基于模型认知的高中化学项目式学习设计与实施

陈霞 车建伟 潘永根

关键词：项目式学习;模型认知;海洋资源

一、项目主题分析

基于项目的学习是以学科的概念和原理为中心，以制作作品为目的，在真实的情境中，借助多种资源开展探究活动解决一系列相互关联的问题，最终达到知识建构和核心素养发展的一种学习模式[1]。本文探索在新授课中用项目式学习提高学生论证和交流能力，改变学生学习方式，促进学生核心素养的形成。

“海洋资源的开发与利用”是化学必修第二册第八章的内容，主要包括工业提取Br2的工艺流程和海水的综合利用。作为新授课，教学重点应定位于工业提取海水中的化学物质流程的设计与分析和化学学科价值的认识。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程主题5“化学与社会发展”要求认识化学科学与技术对我国的生产发展、人民生活富裕、生态良好发挥着重要作用。以海洋的开发利用为例，了解根据物质性质及其变化综合利用资源和能源的方法，树立“绿色化学”的观念，形成资源全面节约、物能循环利用的意识[2]。笔者选取帮助海岛发展、开发海洋资源的真实情境，体现“化学能够满足人民日益增长的美好生活需要”的社会价值;以提取海水中的溴为例，建构工业提取物质的基本模型，再让学生应用工业提取物质的基本模型设计海水中提取镁的流程，为开发海水中的其他资源奠定基础，发展学生的“证据推理与模型认知”核心素养;由海水制溴和海水制镁两个项目，形成物能循环利用的意识，促进学生形成创造性思维，发展学生的“科学态度与社会责任”“科学探究与创新意识”等核心素养。

二、教学目标

（1）通过了解海水晒盐的原理和海水晒盐技术的发展，总结归纳物质分离的方法与适用范围，为建构工业生产模型奠定基础，认识化学科学技术对生产发展的重要作用。

（2）通过设计和分析工业生产溴单质的流程，建构工业提取物质的基本模型，认识化学知识和方法对实际工业生产的推进作用。

（3）设计工业生产金属镁的流程，提高学生实践、合作、质疑和创新的能力，了解物质性质及其变化、综合利用资源的方法，认识化学科学与技术的发展对化工生产发展的重要性。

（4）树立“绿色化学”的观念，形成资源全面节约、物能循环利用的意识，深刻认识化学对创造更多物质财富、满足人民美好生活需要的重大贡献。

三、教学流程

“高塘岛乡靠海吃海”，本项目学习过程包括1个知识储备环节和3 个核心环节：从海水中提取溴单质、海水中提取镁单质、海水的联合利用。组织学生完成项目任务，注重学生自主能动性，引导学生建构工业提取物质的流程模型，应用模型解决其他生产问题，发展学生的核心素养，最终达成课标要求的学习目标。

“海洋资源的开发与利用”项目式学习流程见表1。

四、学习过程

1. 项目背景——海岛开发项目

宁波市象山县高塘岛乡基本情况：島面积52.8平方千米，人口2万人，2005年，全乡社会总产值7.15亿元，渔业总产值4.12亿元。岛上大多数居民以捕鱼、帮渔、养殖和农业种植为生，少数居民在小型化工厂工作，生产生活趋近原生态，农渔民人均收入不高。（授课教师是宁波市象山县高塘岛乡人，使海岛的开发项目变得贴近学生生活。）

[教师]我们可以从海水中获取哪些化学物质？

[学生]食盐。

[提供图片]晒盐和晒盐蒸馏一体机（图1）。

[教师]从海水中获取食盐属于哪一种分离物质的方法，除此之外，我们还学习过哪些分离物质的方法？

[学生]总结物质的分离方法（表2）。

2. 模型建构——海水中提取溴单质

[资料1]溴及其化合物的用途、金属镁的用途、碘单质的用途、期货价格。

[资料2]海水中溴元素以Br-形式存在，海水中Br-的浓度约为8.38×10-4 mol/L。

[资料3]通常状况下，Br2是深红棕色、密度比水大的液体，易挥发，沸点为58.8 ℃。

[资料4]海水由于弱酸性阴离子的水解作用而呈弱碱性。pH一般在8.0～8.5之间，表层海水通常稳定在8.l±0.2左右，中、深层海水一般在7.8～7.5之间变动。

[教师]从氧化还原角度考虑，如何将Br-转化为Br2？

[学生]需要加氧化剂。

[教师]你觉得可以加哪些氧化剂？

[学生1]H2O2。

[学生2]Cl2。

[学生3]KMnO4。

[教师]从氧化还原角度，大家说的氧化剂都可以将Br-转化为Br2。接下来请同学们以同桌为小组单位，从原料获得难易、价格等方面选择合适的氧化剂，利用资料确定Br2的分离方法，初步画出从海水中获取Br2的流程。

[教师]转化：选择一些化学方法将原料转化为目标物质。

[教师]提供脚手架如图2。

[学生]展示画的流程图，见图3、图4。

蒸发再收集就是蒸馏。

[教师]分离：根据物质的性质选择合适的分离方法分离出目标物质。

[教师]请同学们对比教材101页图8-4工业提取Br2的流程，找到我们画的流程图和教材中流程图的区别，完成其中涉及的化学反应方程式或离子反应方程式，并思考为什么工业生产要这样设计？

[学生1]用氯气去氧化溴离子，但是后面又用SO2还原Br2，最后又用Cl2去氧化前一步生成的溴离子。

[学生2]在第一次用氯气氧化Br-之后，用空气把Br2吹出来了。

[教师]海水中的c（Br-）约为8.38×10-4mol/L。

[教师]1.向海水中直接通入Cl2得到的c（Br2）浓度大吗？如果直接蒸馏含有Br2的海水会有什么问题？

[学生]大量的能耗，但是最后溴单质的产量很少。

[教师]大家觉得在进入蒸馏塔中的HBr的浓度是高还是低？

[学生]肯定高，为了节约能耗。

[教师]大家觉得为什么工业生产要用SO2吸收第一次Cl2氧化得到的Br2呢？

[学生观点]是为了提高Br-的浓度，降低后续蒸馏的能耗。

[教师]富集：通过一些方法提高某物质浓度的过程。

[教师]在实际生产中，将溴单质从水溶液中分离出来用了哪些分离方法？

[学生观点]蒸馏，吹出。

[教师]呈現工业提取化学物质基本模型（见图5）。

3.模型运用——海水中提取镁单质

[教师]如何从海水中获取金属Mg？请前后4人为小组，讨论并画出工业制取金属Mg的流程图。其中，箭头、方框、椭圆可以根据需要增加或删除（见图6）。

[资料1]海水中Mg2+浓度为0.05 mol/L。

[资料2]镁的化合物的熔融温度，一些试剂的价格（见表3、表4）。

[教师]

①富集：如何提高海水中Mg2+的浓度？

②分离：如何将镁元素从海水中分离出来？

③转化：应该用什么样的方法冶炼得到金属镁？

[学生]展示画的流程图，见图7、图8。

[教师]两个小组设计的流程图有相同之处也有不同之处，请两个小组各派一个代表说明自己的设计理由。

[小组代表1]海水中Mg2+浓度太低，所以我们选择蒸发提高浓度;氢氧化钙的价格比较低，所以我们选择用氢氧化钙溶液来沉淀Mg2+。对比另一小组的流程，我们忘记了加盐酸后得到的是MgCl2溶液，应该要将MgCl2固体分离出来。

[小组代表2]虽然Ca（OH）2 的价格低，但是我们小组考虑到Ca（OH）2 溶解度低，实际操作产量低，所以我们选择NaOH。

[教师]其他同学认为应该选择Ca（OH）2 还是NaOH？

[学生1评价]考虑成本，可以选择浑浊石灰水。

[小组代表2]那会引入沉淀Ca（OH）2 。

[学生2]可以选择加入适量浑浊石灰水。

[教师]为什么选择电解熔融MgCl2？

[学生]MgCl2熔点低，熔化时耗能小。

4.思维发散——海洋资源的综合利用

[教师]海岛上已有晒盐工厂，请同学们考虑能否将制镁项目和制溴项目进行联合建厂，使得化工生产绿色化，让物质、能源的循环利用最大化。

[学生]交流讨论，绘制海水综合利用图（见图9、图10）。

[小结]工业生产需要考虑反应进行的可能性、原料来源、成本高低、设备要求和环境保护等因素，因此可以联系工业生产的原料和产品，充分利用各种海洋资源以达到物能循环、综合效益最大化和绿色化学的目的。

[作业]利用所学知识，开发海洋资源，设计生产其他化学物质。

五、反思与展望

项目式学习以建构主义理论为指导，用小组合作方式进行规划和解决项目任务，可以有效地促进学生核心素养的发展，对学生模型建构、能力提高和学习动机有着良好的促进作用[3]。基于项目式学习思路，本课一方面选取海岛实际情况为真实情境，将海洋资源的开发作为项目任务，提高学生项目设计的学习动机，认识化学对创造物质财富、改善人民生活的重大贡献;另一方面应用氧化还原反应知识和物质分离方法初步设计理想的工业提取溴流程，对比工业实际提取溴的流程，优化完善工业提取化学物质的基本模型，并通过小组合作和交流，自行设计工业提取镁的流程，深化模型的应用，形成工业流程设计的思路和方法[4]。在完成项目的过程中，学生一方面能够初步构建工业提取物质的模型，联系无机化合物的性质与应用，另一方面学生也能够体验化学知识创造美好生活的喜悦。

在开展项目式学习中应以发展学生核心素养为指导，挖掘生产生活中与化学有关的现象与事实，精心设计能激发学生学习动机的项目任务，提供起引导作用的信息资料和阶梯问题，提示学生应用已学知识解决实际问题。让学生在完成项目任务的同时达成教学目标，落实核心素养。在开展项目学习的过程中会发现很多与预设不同的地方，例如：在本项目中，在选择氢氧化钙还是氢氧化钠沉淀镁离子的讨论中，学生会因为缺乏溶解平衡相关知识考虑氢氧化钙溶解性的问题，赞同选择氢氧化钠，教师应给予肯定，并作为课后研究问题，激发学生研究热情或让其他学生讨论与评价，从而了解学生的学习心理，为之后的教学奠定基础。在挖掘与化学有关的现象和事实的过程中，需要教师自身保持好奇心与研究意识，只有教师自身有着研究的心思，那么项目式学习设计才会有引人入胜的学习魅力。