“元素轉(zhuǎn)化觀”統(tǒng)攝下的項目式學(xué)習(xí)

喬艷冰

摘要：以學(xué)校周邊工業(yè)搬遷后的“環(huán)評達標(biāo)”作為項目背景，引導(dǎo)學(xué)生運用元素化合物知識學(xué)習(xí)的兩個基本工具——“價類”二維圖和元素周期表，完成對廢水中含鉻物質(zhì)的模擬處理。通過課前問卷調(diào)查、周圍居民訪談、設(shè)計轉(zhuǎn)化路線、實驗?zāi)M等環(huán)節(jié)，將課堂學(xué)習(xí)、生產(chǎn)生活、化學(xué)實驗、工藝流程結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中感受化學(xué)對生產(chǎn)生活、環(huán)境保護的作用，發(fā)展學(xué)生的問題解決與科學(xué)探究能力，增強社會責(zé)任感。

關(guān)鍵詞：元素轉(zhuǎn)化觀；項目式學(xué)習(xí)；廢水處理；鉻及其化合物

文章編號：10056629（2023）12006207

中圖分類號：G633.8

文獻標(biāo)識碼：B

三十幾年前，青島第十七中學(xué)周圍化工廠密布，是青島重要的化工基地。自2008年起，青島市政府啟動老城區(qū)企業(yè)搬遷改造工作。目前學(xué)校周邊的工廠已全部完成搬遷、關(guān)停、轉(zhuǎn)型，取而代之的是商業(yè)樓和住宅。但是改造之后的水質(zhì)和土壤是否達標(biāo)，成為困擾購房者和周邊居民的一個重要問題。

基于此，筆者帶領(lǐng)青島第十七中學(xué)高一學(xué)生，以“廢水中的鉻處理”為主題進行項目式學(xué)習(xí)實踐，課上課下相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生完成對廢水中含鉻物質(zhì)性質(zhì)的認識，設(shè)計轉(zhuǎn)化路線并進行實驗?zāi)M，體會物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在環(huán)境保護中的重要價值，樹立科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)責(zé)任意識。

1 教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

元素化合物知識是高一化學(xué)的核心內(nèi)容，涉及廣泛，同時與我們的生活息息相關(guān)，為基于實際問題解決的教學(xué)模式奠定了豐富的事實基礎(chǔ)。對于“元素化合物”的教學(xué)，新課標(biāo)的內(nèi)容要求為“了解通過化學(xué)反應(yīng)可以探索物質(zhì)性質(zhì)、實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，認識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在環(huán)境保護中的重要價值”。同時課標(biāo)教學(xué)策略中提到“緊密聯(lián)系生產(chǎn)和生活實際，創(chuàng)設(shè)豐富多彩的真實問題情境”^［1］。深度挖掘元素化合物知識與生產(chǎn)生活中真實問題的融合，不但可以幫助學(xué)生形成解決元素化合物問題的一般思路，也能在知識學(xué)習(xí)中真正發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

隨著新課程的實施，教師對元素化合物的教學(xué)逐漸從傳統(tǒng)的按物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、制取、應(yīng)用等思路過渡到基于“價類”二維的元素觀教學(xué)^［2］。通過新授課的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本上能有意識地從物質(zhì)類別和核心元素化合價兩個角度認識物質(zhì)性質(zhì)，研究物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化^［3］。但在高三復(fù)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)，面對真實的陌生情境，學(xué)生靈活遷移應(yīng)用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力還是有所欠缺。究其根本原因是基礎(chǔ)年級教學(xué)關(guān)注的往往是具體的孤立的元素化合物的相關(guān)知識，對認識角度的提煉和關(guān)聯(lián)不夠，面對陌生元素和物質(zhì)，學(xué)生顯得束手無策。

鉻及其化合物是一類常見的工業(yè)污染物，鉻系物質(zhì)具有多種化合價，轉(zhuǎn)化關(guān)系多樣且復(fù)雜，因此鉻及其化合物頻頻成為平時學(xué)習(xí)或高考中重要的知識考查載體^［4］。本節(jié)課是學(xué)完元素周期律和元素周期表之后的項目式復(fù)習(xí)課。此時，學(xué)生已經(jīng)知道可以運用“價類”二維圖來解決元素化合物中物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題，但是面對陌生元素“鉻”，學(xué)生尚缺乏調(diào)用元素周期表認識工具的意識，自主、有效地調(diào)用“價類”二維圖認識工具的能力需要提高。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）能用元素周期表、“價類”二維圖兩個基本認識工具推測陌生元素的性質(zhì)，形成并熟練掌握元素化合物知識學(xué)習(xí)的一般思路。

（2）能自主設(shè)計含鉻廢水處理中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化路線，能通過實驗?zāi)M、分析、解釋有關(guān)實驗現(xiàn)象，發(fā)展科學(xué)探究、證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

（3）通過拓展物理、生物方法處理含鉻廢水，提升從不同視角解決問題的科學(xué)方法，發(fā)展發(fā)散性思維和創(chuàng)新精神。

（4）通過課前調(diào)查訪談，樹立“生活處處皆化學(xué)”的觀念，在項目任務(wù)的完成過程中，體會學(xué)習(xí)化學(xué)的價值和意義，培養(yǎng)社會責(zé)任感和公民參與意識。

3 教學(xué)流程

教學(xué)流程見圖1。

4 教學(xué)實錄

［問卷調(diào)查］課前化學(xué)興趣小組對周圍居民進行了問卷調(diào)查（65份）：刨除價格因素，您對購房選址有哪些考慮因素（多選）？

通過圖2可以看出，居民購房選址時對空氣、水源質(zhì)量以及原址狀況還是比較關(guān)注的。

［課前街頭訪談］課前學(xué)生分組對附近居民進行了采訪，他們講述了附近環(huán)境近些年來的變化，有居民表達了擔(dān)憂：在原先的工廠用地上建住宅，水質(zhì)和土壤里的重金屬是否超標(biāo)呢？有居民反饋：想在院子里種菜，但是擔(dān)心重金屬超標(biāo)，就把土壤寄到了上海一家專業(yè)檢測機構(gòu)檢測，檢測結(jié)果顯示是達標(biāo)的。

4.1 項目背景分析及任務(wù)拆解

［教師］展示百度地圖：約30年前，我們學(xué)校周圍工廠密布：棉紡織廠、化工廠、機械廠、染料廠、焦化制氣廠等。這些工廠大約都是上世紀(jì)五六十年代建立的。在建國初期，為什么會選擇四方北嶺這一帶作為化工廠聚集地呢？

［學(xué)生回答］分別從地理、歷史、經(jīng)濟等角度分析。這一帶瀕臨大海，原材料取材方便；而且有膠濟鐵路，交通便利。從歷史上來看，1956年青島化工學(xué)院在此建校，同年，青島化工廠建廠，有人才優(yōu)勢。

［項目任務(wù)及拆解］紅星化工廠排放的鉻渣堆積造成的地下水污染曾經(jīng)是一個非常嚴(yán)重的事件，國家投入了3000多萬元才把它治理好。今天我們聚焦工業(yè)廢水中的鉻處理，請同學(xué)們頭腦風(fēng)暴，為了找到有效方法，我們需要解決哪些問題？

通過小組討論，同學(xué)們將任務(wù)拆解為：了解鉻及其化合物的性質(zhì)、根據(jù)性質(zhì)設(shè)計轉(zhuǎn)化路線、實驗室模擬含鉻廢水處理三個子任務(wù)。

4.2 子任務(wù)1：認識鉻及其化合物的性質(zhì)

［小組匯報1］Cr的常見價態(tài)為0價、+3價、+6價。Cr單質(zhì)為鋼灰色金屬，是自然界中硬度最大的金屬。鉻是人體必需的微量元素，對于預(yù)防糖尿病以及動脈硬化等都有很大的幫助。六價鉻以含氧酸根的形式存在，有Cr₂O^2-₇和CrO^2-₄兩種存在形式，屬于一類污染物，工業(yè)廢水中六價鉻含量超過10mg/L就會對水生物有致死作用，還會通過消化道、呼吸道和皮膚黏膜進入人體，對人體造成多種危害。廢水中主要存在的有害鉻就是六價鉻。

［小組匯報2］鉻的性質(zhì)和鋁具有一定的相似性，如氫氧化鉻也具有兩性，在溶液中存在兩種平衡^［5］：

［問題驅(qū)動1］研究陌生元素的性質(zhì)，有哪些認識工具？請利用該工具，對鉻元素的性質(zhì)做出推測。

［學(xué)生觀點1］我們可以利用元素周期表來預(yù)測陌生元素的性質(zhì)，鉻位于元素周期表第4周期，第VIB族，屬于金屬元素，性質(zhì)和鉬、鎢相似。

［學(xué)生觀點2］Cr的價電子數(shù)為6，最高價是+6價，具有氧化性，還有+3價等多種價態(tài)。通過查閱資料可知：氫氧化鉻和氫氧化鋁性質(zhì)相似，都具有兩性，所以我們在研究氫氧化鉻時，可類比我們熟悉的氫氧化鋁。

［拓展視野］通過剛才同學(xué)們的匯報，我們了解到六價鉻有兩種存在形式：酸性溶液中的Cr₂O^2-₇和堿性溶液中的CrO^2-₄。接下來，我們通過實驗來認識一下兩種六價鉻的化合物之間的轉(zhuǎn)化（見圖3）。

［問題驅(qū)動2］認識某元素相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)，常用認識工具是什么？請利用該工具，畫出廢水處理中可能涉及的鉻系物質(zhì)的“價類”二維圖。

［學(xué)生活動］教師提供Cr、CrO₃、Cr₂O₃、Cr（OH）₃、Cr³⁺（濃）、Cr³⁺（?。?、CrO^2-₄、Cr₂O^2-₇等彩色卡片，學(xué)生自主建構(gòu)鉻及其化合物的“價類”二維圖（見圖4）。

4.3 子任務(wù)2：根據(jù)性質(zhì)設(shè)計轉(zhuǎn)化路線

［問題驅(qū)動1］廢水中鉻系物質(zhì)的轉(zhuǎn)化思路是什么？

［學(xué)生觀點1］利用氧化還原反應(yīng)，首先將溶液中的有毒的六價鉻轉(zhuǎn)化為無毒的Cr³⁺，再把Cr³⁺變成沉淀析出。利用復(fù)分解反應(yīng)，可以考慮加堿將Cr³⁺變成Cr（OH）₃。

［學(xué)生觀點2］通過課前查閱資料可知鉻酸鋇難溶，所以可加鋇鹽，將CrO^2-₄一步沉淀。

［教師評價］同學(xué)們的想法非常好，上個世紀(jì)70年代的時候，我們國家的科研人員就是加鋇鹽除去六價鉻，但是大家想想這種方法有沒有問題呢？

［學(xué)生回答］有問題，引入了另外一種重金屬離子Ba²⁺，需要再加其他沉淀劑除去Ba²⁺。

［問題驅(qū)動2］大家準(zhǔn)備選用何種試劑將廢水中的六價鉻轉(zhuǎn)化為Cr³⁺呢？選用依據(jù)是什么？

［學(xué)生回答］可以選擇還原性物質(zhì)，比如硫化物、二氧化硫、亞硫酸鹽，鐵、亞鐵鹽，碘化物等。

［學(xué)生補充］可以排除碘化物，因為它被氧化的產(chǎn)物是I₂，在水體中形成了二次污染。

［教師點評］以上這些還原劑是工業(yè)上常用的還原劑，究竟選擇何種還原劑不但要考慮價格因素，還需要綜合考慮處理含鉻量的多少、周圍資源配置、設(shè)備的適應(yīng)性、工藝能否達標(biāo)等因素。面對真實復(fù)雜的情境，需要從多角度考慮問題。

［設(shè)計轉(zhuǎn)化路線］項目初成果——學(xué)生繪制物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖（見圖5）。

［教師點評］以上兩組同學(xué)的設(shè)計都很好。第一組利用了還原沉降法，將Cr₂O^2-₇還原成了Cr³⁺，再用適量的堿使Cr³⁺變成沉淀而除去。第二組利用了直接沉淀法，將溶液中的CrO^2-₄一步轉(zhuǎn)化為BaCrO₄沉淀，再加Na₂CO₃除去過量的Ba²⁺，最后加酸調(diào)節(jié)pH。大家設(shè)計的還原沉降法確實是目前處理含鉻廢水的主要方法^［6］。當(dāng)理論設(shè)計轉(zhuǎn)化為真實問題時，還涉及到工藝流程、工程技術(shù)、條件控制等多種具體的問題。圖6為工業(yè)中含鉻廢水的處理流程圖。

4.4 子任務(wù)3：實驗室模擬工業(yè)含鉻廢水的處理

［設(shè)計實驗方案］根據(jù)教師提供的實驗儀器和試劑，設(shè)計實驗室模擬工業(yè)含鉻廢水處理的實驗。

各小組討論，設(shè)計出三種典型的實驗設(shè)計方案如下：

［方案1］取0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于試管中，加入0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中加入0.5mol/L的NaOH溶液，觀察實驗現(xiàn)象。

［方案2］取一定量的0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于試管中，加入適量0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中逐滴加入0.5mol/L的NaOH溶液，觀察實驗現(xiàn)象。

［方案3］取一定量的0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于試管中，先加入一定量的0.1mol/L的H₂SO₄溶液酸化，再加入適量0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中逐滴加入0.5mol/L的NaOH溶液，觀察實驗現(xiàn)象。

小組間互評，最終選定方案3進行實驗。

［實驗現(xiàn)象］往酸性K₂Cr₂O₇溶液中滴加Na₂SO₃溶液，溶液顏色由橙色變成綠色，后逐滴滴加NaOH溶液，先產(chǎn)生灰綠色沉淀，振蕩立即消失，持續(xù)滴加，又有灰綠色沉淀產(chǎn)生，繼續(xù)滴加，沉淀又消失。

［教師提問］產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是什么呢？

［學(xué)生觀點1］結(jié)合前面的“價類”二維圖分析，第一步的橙色變綠色，應(yīng)該是SO^2-₃將Cr₂O^2-₇還原成了Cr³⁺。加NaOH溶液是想讓Cr³⁺沉淀下來，但是產(chǎn)生的沉淀又消失了，因為Cr（OH）₃沉淀和Al（OH）₃沉淀具有相似性，可以溶于NaOH溶液。但是為什么持續(xù)滴加NaOH溶液，又有沉淀生成，后來沉淀又消失呢？

［學(xué)生觀點2］我猜測第一次沉淀消失，應(yīng)該是因為原溶液硫酸過量，硫酸溶解了Cr（OH）₃沉淀，后來滴加NaOH溶液，又生成了Cr（OH）₃沉淀，繼續(xù)滴加，Cr（OH）₃沉淀溶于NaOH溶液，所以沉淀又消失了。所以在工業(yè)廢水處理時，我們要把握好堿的用量。

［方程式解釋］

Cr₂O^2-₇+3SO^2-₃+8H⁺====2Cr³⁺+3SO^2-₄+4H₂O（橙色→綠色）

Cr³⁺+3OH^-====Cr（OH）₃↓（產(chǎn)生沉淀）

Cr（OH）₃+3H⁺====Cr³⁺+3H₂O（第一次沉淀消失）

Cr（OH）₃+OH^-====［Cr（OH）₄］^-（第二次沉淀消失）

［教師補充］同學(xué)們分析得很到位。工廠實踐證明，為了使Cr³⁺完全沉淀，適宜的pH為7～8^［7］。

［實驗表現(xiàn)評價］從學(xué)生實驗設(shè)計能力、實驗操作能力、實驗現(xiàn)象解釋能力三個維度，對學(xué)生的實驗探究表現(xiàn)進行評價，具體評價內(nèi)容見表1。通過模擬工業(yè)含鉻廢水處理實驗建立的學(xué)生實驗探究表現(xiàn)評價表，為教師對學(xué)生進行精準(zhǔn)診斷提供了重要依據(jù)，有助于教師后續(xù)實驗教學(xué)工作的開展。

4.5 項目拓展：其他含鉻廢水的處理方法

通過查閱資料，學(xué)生匯報其他含鉻廢水的處理方法，見表2。

［教師展示］有報道稱：反滲透膜技術(shù)能回收廢水中99.8%的鉻金屬。反滲透法：利用反滲透的原理，在含廢水的部分施加較高的壓力，使作為溶劑的水分子透過半透膜，從而使水與重金屬及其他溶質(zhì)分離。老師課前利用網(wǎng)上購買的反滲透膜對含鉻廢水中的金屬鉻進行處理，十幾分鐘之后，出現(xiàn)了明顯的效果。

4.6 建構(gòu)模型

通過本項目的學(xué)習(xí)，了解到認識陌生的元素化合物要善于運用兩個工具：元素周期表和“價類”二維圖，找到元素在周期表中的位置，推測元素的化合價和所屬物質(zhì)類別，遷移我們熟悉的元素化合物知識消除陌生感，再利用“價類”二維圖實現(xiàn)物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化。在這個過程中加深對兩個學(xué)科大概念的認識：元素觀和元素轉(zhuǎn)化觀，進而建立元素化合物問題的分析思路（見圖7）。

［項目成果展示］學(xué)生整理繪制工業(yè)廢水中鉻處理方法的思維導(dǎo)圖（見圖8）。

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)通過化學(xué)、物理、生物等多種方法均可處理含鉻廢水，學(xué)校周圍改造之后的水質(zhì)和土壤中的重金屬離子均可利用我們所學(xué)的知識，運用科學(xué)的方法，達到除去的目的。國家在進行房屋拆遷或改造時，對一些指標(biāo)都有非常明確的要求?！吨腥A人民共和國環(huán)境保護法》、《中華人民共和國土壤污染防治法》、《中華人民共和國水污染防治法》中均明確提出：國家加強對大氣、水、土壤等的保護，建立和完善相應(yīng)的調(diào)查、監(jiān)測、評估和修復(fù)制度。只有驗收合格后方可進行新的建設(shè)，所以居民購房選址時對于空氣、水源的質(zhì)量是可以放心的。

［課后作業(yè)］繼續(xù)了解工業(yè)廢水中其他重金屬離子的除去方法，選取另外一種非鉻元素，繪制物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖，嘗試挑戰(zhàn)工藝流程圖。

5 教學(xué)實踐反思

本項目通過挖掘?qū)W生身邊的環(huán)保問題，將生產(chǎn)生活中的問題轉(zhuǎn)化為課堂上的學(xué)習(xí)情境，極大地增強了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。從課前問卷調(diào)查、周圍居民訪談到課上設(shè)計轉(zhuǎn)化路線、實驗?zāi)M等環(huán)節(jié)，學(xué)生真實、完整地體驗了用科學(xué)知識解決實際問題的過程。把課堂學(xué)習(xí)、生產(chǎn)生活、化學(xué)實驗、工藝流程結(jié)合起來，提高了學(xué)生解決問題的綜合能力。

課后學(xué)生分享了本節(jié)課的收獲，認為：化學(xué)不單單是課本上的知識和枯燥的化學(xué)方程式，通過這一節(jié)課深深體會到了“化學(xué)是源于生活，又服務(wù)生活的”；通過自主設(shè)計工藝流程圖，似乎有一種工程師的成就感。本項目給學(xué)生提供的是陌生情境和陌生元素，通過探究，學(xué)生掌握了處理元素化合物問題的一般思路，面對“陌生”，學(xué)生將會更加從容。

本節(jié)課思路比較開拓，項目推進過程中將元素化合物知識與科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境問題相融合，引導(dǎo)學(xué)生意識到學(xué)好元素化合物知識對于解決現(xiàn)實問題具有重要的意義。同時也注重跨學(xué)科的融合：開篇先引導(dǎo)學(xué)生從歷史、地理、經(jīng)濟等角度分析十幾年前學(xué)校周圍工廠密布的原因，培養(yǎng)學(xué)生的統(tǒng)籌觀。在討論完化學(xué)方法處理含鉻廢水之后，教師和學(xué)生又積極拓展物理和生物處理方法，通過學(xué)科融合，開拓學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生綜合性問題解決的高占位和大視角。

本項目針對高一學(xué)段學(xué)生的特點，只從定性認識的角度進行教學(xué)設(shè)計，至于處理后的廢水是否達標(biāo)、沉淀出來的Cr（OH）₃應(yīng)該如何處理等問題教師可以繼續(xù)開展項目研究，開發(fā)系列項目教學(xué)案例，真正做到學(xué)有所用、學(xué)以致用。

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