基于項目的高中化學單元教學設計及實施

陳文靜

摘要：以“基于3R理念認識垃圾的分類處理”為真實情境進行項目式教學，可以在解決真實問題的過程中調動學生的認知并運用于實際生產和生活中。3R理念的構建、運用與提升，讓學生理解化學的應用特點和發展方向，學會辯證、全面地看待社會發展中遇到的各種化學問題，培養科學的決策意識、創新精神與實踐能力。

關鍵詞：項目式? 3R理念? 評價? 單元教學

項目式教學是一種以學生為中心的教學方式，學生通過一定時長的小組合作方式，解決一個真實世界中復雜的、具有挑戰性的問題，學生在收獲知識的同時掌握未來發展的素養：批判性地思考、可靠地分析信息、與不同的伙伴協作、創造性地解決問題。項目式學習是實施高中化學單元教學的一種方式，是培育學科核心素養的一種重要手段，基于項目的學習是一種跨學科的深度學習。

“基于3R理念認識垃圾的分類處理”是《普通高中化學課程標準（2017年版）》主題5“化學與社會發展”的重要內容。本文將元素及化合物知識、化學反應速率等與3R理念相結合，通過真實生活中的垃圾處理問題，形成了項目式單元教學設計并進行了教學實踐。

一、項目學習主題的生成

人教版高中化學新教材將“化學與可持續發展”安排在必修第二冊第八章，其中的“環境保護與綠色化學”，主要探討化學與環境保護相關問題。此時，學生已經具備了從“價類二維”的角度認識物質轉化及化學反應速率等知識，為解決真實生活中資源利用及環境問題奠定了基礎。

垃圾分類處理與學生生活結合緊密。在真實的生產中體會到開發和利用資源必須遵循“減量化（Reduce）、再利用（Reuse）和再循環（Recycle）”的3R理念，結合情境確定本單元的學習主題——基于3R理念認識垃圾的分類處理。從垃圾分類、垃圾資源化和垃圾無害化三部分層層推進，讓學生能主動運用所學化學知識和方法解決生產、生活中簡單的化學問題，具有節約資源、保護環境的可持續發展意識，并引導學生在垃圾處理過程中體會并升華至4R理念。

二、項目學習情境的創設

本項目選用“基于3R理念認識垃圾的分類處理”作為真實教學情境，如圖1所示。

三、項目學習目標

1.能從環境和資源角度認識垃圾分類處理的意義，了解生活垃圾的處理原則，認識3R理念，了解廢紙的回收過程，樹立保護生態環境觀念。

2.能通過分析典型廢舊金屬Cu的資源化處理和常見廢氣SO2、NO2、NO等的處理，描述不同價態的物質轉化，培養學生的元素觀和變化觀，同時體會3R理念在垃圾處理中的運用，科學進行垃圾處理，建立垃圾回收處理模型。

3.能通過實驗室探究工業由廢銅制備CuSO4的反應條件和常見廢氣SO2、NO2、NO等的處理進行實驗方案設計及改進，運用化學學科知識解決復雜環境下的真實問題。

4.通過對垃圾分類回收處理過程的體驗，牢固樹立3R理念，在應用化學成果時能主動考慮其對自然和社會帶來的影響，培養學生的科學精神和社會責任。

四、項目教學整體規劃

項目教學整體規劃如圖2所示。

五、項目教學實施片段（以第2課時為例）

課題：垃圾資源化之廢銅

［情境］《資源科學》雜志一篇文章中的人類圈銅循環累計格局圖，如圖3所示。

［問題1］如何從金屬類垃圾中分出廢銅？

［活動1］觀看工業批量處理廢金屬視頻，思考分離的原理。

學生回答：破碎—強磁設備—渦電流分選機—銅鋁比重分選。

［評價1］通過真實問題情境創設與解決的過程，評價學生對生活的觀察能力、對實際問題的思辨能力；通過工業處理視頻的介紹，評價學生獲取信息、處理信息、運用學科知識解釋工業實際問題的能力。

設計意圖：學生初步體會實驗室與工業生產的差別，為工業制備硫酸銅的方案設計埋伏筆。

［問題2］假如你是工廠設計師，你如何利用分離出的廢銅制取CuSO4晶體？

［活動2］學生討論并構建路線：第一步廢銅先制備CuSO4溶液；第二步從溶液中獲得CuSO4晶體。

［問題3］結合銅的價類二維圖，構建Cu轉化為CuSO4溶液的模型，并根據模型設計由銅轉化為CuSO4溶液的方案。

［活動3］學生討論并構建模型、交流方案。教師展示學生方案、評價方案。

學生構建轉化模型：

Cu①氧化劑②酸性環境CuSO4溶液

學生設計的方案有：

方案一：Cu在空氣中加熱生成CuO，再與稀H2SO4反應生成CuSO4；

方案二：Cu和濃H2SO4加熱直接反應；

方案三：Cu和H2O2、稀H2SO4反應；

方案四：Cu和KMnO4（或Cl2、O2、FeCl3等氧化劑）、稀H2SO4反應；

方案五：給Cu和稀H2SO4的混合物中通入空氣；

結合3R理念，并考慮成本和分離等問題，初步確定可行方案為方案一、三和五。

［評價2］方案一、二、三是學生在元素化合物中已經學過的方法，根據學生的互動情況評價學生從價類二維角度認知元素化合物的能力，依據學生設計的方案，評價學生高階思維水平及對3R理念的理解與運用能力。

［活動4］以銅粉為原料進行分組實驗模擬方案一、三和五。

學生預測實驗現象→小組合作實驗→發現問題，思維沖突（方案一銅粉有大量剩余、方案三產生大量氣泡、方案五速率慢）→小組討論，解釋異常現象→再次評價方案。最終確定方案五可用于工業生產，但需要加快反應速率。

設計意圖：引導學生從價類視角分析物質間的轉化路徑，運用“具體→抽象→具體”的思維建立認知模型，用化學知識解決實際生產中的陌生問題。在實驗方案的設計中體會3R理念，進一步培養證據推理與模型認知、科學探究與創新意識的核心素養。

［問題4］在不改變空氣等原料的前提下，怎樣設計方案探究由Cu制備CuSO4溶液的最佳條件呢？

［活動5］學生討論后提出，可以通過提高溫度和增大H2SO4溶液的濃度以加快反應速率，并給出以下設計方案：

（1）控制銅粉的量、H2SO4的濃度和體積、空氣流速等相同，在不同溫度下測得出現藍色的時間。

（2）控制銅粉的量、空氣流速、溫度相同時與等體積不同濃度的稀H2SO4溶液反應相同時間，依據所得溶液藍色的深淺判斷。

教師演示實驗1：2 g銅粉、4 mL同濃度的稀硫酸、空氣泵調節空氣流速相同，在不同溫度（分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃時）下反應，分別記錄出現藍色的時間。學生將實驗數據轉換為坐標曲線，結合曲線分析得出溫度為70 ℃左右時最佳，如圖5所示。

［追問1］為什么選擇70 ℃左右的溫度？

學生分析溫度低速率慢，而溫度高于70 ℃時，速率增加不多且工業上會消耗更多能源。

［追問2］為什么70 ℃后再升溫，反應速率增加很少？

學生分析可能溫度升高，使通入的空氣逸出快，導致速率增加緩慢。

教師演示實驗2：用五支試管裝入相同量的銅粉，分別裝入等體積濃度分別為0.1、0.5、1、3、6 mol/L的H2SO4溶液，調節恒溫水浴鍋保持溫度在70 ℃，用空氣泵同時將空氣通入五支試管，反應相同時間后觀察溶液顏色。

得出結論：溫度為70 ℃，H2SO4濃度為1 mol/L時，反應速率最快。

［追問］為什么H2SO4濃度增大，反應速率反而下降？

師生通過共同查閱資料：化學反應速率的大小與反應物分子或離子的碰撞次數有關，溶液中也就與反應物的有效濃度（活度）有關，溫度一定時，硫酸溶液濃度越大，有效濃度越小，同時硫酸的黏度隨著濃度的增加而增加，受黏度的影響，當物體在流體中移動時，會引起摩擦阻力和壓差阻力。

［評價3］通過學生將數據表征轉化為圖像表征的過程，評價學生多角度解決問題的能力。依據對最佳條件的探究方案設計，評價學生的科學探究精神和實事求是的價值觀、解決復雜陌生問題的思辨能力、創新思維的發展水平等。

設計意圖：通過思考、討論，完善并優化實驗方案，進一步增強學生對化學知識的應用能力。數據與曲線的多重表征，培養學生多維度認知和解決問題的能力。引導學生跳出思維定勢，抓住思維沖突進行深度思考，培養科學探究的精神和對陌生真實問題情境思辨的高階思維。

［教師小結］展示某地有色金屬生產官網中硫酸銅的工業制備工藝：硫酸濃度在15%～18%，溫度在70～80 ℃，結晶后母液及洗滌液循環使用。與本節課中探究的最佳生產方案及條件相比，條件非常接近。

設計意圖：通過硫酸銅真實生產工藝的展示，讓學生體驗理論到實踐的成就感，體現化學學科價值，感受化學的魅力所在。

最后提供資料數據：2020年，我國的再生銅產量達到325萬噸，占銅總供應量的32.4%。《“十四五”循環經濟發展規劃》提出，到2025年，再生銅產量達到400萬噸，廢銅資源化已上升到了國家戰略。

垃圾資源化不僅創造經濟價值，還能實現節能減排，實現可持續發展。

六、項目教學總結與反思

1.在整個項目單元教學設計中，以課程標準為最高綱領，以深度學習為教學設計的基本模型，以學生為主體，通過情境、問題、活動三部曲，實現知識的傳遞和核心素養的發展。本項目的教學設計遵循情境—問題—活動—知識—素養模式進行，注重知識與現實生活的結合，幫助學生建立化學與生活的聯系，實現了從課堂走向生活，讓學生在參與垃圾處理項目中體會到化學學科的價值。

2.本項目的單元教學達到了預期目標：創造性地使用教材，建立3R理念下垃圾的分類處理模型；實踐了深度學習教學設計基本模型，設立開放性的問題，注重激發學生的探索精神和批判思維，實現了知識、能力、素養的進階。

3.教學中，引導學生發現身邊的化學，增強學習興趣。讓學生利用所學知識親自參與問題的解決，并引導他們主動關注周圍與化學相關的社會熱點問題，充分發揮了化學課程對培養學生科學態度與社會責任的積極作用。

參考文獻：

［1］劉翠.高中化學項目式教學實踐研究［M］.濟南：山東科學技術出版社，2020，1.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：5.

責任編輯：黃大燦