走向真實情境的項目式學習的教學實踐

丁浩 黃金泉 韓竹海

摘要：鑒于傳統(tǒng)高三復習中存在的一些弊端，重構以培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)為主旨，探討多模塊知識融合，選擇將知識情境化、情境問題化的高三復習教學模式，形成了走向真實情境的項目式學習的教學手段。文章以“滅菌劑ClO2的學習”為總任務，分解成“實驗室制取ClO2”和“ClO2的用途及其工作原理”兩個子任務，圍繞“ClO2的制備原理、實驗裝置、測定ClO2水溶液的純度”以及“ClO2結構及其性質、ClO2水體消毒原理及其副產(chǎn)物、水體除錳優(yōu)化條件探究”等方面探索高三復習課實施項目式學習的教學方法，以期體驗理論與實踐相結合的物質制備及性質的探究過程，提升學生的學科關鍵能力。

關鍵詞：真實情境；項目式學習；高三復習；二氧化氯

文章編號：1008-0546（2022）01-0010-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.003

*本文系江蘇省“十三五”教育科學規(guī)劃課題“‘教學做合一’思想下高中化學項目式學習的研究”（批準號：TY-c/2020/04）階段性成果。

一、問題的提出

1.高三化學復習課現(xiàn)狀

高三復習課堂普遍存在著“乏味”的“題海戰(zhàn)術”，一方面教師“滔滔不絕”，另一方面學生卻“昏昏欲睡”，復習效率低下。老師們總喜歡憑借自己固有的經(jīng)驗上課，喜歡按現(xiàn)成復習資料編排的體系上課，即所謂一輪復習梳理知識、二輪復習專題復習、三輪模擬訓練，但這種做法耗時費力；更有甚者江蘇高考近幾年來根本不涉及的內(nèi)容，有的老師卻還在樂此不疲地進行“拉網(wǎng)式”復習，過度教學嚴重，造成了時間和精力的浪費。這種“以題代練”的復習方式，高耗低效，把活生生的學生當“做題機器”，結果是做了一些與高考不太相干的廢題，學生一旦遇到新情境的題目依舊是“一籌莫展”，甚至“無從下手”，顯然，高三的化學復習課堂令人堪憂。

2.項目式學習

高中化學新課程標準（2017年版）倡導真實問題情境的創(chuàng)設和基于綜合性問題解決的主題式教學。而項目式學習是通過設置一個真實情境化的任務，學生作為項目學習的主體在完成項目任務的過程中與教師不斷對話來診斷其學習障礙點，發(fā)展其核心素養(yǎng)，同時解決問題的綜合能力得到提升[1]。項目式學習是秉承“做中學”的理念，讓學生在真實、復雜問題的解決過程中提升理解和運用化學知識的綜合能力，有效幫助學生將知識內(nèi)化為能力和素養(yǎng)，從而實現(xiàn)“知識、能力、素養(yǎng)”一體化的教學。

3.項目式學習在高三復習中的意義

針對高三復習課堂上“炒冷飯”的現(xiàn)象，實施項目式學習就顯得很有必要。一則項目式學習是基于真實情境，能使學生感受到自己在學真實的化學，感受到化學知識的實用性，增強了學化學的內(nèi)驅力；二則學生在創(chuàng)設的“以任務為驅動，以問題為導向”的真實情境中，時時刻刻面臨新的問題新的挑戰(zhàn)，他們在解決一個個真實問題的過程中收獲了知識、提升了學科能力、培養(yǎng)了學科素養(yǎng)；再則項目式學習重視學科內(nèi)核心知識的融合，學生通過項目式學習，能內(nèi)化學科內(nèi)核心知識，體驗真實問題的復雜性、綜合性，在項目式學習過程中學生既能獨立思考又能共享交流，學生的思維不斷碰撞，思維品質得以提升。

二、走向真實情境的項目式學習的教學案例設計與實施

1.項目設計意圖

本節(jié)內(nèi)容選擇“滅菌消毒劑ClO2”作為項目主題，引領學生走向真實情境的項目式學習。在實驗室制備ClO2過程中，體驗從原理到實驗設計再到實驗改進的過程，培養(yǎng)“科學探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)；在性質及應用的學習過程中，體驗“結構-性質-用途”的化學學科思想，培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”“科學態(tài)度與社會責任”的核心素養(yǎng)。

2.項目學習目標

（1）通過ClO2制備原理的分析以及工業(yè)上制備方法的介紹，體驗實際生產(chǎn)的豐富性，深刻體會到基礎理論的重要性。

（2）通過模擬工業(yè)生產(chǎn)進行實驗室制備ClO2的設計，掌握并應用“價-類”二維圖設計無機物轉化的一般方法，構建實驗室制取氣體的一般模型，培養(yǎng)學生的工程思維能力。

（3）通過ClO2消毒劑性質及應用的學習，進一步理解“結構-性質-用途”的化學學科思想，樹立正確的科學態(tài)度和社會責任感。

3.項目流程設計

項目流程設計見圖1。

4.項目實施過程

引入：二氧化氯在殺菌消毒、水體處理、漂白除臭等方面具有安全、高效、環(huán)保和廣譜性，那么，何謂二氧化氯？

過渡：ClO2因為具有殺菌能力強，對人體及動物沒有危害以及環(huán)境不造成二次污染等特點而備受人們的青睞。主要用途在自來水的消毒和面粉、木質紙漿的漂白等。但是，ClO2極易分解發(fā)生爆炸，受熱、光照或遇有機物等能促進氧化作用的物質時，均會促進分解甚至引起爆炸，因而需隨制隨用。實驗室如何來制備二氧化氯？

任務一：實驗室制取二氧化氯

活動1：探究二氧化氯的制備原理

交流研討：常見的較穩(wěn)定的含氯物質有HCl、Na？ Cl、Cl2、HClO2、NaClO2、NaClO、HClO4、NaClO3等。請以上述含氯物質為原料，利用”價-類”二維圖討論二氧化氯的制備方案（見圖2）。

學生：從“價-類”二維圖中可知，上述含氯物質轉化為二氧化氯均發(fā)生了化合價變化。從價態(tài)角度看，二氧化氯中氯元素價態(tài)為+4，處于中間價態(tài)，可以尋找較強的氧化劑，將低價態(tài)的氯元素氧化為二氧化氯；也可以尋找合適的還原劑，將高價態(tài)的氯元素還原成ClO2。

設計意圖：“價類二維圖”是以元素為核心，從類別和價態(tài)兩個角度來認識物質性質和轉化的二維坐標圖。高三復習階段，讓學生從價類二維圖的角度分析物質間可能的轉化，有助于學生構建知識體系，形成多角度認識物質轉化的思維模型。

提出問題：如何尋找合適的氧化劑和還原劑？

知識鏈接：根據(jù)熱力學定義，在標準狀況下，可以根據(jù)電極電勢的大小判斷氧化劑、還原劑的相對強弱和氧化還原反應的方向。

交流研討：上述“價-類”二維圖中物質的轉化均能實現(xiàn)嗎？請根據(jù)以下表1中常見氧化劑、還原劑電極電勢的大小[2]，從熱力學角度分析可能發(fā)生的制備二氧化氯的反應原理，并解釋原因。

ClO2為黃綠色有強烈刺激性臭味的氣體，沸點為11℃；極易溶于水但與水不反應，水溶液相對穩(wěn)定；溶于堿溶液生成亞氯酸鹽和氯酸鹽；空氣中的濃度超過10%便有爆炸危險。

學生匯報實驗思路：先使用亞硫酸鈉和中等濃度的硫酸制備SO2，然后將SO2氣體通入盛有氯酸鈉溶液和稀硫酸的燒瓶中進行反應，再用向上排空氣法收集產(chǎn)生的ClO2氣體，最后進行尾氣處理。

提出問題：用排空氣法收集ClO2是否存在安全隱患？如若存在安全隱患，如何進行改進？

學生：會產(chǎn)生安全隱患，根據(jù)信息當空氣中的體積分數(shù)超過10%時便有爆炸危險。考慮到ClO2易溶于水，不與水反應，且其水溶液較穩(wěn)定，因此我覺得可以用水直接吸收ClO2，這樣既可以防止爆炸，又便于課堂觀察。

提出問題：用水直接吸收ClO2的想法不錯，是用冰水好還是用常溫下的水好？

學生：肯定是用冰水好，因為它的沸點只有11℃，溫度越低越好。

教師展示整套裝置（見圖3）并課堂演示：

活動三：測定ClO2水溶液的純度

交流研討：請設計定量測定ClO2溶液純度的實驗方案

學生1：（沉淀質量法）將ClO2轉化為Cl-，然后加入足量的經(jīng)硝酸酸化的硝酸銀溶液，過濾、洗滌、干燥，通過測定生成的AgCl質量計算ClO2的純度。

學生2：（氣體質量法）將ClO2轉化為Cl2，用過量的堿石灰吸收，通過測定堿石灰反應前后的質量差，測定Cl2質量，計算ClO2純度。

學生3：（氣體體積法）將ClO2轉化為Cl2，用排飽和食鹽水法測定Cl2體積，通過測定生成的Cl2的體積，計算ClO2含量；

學生4：（滴定法）利用ClO2的氧化性，用已知濃度的標準液直接或間接滴定，找到標準液與ClO2的比例關系，通過測量標準液消耗的量，計算ClO2純度。

教師一一點評，然后按照學生4的方案進行演示（具體操作如下）：

學生：不清楚

教師：一般用作指示劑的淀粉通常是直鏈淀粉，是籠狀結構，它會吸附I2，把它藏起來，如果不這樣操作，即使溶液的藍色消失，也不能說明滴定達到終點，產(chǎn)生的誤差比較大。

設計意圖：意在引導學生重視真實實驗情境下的問題解決，如實驗過程的分析與理解，實驗現(xiàn)象的判斷與預測，實驗條件的控制與優(yōu)化，實驗方案的設計與評價等。培養(yǎng)學生實驗探究的綜合能力，幫助學生綜合運用化學實驗原理和方法，設計實驗方案解決簡單化學問題。

任務二：ClO2的用途及工作原理

活動1：ClO2結構及其性質

交流研討：ClO2為V型分子，鍵角110.9°，氯原子的價電子排布為3s23p5，只有一個未成對電子，怎樣才能結合兩個氧原子的呢？ClO2中心原子的雜化方式、分子中的共價鍵的類型以及分子的空間構型是怎樣的？

學生：ClO2中，中心原子Cl為sp2雜化，其中兩個雜化軌道與O原子形成σ鍵，另一個雜化軌道有一孤電子對。根據(jù)價電子對互斥理論可知，排斥力：孤電子對-孤電子對>>孤電子對-成鍵電子對>>成鍵電子對-成鍵電子對，故氯氧鍵鍵角小于120°，為110.9°。這就決定了ClO2的空間構型是V型或角型。

教師點評：回答得很好！投影ClO2分子的球棍模型（見圖4）。

提出問題：ClO2的高效殺菌消毒能力和Cl2相比如何體現(xiàn)？

活動2：ClO2水體消毒原理及其副產(chǎn)物

過渡：用傳統(tǒng)的液氯和氯氣處理自來水會產(chǎn)生三氯甲烷、氯酚、氯胺等致畸致癌物質，而ClO2不會與水中的有機化合物反應產(chǎn)生這類有毒物質，除了消毒、殺菌、除去金屬離子外，ClO2在自來水的除臭脫色等方面也有較好的效果。

二氧化氯發(fā)生過程中，原料反應不充分，氯酸鹽隨著二氧化氯一起被投到待處理水中；二氧化氯不穩(wěn)定，暴露在陽光下、高溫或者其他條件下自身分解，同時產(chǎn)生亞氯酸鹽和氯酸鹽；二氧化氯與被處理的水體作用時，發(fā)生氧化還原反應，生成亞氯酸鹽和氯酸鹽；在堿性水體中，二氧化氯發(fā)生歧化反應生成亞氯酸鹽和氯酸鹽。

過渡：認識副產(chǎn)物的轉化過程的規(guī)律，有助于進一步正確評價ClO2消毒工藝的安全性，為正確使用ClO2提供理論依據(jù)。

控制pH為7.0～8.0，調(diào)節(jié)ClO2的投入量，沉淀后水溶液Mn2+含量和ClO-2含量如圖6、圖7所示：

提出問題：從上述圖像的變化趨勢中，你能得出什么結論？

學生1：錳的含量基本上隨pH升高而降低，故pH越高，越有利于Mn2+的去除。

學生2：ClO2濃度的增大一定程度上能增大Mn2+的去除率，pH在7～8時，ClO2的濃度越大，越有利于Mn2+的去除，但同時也會使副產(chǎn)物ClO-2的含量越來越高。

過渡：堿性溶液中，ClO2會歧化，如何控制二者的量以及ClO2的投加點？

探究二：ClO2投加時間點對除錳效果和亞氯酸鹽含量的影響（提示：同時是指ClO2和絮凝劑同時間點投加）

過渡：在其他條件相同的情況下，進行不同投加時間點的預氧化除錳實驗，測定Mn2+的去除率和ClO-2含量如圖8所示。

提出問題：請根據(jù)圖像分析變化趨勢，由此你能得出什么結論？

學生1：由圖8（a）可知，投加時間點與絮凝劑投加時間點接近時，除錳效果較好，而在加入絮凝劑5min后投加ClO2的除錳效果相對最好。

學生2：由圖8（b）可知，亞氯酸鹽生成量主要取決于ClO2投加量，ClO2投加量越大，亞氯酸鹽生成量越大。隨著投加點越來越靠后，亞氯酸鹽生成量有減少趨勢。

教師總結：堿性條件下（較高pH）有利于ClO2和Mn2+反應，即Mn2+易被氧化成四價錳而沉淀，從而提高除錳效果；同時，二氧化氯是一種酸性氣體，溶于水又會在一定程度上降低水的pH。

設計意圖：綜合應用化學學科知識與方法解決復雜、陌生情境問題，是學生化學學科能力的綜合體現(xiàn)。解決綜合探究性問題首先要具有良好的信息素養(yǎng)，能有效地獲取和加工信息，建立情境信息與已有知識和問題指向之間的聯(lián)系。其次要能準確分析問題情境，確定問題指向，通過分析比較、類比遷移、概括推理等方法，確定解決問題的方向和途徑。高三復習階段如果一味單純地簡單重復知識對大多數(shù)學生而言是無效的，只有經(jīng)過深度理解和構建的知識，把知識轉化為解決問題的能力，才能在新的復雜情境中遷移運用。如何培養(yǎng)學生在新情境中獲取、加工并處理信息的能力，平時教學中就要多多挖掘新素材、新情境加以訓練。

小結：ClO2的用途，如殺菌消毒、脫色漂白、水處理劑、除臭、重金屬去除、保鮮、石油井去堵、滅藻等。

三、實踐反思

從本項目實施情況和課堂上學生的表現(xiàn)來看，學生的成就感和參與度明顯提升。究其原因一方面環(huán)環(huán)相扣的驅動性問題激發(fā)了他們極大的興趣，引發(fā)他們的思維碰撞，在面對真實的化學問題情境時，他們充分運用所學的化學知識，努力嘗試著去解決，在一個個真實問題的解決過程中收獲了知識、提升了學科關鍵能力、培養(yǎng)了學科素養(yǎng)；另一方面，教師通過有效的追問促進了學生不斷反思其認識思路和角度，外顯其思維過程，診斷了學生的學習發(fā)展障礙點，提升了其解決問題的能力，并潛移默化地指導學生在后續(xù)的元素化合物的學習中，主動調(diào)用“價-類”二維圖模型去解決問題，自覺形成用二維圖工具復習其他元素及其化合物的思路和方法。

參考文獻

[1]江合佩.促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的項目式學習研究與實踐——以“廢舊鋰離子電池回收利用”為例[J].教育與裝備研究，2019（9）：60-67.

[2]江合佩.走向真實情境的項目化學習[M].濟南：山東科學技術出版社，2020：4.

[3]江合佩.走向真實情境的項目化學習[M].濟南：山東科學技術出版社，2020：30.

[4]江合佩.走向真實情境的項目化學習[M].濟南：山東科學技術出版社，2020：31.