基于真實情境的初中化學項目式復習教學設計

摘要： 基于“廢金屬的回收利用”這一真實情境，以“制作金屬書簽”為主題，在“走近廢金屬的回收利用”“廢金屬表面預處理”“刻蝕制作金屬書簽”“實驗后處理”等項目任務中，開展鐵及其化合物的性質、轉化、冶煉和利用等相關知識的系統(tǒng)復習。學生在調用相關知識和能力、運用化學工藝回收利用廢棄金屬的學習過程中，促進了化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關鍵詞： 中學化學； 真實情境； 項目式教學； 復習課； 鐵及其化合物

文章編號： 1005-6629（2024）07-0054-06 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課程標準”）在課程理念中提到：創(chuàng)設真實問題情境，倡導“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”，開展項目式學習，重視跨學科實踐活動。同時，在每個學習主題中都提出了一些具體的項目式學習活動建議［1］。從學習者的角度看，項目式學習是以建構主義理論為指導，以小組合作的形式探索和解決學科或跨學科有關問題的學習方式。在解決真實問題、完成項目任務、形成公開成果的過程中，促進學生理解遷移核心知識、提高應用實踐能力、鍛煉高階思維方式、形成正確的價值觀［2］。至今，國內(nèi)外許多專家、教師進行了關于項目式學習的教學理論研究和教學實踐［3～5］。

傳統(tǒng)復習課通常按照“梳理基礎知識→分析重難點→進行解題訓練”的程式進行，只強調知識的記憶，無法充分喚起學生的學習興趣，也無法鍛煉學生遷移知識解決靈活的、探究性問題的能力，導致復習效率低下。如何在初三復習階段打通知識壁壘，激發(fā)學生的學習興趣，建立有效的復習策略？基于真實情境的項目式復習是一種優(yōu)良選擇，教師可以通過創(chuàng)設真實情境，提煉有意義的學科問題，激發(fā)學生的好奇心和探索欲；設置挑戰(zhàn)性的項目任務，鍛煉學生的學科思維；引導學生自主構建知識網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)知識與現(xiàn)實世界的聯(lián)系，彰顯學科價值［6］。

目前，與金屬有關的復習情境，有從歷史視角出發(fā)的如金屬礦物的發(fā)現(xiàn)及其冶煉史、冶煉技術的發(fā)展、探究文物銹蝕和保存的條件等；也有一些情境素材來自科技前沿，如研究火箭、高鐵的材料［7］等，與工業(yè)生產(chǎn)、學生生活有關的情境較少，大多數(shù)集中在暖寶寶的使用原理和制作方面。因此，教師有必要進一步發(fā)掘更多與生產(chǎn)生活相關的情境素材，以引起學生對物質世界的好奇心和探究欲，利用項目式學習的形式，在運用知識解決問題的過程中提升學生的核心素養(yǎng)，使復習課更加有趣和有效。

1 項目內(nèi)容分析

金屬作為生活中應用最廣泛的一種材料，是幫助學生認識物質多樣性并形成化學觀念的重要載體。“課程標準”對金屬與金屬礦物這一內(nèi)容的要求是，知道金屬礦物，體會化學方法在金屬冶煉中的重要性，知道金屬共同的物理性質，通過實驗探究金屬主要的化學性質，了解鐵生銹和防銹的常用方法，了解廢棄金屬對環(huán)境的影響及金屬回收再利用的價值［8］。

項目的內(nèi)容和任務主要包括：引導學生調查生活中金屬的回收利用情況，并以生活中常見的“廢鐵”為研究對象，討論具體可行的回收方案。學生調用化學知識、思維能力和實踐能力，探索化學工藝的理論和實踐要點，對廢鐵片進行初步處理并制成真實可用的金屬書簽。

項目產(chǎn)品與學生的學習生活密切相關，學生經(jīng)歷運用化學知識和工程技術方法變廢為寶的過程，有助于進一步認識金屬回收利用的價值。

2 學情分析

在初三復習階段，學生已經(jīng)學習過金屬的冶煉、性質、金屬的活動性和防護等相關知識［9］，也初步具備設計實驗進行探究的能力。但大多數(shù)學生對物質的認識還只局限在相對孤立的水平，需進一步培養(yǎng)他們綜合利用物質性質、反應類型、多角度論證、設計和實施方案的能力，用于分析解決與化學相關的實際問題。

3 學習目標

（1） 運用網(wǎng)絡查詢、信息加工、社會調查等手段，了解常見金屬的冶煉和回收利用方法，能從跨學科的角度初步分析和解決簡單的開放性的問題，逐步形成自主、合作的探究能力。

（2） 合作完成金屬除銹、刻蝕等化學實驗，學會合理選用化學品，初步學會調控化學反應，能基于實驗事實或證據(jù)從宏觀-微觀-符號相結合的視角分析物質及其變化，歸納鐵及其化合物的相關性質，形成研究物質性質的基本思路和方法。

（3） 經(jīng)歷金屬材料的保護、廢金屬的回收和廢液處理的探究過程，鍛煉運用簡單的技術與工程方法制作產(chǎn)品的能力，樹立節(jié)約資源、保護環(huán)境的意識，增強為推進社會可持續(xù)發(fā)展而努力學習化學知識的社會責任感。

4 項目任務流程

設計并擬定項目任務及實施流程如圖1所示。

5 項目實施過程

5.1 第一課時

5.1.1 任務一：走近廢金屬的回收利用

［課前任務］教師將學生分組，發(fā)布驅動問題：回收利用廢棄金屬的意義是什么？廢棄金屬回收利用的現(xiàn)狀如何？

學生針對問題，調查生活中金屬廢棄的情況、回收政策、回收金屬類型、回收工藝方法、市場需求以及面臨的問題等等，組內(nèi)交流觀點，撰寫調查報告。

教師適當補充數(shù)據(jù)：常見金屬的儲量、價格、冶煉方法、冶煉能耗及污染物排放情況等數(shù)據(jù)以便學生理解廢金屬回收的意義。

［學生活動1］學生分組匯報調查報告，普遍認同回收利用廢棄金屬能降低生產(chǎn)成本，有利于保護資源和環(huán)境，表明現(xiàn)行的回收方法包括冶煉回收、再造回收、加工回收等等。

［教師］廢舊金屬的回收前景非常樂觀。學校化學實驗室有一批長期廢棄、表面臟污的長條鐵片，非常堅硬，難剪成小塊用于實驗。利用實驗室現(xiàn)有條件，怎樣對廢鐵片進行加工回收？

［學生］可以加工改造成一些零件、擺件和金屬畫作、書簽、徽章等工藝品。

［教師］金屬書簽美觀、耐磨、不易變形，觀察廢鐵片（2cm×6cm左右），怎樣改造成金屬書簽？

［學生1］需要對鐵片的表面進行處理。通過觸摸觀察發(fā)現(xiàn)，其表面的臟污呈現(xiàn)紅棕色且疏松易掉渣，判斷是鐵銹，應先除銹再進行美化改造。

［學生2］手工雕刻、激光雕刻等技術在校園中難以實現(xiàn)，可以利用化學反應在鐵片上面繪制一些圖案。

5.1.2 任務二：廢棄金屬表面預處理

［教師］從鐵銹的組成和性質角度出發(fā)，小組討論怎樣除去廢鐵片表面的鐵銹？

［學生］由于鐵銹比較疏松，可以使用砂紙打磨進行除銹，這種方法有些費力，適用于小面積局部除銹。鐵銹是鐵與氧氣、水反應形成的，主要含有金屬氧化物，利用其可以和酸反應的性質，除去大面積的鐵銹。

［教師］用酸除銹時，通常需要將金屬在稀酸中進行較長時間浸泡，怎樣加快除銹速度？

［學生］可以適當提高酸的濃度或者進行加熱。

［教師］對，使用高濃度的酸有一定的危險性，8%的稀鹽酸和稀硫酸就比較合適。加熱也可以加快除銹反應，操作時須注意規(guī)范和安全。注意觀察鐵片酸浸處理前后的變化（液體襯在白紙上或者放在試管里看得更清楚），思考該過程中主要發(fā)生什么反應？

［學生活動2］學生分組進行廢鐵片表面除銹實驗并觀察分析：鐵片表面的紅棕色鐵銹和藍黑色的部分都變成了銀白色，溶液明顯變黃，表明是鐵銹溶于酸生成了鐵離子。

［教師］為什么鐵銹周圍藍黑色的部分也變成了銀白色？

［學生］可能是原鐵片進行過防銹處理，保護層被鹽酸溶解？

［教師］藍黑色的外層是利用烤藍防銹工藝在鐵表面形成致密的四氧化三鐵保護膜，隔絕氧氣和水，它也能和酸反應。能否讓鐵片在氧氣中燃燒以使在表面重新形成四氧化三鐵保護膜？

［學生］鐵片與氧氣的接觸面積沒有鐵絲大，不易發(fā)生燃燒反應。

［教師］的確，工業(yè)上常用的是溶液發(fā)藍法，同學們可以課后閱讀學案了解原理。如何保存上一步中處理好的鐵片，防止再次生銹？

［學生］刷油保存于密封袋中。

［教師］使用稀硫酸除銹的速度比使用稀鹽酸的組慢很多，這可能和什么有關？怎樣驗證？

［學生］可能和酸中陰離子的種類相關。需設置對照實驗，一組用稀鹽酸和廢鐵片反應，另一組改用稀硫酸，比較除銹速度。如果稀硫酸確實比較慢，再向該實驗組中加入一些氯化鈉固體引入氯離子，觀察速率是否加快。

［教師］怎樣更快完成，更好地體現(xiàn)對比？

［學生］使用等量的粉末狀氧化鐵，控制酸的濃度、加熱的時間和溫度等條件相同，通過觀察氧化鐵剩余的量或溶液顏色來判斷快慢。

［學生活動3］學生進行實驗，得出結論：鹽酸中的氯離子可加快除銹的速度。

［課后任務］學生分組討論如何利用化學工藝加工金屬片制成書簽的方法。

5.2 第二課時

5.2.1 任務三：刻蝕制作金屬書簽

［學生活動4］學生根據(jù)教師提供的化學刻蝕工藝的補充閱讀資料，總結制作金屬書簽的簡易流程：金屬表面預處理→部分遮蓋保護→刻蝕→后處理。

［教師］此前同學們已經(jīng)對鐵片表面完成了預處理，接下來的第二步，怎樣對不需要刻蝕的地方進行保護呢？

［學生］可使用涂蠟或油性材料、利用膠帶遮蓋進行保護等方法。

［教師］在第三步刻蝕步驟中，怎樣使鐵形成凹凸表面？請在硫酸銅溶液、氯化鋅溶液、稀鹽酸等化學試劑中進行選擇，討論選擇的依據(jù)、發(fā)生的反應和預期的現(xiàn)象。

［學生］討論并闡述選擇硫酸銅溶液刻蝕的理由：鐵比銅活潑，可以從硫酸銅溶液中置換出單質銅，刻蝕處出現(xiàn)紅色固體；而鐵不能從氯化鋅中置換出更活潑的鋅。

［教師］哪些微觀粒子發(fā)生了改變？

［學生］藍色刻蝕液顏色變淺，析出紅色固體，說明銅離子轉變?yōu)殂~原子，與之接觸的鐵原子變成亞鐵離子。

［教師］除銹時，有些同學還看到有氣泡發(fā)生，溶液呈現(xiàn)黃綠色，那么稀鹽酸能否用來刻蝕鐵片呢？還有哪些微粒發(fā)生了變化？請寫出對應的化學方程式，并分析繪制反應后的溶液中所含微粒的圖像。

［學生］根據(jù)鐵和鹽酸反應有氣泡發(fā)生、溶液變綠色的宏觀現(xiàn)象，說明可以使用鹽酸刻蝕，氫離子和鐵原子反應后變成了氫分子和亞鐵離子，而氯離子沒有改變。

［教師］該轉化本質上是一個得失電子的過程。鐵原子轉移到溶液中后（如圖2所示），鐵片被刻蝕處會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

［學生］出現(xiàn)凹坑。

［教師］除以上兩種方案之外，還可以利用除銹步驟中的廢液來刻蝕。

（展示工業(yè)刻蝕電路板資料：Cu+2FeCl3＝CuCl2+2FeCl2， Fe+2FeCl3＝3FeCl2）

［總結歸納］試劑選擇方案一：鐵片+稀鹽酸

方案二：鐵片+硫酸銅溶液

方案三：鐵片+氯化鐵溶液）

［儀器用品］教師提供濃鹽酸和水的體積比為1∶4和1∶10的稀鹽酸、不同濃度的硫酸銅溶液（加稀酸調節(jié)pH=5）和氯化鐵溶液，學生自主探究濃度和效果的關系。

為學生提供遮蓋保護用品：花式打孔器和剪刀用于裁剪電工黑膠帶，粘貼進行保護。提供油性馬克筆用于繪畫書寫，刻蝕完成后用酒精濕巾擦去油墨保護層。

［學生活動5］學生設計圖案并對除銹后的鐵片進行局部遮蓋保護、滴液涂抹刻蝕、清洗并擦干。

學生得出結論：使用1%的硫酸銅溶液刻蝕鐵片，紫紅色鍍層雖出現(xiàn)較慢，但附著牢固；使用氯化鐵溶液刻蝕鐵片凹坑很明顯。

5.2.2 任務四：實驗后處理

［教師］金屬書簽在后續(xù)使用時需要注意什么？

［學生］注意保持潔凈干燥，還可以貼一層透明保護膜防銹、防劃傷書本。（貼膜裝穗并小組展示成品，如圖3所示）

［教師］怎樣處理實驗產(chǎn)生的廢液？請根據(jù)表1提供的2022年江蘇省《電鍍行業(yè)主要污染物排放標準》進行思考。

［學生］廢液中含有稀鹽酸、氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸銅等物質需要處理。首先需要中和處理大量的酸。大量的鐵離子和銅離子可以用活潑金屬置換，也可以加入堿液，轉化為沉淀分離出來，回收再利用，盡量減少化學工藝對環(huán)境造成污染。

［教師］把本項目涉及的含鐵物質按照一定的規(guī)律整理，可得到一張鐵的“價類二維圖”［如圖4（右）所示］，這個工具可以幫助我們系統(tǒng)地梳理物質的轉化關系，請同學們課后完成細節(jié)的繪制。在制作金屬書簽的項目中，同學們利用所學知識將廢棄金屬轉化成了有用的產(chǎn)品，體會到每一條成熟的化學工藝路線的形成都要經(jīng)歷原理探析、條件優(yōu)化、操作控制、安全把控等實踐過程，課后請同學們嘗試以廢銅片、鋅片等原料制作書簽。請同學們留心生活，發(fā)現(xiàn)更多化學刻蝕工藝的運用場景；查閱資料，設計更多廢金屬的加工回收方案，利用化學知識把我們的生活變得更加美好！

6 教學效果和展望

學生在完成“走近廢金屬的回收利用”項目任務時，能夠積極查閱信息、提升團隊合作與溝通表達能力；在選擇合適的除銹方案、刻蝕液種類和濃度以實現(xiàn)快速、強力的刻蝕等實驗探究中，充分運用分析、歸納、比較、解釋、應用等學科思維；在防銹、廢液處理等實驗后處理的項目任務中，學生形成了利用化學知識保護資源和環(huán)境的意識、增強了社會責任感。項目要求學生構建一張“含鐵物質的價類二維圖”用于概括總結鐵及其化合物的轉化關系，為學生今后系統(tǒng)學習其他元素化合物打下了基礎。

從教學效果看，學生的興趣和專注度明顯好于傳統(tǒng)復習課，后續(xù)一些學生還進行了家庭回收利用廢金屬的研究，如圖5所示的部分生活作品中，把易拉罐做成小夜燈（圖5左）、利用鋁箔處理發(fā)黑的銀飾（圖5中、右）、把茶葉盒做成收納罐等等。此外，筆者在高中段任教時，一些初中階段參與過該項目的學生在學習必修1金屬相關章節(jié)時，仍能主動與本項目的學習成果進行聯(lián)系。

在本項目實施過程中，教師對評價量規(guī)工具的使用還不夠熟練，在項目的管理方面還比較生疏。所幸隨著項目化工具和支架的豐富——如項目化設計工具［10］、評價工具［11］、項目搭建及管理平臺（如蘇州工業(yè)園區(qū)的易加學院）等等，有助于新手教師快速熟悉項目式學習的教學模式。相信未來基于真實情境的項目化的學習會讓復習課變得更加“食之有味”，帶給學生更多有意義的學習。

參考文獻：

［1］［8］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022： 3.

［2］夏雪梅. 項目化學習設計： 學習素養(yǎng)視角下的國際與本土實踐［M］. 北京： 教育科學出版社， 2018： 8.

［3］王磊. 項目學習實驗教材化學［M］. 太原： 山西教育出版社， 2018： 2.

［4］王磊主編. 普通高中教科書·化學必修·第一冊［M］. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019： 32.

［5］Morales T M， Bang E J， Andre T. A One－year Case Study： Understanding the Rich Potential of Project－based Learning in a Virtual Reality Class for High School Students ［J］. Journal of Science Education & Technology， 2013， 22（5）： 791～806.

［6］楊玉琴， 王祖浩. 教學情境的本真意蘊——基于化學課堂教學案例的分析與思考［J］. 化學教育， 2011， 32（10）： 30～33.

［7］李學玲， 楊玉琴， 周志源. 基于真實情境的任務驅動式學習設計——高鐵建設中金屬材料的選擇［J］. 化學教學， 2021， （11）： 6.

［9］王祖浩主編. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2013： 113.

［10］夏雪梅. 項目化學習工具： 66個工具的實踐手冊［M］. 北京： 教育科學出版社， 2022： 2.

［11］陳素平. 讓評價支持和促進學習——美國STEM項目學習評價的特點與啟示［J］. 上海教育科研， 2020， （4）： 5.