“元素轉化觀”統攝下的項目式學習

喬艷冰

摘要：以學校周邊工業搬遷后的“環評達標”作為項目背景，引導學生運用元素化合物知識學習的兩個基本工具——“價類”二維圖和元素周期表，完成對廢水中含鉻物質的模擬處理。通過課前問卷調查、周圍居民訪談、設計轉化路線、實驗模擬等環節，將課堂學習、生產生活、化學實驗、工藝流程結合起來，引導學生在實踐中感受化學對生產生活、環境保護的作用，發展學生的問題解決與科學探究能力，增強社會責任感。

關鍵詞：元素轉化觀；項目式學習；廢水處理；鉻及其化合物

文章編號：10056629（2023）12006207

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

三十幾年前，青島第十七中學周圍化工廠密布，是青島重要的化工基地。自2008年起，青島市政府啟動老城區企業搬遷改造工作。目前學校周邊的工廠已全部完成搬遷、關停、轉型，取而代之的是商業樓和住宅。但是改造之后的水質和土壤是否達標，成為困擾購房者和周邊居民的一個重要問題。

基于此，筆者帶領青島第十七中學高一學生，以“廢水中的鉻處理”為主題進行項目式學習實踐，課上課下相結合，引導學生完成對廢水中含鉻物質性質的認識，設計轉化路線并進行實驗模擬，體會物質及其轉化在環境保護中的重要價值，樹立科學態度，培養責任意識。

1 教學主題內容及教學現狀分析

元素化合物知識是高一化學的核心內容，涉及廣泛，同時與我們的生活息息相關，為基于實際問題解決的教學模式奠定了豐富的事實基礎。對于“元素化合物”的教學，新課標的內容要求為“了解通過化學反應可以探索物質性質、實現物質轉化，認識物質及其轉化在環境保護中的重要價值”。同時課標教學策略中提到“緊密聯系生產和生活實際，創設豐富多彩的真實問題情境”^［1］。深度挖掘元素化合物知識與生產生活中真實問題的融合，不但可以幫助學生形成解決元素化合物問題的一般思路，也能在知識學習中真正發展學生的學科核心素養。

隨著新課程的實施，教師對元素化合物的教學逐漸從傳統的按物理性質、化學性質、制取、應用等思路過渡到基于“價類”二維的元素觀教學^［2］。通過新授課的學習，學生基本上能有意識地從物質類別和核心元素化合價兩個角度認識物質性質，研究物質之間的相互轉化^［3］。但在高三復習過程中發現，面對真實的陌生情境，學生靈活遷移應用所學知識分析解決實際問題的能力還是有所欠缺。究其根本原因是基礎年級教學關注的往往是具體的孤立的元素化合物的相關知識，對認識角度的提煉和關聯不夠，面對陌生元素和物質，學生顯得束手無策。

鉻及其化合物是一類常見的工業污染物，鉻系物質具有多種化合價，轉化關系多樣且復雜，因此鉻及其化合物頻頻成為平時學習或高考中重要的知識考查載體^［4］。本節課是學完元素周期律和元素周期表之后的項目式復習課。此時，學生已經知道可以運用“價類”二維圖來解決元素化合物中物質轉化問題，但是面對陌生元素“鉻”，學生尚缺乏調用元素周期表認識工具的意識，自主、有效地調用“價類”二維圖認識工具的能力需要提高。

2 教學目標

（1）能用元素周期表、“價類”二維圖兩個基本認識工具推測陌生元素的性質，形成并熟練掌握元素化合物知識學習的一般思路。

（2）能自主設計含鉻廢水處理中的物質轉化路線，能通過實驗模擬、分析、解釋有關實驗現象，發展科學探究、證據推理的核心素養。

（3）通過拓展物理、生物方法處理含鉻廢水，提升從不同視角解決問題的科學方法，發展發散性思維和創新精神。

（4）通過課前調查訪談，樹立“生活處處皆化學”的觀念，在項目任務的完成過程中，體會學習化學的價值和意義，培養社會責任感和公民參與意識。

3 教學流程

教學流程見圖1。

4 教學實錄

［問卷調查］課前化學興趣小組對周圍居民進行了問卷調查（65份）：刨除價格因素，您對購房選址有哪些考慮因素（多選）？

通過圖2可以看出，居民購房選址時對空氣、水源質量以及原址狀況還是比較關注的。

［課前街頭訪談］課前學生分組對附近居民進行了采訪，他們講述了附近環境近些年來的變化，有居民表達了擔憂：在原先的工廠用地上建住宅，水質和土壤里的重金屬是否超標呢？有居民反饋：想在院子里種菜，但是擔心重金屬超標，就把土壤寄到了上海一家專業檢測機構檢測，檢測結果顯示是達標的。

4.1 項目背景分析及任務拆解

［教師］展示百度地圖：約30年前，我們學校周圍工廠密布：棉紡織廠、化工廠、機械廠、染料廠、焦化制氣廠等。這些工廠大約都是上世紀五六十年代建立的。在建國初期，為什么會選擇四方北嶺這一帶作為化工廠聚集地呢？

［學生回答］分別從地理、歷史、經濟等角度分析。這一帶瀕臨大海，原材料取材方便；而且有膠濟鐵路，交通便利。從歷史上來看，1956年青島化工學院在此建校，同年，青島化工廠建廠，有人才優勢。

［項目任務及拆解］紅星化工廠排放的鉻渣堆積造成的地下水污染曾經是一個非常嚴重的事件，國家投入了3000多萬元才把它治理好。今天我們聚焦工業廢水中的鉻處理，請同學們頭腦風暴，為了找到有效方法，我們需要解決哪些問題？

通過小組討論，同學們將任務拆解為：了解鉻及其化合物的性質、根據性質設計轉化路線、實驗室模擬含鉻廢水處理三個子任務。

4.2 子任務1：認識鉻及其化合物的性質

［小組匯報1］Cr的常見價態為0價、+3價、+6價。Cr單質為鋼灰色金屬，是自然界中硬度最大的金屬。鉻是人體必需的微量元素，對于預防糖尿病以及動脈硬化等都有很大的幫助。六價鉻以含氧酸根的形式存在，有Cr₂O^2-₇和CrO^2-₄兩種存在形式，屬于一類污染物，工業廢水中六價鉻含量超過10mg/L就會對水生物有致死作用，還會通過消化道、呼吸道和皮膚黏膜進入人體，對人體造成多種危害。廢水中主要存在的有害鉻就是六價鉻。

［小組匯報2］鉻的性質和鋁具有一定的相似性，如氫氧化鉻也具有兩性，在溶液中存在兩種平衡^［5］：

［問題驅動1］研究陌生元素的性質，有哪些認識工具？請利用該工具，對鉻元素的性質做出推測。

［學生觀點1］我們可以利用元素周期表來預測陌生元素的性質，鉻位于元素周期表第4周期，第VIB族，屬于金屬元素，性質和鉬、鎢相似。

［學生觀點2］Cr的價電子數為6，最高價是+6價，具有氧化性，還有+3價等多種價態。通過查閱資料可知：氫氧化鉻和氫氧化鋁性質相似，都具有兩性，所以我們在研究氫氧化鉻時，可類比我們熟悉的氫氧化鋁。

［拓展視野］通過剛才同學們的匯報，我們了解到六價鉻有兩種存在形式：酸性溶液中的Cr₂O^2-₇和堿性溶液中的CrO^2-₄。接下來，我們通過實驗來認識一下兩種六價鉻的化合物之間的轉化（見圖3）。

［問題驅動2］認識某元素相關物質的性質，常用認識工具是什么？請利用該工具，畫出廢水處理中可能涉及的鉻系物質的“價類”二維圖。

［學生活動］教師提供Cr、CrO₃、Cr₂O₃、Cr（OH）₃、Cr³⁺（濃）、Cr³⁺（稀）、CrO^2-₄、Cr₂O^2-₇等彩色卡片，學生自主建構鉻及其化合物的“價類”二維圖（見圖4）。

4.3 子任務2：根據性質設計轉化路線

［問題驅動1］廢水中鉻系物質的轉化思路是什么？

［學生觀點1］利用氧化還原反應，首先將溶液中的有毒的六價鉻轉化為無毒的Cr³⁺，再把Cr³⁺變成沉淀析出。利用復分解反應，可以考慮加堿將Cr³⁺變成Cr（OH）₃。

［學生觀點2］通過課前查閱資料可知鉻酸鋇難溶，所以可加鋇鹽，將CrO^2-₄一步沉淀。

［教師評價］同學們的想法非常好，上個世紀70年代的時候，我們國家的科研人員就是加鋇鹽除去六價鉻，但是大家想想這種方法有沒有問題呢？

［學生回答］有問題，引入了另外一種重金屬離子Ba²⁺，需要再加其他沉淀劑除去Ba²⁺。

［問題驅動2］大家準備選用何種試劑將廢水中的六價鉻轉化為Cr³⁺呢？選用依據是什么？

［學生回答］可以選擇還原性物質，比如硫化物、二氧化硫、亞硫酸鹽，鐵、亞鐵鹽，碘化物等。

［學生補充］可以排除碘化物，因為它被氧化的產物是I₂，在水體中形成了二次污染。

［教師點評］以上這些還原劑是工業上常用的還原劑，究竟選擇何種還原劑不但要考慮價格因素，還需要綜合考慮處理含鉻量的多少、周圍資源配置、設備的適應性、工藝能否達標等因素。面對真實復雜的情境，需要從多角度考慮問題。

［設計轉化路線］項目初成果——學生繪制物質轉化圖（見圖5）。

［教師點評］以上兩組同學的設計都很好。第一組利用了還原沉降法，將Cr₂O^2-₇還原成了Cr³⁺，再用適量的堿使Cr³⁺變成沉淀而除去。第二組利用了直接沉淀法，將溶液中的CrO^2-₄一步轉化為BaCrO₄沉淀，再加Na₂CO₃除去過量的Ba²⁺，最后加酸調節pH。大家設計的還原沉降法確實是目前處理含鉻廢水的主要方法^［6］。當理論設計轉化為真實問題時，還涉及到工藝流程、工程技術、條件控制等多種具體的問題。圖6為工業中含鉻廢水的處理流程圖。

4.4 子任務3：實驗室模擬工業含鉻廢水的處理

［設計實驗方案］根據教師提供的實驗儀器和試劑，設計實驗室模擬工業含鉻廢水處理的實驗。

各小組討論，設計出三種典型的實驗設計方案如下：

［方案1］取0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于試管中，加入0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中加入0.5mol/L的NaOH溶液，觀察實驗現象。

［方案2］取一定量的0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于試管中，加入適量0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中逐滴加入0.5mol/L的NaOH溶液，觀察實驗現象。

［方案3］取一定量的0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于試管中，先加入一定量的0.1mol/L的H₂SO₄溶液酸化，再加入適量0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中逐滴加入0.5mol/L的NaOH溶液，觀察實驗現象。

小組間互評，最終選定方案3進行實驗。

［實驗現象］往酸性K₂Cr₂O₇溶液中滴加Na₂SO₃溶液，溶液顏色由橙色變成綠色，后逐滴滴加NaOH溶液，先產生灰綠色沉淀，振蕩立即消失，持續滴加，又有灰綠色沉淀產生，繼續滴加，沉淀又消失。

［教師提問］產生上述現象的原因是什么呢？

［學生觀點1］結合前面的“價類”二維圖分析，第一步的橙色變綠色，應該是SO^2-₃將Cr₂O^2-₇還原成了Cr³⁺。加NaOH溶液是想讓Cr³⁺沉淀下來，但是產生的沉淀又消失了，因為Cr（OH）₃沉淀和Al（OH）₃沉淀具有相似性，可以溶于NaOH溶液。但是為什么持續滴加NaOH溶液，又有沉淀生成，后來沉淀又消失呢？

［學生觀點2］我猜測第一次沉淀消失，應該是因為原溶液硫酸過量，硫酸溶解了Cr（OH）₃沉淀，后來滴加NaOH溶液，又生成了Cr（OH）₃沉淀，繼續滴加，Cr（OH）₃沉淀溶于NaOH溶液，所以沉淀又消失了。所以在工業廢水處理時，我們要把握好堿的用量。

［方程式解釋］

Cr₂O^2-₇+3SO^2-₃+8H⁺====2Cr³⁺+3SO^2-₄+4H₂O（橙色→綠色）

Cr³⁺+3OH^-====Cr（OH）₃↓（產生沉淀）

Cr（OH）₃+3H⁺====Cr³⁺+3H₂O（第一次沉淀消失）

Cr（OH）₃+OH^-====［Cr（OH）₄］^-（第二次沉淀消失）

［教師補充］同學們分析得很到位。工廠實踐證明，為了使Cr³⁺完全沉淀，適宜的pH為7～8^［7］。

［實驗表現評價］從學生實驗設計能力、實驗操作能力、實驗現象解釋能力三個維度，對學生的實驗探究表現進行評價，具體評價內容見表1。通過模擬工業含鉻廢水處理實驗建立的學生實驗探究表現評價表，為教師對學生進行精準診斷提供了重要依據，有助于教師后續實驗教學工作的開展。

4.5 項目拓展：其他含鉻廢水的處理方法

通過查閱資料，學生匯報其他含鉻廢水的處理方法，見表2。

［教師展示］有報道稱：反滲透膜技術能回收廢水中99.8%的鉻金屬。反滲透法：利用反滲透的原理，在含廢水的部分施加較高的壓力，使作為溶劑的水分子透過半透膜，從而使水與重金屬及其他溶質分離。老師課前利用網上購買的反滲透膜對含鉻廢水中的金屬鉻進行處理，十幾分鐘之后，出現了明顯的效果。

4.6 建構模型

通過本項目的學習，了解到認識陌生的元素化合物要善于運用兩個工具：元素周期表和“價類”二維圖，找到元素在周期表中的位置，推測元素的化合價和所屬物質類別，遷移我們熟悉的元素化合物知識消除陌生感，再利用“價類”二維圖實現物質之間的轉化。在這個過程中加深對兩個學科大概念的認識：元素觀和元素轉化觀，進而建立元素化合物問題的分析思路（見圖7）。

［項目成果展示］學生整理繪制工業廢水中鉻處理方法的思維導圖（見圖8）。

通過本節課的學習，我們發現通過化學、物理、生物等多種方法均可處理含鉻廢水，學校周圍改造之后的水質和土壤中的重金屬離子均可利用我們所學的知識，運用科學的方法，達到除去的目的。國家在進行房屋拆遷或改造時，對一些指標都有非常明確的要求。《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國土壤污染防治法》、《中華人民共和國水污染防治法》中均明確提出：國家加強對大氣、水、土壤等的保護，建立和完善相應的調查、監測、評估和修復制度。只有驗收合格后方可進行新的建設，所以居民購房選址時對于空氣、水源的質量是可以放心的。

［課后作業］繼續了解工業廢水中其他重金屬離子的除去方法，選取另外一種非鉻元素，繪制物質轉化圖，嘗試挑戰工藝流程圖。

5 教學實踐反思

本項目通過挖掘學生身邊的環保問題，將生產生活中的問題轉化為課堂上的學習情境，極大地增強了學生學習化學的興趣。從課前問卷調查、周圍居民訪談到課上設計轉化路線、實驗模擬等環節，學生真實、完整地體驗了用科學知識解決實際問題的過程。把課堂學習、生產生活、化學實驗、工藝流程結合起來，提高了學生解決問題的綜合能力。

課后學生分享了本節課的收獲，認為：化學不單單是課本上的知識和枯燥的化學方程式，通過這一節課深深體會到了“化學是源于生活，又服務生活的”；通過自主設計工藝流程圖，似乎有一種工程師的成就感。本項目給學生提供的是陌生情境和陌生元素，通過探究，學生掌握了處理元素化合物問題的一般思路，面對“陌生”，學生將會更加從容。

本節課思路比較開拓，項目推進過程中將元素化合物知識與科學、技術、社會、環境問題相融合，引導學生意識到學好元素化合物知識對于解決現實問題具有重要的意義。同時也注重跨學科的融合：開篇先引導學生從歷史、地理、經濟等角度分析十幾年前學校周圍工廠密布的原因，培養學生的統籌觀。在討論完化學方法處理含鉻廢水之后，教師和學生又積極拓展物理和生物處理方法，通過學科融合，開拓學生的思維，培養學生綜合性問題解決的高占位和大視角。

本項目針對高一學段學生的特點，只從定性認識的角度進行教學設計，至于處理后的廢水是否達標、沉淀出來的Cr（OH）₃應該如何處理等問題教師可以繼續開展項目研究，開發系列項目教學案例，真正做到學有所用、學以致用。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京：人民教育出版社，2020：4～17.

［2］朱成東，夏建華，袁天祥. 從三維視角認識元素化合物的單元教學設計及實施——以“硫及其化合物”為例［J］. 化學教學，2022，（7）：37～42.

［3］朱沈燕. 硫及其化合物轉化的核心知識探析［J］. 中學化學，2020，（8）：23～24.

［4］孫晶. “鉻”有千秋 不同凡響——六維透視鉻及其化合物在高考命題中的呈現［J］. 高中數理化，2021，（9）：74～78.

［5］曹忠良，王珍云. 無機化學反應方程式手冊［M］. 長沙：湖南科學技術出版社，1985：279.

［6］［7］湯清家. 用二氧化硫處理含鉻廢水［J］. 化工環保，1998，（18）：347～351.