維中增進(jìn)對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解

“素養(yǎng)為本”的課堂倡導(dǎo)通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)、問題解決、具身學(xué)習(xí)等啟發(fā)學(xué)生的高階思維，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)對(duì)化學(xué)知識(shí)及基本觀念的理解。但并非所有的問題都能達(dá)到啟發(fā)學(xué)生、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的目的，不同水平層次的問題所引起的學(xué)生思維參與程度是不同的，在促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)理解方面的作用也不相同。［4］本節(jié)課提出的問題具有思維容量，同時(shí)兼具開放性，在問題解決過程中需要用比較、關(guān)聯(lián)、分析、類比、推理等理性思維。例如：化學(xué)史話中關(guān)于幾種煉鎂方法利弊的討論，學(xué)生在原理分析、金屬價(jià)格及能耗等數(shù)據(jù)比較中的綜合評(píng)判，不僅提升了基于數(shù)據(jù)的推理能力，還滲透了綠色化學(xué)的思想。在問題“海水中加沉淀劑是否有沉淀？”的解決過程中，通過幾組對(duì)照實(shí)驗(yàn)滲透了條件調(diào)控、成本控制等基本觀念。學(xué)生的化學(xué)學(xué)科理解在基于數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)證據(jù)的推理中得以增進(jìn)，突出了觀念建構(gòu)中的“理性思維”，還原了化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)特征。