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聯的問題，最終達到知識建構和核心素養發展的一種學習模式[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，促進學生核心素養的形成。

“海洋資源的開發與利用”是化學必修第二冊第八章的內容，主要包括工業提取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提取海水中的化學物質流程的設計與分析和化學學科價值的認識?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》必修課程主題5“化學與社會發展”要求認識化學科學與技術對我國的生產發展、人民生活富裕、生態良好發揮著重要作用。以海洋的開發利用為例，了解根據物質性質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，形成資源全面節約、物能循環利用的意識[2]。筆者選取幫助海島發展、開發海洋資源的真實情境，體現“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，建構工業提取物質的基本模型，再讓學生應用工業提取物質的基本模型設計海水中提取鎂的流程，為開發海水中的其他資源奠定基礎，發展學生的“證據推理與模型認知”核心素養;由海水制溴和海水制鎂兩個項目，形成物能循環利用的意識，促進學生形成創造性思維，發展學生的“科學態度與社會責任”“科學探究與創新意識”等核心素養。

二、教學目標

（1）通過了解海水曬鹽的原理和海水曬鹽技術的發展，總結歸納物質分離的方法與適用范圍，為建構工業生產模型奠定基礎，認識化學科學技術對生產發展的重要作用。

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

（3）設計工業生產金屬鎂的流程，提高學生實踐、合作、質疑和創新的能力，了解物質性質及其變化、綜合利用資源的方法，認識化學科學與技術的發展對化工生產發展的重要性。

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

三、教學流程

“高塘島鄉靠海吃?！?，本項目學習過程包括1個知識儲備環節和3 個核心環節：從海水中提取溴單質、海水中提取鎂單質、海水的聯合利用。組織學生完成項目任務，注重學生自主能動性，引導學生建構工業提取物質的流程模型，應用模型解決其他生產問題，發展學生的核心素養，最終達成課標要求的學習目標。

“海洋資源的開發與利用”項目式學習流程見表1。

四、學習過程

1. 項目背景——海島開發項目

寧波市象山縣高塘島鄉基本情況：島面積52.8平方千米，人口2萬人，2005年，全鄉社會總產值7.15億元，漁業總產值4.12億元。島上大多數居民以捕魚、幫漁、養殖和農業種植為生，少數居民在小型化工廠工作，生產生活趨近原生態，農漁民人均收入不高。（授課教師是寧波市象山縣高塘島鄉人，使海島的開發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？

[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的方法，除此之外，我們還學習過哪些分離物質的方法？

[學生]總結物質的分離方法（表2）。

2. 模型建構——海水中提取溴單質

[資料1]溴及其化合物的用途、金屬鎂的用途、碘單質的用途、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，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]轉化：選擇一些化學方法將原料轉化為目標物質。

[教師]提供腳手架如圖2。

[學生]展示畫的流程圖，見圖3、圖4。

蒸發再收集就是蒸餾。

[教師]分離：根據物質的性質選擇合適的分離方法分離出目標物質。

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

[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，但是最后溴單質的產量很少。

[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，為了節約能耗。

[教師]大家覺得為什么工業生產要用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，降低后續蒸餾的能耗。

[教師]富集：通過一些方法提高某物質濃度的過程。

[教師]在實際生產中，將溴單質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]呈現工業提取化學物質基本模型（見圖5）。

3.模型運用——海水中提取鎂單質

[教師]如何從海水中獲取金屬Mg？請前后4人為小組，討論并畫出工業制取金屬Mg的流程圖。其中，箭頭、方框、橢圓可以根據需要增加或刪除（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合建廠，使得化工生產綠色化，讓物質、能源的循環利用最大化。

[學生]交流討論，繪制海水綜合利用圖（見圖9、圖10）。

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

[作業]利用所學知識，開發海洋資源，設計生產其他化學物質。

五、反思與展望

項目式學習以建構主義理論為指導，用小組合作方式進行規劃和解決項目任務，可以有效地促進學生核心素養的發展，對學生模型建構、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，認識化學對創造物質財富、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分離方法初步設計理想的工業提取溴流程，對比工業實際提取溴的流程，優化完善工業提取化學物質的基本模型，并通過小組合作和交流，自行設計工業提取鎂的流程，深化模型的應用，形成工業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建工業提取物質的模型，聯系無機化合物的性質與應用，另一方面學生也能夠體驗化學知識創造美好生活的喜悅。

在開展項目式學習中應以發展學生核心素養為指導，挖掘生產生活中與化學有關的現象與事實，精心設計能激發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。在開展項目學習的過程中會發現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。在挖掘與化學有關的現象和事實的過程中，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。