基于真實情境的化學教學設計與實踐

黃明浩

摘 ? 要：探討高三復習課中基于真實情境的問題解決教學模式。學生面對真實生活情境一系列問題時進行探究的過程中完成知識體系的構建，概括并提煉能遷移應用的學習策略，培養化學學科能力，發展化學核心素養。文章以“生活垃圾焚燒爐渣中鐵磁性物質的提取”為例進行教學，探索指向核心素養的教學，引導學生深度學習。

關鍵詞：化學教學；真實情境；鐵磁性物質；深度學習

1 ?問題的提出

隨著國家城市化的不斷發展，居民每日產生的生活垃圾不斷增長。根據有關新聞報道，中國生活垃圾清運量每年都在提升。其中，2020年全國城市生活垃圾的清運量達到2.35億噸。目前，我國針對生活垃圾無害化處理的方式主要有以下三種，分別是衛生填埋、高溫焚燒和堆肥分解。對生活垃圾進行高溫焚燒處理時，充分利用焚燒產生的熱量進行發電，變廢為寶，是國家高度重視和積極推進的方法之一。

生活垃圾焚燒時，爐渣中含鐵物質對周邊環境產生影響。含鐵物質雖然在焚燒爐渣中廣泛存在，但在焚燒爐渣中所占的比例并不是很高。因而，有必要對生活垃圾焚燒爐渣含鐵物質進行富集，分析焚燒爐渣含鐵物質中鐵元素各價態的分布情況，以便后續對于鐵磁性物質進行更好的利用。

鐵元素是學生非常熟悉的一種金屬元素，也是化學高考中出現頻率較高的金屬元素之一。鐵元素及其化合物在生產生活中有著廣泛的應用。隨著新高考改革的不斷深入，元素化合物的相關命題越來越靈活新穎，試題知識覆蓋面廣、綜合性強，具有較高的難度和一定的區分度。近年來，高考題在這方面往往結合工業流程考查學生元素化合物知識的綜合應用能力，或者以實驗題形式探究某一元素化合物的性質、制備或者用途等問題[ 1 ]。

2 ?基于真實情境問題的高三復習教學目標及教學線索設計

2.1.教學目標

（1）以垃圾焚燒爐渣中鐵磁性物質的回收作為問題情境，了解鐵元素富集、提純的基本原理與方法；

（2）能運用化學知識對鐵磁性物質的性質與變化進行微觀探析，并能運用化學方程式正確表示其變化過程，掌握生活垃圾中鐵磁性物質的提取與利用，實現鐵元素及其化合物相關知識的深度復習；

（3）從真實情境出發，通過垃圾中鐵磁性物質的回收，感悟生活垃圾資源化利用的過程與意義，培養學生愛護環境的高尚品格、學以致用的科學態度以及合理利用資源的社會責任感與使命感[ 2 ]。

2.2 ?教學線索

教學線索設計如圖1所示

3 ?教學實踐

任務1：感知生活垃圾中鐵的存在形式，信息提取，現學現用——垃圾中鐵元素富集。

教學情境：金屬鐵的熔點為1538 ℃，其沸點為 2750 ℃，均遠高于生活垃圾焚燒爐中約為 850 ℃的反應溫度。在生活垃圾焚燒的反應過程中，焚燒爐渣中容易富集出鐵元素。鐵元素是一種常見的變價金屬元素，主要以0、+2和+3的價態存在，在焚燒爐渣中的存在形式有Fe2O3、Fe3O4和Fe等[ 3 ]。

學生活動1：思考如何實現垃圾中鐵元素的富集？根據教師給出的信息，分組討論，設計出如圖2所示的鐵磁性物質提取流程。探究并計算分別以純水、無水乙醇和丙酮作為提取介質的條件下，比較鐵磁性物質在三者中的提取效率，最終選擇合適的提取介質。

資料卡片：有關含鐵物質的富集方法很多，主要分為干法和濕法等兩種方法。在焚燒爐實驗中，科學家分別選擇了純水、無水乙醇以及丙酮作為濕法提取含鐵物質的三種提取介質。根據實驗過程中，三種不同介質的條件下，磁鐵對100 g焚燒爐渣中含鐵物質的提取程度，列表記錄數據進行分析如表1所示。

其中，鐵磁性物質提取效率的計算公式：η=m/n，m=Mα。

公式中的m為提取焚燒爐渣鐵磁性物質的鐵含量，n為焚燒爐渣的鐵含量，M為提取鐵磁性物質質量，α為提取的鐵磁性物質中含鐵量。

教師：每100 g焚燒爐渣的鐵含量約為7 g。請同學們根據表中數據及公式，通過計算選擇合適的提取介質。

學生：對不同的提取介質分組進行分析、計算并討論，綜合比對不同提取介質的結果，每個小組選擇一名組長進行匯報。

教師引導學生總結：選取哪種提取介質需要分別計算水、乙醇和丙酮三種溶劑的提取效率，選取效率最高的介質進行實驗。根據表中數據，可從 100 g 爐渣中提取約 34～38 g 的鐵磁性物質[ 4 ]。利用公式M×α÷7算出數據，發現無水乙醇作為提取介質的提取效率最高。

最終條件：選用乙醇作為提取介質時，提取效率最高，達到95.10%。

任務2：流程設計，核心轉化——鐵磁性物質的提取與利用。

學生活動2：鐵磁性物質提取的除雜過程、雜質種類及提純方法。

資料卡片：生活垃圾成分復雜，經高溫焚燒后，產生的焚燒爐渣主要以熔融玻璃形態存在，Si、Al、Ca 是玻璃的主要成分，Fe和一些堿或者堿土元素被包裹在熔融玻璃中，共同構成熔融玻璃的主要組成成分。

教師：請設計流程，并選擇合適的實驗條件完成鐵磁性物質的提取與利用。

資料卡片：在提取過程中，2CaO·Al2O3·SiO2一類物質不能和鐵磁性物質徹底分離，伴隨鐵磁性物質被磁鐵提取出來，構成鐵磁性物質的一部分。

學生設計提取流程如圖3所示。

教師：此處可以選用什么物質作為氧化劑？哪種物質最好？

學生：可以選用過氧化氫溶液或者氯氣。過氧化氫溶液最好，因為過氧化氫被還原后的產物為水，不會引入新的雜質，并且使用過氧化氫不會產生有毒物質，污染環境。

教師：查閱資料知：

Ksp[Al（OH）3] =1.3×10-33，Ksp[Fe（OH）3]=4×10-38，Ksp[Ni （OH）2]=2.0×10-15，Ksp[Cd（OH）2]=5×10-15，Ksp[Pb（OH）2]=1.2×10-15，Ksp[Ca（OH）2]=5.5×10-6，Ksp[Fe （OH）2] = 8.0×10-16。結合數據，請計算pH應該調節到多少范圍？

學生：根據沉淀溶解平衡進行計算，當三價鐵沉淀完全時，溶液中鐵離子的濃度為10-5，可以計算此時氫氧根離子的濃度，再通過水的離子積常數，可以得出氫離子濃度，再套用公式，即可算出pH范圍。

學生活動3：刨根究底，追根溯源——了解鐵磁性物質還原過程中的各項化學反應。

資料卡片：將提取物鐵磁性化合物與焦炭混合進行加熱實驗。圖4、圖5展示該過程中隨著溫度變化時，各項產物物質的量的變化曲線。

教師：請根據碳氣化反應與鐵氧化物還原反應圖像寫出各階段的主要方程式，并說明你是怎么思考的。

學生甲：我的思路是先回憶高一學習過有關碳元素和鐵元素的價類二維相關知識，然后根據兩種元素的常見價態，再結合氧化還原反應的規律，最后推理出每一步的反應方程式。

學生乙：根據甲同學的思路，觀察圖4中C、CO與CO2物質的量的變化曲線，容易發現C→CO2→CO這一過程。因此，碳氣化反應的主要方程式為C + O2 = CO2，CO2 + C = 2CO。而圖5中更為復雜，鐵氧化物的轉化過程為Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe，可以根據圖像大致總結出如下反應過程：

①當T ＜ 400 ℃，主要反應為3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2；

②當300 ℃ ＜ T ＜ 500 ℃，主要反應為Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2；

③當T ＞ 500 ℃，主要反應為FeO + CO = Fe + CO2。

教師：兩位同學的發言非常好。隨著溫度升高，Fe2O3平衡組分逐漸減少，當溫度達到400 ℃，Fe2O3平衡組分為零；在該溫度范圍內，Fe3O4 的平衡組分先增后減，FeO出現明顯增加的趨勢。隨著溫度升高，Fe3O4繼續減少，FeO繼續增加，Fe3O4繼續減少到零時，FeO達到最大值。當溫度高于500 ℃時，金屬鐵開始生成[ 5 ]。通過一系列的反應，科學家終于能從垃圾焚燒爐渣中獲得單質鐵，可以在金屬加工廠處理成金屬制品，實現資源的回收再利用。此外，垃圾焚燒爐渣經過篩選后再次加工，還能得到環保砂，可以用于道路的鋪設材料。

教師小結：在活動3中，兩位同學不僅回憶復習了高一學習過的元素化合物的知識，而且充分利用了價類二維模型來分析問題、解決問題，發揮了價類二維圖的解決真實問題的功能與價值。同學們，接下來請一起總結物質制備的認識分析模型（圖6）。

教師總結升華：在高三復習過程中，學生要不斷訓練自己基于真實情境分析問題的角度，將化學學科知識，轉化為化學關鍵能力，最后形成化學學科素養。學生即使在考試時遇到陌生情境和任務時，也能夠有解決問題的思考角度和分析思路。

4 ?教學反思與總結

在高三復習的教學中，本節課以生活垃圾中鐵磁性物質的提取作為化學學科核心素養培育的重要載體。本節課設計了兩個教學任務，穿插了3個教學活動。任務1主要是復習元素化合物提純過程的富集思想，培養學生信息提取及運用信息解決問題的能力，任務2主要是培養學生在真實情境下，建立核心物質的制備、分離與純化的思維模型。其中，活動1為鐵元素的富集，通過分析垃圾焚燒爐中鐵元素的存在形式，依據教師所給的信息及相關數據，選擇最合適的提取介質。該活動對真實問題進行了化學視角分析，重點培養學生的證據推理與科學探究素養?；顒?為鐵磁性物質的提取與利用，通過核心物質的轉化，培養學生解決工業流程的思維能力?；顒?重點分析了不同視角看待化學變化的多樣性，能對圖像曲線里各個階段具體物質的化學變化作出相關解釋。

通過本節課的學習，學生能充分感受生活垃圾資源化以及回收再利用的社會價值。既能夠讓學生通過化學知識的復習，建立物質制備工業流程的認識分析模型，同時在生活垃圾資源化的處理上，又能夠讓學生提高對科學態度與社會責任的理解。在教學中，緊密聯系生活實際，使學生能夠運用所學的化學知識解釋和解決有關垃圾資源化及環境保護相關問題。學生在學習過程中能充分體驗化學學科的價值，并通過真實情境為載體，積極促進學生學習方式的轉變，從淺層學習轉向深度學習，最終潛移默化的培養化學核心素養，實現深度學習的效果。

5 ?教學實施建議

教學時，教師可以根據班級學生的能力水平差異，將真實情境的問題優化后分類設置。對于能力強的學生，可以訓練學生的高階思維，讓學生獨立完成思考過程。這樣能讓學生自行通過計算對比不同提取液的效率，并能設計從爐渣中提取物質的簡要流程，寫出各階段的化學反應方程式。而對于能力稍弱的學生，能夠在教師的提示下，在給定認識角度的路徑下解決問題的。

培養學生化學學科的高階思維并不是一蹴而就的，而基于真實情境的教學設計是一種很好的培養方式。通過真實情境與貼近生活的實際問題、學生活動來引導學生開展深度學習，能夠非常好的實現預設的教學目標。這些基于真實情境的問題，能夠促進學生在高三復習時將碎片化的化學學科知識不斷結構化，進而幫助學生實現從化學學科知識轉化為自身的化學學科核心素養。

新高考改革后的試題注重與真實情境下生產、生活的實際問題相聯系。高三復習課的教學，尤其是高三二輪的復習課，不再像一輪復習那樣注重知識體系的建構和梳理，更需要學生對于知識的理解和應用能力，這也是培養學生深度學習能力的一個契機。高三復習課的教學過程中，教師應當更多地基于學生的知識結構，培養學生面對真實情境為載體，解決真實問題的能力。真實情境下的課堂教學應當與實際生產生活、科學技術發展、環境保護工作緊密聯系起來，通過教學凸顯化學學科的價值，達到發展學生化學學科的核心素養的要求。

參考文獻：

［1］ 欒厚福.新高考改革背景下如何進行元素化合物復習[J].教學考試，2018（32）：27-29.

［2］ 王韻超．“生活垃圾的分類處理”教學設計[J].數理化解題研究，2018（21）：86-87.

［3］ 周英.生活垃圾焚燒爐渣中鐵磁性物質提取及去除三氯乙烯的初步研究[D].重慶：重慶大學，2015.

［4］ 魏云梅.垃圾焚燒爐渣鐵磁性物質提取及特性表征[J].環境工程學報，2015，9（10）：5037-5044.

［5］ 朱奎松．高爐瓦斯泥自還原提取鐵和鋅的機理研究[J].鋼鐵釩鈦，2016（37）：79-84.