初中化學(xué)“物質(zhì)分離與提純”的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)
——保護(hù)滇池母親湖爭做小小水質(zhì)檢測員

劉清清，吳 琦，吳嘉雯，李 睿

(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

滇池是昆明的母親湖，中國第六大內(nèi)陸淡水湖。這顆高原明珠曾一度淪為我國污染最嚴(yán)重的內(nèi)陸淡水湖之一，曾是“劣V”級水體。2020年10月，云南省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布了《下一個(gè)五年，滇池治理應(yīng)該怎么干》相關(guān)文件，開啟了新一輪的滇池治理新征途。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中[1]，“水的凈化”一節(jié)被列為“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”模塊中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，是 “化學(xué)與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐”模塊中一個(gè)重要的實(shí)踐活動(dòng)(水質(zhì)檢測及自制凈水器)，同時(shí)“粗鹽提純”也是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐活動(dòng)。“物質(zhì)的分離與提純過程”是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化、制備和其應(yīng)用的基本過程，對化學(xué)工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用[2]。隨著中學(xué)有關(guān)內(nèi)容(工業(yè)制氧氣、水的凈化、海水曬鹽、粗鹽提純等)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對“物質(zhì)分離與提純”的模型的建構(gòu)也將會(huì)逐步完善。傳統(tǒng)的“水的凈化”授課過程，側(cè)重于讓學(xué)生了解自來水凈水方法與原理、過濾操作與原理，忽略了“水的凈化”理論在實(shí)際中的運(yùn)用，也忽略了“物質(zhì)分離與提純”模型的構(gòu)建。

在項(xiàng)目教學(xué)中學(xué)生要完成項(xiàng)目任務(wù)，就需要對天然水中所含的雜質(zhì)進(jìn)行分析，綜合所學(xué)知識，用它的理化性質(zhì)來評估分離和除雜需采用的方法，并將沉淀、過濾、吸附和蒸餾等凈水方法結(jié)合起來，然后通過數(shù)字化傳感器測定處理前和處理后水的指標(biāo)(pH、電導(dǎo)率、色度等)，比對數(shù)據(jù)，歸納出不同方法凈化水的效果，最終使滇池水的雜質(zhì)依次去除，將其逐步轉(zhuǎn)化為趨于純凈水的水。通過這些核心活動(dòng)，可以幫助學(xué)生建立起系統(tǒng)的“物質(zhì)分離與提純”的思維，同時(shí)提高學(xué)生的 “化學(xué)觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究與實(shí)踐”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”學(xué)科核心素養(yǎng)。

綜上所述，根據(jù)項(xiàng)目式教學(xué)的項(xiàng)目選擇需要滿足以下的要求：具備學(xué)科思維和方法的特征、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)、貼近生活和社會(huì)、具有實(shí)際可操作性等特點(diǎn)，選擇并確立 “滇池水的檢測與凈化”為項(xiàng)目主題，把 “構(gòu)建以思維導(dǎo)圖為載體物質(zhì)分離的提純的模型和自制凈水器”作為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的最終結(jié)果。

1 項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)主題的內(nèi)容要求以及學(xué)業(yè)要求，結(jié)合學(xué)生的具體情況，制定了本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)。

1.1 化學(xué)觀念

1)初步認(rèn)識天然水的成分和性質(zhì)，了解混合物和純凈物的相關(guān)概念，形成物質(zhì)的多樣性化學(xué)觀念。

2)通過除去水樣中的不溶性雜質(zhì)，掌握過濾操作相關(guān)原理；通過活性炭吸附水中色素和異味，了解疏松多孔結(jié)構(gòu)及吸附性原理，形成物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、物質(zhì)性質(zhì)決定用途的化學(xué)觀念。

1.2 科學(xué)思維

1)學(xué)生在水凈化過程中學(xué)會(huì)構(gòu)建不同物質(zhì)分離提純方法的模型，即根據(jù)物質(zhì)的不同性質(zhì)選擇合適的方法進(jìn)行物質(zhì)的分離與提純，培養(yǎng)學(xué)生解決化學(xué)問題的思路化、結(jié)構(gòu)化，形成化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的一般思路與方法。

2)通過傳感器測定滇池水樣和蒸餾水的pH、色度、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比；選擇合適的方法，設(shè)計(jì)除去水樣中雜質(zhì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并對除雜后的水樣進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)再測定；從定量角度評價(jià)除雜效果，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)，進(jìn)行科學(xué)分析和利用證據(jù)形成結(jié)論的科學(xué)思維。

1.3 科學(xué)探究與實(shí)踐

1)通過查閱資料，了解水質(zhì)的檢測指標(biāo)以及相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)，再根據(jù)所查資料來分析、解決問題，提升學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)查詢等技術(shù)手段獲取和加工信息的能力。

2)通過學(xué)生自制凈水器這一活動(dòng)，培養(yǎng)其運(yùn)用所學(xué)相關(guān)知識與方法解決問題的能力，提升學(xué)生動(dòng)手能力、與他人合作解決問題的能力，達(dá)到發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新精神的最終目的。

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

在對滇池水凈化過程中體會(huì)到污染容易治理難，以此加強(qiáng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境的意識，樹立生態(tài)文明及可持續(xù)發(fā)展的理念。

2 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

本項(xiàng)目以不同區(qū)域的滇池水為活動(dòng)載體，以檢測和凈化等活動(dòng)為切入點(diǎn)，應(yīng)用數(shù)字化的手段，從定量角度來反映水的凈化效果，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物質(zhì)分離提純的模型，感受化學(xué)學(xué)科促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要意義，幫助樹立節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的意識以及生態(tài)文明的理念。本項(xiàng)目一共包含了4個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)都有對應(yīng)的問題線、知識線、學(xué)生活動(dòng)線，以及能力發(fā)展線。項(xiàng)目的具體規(guī)劃見圖1。

3 項(xiàng)目實(shí)施過程

3.1 確定并測定不同區(qū)域滇池水的水質(zhì)指標(biāo)

【教師創(chuàng)設(shè)情境，提出驅(qū)動(dòng)性問題1】長江、黃河是中國的母親河，而滇池作為昆明的母親湖目前水質(zhì)如何呢？(學(xué)生討論，并對滇池的水質(zhì)形成擔(dān)憂的情緒。)如果你作為污水處理廠的一名設(shè)計(jì)師，如何將滇池水進(jìn)行凈化呢？

【課前活動(dòng)】各小組在課前已經(jīng)對不同區(qū)域的滇池水進(jìn)行取樣，拍照記錄周圍環(huán)境，并上網(wǎng)查閱了水質(zhì)檢測有哪些指標(biāo)、含義及其檢測方法，一起完成表1。

【學(xué)生活動(dòng)】 分小組展示并分享取水時(shí)的所見所聞、 取來的水樣中含有哪些雜質(zhì)和所查閱到水質(zhì)指標(biāo)。

【教師活動(dòng)】 引導(dǎo)學(xué)生從課本知識、技術(shù)條件、資源等多方面分析水質(zhì)指標(biāo)測定的可行性，最終確定了測定滇池水的pH、色度、電導(dǎo)率三個(gè)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。

【學(xué)生活動(dòng)】分組利用數(shù)字化傳感器測定所采水樣和蒸餾水的pH、色度、電導(dǎo)率，并進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)滇池水樣與蒸餾水的pH差不多，色度和導(dǎo)電率這兩指標(biāo)相差比較多，檢測結(jié)果見表2。

表1 水質(zhì)檢測指標(biāo)、含義及檢測方法

圖1 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)“滇池水質(zhì)檢測與凈化”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

圖2 手持傳感器實(shí)驗(yàn)圖

表2 滇池水樣檢測結(jié)果

3.2 探究如何降低滇池水色度

【教師提出驅(qū)動(dòng)性問題2】請同學(xué)們觀察所采的滇池水樣，能夠肉眼觀察到里面有什么？水樣呈現(xiàn)什么顏色？各小組自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)利用老師所給的器材將可見的固體顆粒和顏色除去，并通過色度的檢測來驗(yàn)證方案實(shí)施的效果。水樣渾濁程度對比如圖3。

【學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。小組中出現(xiàn)了兩種設(shè)計(jì)方案：方案一是先利用活性炭吸附色素和異味再一起過濾；方案二是先利用過濾方法除去固體顆粒，再加入活性炭除去色素和異味，再過濾除去活性炭。

圖3 滇池水樣渾濁程度對比

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】各小組實(shí)施自己設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案并利用傳感器檢測凈化后水質(zhì)的色度和pH，檢測結(jié)果見表3。

表3 滇池水樣凈化前后的色度檢測結(jié)果對比

【教師支持】教師展示活性炭的吸附色素和異味的動(dòng)畫演示，學(xué)生能從宏觀和微觀兩個(gè)層面來認(rèn)識活性炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)，初步構(gòu)建“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”的化學(xué)概念，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識過濾是分離固液不相溶的重要手段。

表4 降低色度實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)評價(jià)表

3.3 探究如何降低滇池水的電導(dǎo)率

【教師提出驅(qū)動(dòng)性任務(wù)】同學(xué)們之前檢測水樣色度和電導(dǎo)率均與蒸餾水有所不同，目前已經(jīng)完成了降低色度這一小項(xiàng)目，現(xiàn)在需要同學(xué)們來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成電導(dǎo)率的降低。水溶液的電導(dǎo)率是由所含的可溶性雜質(zhì)離子引起的，請同學(xué)們根據(jù)老師所提供的資料確定所要除去的主要離子，資料如表5所示[4]。

表5 滇池入湖河流主要離子質(zhì)量濃度

【學(xué)生活動(dòng)】分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)除去以上離子，設(shè)計(jì)方案如表6。

表6 學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案

表7 滇池水樣除雜前后的電導(dǎo)率檢測結(jié)果對比

【教師提出驅(qū)動(dòng)性問題3】為什么除去滇池水溶液中的離子后電導(dǎo)率反而還升高了呢？請同學(xué)們討論分析這三個(gè)方案除雜后的離子成分以及造成電導(dǎo)率升高的原因。

此后的周小羽在回家路上不再踢小石子，他不再踢一腳踢一腳地前進(jìn)。他現(xiàn)在是慢慢地晃著回家。晃的時(shí)候，他總是拿一根小樹枝，一邊走一邊在地上畫，一路上畫出許多亂七八糟的東西來。

【教師提出驅(qū)動(dòng)性問題4】因此同學(xué)們在除雜過程中不要引入新的雜質(zhì)，方案1和2均有體現(xiàn)這一思想這點(diǎn)非常好，而且方案1中引入的雜質(zhì)離子是最少的，但是它也有不合理的地方，請同學(xué)們在方案1的基礎(chǔ)上完善該方案，使其用最少的步驟和試劑盡可能少的引入雜質(zhì)離子。

【教師提出驅(qū)動(dòng)性問題5】請同學(xué)們分析完善方案1的剩余離子情況。

3.4 構(gòu)建物質(zhì)分離和提純的模型和自制凈水器

【教師提出該項(xiàng)目的最后任務(wù)】請同學(xué)們根據(jù)所完成的前三個(gè)任務(wù)總結(jié)并繪制出不同物質(zhì)之間分離和提純的思維導(dǎo)圖，形成相關(guān)知識模型，并談?wù)勀阍谡麄€(gè)項(xiàng)目中有哪些收獲？

【學(xué)生展示并匯報(bào)】學(xué)生展示繪制的物質(zhì)分離和提純的思維導(dǎo)圖，分享自己在團(tuán)隊(duì)中所做的貢獻(xiàn)以及完成整個(gè)項(xiàng)目的收獲和感想。學(xué)生設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖如圖4和圖5所示。

圖4 學(xué)生設(shè)計(jì)“物質(zhì)分離與提純”思維導(dǎo)圖1

圖5 學(xué)生設(shè)計(jì)“物質(zhì)分離與提純”思維導(dǎo)圖2

【小組互評、教師評價(jià)】各位同學(xué)，經(jīng)過幾節(jié)課的學(xué)習(xí)，同學(xué)們都對滇池的水質(zhì)狀況和簡單的檢測和治理方法有了深入的了解，請大家分組對自己的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行互評打分。(評價(jià)表見表8)

【教師布置給學(xué)生凈水器任務(wù)】相信大家經(jīng)過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)不僅對滇池的水質(zhì)狀況和簡單的檢測以及治理方法有了一定的了解，同時(shí)也對物質(zhì)如何提純和分離有了自己的認(rèn)識。在項(xiàng)目進(jìn)行過程中凈化都是一步一步分別進(jìn)行的，那這些凈化過程能否設(shè)計(jì)成完整的流程呢？請各小組課后利用身邊的廢料自制凈水器并使用數(shù)字化傳感器測定凈化后水樣的三個(gè)指標(biāo)。

表8 思維導(dǎo)圖互評表

【各小組展示作品】作品圖如圖6所示。

圖6 學(xué)生設(shè)計(jì)的自制凈水器

【生生互評、教師評價(jià)】請同學(xué)們在每個(gè)小組展示自制凈水器后根據(jù)評價(jià)表給予評分，然后根據(jù)組內(nèi)成員在整個(gè)項(xiàng)目中的表現(xiàn)給予評分，最后總計(jì)分?jǐn)?shù)選出最佳小組和優(yōu)秀個(gè)人。評價(jià)表如表9所示。

【教師總結(jié)】好的，這次我們一共有四個(gè)小組，每組同學(xué)都進(jìn)行了認(rèn)真的學(xué)習(xí)，其中第一小組最終得分90分，同學(xué)A以93分獲得了優(yōu)秀個(gè)人的稱號，讓我們一起為他們的優(yōu)秀成績給予掌聲！

表9 自制凈水器與個(gè)人表現(xiàn)評價(jià)表

表9(續(xù))

4 教學(xué)反思

1)本項(xiàng)目作為初中化學(xué)相關(guān)內(nèi)容的重點(diǎn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師首先要給予學(xué)生充分的項(xiàng)目式調(diào)查研學(xué)時(shí)間，要給與學(xué)生充分時(shí)間進(jìn)行水質(zhì)的取樣、觀察、思考討論、交流展示等。

2)在進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，可以按照學(xué)生查閱到的信息，利用數(shù)字化傳感器進(jìn)行教學(xué)，將書本上的文字知識傳授方法改為學(xué)生可以接觸得到的數(shù)據(jù)信息來強(qiáng)化感知認(rèn)識，充分體現(xiàn)數(shù)字化傳感器在教學(xué)中的優(yōu)勢。

3)學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識后，面對復(fù)雜情境時(shí)并不能很好地將所學(xué)知識與陌生問題解決相結(jié)合，這表明學(xué)生沒有建立相關(guān)理論和實(shí)踐之間的聯(lián)系。因此，在教學(xué)中需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，尤其要注重理論知識在復(fù)雜陌生環(huán)境中的應(yīng)用。這樣的教學(xué)方式有助于提高學(xué)生的問題解決能力，幫助他們更好地將理論知識應(yīng)用于實(shí)踐中，從而更好地實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)中要求的理論與實(shí)際的有效結(jié)合。

4)注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維：設(shè)置了多個(gè)分離提純活動(dòng)，包括運(yùn)用物理方法和化學(xué)方法，難度逐漸加深，從簡到繁，知識結(jié)構(gòu)層層遞進(jìn)，邏輯層次清晰。最后讓學(xué)生自制簡易凈水器，將所學(xué)知識用于動(dòng)手實(shí)踐，體驗(yàn)親自凈水的過程、感受純凈的水被人為污染是何其簡單，但一滴污水要凈化為純水是何其困難的教學(xué)思想，落實(shí)“節(jié)約用水、保護(hù)滇池母親湖”的最終教學(xué)理念。

5)由淺入深地經(jīng)歷構(gòu)建模型的過程：在本研究中，設(shè)置了多個(gè)物質(zhì)分離提純的任務(wù)，由淺入深、由物理方法到化學(xué)方法、由宏觀到微觀的認(rèn)識角度。在探究過程中，學(xué)生結(jié)合已有認(rèn)識，親自體驗(yàn)建模過程，形成并應(yīng)用“物質(zhì)分離與提純”的思維模型。