新課改視域下項目式學習探究
——以“銅礦石到景泰藍”項目式學習為例

羅 睿

一、研究背景

項目式學習(project based learning),是一種以學生為中心的動態式學習方法,以學生的興趣及需要作為基礎,把有目的的活動作為核心及學習的依據,使學生能夠基于腦海中已有的經驗和知識,主動去構建知識及制訂相應的學習計劃,并通過實踐來解決實際中的問題[1]。在這個過程中,學生能夠掌握所需的知識和技能。最終能夠以產品形式呈現,在整個參與過程中學生能夠逐漸建構自己的知識體系、掌握必備技能、實現綜合發展的教學模式[2]。

《普通高中化學課程標準(2017 年版) 》 倡導真實問題情境的創設,提倡基于綜合問題解決的主題式教學[3],胡紅杏認為“項目式學習讓內容易習得,讓思維具有可見性,促進自主學習和終身學習,有利于調動學生的學習自主性,有利于批判思維與創新思維的培養,有助于學生科學精神和人文精神的養成,有助于發展學生的學科核心素養和學科能力”[4]。化學學科是基礎科學當中最重要的一門學科之一,是以實驗為基礎,并與物理學、生物學、天文學、地理學等學科相互滲透、相互推動發展。教師可以通過各種教學模式提高學生的參與性及學習興趣,從而實現學生解決問題的能力的培養。本文以從銅礦石到景泰藍作為情境來進行項目式探究學習。

二、研究過程

從銅礦石到景泰藍工藝品的工藝流程是這樣的:先將從自然界得到的黃銅礦,用氯化物溶液浸潤溶解,得到主要成分為氯化銅和氯化鈉的浸出液;浸出液經電解能夠得到粗銅;粗銅再經電解精煉能夠得到精銅,精銅經過工藝處理得到紫銅。將紫銅做成不同形狀的胎體后,再經過掐絲、點藍、燒藍、磨光處理,最后再經過鍍金工藝,一件美麗的景泰藍工藝品就制作完成了。這里涉及電解、電解精煉和電鍍,這和新教材化學選擇性必修1 第四章第二節“電解池”的教學目標相契合,可將此項目式學習分為兩課時完成,第一課時為“構建電解原理模型”,第二課時為“解決電解原理如何應用的問題”。

(一) 項目式學習中關于電解原理模型的構建

我們先來看第一課時如何展開,教師展示景泰藍美麗圖片,介紹景泰藍制作工藝是我國首批國家級非物質文化遺產名錄中一顆璀璨的明星,激發學生學習興趣,簡要介紹工藝流程,然后帶領學生一起探秘。再來看一下研究的起點,這個浸出液中主要的成分有氯化銅和氯化鈉,是個復雜的混合體系。為了更好地研究電解基本原理,我們采用化繁為簡的拆分方式,將本節課任務拆分為三個子任務,子任務一:探究電解氯化銅溶液的基本原理;子任務二:探究電解氯化鈉溶液的基本原理;子任務三:分析電解氯化銅和氯化鈉的混合溶液。先來看如何完成子任務一的教學:提到電解,學生可能會想到初中學過的電解水,其裝置示意圖主要包括外接直流電源、導線、兩個電極和被電解的物質水四部分。將該裝置中的水換成氯化銅溶液,應該即可實現電解氯化銅溶液。歸納一下,也就是說電解裝置的基本構成包括直流電源、電子導體和離子導體三部分。其中,與直流電源正極相連的,我們把它叫作陽極。與直流電源負極相連的,我們把它叫作陰極。接下來教師演示電解氯化銅溶液實驗,學生仔細觀察實驗現象,看完實驗,請學生思考“電解氯化銅溶液,生成銅和氯氣的原理是什么”宏觀上,我們看到的現象是陰極出現了暗紅色固體,陽極出現了大量氣體。由此可以推測銅離子在陰極得電子,被還原出銅;氯離子在陽極失電子,被氧化為氯氣。而學生已經學過,在通電前,微觀上,氯化銅溶液中有大量的銅離子和氯離子在無序運動。我們用化學符號來表示其中的過程應該是這樣的:通電前,氯化銅這種鹽完全電離成銅離子和氯離子。在學習過電解水和弱電解質電離后,學生也會想到水也有極微弱電離,溶液中還有極少量的氫離子和氫氧根離子。那么,在通電時,向陰極遷移的是帶正電的銅離子和氫離子,向陽極遷移的是帶負電的氯離子和氫氧根離子。實驗通電時,銅離子帶正電被陰極吸引,向電解池陰極移動得到電子生成銅;氯離子帶負電被陽極吸引,向電解池陽極移動,失去電子生成氯氣。在此實驗條件下,陰極粒子的放電順序是銅離子優先于氫離子得到電子,即銅離子的氧化性強于氫離子,優先發生了還原反應。同理,在此實驗條件下,陽極粒子的放電順序是:氯離子優先于氫氧根失去電子,即氯離子的還原性強于氫氧根離子,發生了氧化反應。因而電解氯化銅溶液的總反應就是:氯化銅電解得到銅和氯氣。學生都知道,氯化銅是不會自發分解成銅和氯氣的,電解使得這個非自發氧化還原反應得以發生。學習到此,學生應該更加明確了:這種使電流通過電解質溶液(或熔融電解質) 而在陽極、陰極引起氧化還原反應的過程叫作電解。將電能直接轉化為化學能的裝置,叫作電解池。而電解可以看作外接電源提供的電能,借助電解池將還原劑的電子轉移給了氧化劑。接下來,請學生繪制反映電解池工作原理的示意圖。至此,通過設計電解氯化銅溶液的實驗,通過實驗現象,逐步引導學生構建電解模型,子任務一完成。

明確了電解氯化銅溶液的基本原理之后,接下來讓學生看電解飽和食鹽水會怎樣的,先請學生依據電解的基本原理,預測電解飽和食鹽水的產物,并設計實驗檢驗。很多學生可能是這樣預測的:飽和氯化鈉溶液在通電前,溶質氯化鈉完全電離成鈉離子和氯離子;水,極微弱的電離成氫離子和氫氧根離子。外接直流電源通電后,鈉離子和氫離子向陰極遷移,氯離子和氫氧根向陽極遷移。那么誰會優先放電呢? 在電解氯化銅溶液中,已經看出陽極是氯離子還原性強于氫氧根離子,優先失去電子變成氯氣,用濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗氯氣。按照金屬活動性順序表推理可知,一般情況下,氫離子的氧化性強于鈉離子。因此,最大的可能就是氫離子優先放電,逸出氫氣。而氫離子來源于水,隨著氫離子的放電,勢必有水繼續電離,因此,隨著氫氣的產生,溶液中的氫氧根離子濃度應該增加。這樣,陰極的總反應為水得到電子,生成氫氣和氫氧根離子。產生的氫氣,用點燃的方法檢驗,生成的堿可以用酚酞溶液來檢驗。基于電解原理的離子遷移和放電順序推理,這個反應的總反應可能就會是:氯化鈉與水在通電條件下得到氫氣、氫氧化鈉和氯氣。實際上是這樣的嗎? 我們還要用實驗事實來說話,請學生觀看實驗視頻。看來用電解的基本原理推測出的電解飽和食鹽水的產物是合理的。請學生思考:能否用該電解池制備氫氣、氫氧化鈉和氯氣呢? 若不能,該怎樣改進裝置呢? 讓學生再聚焦這個反應的總反應方程式,電解氯化鈉溶液,陰極區域生成氫氣、氫氧化鈉,陽極區域生成氯氣。再看電解池,會發現在這個電解池里,陰極區域和陽極區域是相通的,因而兩極電解所得到的產物可以相互接觸。氯氣和氫氧化鈉有可能繼續反應得到次氯酸鈉、氯化鈉和水,而兩極得到的氫氣和氯氣有可能是混合的。因為氫氣和氯氣在一定條件下會反應生成氯化氫氣體,氫氣和氯氣混合容易引起爆炸,這里存在極大的安全隱患。那么,我們該如何改進裝置呢? 最直接的想法是把電解池陰極區域和陽極區域用隔膜隔離開,避免氯氣和氫氣混合、氯氣和氫氧化鈉反應。可是如果僅僅是在中間加入一個隔膜,以陽極區為例,氯離子失去電子變成氯氣,原本氯化鈉溶液是電中性的,氯離子變成氯氣逸出后,溶液中的陰離子逐漸減少,即負電荷減少,導致左邊溶液就呈現了正電性,陰離子就很難繼續反應了。同理,右面如果放出氫氣,溶液就呈現了負電性,而溶液應該是時刻保持在電中性的。怎么解決這個問題呢? 所以,在中間加的隔膜既要阻止反應產物的接觸,又要想辦法讓相應帶電粒子通過,使兩邊的溶液保持電中性,使電解反應得以繼續進行。現在的科學研究已經實現了這個想法,比如,中間添加陽離子交換膜,允許陽離子通過,不允許陰離子和氣體通過。這樣的話,通電時氯離子反應,陽極區域負電荷減少,多出的帶正電荷的鈉離子就可以穿過陽離子交換膜,進入陰極區,使得兩邊溶液都保持電中性。若是在電解池陰陽極區域間添加陰離子交換膜,道理是和上面相同的。具體添加何種離子交換膜,視生產目的而定。這樣,電解池的工作原理模型就又有了發展:外接直流電源,溶液中離子定向移動,兩極區域間加裝離子交換膜,相應的離子可以選擇性通過交換膜,以保持兩電極區域電中性,電解反應得以持續進行。通過構建的電解模型,讓學生預測電解飽和食鹽水的產物,之后通過實驗進行驗證,進一步強化電解模型,然后再聯系工業生產,找出如果利用該電解裝置進行工業生產時存在的問題,將電解池工作原理模型再升級發展為陰陽兩極間有離子交換膜的模型。這種模型的升級,會對未來實踐具有很強的指導作用,至此子任務二的教學完成。

最后是子任務三的教學:我們分別探究清楚了電解氯化銅溶液和電解飽和氯化鈉溶液的基本原理。那么,如果是電解這兩者的混合溶液,得到粗銅。應該是怎樣的原理呢? 把以上兩個實驗合二為一進行考慮,可以發現用石墨電極、在一定直流電壓下,陰極的放電順序應該是——銅離子優先于氫離子,氫離子優先于鈉離子,而陽極的放電順序是氯離子優先于氫氧根離子,這樣在陰極上就可以得到我們想要的銅單質。這個原理,正好符合工業需求。可是在陽極上會生成有毒氣體氯氣,工業生產中是怎么解決這個問題的? 這個問題留到后面第二課時再進行討論。通過以上實驗探究,我們清楚了由黃銅礦浸出液電解得到粗銅的基本原理。第一課時內容全部完成,也從銅礦石得到了粗銅。

(二) 項目式學習中關于電解原理模型的應用

第二課時繼續探秘如何從粗銅最終得到美麗的景泰藍。本課時設置兩個子任務,子任務一:粗銅精煉,讓學生依據電解原理選擇電極材料、電解質溶液,實現粗銅精制,我們的銅礦石已轉變為精銅。電解精煉粗銅時,以待精煉的銅做陽極,用硫酸銅溶液做電解質溶液,可得含銅量為99.95 %～99.98%的電解銅,即精銅。由于在陽極上溶解的金屬有鐵、鋅、鎳、銅等,而在陰極上只有銅析出,根據得失電子守恒可知,陽極產生的銅離子數目和陰極得電子變成單質銅的銅離子數目不相等,所以電解液中銅離子的濃度減小。精銅經工藝處理為紫銅,將紫銅做成不同形狀的胎體后,再經過掐絲、點藍、燒藍、磨光處理后,與景泰藍工藝品之間只差一步電鍍;接下來完成子任務二電鍍的教學:如何提高景泰藍的抗腐蝕能力? 增加表面硬度和美觀? 學生依據電鍍的主要目的是選擇電極材料、電解質溶液,并比較電解精制和電鍍異同。電鍍時,通常把鍍層金屬做陽極,待鍍金屬制品(鍍件) 做陰極,含鍍層金屬離子的溶液做電鍍液。在直流電源的作用下,陽極金屬失電子,溶解在溶液中成為陽離子,移向陰極,溶液中該金屬離子在陰極獲得電子被還原為金屬[5],覆蓋在鍍件上。至此,從銅礦石到景泰藍工藝品項目式學習全部完成,學生在探究的過程中培養了科學探究與創新意識,增強了化學學科核心素養。

三、研究結論

從銅礦石到景泰藍項目式學習中,學生的學習是通過自己的思考和探究來實現的[6]。教師通過引導、建議和指導來幫助學生進行探究式學習。教師在整個過程中要及時肯定學生、鼓勵學生,并且在關鍵時刻引導他們對問題進行深度思考。項目式學習代表了教學模式的轉變,項目式教學和傳統的以教師為主體的課堂非常不同,它需要教師事先準備更多的材料來指導各個小組的學習。而在整個過程中,學生是主體,通過一次次的真實體驗與參與進行深度思考,在深度思考的過程中構建模型,理解相關化學原理,促進化學學科核心素養的逐步形成。化學知識是需要在真實的情境中學生主動去獲得,而不是教師灌輸得來的,這樣獲得的知識才是能夠達到舉一反三目的。