項目式教學下高三化學復習的實踐與思考
——以電池材料和錳基功能材料為例探秘新型功能材料

趙 云 王菁菁 周 奎

(1.貴州省思南縣民族中學;2.貴州省銅仁第一中學;3.貴州省思南中學)

一、項目的確立與項目的作用

高三復習的過程艱辛且漫長,“復習什么” “怎么復習” “復習得怎么樣”,這三個問題對于師生來說都是挑戰。大多教師均采用章節式、知識板塊式的“知識歸納總結—試題評講—高考真題演練”的復習模式。這種以機械記憶、題海戰術為主的復習方式,學生即使“記住了”,但在面對以真實情境為載體解決實際問題的試題時,“關鍵能力”也明顯不足。為此,在高三復習備考中,既要緊扣教材,讓學生掌握基礎知識,還要培養學生運用化學核心知識認識問題、分析問題、解決問題所必備的能力。

項目式教學是在教師的指導下,以學生為中心,通過關鍵素材構建一個真實問題情境的“教—學—評”項目,通過組建學生團隊進行信息收集、方案設計、項目實施及最終評價,從而獲取需要的知識,解決項目中的問題,實現有意義的學習。

通過對近幾年的高考試題分析,考查過渡元素的幾率較大,如Cr、Mn、Fe等。貴州省銅仁市電池材料和錳基功能材料生產已經走在全國前列,課題組設計以電池材料和錳基功能材料為主的學習情境,構建“價—類—用”三維圖和電化學原理模型,實現金屬的回收,在生產、生活、環境等現實問題的驅動下進行復習,學生不僅從中學習了知識,培養了能力,還體現了學科育人價值。

在高三復習備考中,學生已經有了“常見的無機物及其應用”的認知,初步建立了學習物質性質的基本角度和思路,初步掌握了原電池和電解池的工作原理、裝置等以及物質分離、提純方法的基本實驗操作和綠色化學的基本思想等,若能將以上的內容進行系統復習,效果會更好。課題組設置“新型功能材料中的電池材料和錳基功能材料”項目,設計了三個子項目,分別是:基于新情境物質轉化及其方程式書寫、基于模型構建的電化學復習、基于綠色化學理念的物質回收利用。

通過項目的實施,讓學生置身于真實情境中,而不是面對乏味枯燥的知識。引導學生通過探秘電池材料和錳基功能材料項目,展現“證據推理與模型認知” “變化觀念與平衡思想” “科學態度與社會責任”等化學學科核心素養,展現化學學科的育人價值。

二、項目的教學目標

1.通過展示貴州省發改委文件,認識錳元素的重要性;通過Mn元素在周期表中的“位”,預測化學變化和性質,書寫基于新情境物質轉化及其方程式,初步構建Mn的“價—類—用”三維模型。

2.從單液原電池的缺點出發,探究如何優化原電池裝置;通過對化學電源的設計,構建原電池的工作原理模型和解答電化學問題的思維模型。

3.通過對軟錳礦制MnSO4的方案設計、廢舊電池回收利用的方案設計和資源開發對環境污染的實例學習,構建物質制備的思維模型和綠色發展觀念。

三、項目的規劃與設計流程

本項目是高三化學復習課,分3個子項目,子項目串聯為一個完整的大項目。各個子項目主要包括情境引入、活動探究、展示交流與拓展運用。3個子項目分別按照3個課時進行設計,以“電池材料和錳基功能材料”為情境線索逐一探秘。

圖2 教學項目設計流程圖

四、項目活動的簡要實錄

本項目最初分別在銅仁市的東部聯盟和西部聯盟的兩個省級示范性高中進行教學,選取同一個班級的學生連續進行3個課時。簡要實錄如下:

項目一(課時1):

情境引入:PPT展示貴州省政府部門文件《關于支持銅仁市打造國家級新型功能材料戰略性新興產業集群的若干政策措施》(黔發改綜合〔2022〕488號),文件指出“加快建成全國新型功能材料產業集聚基地、全國錳產業綠色轉型和高質量發展示范基地,打造電池材料和錳基功能材料兩大產業鏈” “充分考慮資源稟賦條件與生態環境承載能力,支持松桃錳產業園區建設,支持銅仁市實施電解金屬錳生產企業‘退城入園’,推動錳產業高質量發展。繼續做大做強中偉新材料等龍頭企業,大力發展三元前驅體、錳酸鋰、高純硫酸錳、四氧化三錳等正極材料‘強鏈’產業。”

【問題】材料中多次提及的元素是什么?這些“正極材料”是否為金屬單質?

學習任務一:探秘Mn的“位” “價”

【教師設問1】Mn元素在周期表中的位置。

【教師設問2】請寫出“錳酸鋰、高純硫酸錳、四氧化三錳”及常見的“二氧化錳、高錳酸鉀”的化學式,并標出Mn元素的化合價。

【學生活動1】回答教師設問,并按物質類別、元素價態描繪“價—類”二維圖。

學習任務二:基于新情境的方程式書寫模型構建

【PPT】展示情境素材:(2021年云南師大附中月考改編)錳酸鋰(LiMn2O4)材料是新型鋰電池的正極材料,工業上常用軟錳礦(主要成分為MnO2)為原料制備,物質間轉化關系如圖所示:

【教師引導】讓學生找出“價—類”二維圖中MnO2轉化為MnSO4的化合價變化。

圖3 部分錳化合物“價—類”二維圖

構建“基于新情景的方程式書寫解題模型”三步法:

運用“價—類”二維圖和“三步法”分步完成反應方程式的書寫,并構建解題模型。

學習任務三:基于新情境的方程式書寫模型應用

【分組活動】學生分組分別完成如下4個學生活動。

【學生練習1】轉化③過程中溶液的pH隨時間變化如圖所示:一定發生的氧化還原反應為____________________(用離子方程式表示)。

【學生練習2】轉化④反應的化學方程式為________________________。

【學生練習3】(2019年全國Ⅲ卷,26題改編)根據圖示所示寫出“沉錳”的離子方程式:

________________。

【學生練習4】(2021年遼寧卷,16題改編)從釩鉻錳礦渣(主要成分為V2O3、Cr2O3、MnO)中提鉻部分轉化如圖所示:

“轉化”過程中生成MnO2的離子方程式為______________________________。

【教師活動】學生在分組練習時,教師在小組間進行巡視。

【展示與評價】學生上臺展示小組答案,交流應用模型解題方法和心得,學生互評、教師點評。

【師生總結】1.回顧“基于新情境的化學反應方程式(或離子方程式)書寫解題模型”三步法;

2.回顧錳元素常見物質的“價—類”二維圖,構建“價—類—用”三維圖。

圖4

【課后作業設計】設置3個需要補全和配平的化學反應方程式(或離子方程式)、3個新情境下的化學反應方程式(或離子方程式)書寫習題和1個課后探究:《關于支持銅仁市打造國家級新型功能材料戰略性新興產業集群的若干政策措施》中指出“大力發展三元前驅體、錳酸鋰、高純硫酸錳、四氧化三錳等正極材料‘強鏈’產業”。請同學們通過閱讀教材、查閱資料、相互討論等了解錳酸鋰(LiMn2O4)等新型鋰電池正極材料和原電池的工作原理。

【作業設計說明】鞏固性作業不宜貪多,力求“簡、精”,否則又會走進“機械刷題”的誤區。探究作業,與課前的情境引入相互呼應,并為項目2作鋪墊。

項目二(課時2):

情境引入:PPT展示近幾年高考中電化學考向和與錳元素相關的電化學試題,播放國產新能源車視頻,引發學生對學習電化學的興趣。

學習任務一:單液原電池模型構建

【教師設問】什么是原電池?其構成條件有哪些?新能源車的電池一般有哪些?

【師生活動】學生搶答和抽問相結合,教師點評。

【師生活動】學生互評,教師點評。

【學生活動】探究:①電子移動、電流的方向;②陰陽離子的移動方向;③正負極發生的反應類型,其電極反應式如何書寫。

【師生總結】單液原電池工作原理模型如圖5所示:

圖5

學習任務二:多液原電池模型構建與應用

【教師設問】上述單液原電池能否穩定持續供電?如果不能,如何改進?

【學生回答】不能,可以采用雙液原電池并架起鹽橋。

【教師追問】鹽橋的作用是什么?實際電池中為什么沒有鹽橋?可以換成什么?

【學生探討】探究得出:鹽橋中離子有限且電阻較大,可以換成離子交換膜。

【PPT展示】離子交換膜的概念、常見的離子交換膜、作用、選擇依據。剖析氫氧燃料電池、車中電池。

【學生練習1】(2021年湖南永州改編)鋅錳液流電池,放電時工作原理見如圖6所示。下列說法不正確的是

( )

圖6

A.放電時,b極為負極

C.工作一段時間后,a極區溶液中pH增大

D.該裝置應使用陽離子交換膜

【師生活動】學生上臺分析、展示答案,教師點評。

【師生小結】建立原電池解題模型

( )

圖7

A.Ⅱ區的K+通過隔膜向Ⅲ區遷移

學習任務三:拓展運用—電解法制取MnO2

【學生分組討論】工業上常采用石墨為電極電解MnSO4溶液制備二氧化錳。請同學們選出你認為最合適的陰陽極電解質溶液和離子交換膜。(可以選擇材料及試劑:MnSO4溶液、Na2SO4溶液、陰離子交換膜、陽離子交換膜、質子交換膜)

選擇________交換膜最合適;

陽極電解液________;電極式:

;

陰極電解液________;電極式:

。

【師生互評】小組代表上臺展示,師生及時進行合理評價。

【師生總結】回顧建立的原電池的工作模型和解題模型。

【課后作業設計】3個高考選擇題和2個探究:仿照原電池的工作原理模型構建電解池的工作原理模型、設計提純廢電池中的二氧化錳的方案。

【作業設計說明】由于項目2重點在原電池的工作原理模型構建,所以課后作業增加構建電解池的工作原理模型,探究2為項目3作鋪墊。

項目三(課時1):

情境引入:播放銅仁市松桃縣錳礦開采的短視頻,PPT展示近5年“礦物開發利用及廢物回收利用試題考查物質元素載體匯總”表和Mn、Li在高考中的體現。

學習任務一:設計軟錳礦的開發路線

【素材展示】松桃某軟錳礦樣品的主要成分如表。

成分MnO2Fe2O3SiO2Al2O3含量/%32.8714.1033.1414.19

【教師設問】由樣品制備硫酸錳。

①原料是什么?產品是什么?由原料到產品從元素觀和價態觀分析制備過程中應加入什么物質?

②雜質有什么?如何分離?

【學生活動】分組探究,第5小組展示的成果:

【教師引導】PPT:展示教材綠色化學視角如圖8

圖8

PPT:化學反應原理四維視角

【教師追問】③從綠色化學觀念選擇什么還原劑為好?

④評價制備方案的合理性。工業生產中還得考慮哪些因素?

【學生活動】分組探究,第2小組展示的成果:

【教師追問】⑤從資源的利用及綠色化學思想出發,濾液中的Fe3+、Al3+應怎么處理?如何實現分離回收?

【學生活動】學生設計,第4小組展示的路徑,師生評價。

【師生小結】構建“基于礦物開發利用及廢舊金屬回收利用的一般思路”模型

學習任務二:設計方案回收鋰離子電池中相關物質

【教師設問】①原料是什么?產品是什么?從原料到產品的過程中從元素觀和價態觀出發分別需要怎么處理?②雜質有什么?如何實現雜質與原料的分離?

【學生活動】分組探究,第1小組的成果:

【教師追問】③能否在Li2SO4溶液和CoSO4溶液中加入碳酸鹽沉鈷?通過什么方法沉鈷?

【學生活動】分組討論,第3小組的成果:

【小結】PPT展示回收鋰離子電池中相關物質的完整設計方案。

【教師追問】④酸浸時可用鹽酸代替H2SO4和H2O2的混合液,但缺點是什么?(作為課后作業之一)

【教師結語】“綠水青山就是金山銀山”,希望同學們學成歸來守護我們銅仁市的綠水青山!

五、項目教學實施的效果

在項目實施過程中,通過教師將家鄉錳資源的真實情境引入課堂,項目實施中設置連串問題,讓學生小組合作,發現問題、探究問題、解決問題、評價項目,改變了傳統復習以教師“講”為主,極大地激發了學生的學習興趣,培養了學生的愛鄉情懷與責任擔當。

項目一以政府文件引入,引出家鄉的“錳”資源,立足于真實問題情境,通過設計3個學習任務,不斷引導學生對“價—類—用”三維圖的完善,構建“價—類”二維圖中物質類別與化合價的變化和“基于新情境的方程式書寫解題模型”三步法相結合書寫方程式。然后設置練習應用模型,讓學生上臺展示成果,交流應用模型解題思路、心得,結合學生互評和教師評價,既鍛煉了學生語言表達能力,還培養了學生的邏輯思維能力。

項目二以國產新能源車引入,教師設置3個學習任務以項目任務的形式分配給各小組,讓學生運用現有的資源和已學過的氧化還原反應和電化學知識努力參與其中解決問題,例如在“學習任務一設計原電池”,學生需要綜合原電池的概念、形成條件以及對給出方程式的分析和正負極如何選擇等,并認真思考才能設計出合理的裝置,在這個過程中培養了學生的自主學習、探究思考、分析和解決問題的能力。

項目三通過對錳基材料及廢舊電池進行回收利用、軟錳礦的開發利用及鋰電池的回收讓學生從物質線、雜質線及原理線的角度來構建物質開發利用的一般思路,為解決高考試題中出現的工藝流程和物質制備性實驗提供借鑒。

整個項目實施過程中,授課教師與學生一起設計項目、探究項目、評價項目,學習環境友好、平等,從一開始的沒人舉手到后來的搶答,學生們認真思考、大膽回答,使學生們既學到了知識,又增強了表達能力,建立了自信心,還使學生們真正感受到自主、合作與探究的重要性。

六、項目式學習的反思

本項目采用“運用知識、能力和學科核心素養解決實際問題”,是對教材內容、學科知識的整合與遷移運用。通過項目學習,教師發現大部分學生能較好完成任務,但仍有少部分學生由于知識掌握的不牢固,缺乏參與感,這就需要教師在課前和課后對他們跟蹤與個別輔導。

從整個項目的實施中,我們雖力求按照“教—學—評”一體化要求組織教學,但在學生的匯報和評價環節,課題組發現有許多同學很有想法,但由于時間的關系沒能做到讓他們都展示出來,所以在以后的教學過程中應多留時間、大膽放手讓學生展示自己。

為了增強本項目的跨學科融合,還需設置“課后實踐與探索活動”:松桃的錳礦豐富,為了增加地方財政,當地政府可否進行大量開采?引導學生思考在面對地方發展、國家發展和人類低碳要求的兩難問題時要如何進行決策?并研制出合理的行動方案。

在課堂教學后的評課、議課中,有聽課專家和教師提出在碳達峰、碳中和的大時代背景下,如果能設計一個基于含錳物質對CO2的回收利用方案的設計,更能凸顯項目的高度。課題組非常贊同,并深表感謝,這也是我們將來努力的方向。

近幾年,高考命題已經從能力立意走向素養導向,從單一教育質量評價方式走向多維評價。開展項目式學習活動,引導學生“做中學” “用中學” “創中學”,在夯實基礎的同時,提升自身的綜合性、應用性和創新性能力,讓學科核心素養在高中教育中得到真正地落實。