基于項目的高中化學(xué)單元教學(xué)設(shè)計及實施

陳文靜

摘要：以“基于3R理念認識垃圾的分類處理”為真實情境進行項目式教學(xué)，可以在解決真實問題的過程中調(diào)動學(xué)生的認知并運用于實際生產(chǎn)和生活中。3R理念的構(gòu)建、運用與提升，讓學(xué)生理解化學(xué)的應(yīng)用特點和發(fā)展方向，學(xué)會辯證、全面地看待社會發(fā)展中遇到的各種化學(xué)問題，培養(yǎng)科學(xué)的決策意識、創(chuàng)新精神與實踐能力。

關(guān)鍵詞：項目式? 3R理念? 評價? 單元教學(xué)

項目式教學(xué)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，學(xué)生通過一定時長的小組合作方式，解決一個真實世界中復(fù)雜的、具有挑戰(zhàn)性的問題，學(xué)生在收獲知識的同時掌握未來發(fā)展的素養(yǎng)：批判性地思考、可靠地分析信息、與不同的伙伴協(xié)作、創(chuàng)造性地解決問題。項目式學(xué)習(xí)是實施高中化學(xué)單元教學(xué)的一種方式，是培育學(xué)科核心素養(yǎng)的一種重要手段，基于項目的學(xué)習(xí)是一種跨學(xué)科的深度學(xué)習(xí)。

“基于3R理念認識垃圾的分類處理”是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》主題5“化學(xué)與社會發(fā)展”的重要內(nèi)容。本文將元素及化合物知識、化學(xué)反應(yīng)速率等與3R理念相結(jié)合，通過真實生活中的垃圾處理問題，形成了項目式單元教學(xué)設(shè)計并進行了教學(xué)實踐。

一、項目學(xué)習(xí)主題的生成

人教版高中化學(xué)新教材將“化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展”安排在必修第二冊第八章，其中的“環(huán)境保護與綠色化學(xué)”，主要探討化學(xué)與環(huán)境保護相關(guān)問題。此時，學(xué)生已經(jīng)具備了從“價類二維”的角度認識物質(zhì)轉(zhuǎn)化及化學(xué)反應(yīng)速率等知識，為解決真實生活中資源利用及環(huán)境問題奠定了基礎(chǔ)。

垃圾分類處理與學(xué)生生活結(jié)合緊密。在真實的生產(chǎn)中體會到開發(fā)和利用資源必須遵循“減量化（Reduce）、再利用（Reuse）和再循環(huán)（Recycle）”的3R理念，結(jié)合情境確定本單元的學(xué)習(xí)主題——基于3R理念認識垃圾的分類處理。從垃圾分類、垃圾資源化和垃圾無害化三部分層層推進，讓學(xué)生能主動運用所學(xué)化學(xué)知識和方法解決生產(chǎn)、生活中簡單的化學(xué)問題，具有節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識，并引導(dǎo)學(xué)生在垃圾處理過程中體會并升華至4R理念。

二、項目學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)

本項目選用“基于3R理念認識垃圾的分類處理”作為真實教學(xué)情境，如圖1所示。

三、項目學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.能從環(huán)境和資源角度認識垃圾分類處理的意義，了解生活垃圾的處理原則，認識3R理念，了解廢紙的回收過程，樹立保護生態(tài)環(huán)境觀念。

2.能通過分析典型廢舊金屬Cu的資源化處理和常見廢氣SO2、NO2、NO等的處理，描述不同價態(tài)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生的元素觀和變化觀，同時體會3R理念在垃圾處理中的運用，科學(xué)進行垃圾處理，建立垃圾回收處理模型。

3.能通過實驗室探究工業(yè)由廢銅制備CuSO4的反應(yīng)條件和常見廢氣SO2、NO2、NO等的處理進行實驗方案設(shè)計及改進，運用化學(xué)學(xué)科知識解決復(fù)雜環(huán)境下的真實問題。

4.通過對垃圾分類回收處理過程的體驗，牢固樹立3R理念，在應(yīng)用化學(xué)成果時能主動考慮其對自然和社會帶來的影響，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和社會責(zé)任。

四、項目教學(xué)整體規(guī)劃

項目教學(xué)整體規(guī)劃如圖2所示。

五、項目教學(xué)實施片段（以第2課時為例）

課題：垃圾資源化之廢銅

［情境］《資源科學(xué)》雜志一篇文章中的人類圈銅循環(huán)累計格局圖，如圖3所示。

［問題1］如何從金屬類垃圾中分出廢銅？

［活動1］觀看工業(yè)批量處理廢金屬視頻，思考分離的原理。

學(xué)生回答：破碎—強磁設(shè)備—渦電流分選機—銅鋁比重分選。

［評價1］通過真實問題情境創(chuàng)設(shè)與解決的過程，評價學(xué)生對生活的觀察能力、對實際問題的思辨能力；通過工業(yè)處理視頻的介紹，評價學(xué)生獲取信息、處理信息、運用學(xué)科知識解釋工業(yè)實際問題的能力。

設(shè)計意圖：學(xué)生初步體會實驗室與工業(yè)生產(chǎn)的差別，為工業(yè)制備硫酸銅的方案設(shè)計埋伏筆。

［問題2］假如你是工廠設(shè)計師，你如何利用分離出的廢銅制取CuSO4晶體？

［活動2］學(xué)生討論并構(gòu)建路線：第一步廢銅先制備CuSO4溶液；第二步從溶液中獲得CuSO4晶體。

［問題3］結(jié)合銅的價類二維圖，構(gòu)建Cu轉(zhuǎn)化為CuSO4溶液的模型，并根據(jù)模型設(shè)計由銅轉(zhuǎn)化為CuSO4溶液的方案。

［活動3］學(xué)生討論并構(gòu)建模型、交流方案。教師展示學(xué)生方案、評價方案。

學(xué)生構(gòu)建轉(zhuǎn)化模型：

Cu①氧化劑②酸性環(huán)境CuSO4溶液

學(xué)生設(shè)計的方案有：

方案一：Cu在空氣中加熱生成CuO，再與稀H2SO4反應(yīng)生成CuSO4；

方案二：Cu和濃H2SO4加熱直接反應(yīng)；

方案三：Cu和H2O2、稀H2SO4反應(yīng)；

方案四：Cu和KMnO4（或Cl2、O2、FeCl3等氧化劑）、稀H2SO4反應(yīng)；

方案五：給Cu和稀H2SO4的混合物中通入空氣；

結(jié)合3R理念，并考慮成本和分離等問題，初步確定可行方案為方案一、三和五。

［評價2］方案一、二、三是學(xué)生在元素化合物中已經(jīng)學(xué)過的方法，根據(jù)學(xué)生的互動情況評價學(xué)生從價類二維角度認知元素化合物的能力，依據(jù)學(xué)生設(shè)計的方案，評價學(xué)生高階思維水平及對3R理念的理解與運用能力。

［活動4］以銅粉為原料進行分組實驗?zāi)M方案一、三和五。

學(xué)生預(yù)測實驗現(xiàn)象→小組合作實驗→發(fā)現(xiàn)問題，思維沖突（方案一銅粉有大量剩余、方案三產(chǎn)生大量氣泡、方案五速率慢）→小組討論，解釋異常現(xiàn)象→再次評價方案。最終確定方案五可用于工業(yè)生產(chǎn)，但需要加快反應(yīng)速率。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從價類視角分析物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化路徑，運用“具體→抽象→具體”的思維建立認知模型，用化學(xué)知識解決實際生產(chǎn)中的陌生問題。在實驗方案的設(shè)計中體會3R理念，進一步培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

［問題4］在不改變空氣等原料的前提下，怎樣設(shè)計方案探究由Cu制備CuSO4溶液的最佳條件呢？

［活動5］學(xué)生討論后提出，可以通過提高溫度和增大H2SO4溶液的濃度以加快反應(yīng)速率，并給出以下設(shè)計方案：

（1）控制銅粉的量、H2SO4的濃度和體積、空氣流速等相同，在不同溫度下測得出現(xiàn)藍色的時間。

（2）控制銅粉的量、空氣流速、溫度相同時與等體積不同濃度的稀H2SO4溶液反應(yīng)相同時間，依據(jù)所得溶液藍色的深淺判斷。

教師演示實驗1：2 g銅粉、4 mL同濃度的稀硫酸、空氣泵調(diào)節(jié)空氣流速相同，在不同溫度（分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃時）下反應(yīng)，分別記錄出現(xiàn)藍色的時間。學(xué)生將實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)曲線，結(jié)合曲線分析得出溫度為70 ℃左右時最佳，如圖5所示。

［追問1］為什么選擇70 ℃左右的溫度？

學(xué)生分析溫度低速率慢，而溫度高于70 ℃時，速率增加不多且工業(yè)上會消耗更多能源。

［追問2］為什么70 ℃后再升溫，反應(yīng)速率增加很少？

學(xué)生分析可能溫度升高，使通入的空氣逸出快，導(dǎo)致速率增加緩慢。

教師演示實驗2：用五支試管裝入相同量的銅粉，分別裝入等體積濃度分別為0.1、0.5、1、3、6 mol/L的H2SO4溶液，調(diào)節(jié)恒溫水浴鍋保持溫度在70 ℃，用空氣泵同時將空氣通入五支試管，反應(yīng)相同時間后觀察溶液顏色。

得出結(jié)論：溫度為70 ℃，H2SO4濃度為1 mol/L時，反應(yīng)速率最快。

［追問］為什么H2SO4濃度增大，反應(yīng)速率反而下降？

師生通過共同查閱資料：化學(xué)反應(yīng)速率的大小與反應(yīng)物分子或離子的碰撞次數(shù)有關(guān)，溶液中也就與反應(yīng)物的有效濃度（活度）有關(guān)，溫度一定時，硫酸溶液濃度越大，有效濃度越小，同時硫酸的黏度隨著濃度的增加而增加，受黏度的影響，當(dāng)物體在流體中移動時，會引起摩擦阻力和壓差阻力。

［評價3］通過學(xué)生將數(shù)據(jù)表征轉(zhuǎn)化為圖像表征的過程，評價學(xué)生多角度解決問題的能力。依據(jù)對最佳條件的探究方案設(shè)計，評價學(xué)生的科學(xué)探究精神和實事求是的價值觀、解決復(fù)雜陌生問題的思辨能力、創(chuàng)新思維的發(fā)展水平等。

設(shè)計意圖：通過思考、討論，完善并優(yōu)化實驗方案，進一步增強學(xué)生對化學(xué)知識的應(yīng)用能力。數(shù)據(jù)與曲線的多重表征，培養(yǎng)學(xué)生多維度認知和解決問題的能力。引導(dǎo)學(xué)生跳出思維定勢，抓住思維沖突進行深度思考，培養(yǎng)科學(xué)探究的精神和對陌生真實問題情境思辨的高階思維。

［教師小結(jié)］展示某地有色金屬生產(chǎn)官網(wǎng)中硫酸銅的工業(yè)制備工藝：硫酸濃度在15%～18%，溫度在70～80 ℃，結(jié)晶后母液及洗滌液循環(huán)使用。與本節(jié)課中探究的最佳生產(chǎn)方案及條件相比，條件非常接近。

設(shè)計意圖：通過硫酸銅真實生產(chǎn)工藝的展示，讓學(xué)生體驗理論到實踐的成就感，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科價值，感受化學(xué)的魅力所在。

最后提供資料數(shù)據(jù)：2020年，我國的再生銅產(chǎn)量達到325萬噸，占銅總供應(yīng)量的32.4%。《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年，再生銅產(chǎn)量達到400萬噸，廢銅資源化已上升到了國家戰(zhàn)略。

垃圾資源化不僅創(chuàng)造經(jīng)濟價值，還能實現(xiàn)節(jié)能減排，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

六、項目教學(xué)總結(jié)與反思

1.在整個項目單元教學(xué)設(shè)計中，以課程標(biāo)準(zhǔn)為最高綱領(lǐng)，以深度學(xué)習(xí)為教學(xué)設(shè)計的基本模型，以學(xué)生為主體，通過情境、問題、活動三部曲，實現(xiàn)知識的傳遞和核心素養(yǎng)的發(fā)展。本項目的教學(xué)設(shè)計遵循情境—問題—活動—知識—素養(yǎng)模式進行，注重知識與現(xiàn)實生活的結(jié)合，幫助學(xué)生建立化學(xué)與生活的聯(lián)系，實現(xiàn)了從課堂走向生活，讓學(xué)生在參與垃圾處理項目中體會到化學(xué)學(xué)科的價值。

2.本項目的單元教學(xué)達到了預(yù)期目標(biāo)：創(chuàng)造性地使用教材，建立3R理念下垃圾的分類處理模型；實踐了深度學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計基本模型，設(shè)立開放性的問題，注重激發(fā)學(xué)生的探索精神和批判思維，實現(xiàn)了知識、能力、素養(yǎng)的進階。

3.教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊的化學(xué)，增強學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生利用所學(xué)知識親自參與問題的解決，并引導(dǎo)他們主動關(guān)注周圍與化學(xué)相關(guān)的社會熱點問題，充分發(fā)揮了化學(xué)課程對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的積極作用。

參考文獻：

［1］劉翠.高中化學(xué)項目式教學(xué)實踐研究［M］.濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2020，1.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：5.

責(zé)任編輯：黃大燦