大概念統(tǒng)攝下的項目式教學(xué)設(shè)計與實踐

戰(zhàn)麗萍 梁詔才

摘要：以“鋅電解陽極泥中有價值金屬的提取”為真實情境，運用項目式教學(xué)進行化工流程專題的高三復(fù)習(xí)。以“變化觀念”與“平衡思想”兩個學(xué)科大概念為統(tǒng)攝，將項目設(shè)計成能力不斷進階的三個挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)，通過設(shè)計物質(zhì)轉(zhuǎn)化方案、物質(zhì)分離方案、解決真實化工流程問題，學(xué)生的元素觀、變化觀、平衡觀得到充分發(fā)展，能夠?qū)υ鼗衔铩崃W(xué)、水溶液、實驗化學(xué)等核心知識進行遷移應(yīng)用，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的育人價值。

關(guān)鍵詞：項目式教學(xué)；大概念；化工流程；鋅電解陽極泥；高三復(fù)習(xí)

文章編號：1008-0546（2023）09-0014-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.003

一、項目教學(xué)主題分析

在當前素養(yǎng)為本、深化課程改革的背景下，以學(xué)科大概念為抓手開展單元教學(xué)被認為是學(xué)科核心素養(yǎng)落地的重要途徑。[1]積極踐行項目化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在深度學(xué)習(xí)中提升學(xué)科關(guān)鍵能力，是應(yīng)對基于高考評價體系的化學(xué)試題的重要措施。[2]傳統(tǒng)高三復(fù)習(xí)課的普遍模式是機械地對新授課的內(nèi)容進行迅速的重復(fù)，然后進入“題海戰(zhàn)術(shù)”，難以形成學(xué)科大概念來解決真實問題。本項目以“鋅電解陽極泥中有價值金屬的提取工藝研究”為真實情境，[3]將其設(shè)計成單元項目式教學(xué)，可用于高三復(fù)習(xí)課。從真實的化工生產(chǎn)情境中抽提出學(xué)科大概念進行統(tǒng)攝引領(lǐng)，指導(dǎo)學(xué)生利用相關(guān)知識與信息資料開展研究、設(shè)計和分析，最終解決問題并展示和分享項目成果，促進學(xué)生化學(xué)觀念的形成及學(xué)科大概念的建構(gòu)。

1．項目的育人價值

鋅是繼鐵、鋁及銅之后的第四大常見金屬，主要應(yīng)用于汽車、家電、電池等領(lǐng)域，80%以上的金屬鋅采用濕法冶鋅技術(shù)提取，但濕法冶鋅會產(chǎn)生大量的電解陽極泥。大量的鋅電解陽極泥被當作廢棄物堆積存放，長期暴露在室外，陽極泥中的重金屬隨雨水滲入地表，并流人地下水，嚴重威脅人類生活和生態(tài)環(huán)境，岡此，建立鋅電解陽極泥的環(huán)境友好、經(jīng)濟可行的綜合回收利用方案，勢在必行。[3]

“鋅電解陽極泥中有價值金屬的提取”項目的育人價值見圖1，本項目以培育學(xué)生的“變化觀念與平衡思想”為目標，以“變化觀念”與“平衡思想”學(xué)科大概念進行統(tǒng)攝，利用價類二維設(shè)計轉(zhuǎn)化路線，建立物質(zhì)轉(zhuǎn)化次級大概念，滲透綠色化學(xué)思想；利用物質(zhì)性質(zhì)的差異進行復(fù)雜體系下物質(zhì)分離提純方案的設(shè)計，幫助學(xué)生形成在復(fù)雜體系中利用熱力學(xué)及物質(zhì)轉(zhuǎn)化次級大概念解決問題的思想；利用元素守恒思想與反應(yīng)原理基本理論，對鋅電解陽極泥中有價值金屬提取的工藝進行研究，對解決化工流程問題的基本思路進行梳理，培養(yǎng)模型認知及科學(xué)觀念。

2．項目的內(nèi)容結(jié)構(gòu)

“鋅電解陽極泥中有價值金屬的提取”涉及多個學(xué)科模塊的內(nèi)容：依據(jù)價類二維思維模型進行MnO7到Mr-iSO4轉(zhuǎn)化路徑的設(shè)計是必修模塊元素化合物知識體系的核心知識；從Mr-iSO4溶液中分離提純Mr-iSO4．H20，涉及簡單體系下結(jié)晶水合物的分離提純操作，屬于實驗化學(xué)的重要內(nèi)容；復(fù)雜體系（ MriO2. PbSO4、ZnO.Ag）中各物質(zhì)的分離利用，需綜合利用物質(zhì)性質(zhì)的差異進行分離方案的設(shè)計，同時還涉及分離提純操作；分析鋅電解陽極泥中有價值金屬提取的工藝流程，涉及物料的循環(huán)利用、綠色化學(xué)、條件的選擇，屬于工程的內(nèi)容，還涉及各種數(shù)據(jù)及曲線的分析應(yīng)用。

二、項目教學(xué)目標

1．通過簡單體系下Mr-iSO4溶液的制備及Mr-iSO4．H2O分離提純方案的設(shè)計，提高學(xué)生利用“價一類”二維思想解決真實問題的能力，幫助學(xué)生建立從簡單水溶液體系中獲得結(jié)晶水合物的實驗操作思維模型。

2．通過對復(fù)雜體系下有價金屬的分離利用路徑進行設(shè)計，幫助學(xué)生建立利用化學(xué)反應(yīng)原理及物質(zhì)理化性質(zhì)的差異進行物質(zhì)分離提純的思維方式。

3．通過對鋅電解陽極泥中有價金屬提取的工藝進行研究，幫助學(xué)生形成解決復(fù)雜體系下工藝流程問題的思路，能運用思路解決新的化工流程類問題。

三、項目實施過程

1．簡單體系下MriSO4．H2O的制備

活動1：物質(zhì)轉(zhuǎn)化方案的設(shè)計。

【情境導(dǎo)入】展示鋅在汽車、電氣設(shè)備、電池等領(lǐng)域應(yīng)用的圖片，學(xué)生感受鋅在國民生產(chǎn)中的重要地位；同時展示鋅電解陽極泥的圖片，指出其中有大量可回收利用的金屬，如若這些重金屬露置在空氣中，隨著雨水進入地下水會危害我們生活的環(huán)境?？茖W(xué)家一直致力于研究鋅電解陽極泥的回收利用，同學(xué)們是否也躍躍欲試呢？接下來的三個課時，就讓老師帶領(lǐng)大家一步步地走近鋅電解陽極泥的有價值的金屬提取、回收應(yīng)用。

【教師】鋅電解陽極泥中含MnO2，如何將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)用于印染、造紙、醫(yī)藥工業(yè)的Mr-iSO4．H2O？

【學(xué)生】MnSO4．H2O是結(jié)晶水合物，只能從Mr-iSO4溶液中分離提純。

【教師】請設(shè)計MnO2到Mr-iSO4溶液的轉(zhuǎn)化方案。提供的試劑：MnO2）、稀硫酸、濃鹽酸、葡萄糖溶液、Na2SO3溶液、蒸餾水。

【方案展示】①濃鹽酸與MnO2反應(yīng)，再加入稀硫酸；②Na2SO3溶液與稀硫酸制備SO2，將MnO2溶于S02的水溶液；③MnO2）與Na2SO3溶液反應(yīng)；④MnO2與葡萄糖溶液反應(yīng)，再加入稀硫酸。

【教師追問】請說明選擇反應(yīng)試劑的依據(jù)。

【學(xué)生】利用價類二維轉(zhuǎn)化思路設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑，MnO2巾+4價的Mn轉(zhuǎn)化成為+2價的Mn，需加還原劑，且需從元素觀的角度思考問題，引入SO4一。

活動2：轉(zhuǎn)化方案的優(yōu)化。

【教師】分析同學(xué)們的方案設(shè)計，許多同學(xué)采取方案②，請說明原因。

【學(xué)生】MnO2溶于SO2的水溶液恰好反應(yīng)生成Mr-iSO4溶液，原子利用率100% ，是最佳選擇。

【教師】請評價方案①的可行性。

【學(xué)生】方案①生成有毒的C12，直接排放污染空氣，需進行尾氣處理，從綠色化學(xué)的角度排除該方案。另外，獲得的MriS04溶液含有雜質(zhì)——氯離子。

【教師】請繼續(xù)評價方案②。

【學(xué)生】SO2最好現(xiàn)用現(xiàn)制，且SO2有毒，反應(yīng)時要避免污染。

【教師】③和④方案選擇葡萄糖或Na2SO3溶液做還原劑，請評價這兩個方案。

【學(xué)生】這兩種反應(yīng)物回避了污染環(huán)境問題，且相對易得，但兩者各有優(yōu)缺點，Na2SO3溶液做還原劑可直接生成硫酸根離子，但會引入雜質(zhì)Na+；葡萄糖做還原劑不會引入雜質(zhì)，但需加入稀硫酸才能生成硫酸錳溶液。

【教師】分析得很全面，難以找到一種十全十美的還原劑來反應(yīng)，在真實的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮多方面因素。在以上選擇試劑的過程中，你綜合考慮了哪些因素？

【學(xué)生】先利用價類二維思想來選擇試劑，同時需考慮綠色化學(xué)、原子經(jīng)濟性等因素。

活動3：MnSO4．H2O的分離提取

【教師】如何從Mr-iSO4溶液中得到Mr-iSO4．H2O晶體？已知Mr-iS04結(jié)晶水合物的溶解度曲線如圖3所示。

【學(xué)生】高于40℃時，隨著溫度升高，MnSO4．H2O的溶解度逐漸降低，因此采用蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾的操作。

【教師】還有哪些結(jié)晶方法？它們應(yīng)用的條件是什么？

【學(xué)生】蒸發(fā)結(jié)晶，當溶質(zhì)的溶解度隨溫度變化不大，比如當NaCI溶液中混有少量KNO3時，可采用這種方法提純NaCl；蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶，當溶質(zhì)的溶解度隨溫度變化較大，比如當KNO3溶液中混有少量NaCI時可采用這種方法提純KNO3，制備結(jié)晶水合物時也需用降溫結(jié)晶的方法。

【教師】MnSO4．H2O同樣是結(jié)晶水合物，為何不采用蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶的方法呢？

【學(xué)生】分析圖像，MnSO4．H2O的溶解度隨著溫度升高而降低，一旦降溫，結(jié)晶反而溶解，岡此，必須蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾。

【教師】當我們分析問題時，一定要結(jié)合信息資料解決問題，具體情況具體分析，而非定勢思維、死記硬背。在建立NaCI和KNO3相互除雜思維模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合晶體的溶解特性，便可以解決復(fù)雜多變的晶體分離提純問題。

2．復(fù)雜體系下有價值金屬的提取

已知：鋅電解陽極泥中除含有MnO2外，還含有PbSO4、ZnO禾口Ag。

活動1：復(fù)雜體系中物質(zhì)的初步分離——將ZnO、MnO2與PbSO4.Ag分離。

【教師】如何進行初步分離？已知：經(jīng)過分離，Zn與Mn元素可以化合態(tài)存在。

【學(xué)生】稀硫酸溶解ZnO，過濾獲得混合物沉淀（ MnO2、PbSO4.Ag）及Zr-iSO4溶液，采用還原劑溶解混合物沉淀中的MnO2，過濾獲得PbSO4和Ag的混合物。

活動2：復(fù)雜體系中物質(zhì)的進一步分離——分離PbSO4和Ag。

【教師】請設(shè)計PbSO4及Ag的分離提純方案。已知：Ksp（ PbSO4） =1.6×l0-8，Ksp（ PbCO3） =7.4×l0-14，醋酸鉛易溶于水。

【方案展示】方案①以溶解Ag為目標，采用稀硝酸，反應(yīng)生成AgNO3溶液，再通過金屬置換或電解生成Ag，但該方案生成AgNO3的過程中會生成有毒的氮氧化物，有一定的缺陷；方案②以溶解PbSO4為目標，將PbSO4轉(zhuǎn)化為更難溶的PbC03沉淀，再將PbCO3溶于醋酸而與Ag分離，再將Pb2+沉淀為PbSO4。

【教師】工業(yè)上采取的分離流程如圖4所示，請分析其中涉及的反應(yīng)。

【學(xué)生】加入Na2CO3溶液發(fā)生沉淀的轉(zhuǎn)化：

PbSO4（s）+CO3==PbCO3（s）+ SO2一；加入醋酸后發(fā)生反應(yīng)：PbCO3+2CH3COOH ==Pb （CH3COO）2+H2O+CO2↑；向醋酸鉛溶液中加硫酸發(fā)生反應(yīng)Pb （CH3COO）2+H2SO4==PbSO4↓+2CH3COOH.

【教師】你能結(jié)合以上物質(zhì)分離方案，總結(jié)分離物質(zhì)的方法嗎？

【學(xué)生】借助物質(zhì)物理性質(zhì)的差異，比如溶解度，若物質(zhì)在溶劑水中溶解度不同，可通過過濾分離；若物質(zhì)在有機物溶劑中溶解度不同，可通過分液分離；若物質(zhì)熔沸點不同可通過蒸餾分離；若兩種物質(zhì)物理性質(zhì)沒有較大差異，可利用化學(xué)性質(zhì)的差異，通過化學(xué)反應(yīng)進行分離。

【教師】總體思路是根據(jù)物理及化學(xué)性質(zhì)的差異進行物質(zhì)的分離。

3．鋅電解陽極泥中有價值金屬提取的工藝研究

鋅電解陽極泥（主要成分為MnO2、PbSO4和ZnO，還有少量錳鉛氧化物Pb7Mn8O16和Ag）是冶鋅過程中產(chǎn)生的廢渣，一種回收利用鋅電解陽極泥中金屬元素鋅、錳、鉛和銀的工藝如圖5所示。

活動1：核心反應(yīng)試劑的選擇及反應(yīng)條件的選擇。

【教師】已知：工業(yè)級葡萄糖和Na2SO3分別為1500元．t-11和2300元．t-1，選擇哪一種物質(zhì)進行還原酸浸？你的依據(jù)是什么？

【學(xué)生】葡萄糖，價格便宜。

【教師】在工業(yè)上選擇原料，只從價格一個維度來進行衡量嗎？

【學(xué)生】不能僅考慮價格一個因素，還需考慮用量。根據(jù)氧化還原反應(yīng)基本規(guī)律進行用量的計算，葡萄糖～12MnO2，Na？SO3～MnO2，處理87 kg MnO2需消耗15 kg葡萄糖或142 kgNa2SO3，葡萄糖不僅價格相對低廉且消耗量少。另外，之前我們分析過，如果采用Na2SO3會引入雜質(zhì)離子，導(dǎo)致MnSO4溶液不純。因此，最佳還原試劑是葡萄糖。

【教師】還原酸浸是該提取工藝中非常重要的環(huán)節(jié)，如何提高單位時間內(nèi)錳的浸出率？

【學(xué)生】可通過攪拌、升高溫度、提高葡萄糖的投入量來提高反應(yīng)速率，以提高單位時間內(nèi)錳的浸出率。

【教師】在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度和葡萄糖的投入量可以無限提高嗎？

【學(xué)生】不可以，要考慮投入和產(chǎn)出比的問題，涉及儀器耗能、成本、效率等因素。

【教師】已知反應(yīng)溫度、葡萄糖加入量、反應(yīng)時間對錳浸山率的影響如圖6所示，請選擇最佳反應(yīng)溫度、葡萄糖加入量及反應(yīng)時間。

【學(xué)生】綜合選擇反應(yīng)溫度為120℃左右、葡萄糖加入量為0.24 9．g渣-1、反應(yīng)時間為120 min。

活動2探尋工藝流程中的工程思維

【教師】已知：Ksp （PbSO4） =1.6×l0-8， Ksp （PbCO3）=7.4×l0-14。

（1）加入Na2CO3溶液的目的是將PbSO4轉(zhuǎn)化為PbCO3，該沉淀轉(zhuǎn)化能徹底進行嗎？

（2）當Pb2+恰好沉淀完全時（當溶液中某離子濃度c≤1.0×10-5mol．L-1時，可認為該離子沉淀完全），加入Na2C03溶液的最低濃度是多少？

【學(xué)生】PbSO4（s）+CO2-==bCO3（s）+ SO2-一，根據(jù)Ksp （PbSO4） =1.6×10-8， Ksp（ PbCO3）=7.4xl0-14計算該反應(yīng)平衡常數(shù)K=1.6>< 10-8/7.4×10-14=2.16x105>1×105，該轉(zhuǎn)化能徹底進行；當Pb2+恰好沉淀完全時，根據(jù)Ksp （PbCO3）計算溶液中CO3一的濃度：c=Ksp（PbCO3）/1.0×10-5=7.4x10-9mol. L-1，所需Na2CO3溶液濃度極低，再度印證該沉淀轉(zhuǎn)化反應(yīng)極易進行。

【教師】該工藝流程中，哪種物質(zhì)可以循環(huán)利用？

【學(xué)生】CH3COOH，因為H2SO4加入到Pb（CH3COO）2溶液中，可生成PbSO4和CH3COOH。

活動3：梳理解決化工流程問題的基本思路。

【學(xué)生展示】學(xué)生小組交流，互相評價，展示其建立的解決真實化工流程問題的思維路徑如圖7所示。

四、項目教學(xué)評價

該項目式教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生利用統(tǒng)攝性的大概念解決真實復(fù)雜的化工流程問題，雖然紙筆測試的評價方式可以反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，但不夠準確與全面。因此，在該項目式教學(xué)的實施過程中，設(shè)計課堂表現(xiàn)觀察量表如表1所示，以過程性和表現(xiàn)性評價相結(jié)合的方式，根據(jù)學(xué)生的綜合表現(xiàn)來衡量項目實施效果。

從學(xué)生課堂反饋情況來看，關(guān)于任務(wù)1和任務(wù)2中分離方案的設(shè)計，大約70%的學(xué)生能夠自主調(diào)用“價類二維”思維模型來解決問題，其中大約30%的學(xué)生在設(shè)計實驗方案時能夠多角度、全方面地思考問題，考慮到綠色化學(xué)、原子經(jīng)濟性等問題；關(guān)于結(jié)晶水合物的分離提純，約20%的學(xué)生能夠提取信息、綜合分析，提出正確的分離提純方案；在任務(wù)3的解決過程中，大多數(shù)同學(xué)能夠準確地選擇還原劑及優(yōu)化反應(yīng)條件，大約40%的同學(xué)能夠建立解決化工流程問題的思維模型。實施本項目后，選擇2021年全國乙卷中的化工流程題作為紙筆測試，學(xué)生作答情況較以往有所提升，項目實施效果顯著。

五、項目教學(xué)效果及反思

本項目通過設(shè)計三個不同復(fù)雜程度的學(xué)習(xí)任務(wù)，進行大概念統(tǒng)攝下的單元項目式教學(xué)設(shè)計，發(fā)展學(xué)生的變化觀念與平衡思想及科學(xué)態(tài)度與社會責任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生歷經(jīng)三課時的項目化學(xué)習(xí)，獲得以下成長：

一是從真實的挑戰(zhàn)性任務(wù)出發(fā)，激發(fā)學(xué)生主動探究的熱情。本項目將鋅電解陽極泥中有價值金屬提取的內(nèi)核指向價類二維觀分析物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及物質(zhì)分離提純等一系列真實復(fù)雜且具有高度挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)。通過設(shè)計這一挑戰(zhàn)性任務(wù)，將問題拆解成三個學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生在解決問題的過程中，像科學(xué)家一樣思考問題，體會到所學(xué)高中化學(xué)知識在推動人類生產(chǎn)生活進程中舉足輕重的地位。

二是精心設(shè)計交流研討問題，驅(qū)動學(xué)生有效思考。鋅電解陽極泥中有價值金屬的提取這一過程復(fù)雜且涉及多個知識層級，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)進階水平，精心設(shè)計問題，驅(qū)動學(xué)生有效解決問題。其中學(xué)生的匯報展示、多形式學(xué)生活動，推動學(xué)生認識提取過程的核心反應(yīng)及分離提取路徑，幫助學(xué)生形成解決問題的思維模型，發(fā)展其解決問題的能力水平。

三是突出評價的作用，關(guān)注學(xué)生項目目標的達成。脫離目標教學(xué)的項目式教學(xué)就如無源之水、無本之木，課堂一切的教學(xué)活動均為目標的達成而服務(wù)，目標的達成與否需要特別關(guān)注評價的作用。在課堂的推進過程中，教師善用教師評價、生生互評，推動學(xué)生思維的交流及提升。評價量表的使用以及應(yīng)用建立的“解決化工流程問題的基本思路”去處理新的真實問題，均可幫助師生很好地評價目標的達成情況，學(xué)生有的放矢地去診斷其模型的建構(gòu)情況及新情境新問題的解決水平。

參考文獻

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