基于化學學科理解的“從海水中提取鎂”教學設計*

吳風琴

（江蘇省華羅庚中學 江蘇常州 213299）

一、化學學科理解的內涵

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中明確指出：開展“素養為本”的課堂教學，教師要進一步增進化學學科理解。化學學科理解是指教師對化學學科知識、思維方式的一種本原性、結構化的認識。［1］科學經驗傳遞理論認為：科學教育的過程就是將人類已獲得的經驗傳遞給學生，學生通過消化吸收后內化為自己的經驗。從人類已有的科學經驗這個起點到學生習得經驗為終點，需要經過課程化、教材化、教師化、學生化四個階段。教師化過程包含內化、轉化和外化三個環節，其過程如圖1所示。［2］

圖1 教師化過程

教師應從學科視角提升學科理解，基于課程標準精選教學內容，科學設計教學過程，引導學生建構具有化學特質的思維模型，開展以實驗為主的多種探究活動，指向問題解決，最終達成學科育人的價值目標。

二、“從海水中提取鎂”的教材分析

“從海水中提取鎂”，位于蘇教版《普通高中教科書（化學必修第一冊）》專題3“從海水中獲得的化學物質”中的第三單元，而人教版和魯科版教材都沒有此內容。蘇教版教材以海水資源的綜合利用為背景，以“工業生產—性質探究—社會應用”為主線，將化學學科知識的學習置于真實的工業生產背景下開展，學生在獲取學科知識和習得基礎實驗技能的同時，形成合理利用自然資源的觀念，提升可持續發展的意識，從而對化學學科價值有全新的認識。“海洋化學資源的綜合利用”共有4個內容：粗鹽提純、從海水中提取溴、從海水中提取鎂和從海帶中提取碘，前3個內容是從海水中提取物質。筆者在實際教學中，調整教材學習順序，先學習溴、碘的提取，最后學習鎂的提取。通過從海水提取氯、溴、碘的學習，學生初步掌握了物質提取的基本原理和方法；通過氯和鈉的學習，學生基本掌握了物質分類、氧化還原反應、離子反應等基本概念。但學生在面對真實情境時，缺乏認識具體物質及其轉化規律的切入點，也沒有形成認識物質性質及轉化的路徑。這就需要教師適時引導，激活學生已有的知識和經驗（如初中已學的金屬制備方法），使問題直觀化，降低學生的認知難度。

三、基于學科理解的教學設計

化學學科理解的本原性方式，要求教師對化學知識進行本原性思考，凝練學科本原性問題；化學學科理解的結構化方式，要求教師抽提出認識視角和認識思路，建構關聯性的知識體系，形成有機的整體。基于化學學科理解的“從海水中提取鎂”一課的教學內容如圖2所示。

圖2 基于化學學科理解的“從海水中提取鎂”一課的教學內容

以“素養為本”的化學課堂教學設計，應注重基于化學課堂教學板塊和化學學習任務的設計。［3］基于學科理解的教學板塊及學習任務的設計能驅動學生的深度思考，幫助學生構建完整的知識框架，學生在任務解決中深刻理解和掌握核心概念以及學科知識，實現知識的結構化、功能化、素養化。本節課通過展示鎂在航天、生活中的應用，引發3個問題的思考：如何從海水和礦物中提取單質鎂？鎂及其化合物具有怎樣的物理和化學性質？如何構建從自然界中提取化學物質的思維模型？本節課沿著科學家的腳步探尋鎂的前世、今生、未來，認識鎂的性質，其中每個板塊又由若干個學習任務組成。教學板塊、教學任務和教學目標的關系見圖3。

圖3 教學板塊、教學任務和教學目標的關系

四、教學過程

1.創設情境，引入新課

【教師活動】展示鎂合金實物。展示鎂合金在日常生活以及航天領域應用的圖片。

【學生活動】觸摸實物。感受鎂在航空以及生活中的應用，進行討論、交流。

設計意圖：從新聞事件中感知鎂的相關應用，讓學生感悟“為什么要制備鎂？”凸顯“從生活走進化學”的學科視角。

2.追尋歷史，感受鎂提取過程的曲折

【教師活動】化學史話：（1）1808年，英國化學家戴維電解汞和氧化鎂的混合物，得到鎂汞齊，將鎂汞齊中的汞蒸餾后，得到了銀白色的金屬鎂。（2）1828 年，法國科學家布西用金屬鉀和熔融無水氯化鎂發生置換反應，制取了大量的金屬鎂。（3）二戰時期，對鎂合金的需求量急劇增加（航天、火炬以及照明彈），歐洲曾有四個工廠，采用碳熱還原工藝煉制鎂，但二戰后都倒閉了。

提問：由鎂的制備史分析，前人制鎂的過程中蘊含了哪些化學原理？

【學生活動】討論交流每種制備方法的利弊，分析總結制備金屬的方法。

設計意圖：通過概括、關聯等活動，比較不同的金屬制備方案并分析金屬冶煉的共性，引導學生概括將金屬由化合態轉變成游離態的思路，凸顯氧化還原反應理論在金屬制備中的應用。

3.走進現代制鎂工藝，感知含鎂化合物的性質

【教師活動】展示數據：海水中鎂的總量（1.8×1015t），常見鎂的化合物的溶解度如表1所示。

表1 常見鎂的化合物的溶解度（g）

【問題1】從易分離的角度思考如何將鎂從海水中提取出來？

【學生活動】分析討論，依據物質分離提純的“四原則”，可以加入堿使Mg2＋轉化為Mg（OH）2沉淀。

【教師活動】展示海水中含有的主要離子的濃度（見表2）。

表2 海水中主要離子的濃度（mol/L）

【問題2】海水中c（Mg2+）=0.054 mol/L，在海水中加沉淀劑能否有沉淀？為什么？

【分組實驗】將模擬海水［c（Mg2+）=0.053 mol/L］、模擬曬鹽后的母液［c（Mg2+）=3 mol/L］分別與NaOH溶液以及澄清石灰水反應。

【學生活動】學生兩人一組，分工合作，觀察實驗現象，對比發現向模擬海水中加入堿（不管是NaOH溶液還是澄清石灰水）無沉淀生成，而向模擬曬鹽后的母液中加入一定濃度的NaOH溶液則有沉淀生成。說明當離子濃度太小時產生的沉淀量少，在實際工業生產中必須對原料進行富集。

【教師活動】展示數據：2020 年的常見堿的價格（見表3）。

表3 常見堿的價格（元/噸）

【問題3】從原料來源以及節約成本的角度，應選擇何種沉淀劑？這種沉淀劑可以通過怎樣的化學反應獲得？

【學生活動】從生產成本和生產效率兩個角度評價，選擇使用石灰乳沉淀Mg2+。

設計意圖：通過實驗對比，讓學生感知“富集”的概念，逐步形成“原料分離提純、產品富集精制、條件控制”等技術思想，幫助學生樹立經濟效益以及海洋資源綜合利用的意識，復習并鞏固分離與提純等實驗方法。

【教師活動】展示數據：常見鎂的化合物的熔點（見表4）。

表4 常見鎂的化合物的熔點（℃）

【問題4】如何實現Mg（OH）2到Mg的轉化？

【學生活動】討論、總結制備Mg的可能途徑，并在討論中分析各種方法的利弊。

【問題5】選擇電解氯化鎂溶液制鎂，還是電解熔融氯化鎂制鎂，為什么？

【實驗探究】Mg與水的反應

【學生活動】得出結論：鎂能與熱水反應。聯系鈉的制備原理，得出選擇電解熔融氯化鎂制備鎂的結論。

【問題6】電解的副產物氯氣有什么用途？從產業鏈考慮，可以在電解廠的旁邊再建什么工廠？

【學生活動】繪制從海水中提取鎂的流程圖，思考用氯氣制備HCl，HCl再與Mg（OH）2反應生成MgCl2。

設計意圖：該環節討論將鎂的化合物轉化為單質鎂，培養學生分析與解決問題的能力。繪制“海水→Mg2+→Mg”流程，將學生的思維外顯，在問題探討中凸顯循環使用、綠色化學等思想。

4.展示我國制鎂工藝（圖4），創設陌生情境，培養演繹推理能力

【教師活動】展示中國的菱鎂礦、白云石礦的儲量信息。中國目前主要以皮江法冶煉鎂，皮江法冶煉鎂的工藝流程如圖4所示。

圖4 皮江法冶煉鎂的流程

【問題7】找出皮江法冶煉鎂工藝流程中的關鍵詞。

【問題8】還原（溫度為1200℃）后的鎂蒸氣（沸點為1090℃）可以用什么氣體冷卻？

【實驗演示】Mg與CO2的反應（用雪碧搖晃產生的CO2代替現場制備）

【學生活動】分析流程圖中的各步驟。“粉碎”“磨粉”“壓團”是工藝術語，代表物理過程；“煅燒”“還原”為化學過程；“高溫”“抽真空”是條件控制。

設計意圖：創設真實復雜的問題情境，學生在尋找關鍵詞的過程中感受制鎂技術。“高溫”“抽真空”等條件映射出鎂及其化合物的性質，冷凝氣體的選擇及實驗驗證培養了學生證據演繹、推理的能力。

5.分析目前制備的缺點，展望未來鎂的前景

【教師活動】在生產實際中鎂的應用不如鋁，請分析原因。

【學生活動】①鎂在地殼中的含量低于鋁；②制備鎂的能耗高，且有大量的溫室氣體排出；③鎂的性質比鋁活潑，耐腐蝕性差。

設計意圖：在綜合評價分析金屬鎂的制備、用途的活動中，開展生生評價，拓寬學生視野，有利于學生高階思維的發展和化學價值觀的建構。

五、教學反思

1.以“物質轉化”為載體，抽提認識視角

從海水中提取鎂的過程是化學物質轉化的過程：（1）將鎂的化合物從海水中分離出來；（2）將鎂的化合物轉化為單質鎂。在兩個主要學習任務的驅動下，通過實驗，使學生從微粒觀的視角理解Mg2+富集的本質，進行繪制流程圖、書寫離子方程式等一系列活動，抽提出從物質類別和元素價態視角認識鎂的性質和制備。不僅凸顯了“宏觀—微觀—符號”的思維路徑，還引導學生建立起“結構與性質”之間的關聯。

2.以“問題鏈”引導學生構建認識思路

高質量且有邏輯性的問題是思維的源泉和動力，它能保證學生始終參與到深層次的認知活動之中。本節課設計了8 個問題，圍繞化學觀念的建構而展開，學生在問題解決的過程中感悟到科學思維建構的過程，加深對化學問題的本原性和結構性的理解，并建構實現物質轉化的一般思路以及制備活潑金屬的一般理論模型：“為什么要提取鎂？從哪里提取鎂？從混合物中如何分離得到鎂的化合物？如何將鎂的化合物轉化為鎂單質？”學生在自我建構的過程中，形成了超越事實的思維以及對學科的深層理解。

3.在理性思維中增進對化學學科的理解

“素養為本”的課堂倡導通過任務驅動、問題解決、具身學習等啟發學生的高階思維，引導學生自主建構對化學知識及基本觀念的理解。但并非所有的問題都能達到啟發學生、調動學生學習積極性的目的，不同水平層次的問題所引起的學生思維參與程度是不同的，在促進學生對知識理解方面的作用也不相同。［4］本節課提出的問題具有思維容量，同時兼具開放性，在問題解決過程中需要用比較、關聯、分析、類比、推理等理性思維。例如：化學史話中關于幾種煉鎂方法利弊的討論，學生在原理分析、金屬價格及能耗等數據比較中的綜合評判，不僅提升了基于數據的推理能力，還滲透了綠色化學的思想。在問題“海水中加沉淀劑是否有沉淀？”的解決過程中，通過幾組對照實驗滲透了條件調控、成本控制等基本觀念。學生的化學學科理解在基于數據、實驗證據的推理中得以增進，突出了觀念建構中的“理性思維”，還原了化學學科的本質特征。