基于真實情境的問題解決能力培養教學實踐

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

問題解決能力是指能熟練地運用所掌握的學科知識、觀念、規則及一定的程序方法等對真實復雜問題進行合理分析、提出解決方案并能實施方案的能力。關注問題解決能力的形成與發展是素養為本的課堂教學顯著特征之一[]。核心素養本質上是在解決復雜問題的特定情境中表現出的能力、品格和價值觀等，需在真實的情境中、具有挑戰性的任務中借助問題解決的實踐逐漸培育起來[2]。以真實的化工生產過程為研究對象，借助相關資料對化工生產的原理、流程進行復原和模擬[3]，是創設“真實情境”的重要方法。

淮南地方煤礦地處安徽省淮南市潘集區潘北鎮，是當地有名的礦業（集團）有限責任公司，簡稱“潘北礦”，不少學生的家長或親戚在該礦區上班，學生對該企業較為熟悉。煤礦的大型電機設備工作時需要用地下水進行持續的循環冷卻，涉及到水垢的生成及處理問題。其中蘊含了“水溶液中的離子反應與平衡”知識，尤其是“沉淀溶解平衡”。本課例選擇“淮南地方煤礦生產水垢的去除”為真實情境，離學生的生活較近，易引起學生的問題解決興趣。

1主題內容選擇及學情分析

本課例為復習課，主要以人教版普通高中教科書化學選擇性必修1第三章“水溶液中的離子反應與平衡”第四節“沉淀溶解平衡”為知識基礎，著力解決三個問題：（1）工業水垢是如何形成的，有什么危害？（2）如何去除生成的工業水垢？（3）如何預防工業水垢的生成？

此前，學生已經學習了化學平衡、溶液中的電離平衡和鹽類的水解平衡等概念，同時掌握了化學平衡常數、電離平衡常數和水的離子積常數的計算，為本節課的學習奠定了一定的理論和計算基礎，但這些知識在新授課中仍處于散點狀態。本節課將學生置于真實應用情境中，設計問題鏈引發學生思考，激發其內在的學習動機，逐步深人探究，培養從化學的視角來分析、解決實際問題的能力，讓學生體驗從工業生產走進化學，再從化學回到工業生產的歷程，感悟化學學科價值。

2 教學目標

（1）通過對工業水垢的成分探究，理解水垢的成因及去除，整合運用電離平衡、水解平衡等概念以及平衡常數的相關計算等知識，發展定性和定量結合的科學論證能力。

（2）通過數字化演示實驗和小組合作實驗，準確獲取實驗現象和數據，發展基于實驗證據的推理能力和實驗數據的分析處理能力。

（3）依據“綠色化學”觀念，分析評價各種除垢方法對生產、社會與環境的影響，感受化學學科和工業生產的緊密關聯。

3教學流程

教師在課前拍攝淮南煤礦中的大型電機冷卻裝置和冷卻管中的水垢圖片，以此為情境載體，設計系列驅動性問題，引導學生問題解決能力的發展。教學流程見圖1。

情境線 問題線 問題解決能力發展線展示淮南煤礦的大型電機冷 1.工業水垢是如何形成 從真實情境中發現問題、分析問卻裝置和冷卻管中的水垢 的？ 題的能力工業水垢的去除及預防 水垢威脅煤礦生產安全、增 從沉淀溶解和轉化等多角度進行2.如何去除生成的工業大能、操壞生產設備，需 水垢？ 實驗設計、數處理以及基于數去除工業水垢需要停工停產， 3.如何預防工業水垢的 定性分析和定量研究相結合解決有經濟損失 生成？ 問題的能力水垢的去除和預防中所蘊含 4.解決真實工業生產問題 分析評價、整理歸納以及遷移應的問題解決思路與方法 的一般思路方法是什么？ 用的能力

4教學過程

4.1 真實情境引人

[情境]淮南煤礦的大型電機設備工作時需要用地下水進行持續的循環冷卻，用久了電機冷卻管中會產生大量水垢（用PPT展示水垢圖片）。

[討論］電機冷卻管中的水垢會帶來哪些危害呢？

[討論結果]電機冷卻管中的水垢會損壞生產設備、增大能源損耗、威脅煤礦生產安全等。

[提問]要防治水垢帶來的危害，我們需要解決哪 些問題？

[學生提出]水垢是如何形成的，如何去除水垢，如何預防水垢的產生…·

設計意圖：以當地淮南煤礦工業生產中大型電機冷卻管中水垢為真實情境，讓學生分析討論其危害，并提出需要解決的問題，建立化學學科知識與真實問題解決之間的關系。

4.2探究問題1：工業水垢是如何形成的

[教師]介紹水垢的形成與水質有關，一般是硬水受到持續加熱易形成水垢。初中化學學過，硬水是含有較多可溶性鈣、鎂化合物的水。結合圖2所示淮南煤礦地下水檢測報告，你能預測電機冷卻管中水垢的主要成分有哪些嗎？你的依據是什么？

［學生1]電機冷卻管中水垢的主要成分是 CaCO₃ 和 MgCO₃ 。依據是地下水對電機進行持續的循環冷卻時，就相當于給地下水持續加熱，

CO₂↑+H₂0

［學生2]電機冷卻管中水垢的主要成分是 CaSO₄ 依據是煤礦地下水檢測報告顯示含有鈣離子和硫酸根離子，會結合生成微溶物硫酸鈣。

[學生3]我認為水垢中還含有 Mg（OH）₂ 。依據是從地下水所含主要離子看，地下水顯堿性（ HCO₃^- 水解），且 Mg（OH）₂ 的 K_sp 比 MgCO₃ 的 K_sp 小，所以 Mg²⁺ 更易生成 Mg（OH）₂ 沉淀。

[教師]三位同學回答有理有據，非常好。水垢的主要成分正是 CaCO₃ 、 Mg（OH）₂ 和 CaSO₄ 。

[整理]其實我們還可以根據某溫度下難溶電解質的溶度積（符號為 K_sp ）與該溶液中離子積（符號為 Q ）的相對大小，判斷該溫度下的溶液中難溶電解質的沉淀或溶解情況：

Qgt;K_sp ，溶液中有沉淀析出； Q=K_sp ，沉淀與溶解處于平衡狀態； Qsp ，溶液中無沉淀析出。

設計意圖：學生借助地下水檢測報告中的真實數據，利用已有知識分析硬水加熱過程中的離子反應，從而確定煤礦生產設備中水垢的主要成分并將已有知識初步結構化。發展學生分析問題和歸納總結的能力。

4.3探究問題2：如何去除工業水垢

[過渡]水垢威脅煤礦生產安全、增大能耗、損壞生產設備，需要及時去除，那么如何去除水垢呢？請結合沉淀溶解平衡的知識去分析并設計方案。

4.3.1“酸溶法”去除水垢

[學生分析]加鹽酸。難溶于水的 CaCO₃ 沉淀可以溶于鹽酸中：

在上述反應中， CO₂ 氣體的生成和逸出，使 CaCO₃ 溶解平衡體系中 CO₃^2- 濃度不斷減小，溶液中 CO₃^2- 與Ca²⁺ 的離子積— Q（CaCO₃）sp（CaCO₃） ，導致平衡向沉淀溶解的方向移動。只要鹽酸的量足夠， CaCO₃ 就可以完全溶解。

［教師]理論分析完全正確，事實上是否真的能看見 CaCO₃ 溶解和氣體放出？同學們可以通過實驗進行探究。為了讓同學們看清楚 CaCO₃ 溶解于鹽酸的過程本質一—沉淀溶解平衡移動，課堂上采用多次少量的加入鹽酸，并用鈣離子傳感器和pH傳感器監測c（Ca²⁺） 與 pH 的變化，其實驗裝置如圖3所示。

[實驗探究]用 CaCO₃ 懸濁液模擬工業水垢，向 200mLCaCO₃ 懸濁液中多次分別滴加 1mL0.1molL 鹽酸，觀察現象[燒杯中懸濁液是否溶解和有無氣泡產 生及 c（Ca²⁺） 和 ΔpH 曲線變化]。

[學生匯報]（1）懸濁液沒有明顯變化，且無氣泡產生；（2）第一次和第二次加鹽酸， c（Ca²⁺） 和 pH 的變化趨勢相同。加入鹽酸后， c（Ca²⁺） 先增大后持平； pH 先減小后持平（如圖4所示）。

[問題鏈]OA段表示的是碳酸鈣懸濁液中鈣離子的濃度和 ΔpH 隨時間變化的曲線， c（Ca²⁺） 和 pH 分別是多少？為什么出現這種情況？第一次加入 1mL 0.1mol/L 鹽酸（在A點時加入）后， c（Ca²⁺） 為什么先增大，后持平？pH為什么減小？

[學生分析、討論、歸納]OA段： c（Ca²⁺） 約為 3mg/L 說明 CaCO₃ 在水中存在溶解平衡，有少量碳酸鈣溶解且電離； pH 約為9.6，是碳酸根離子水解所致。AB段：加入鹽酸時，鹽酸電離出的 H⁺ 結合 CO₃^2- ， c（CO₃^2- 減小， CaCO₃ 的溶解平衡被破壞，平衡正向移動，導致c（Ca²⁺） ）增大、pH減小。隨著時間的變化，碳酸鈣懸濁液又逐漸達到新的溶解平衡，所以 c（Ca²⁺） 和 ΔpH 也隨之持平。

[追問]如果繼續多次加鹽酸，每次加完后，曲線都會像BC段一樣重復AB段的變化趨勢嗎？

[學生]不會。當鹽酸足量時，碳酸鈣懸濁液全部溶解，溶解平衡不復存在。

[教師] Mg（OH）₂ 也能溶于鹽酸，原因和 CaCO₃ 基本類似， OH^- 和 H⁺ 結合，促進 Mg（OH）₂ 溶解平衡正向移動。

[問題] CaCO₃ 和 Mg（OH）₂ 都能溶于鹽酸，那么CaSO₄ 呢？也能溶于鹽酸嗎？

[學生一致認為]不能。

[學生分組實驗] ∣1mLCaSO₄ 懸濁液 +1mL1mol/L

鹽酸溶液；

1mLCaSO₄ 懸濁液 +1mL 蒸餾水。

[學生匯報結論] CaSO₄ 能溶于鹽酸，不溶于蒸餾水。

[教師]為什么 CaSO₄ 能溶于鹽酸？你能通過計算找到答案嗎？

K_sp（CaSO₄）=4.9×10^-5

K_a（HSO₄^-）=1.02×10^-2

[學生計算、歸納] ①-② 得 ③ ： CaSO₄ （s） + H⁺（aq）?Ca²⁺（aq）+HSO₄^-（aq）

≈4.8×10^-3

10^-55 ，反應 ③ 能發生（從熱力學角度）；鹽酸濃度越大，反應越快（從動力學角度）。

[教師]鹽酸確實能去除水垢，但現在工業上卻很少用鹽酸去除，這又是為什么呢？

[學生回答、教師補充]鹽酸腐蝕設備，最終污染環境中的水。

設計意圖：通過數字化實驗，幫助學生感受沉淀溶解平衡是“動態”的，引導學生利用平衡移動原理分析沉淀溶解的本質；利用分組實驗的現象引發學生認知沖突，激發學生尋找鹽酸溶解 CaSO₄ 的原因；最后結合環境保護和設備要求，讓學生認識到鹽酸去除水垢的局限性，培育學生實驗探究、數據處理和證據推理的能力。

4.3.2“轉化法\"去除水垢

[情境]在實際工業生產中經常用“堿煮”的方法去除水垢[4]，其模擬工業生產流程如圖5所示。

水垢成分 M （24號 Na₂CO₃ 跑妖 疏松、脫落的水垢 CaCO₃ 大量Mg（OH）₂

[問題]用 Na₂CO₃ 溶液浸泡目的是什么？

[資料卡片] K_sp（CaSO₄）= 4.9×10^-5 ， K_sp（CaCO₃）= 3.4 ×109

[學生1]依據沉淀轉化的一般原則——溶解度小的沉淀容易轉化為溶解度更小的沉淀。用 Na₂CO₃ 溶液浸泡目的是把 CaSO₄ 轉化為 CaCO₃ 。當向工業水垢中加 Na₂CO₃ 溶液時，溶液中 CO₃^2- 與 Ca²⁺ 的離子積一 Q（CaCO₃）gt;K_sp（CaCO₃） ，因此， CO₃^2- 與 Ca²⁺ 結合生成 CaCO₃ 沉淀，導致 CaSO₄ 的沉淀溶解平衡向溶解的方向移動，直至建立新的沉淀溶解平衡：

沉淀轉化的離子方程式可表示為：

[學生2]可以通過上式平衡常數的計算，推算出用Na₂CO₃ 溶液浸泡目的是把 CaSO₄ 轉化為 CaCO₃

從熱力學角度看， 10^-55 ，沉淀轉化能發生；從動力學角度看， Na₂CO₃ 溶液濃度越大，轉化越快。

［教師]同學們的分析有理有據，用“堿煮”的方法確實可以轉化、疏松水垢，最后用水沖洗除去。你能說出這種除垢方法的優、缺點嗎？

[學生討論、分析]優點：成本低、環保;缺點：耗時長、浪費水且除垢不夠徹底。

設計意圖：引導學生通過比較 CaSO₄ 和 CaCO₃ 的K_sp 數值和平衡常數的計算，分析 Na₂CO₃ 溶液把 CaSO₄ 轉化為 CaCO₃ 的原因，發展學生計算能力和分析推理能力。

4.3.3“絡合法\"去除水垢

[教師對比“加酸”和“堿煮”的優缺點，如果你是化學工程師，你希望研制出具有哪些特點的除垢劑？

[學生]高效、環保、經濟的除垢劑。

[過渡]現在有一種快速高效去除水垢的試劑——絡合劑。請同學們親自動手試試這種絡合劑的實效。

[分組實驗]用 CaCO₃ 懸濁液和 CaSO₄ 懸濁液模擬工業水垢，然后向其中加入絡合劑，如圖6所示。

[學生匯報實驗現象]兩支試管中的懸濁液都變澄清了。

[資料卡片]絡合劑主要成分是乙二胺四乙酸二鈉鹽。其HOOCCH2 CHCOONa結構簡式為 NCH CHNNaOOCCH2 CHCOOH可簡寫為 Na₂H₂Y 。能結合金屬陽離子，形成易溶、難電離的配合物。

［學生]以工業水垢主要成分之一 CaCO₃ 溶解于絡合劑為例進行分析：

絡合劑結合 Ca²⁺ ，生成易溶、難電離的配合物CaH₂Y ，促進 CaCO₃ 的溶解平衡正向移動。

[學生歸納］三種除垢方法的優缺點，如表1所示。

設計意圖：學習工業方法去除水垢的發展歷程，展示化學在工業生產過程中的真實應用價值，增強學生的科學態度與社會責任感。

4.4探究問題3：如何預防工業水垢產生

[過渡]無論用哪種方法去除工業水垢都要停工停產，造成經濟損失。怎樣才能從根本上解決水垢問題呢？預防水垢的產生尤為重要。

[問題]如何從源頭上阻止水垢產生呢？

[學生]要阻止工業水垢產生，就是要降低工業冷卻水中 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 的濃度。應該將地下水軟化后再作為工業冷卻水使用。

[教師介紹］一種含有軟水鹽的陽離子交換樹脂法[5]。軟化原理： Ca²⁺+ 2RNa= 2Na⁺+R₂Ca Mg²⁺+2RNa=2Na⁺+R₂Mg

[演示實驗]軟化地下水，并測軟化前后鈣離子濃度。實驗裝置如圖7和圖8所示，實驗數據如圖9所示。

［教師展示]淮南煤礦的冷卻水軟化裝置（用PPT展示）軟化后地下水質檢測報告如圖10所示。

設計意圖：介紹工業上軟化地下水的常用方法和煤礦真實除垢方法，旨在聯系實際、拓寬視野，展示化學學科的應用價值，發展學生對比、推理、探究與創新能力。

[整理歸納]工業除垢的思路和方法（如圖11所示）。

5教學效果及反思

從學生課堂活動的表現來看，本節課達到了預設的問題解決能力發展目標。在問題發現階段，基于生產設備中水垢危害的討論，學生能夠提出需要解決的問題，三個核心問題都是由學生提出；在問題解決階段，學生能夠綜合運用沉淀溶解平衡知識找出水垢形成的原因，設計實驗探究水垢的去除方法和預防策略，并能從成本、操作、設備、環境等多角度去思考問題，評估不同方法的優缺點；在問題解決的分析評價階段，能夠歸納出利用化學知識解決工業問題的一般思路和方法，發展整理歸納和遷移應用能力，并將2024年全國甲卷理綜化學試題第8題進行適當改編，作為當堂檢測題。

［當堂檢測]鈷在新能源、新材料領域具有重要用途。某煉鋅廢渣含有鋅、鉛、銅、鐵、鈷、錳的 +2 價氧化物及鋅和銅的單質。從該廢渣中提取鈷的一種流程如下。

稀 H₂SO₄ （204號 HS NaSO8 NaOH NaClO → ↓ |調pH=4

煉鋅 酸浸 沉銅 沉錳 沉淀 沉→濾液

廢渣 T + ↓ T + 浸渣 CuS （204號 MnO₂ （204號 濾渣 Co（OH）₂

注：加沉淀劑使一種金屬離子濃度小于等于

10^-5mol?L^-1 ，其他金屬離子不沉淀，即認為完全分離。已知： K_sp（CuS）=6.3×10^-36 ， K_sp（ZnS）=2.5×10^-22 ，K_sp（CoS）=4.0×10^-21

回答下列問題：

（1）“酸浸”的目的是什么？（2）為什么先“沉銅”，最后“沉鈷”？（3）假設“沉銅”后得到的濾液中 c（Zn²⁺） 和c（Co²⁺） 均為 0.1mol?L^-1 ，向其中加入 Na₂S 至 Zn²⁺ 沉淀完全，能否實現 Zn²⁺ 和 Co²⁺ 的完全分離？請寫出論證過程。

該題主要考查學生運用沉淀的溶解與轉化原理以及溶度積常數解決真實工業問題的能力。學生完成該題的正確率為 85.6% 。第1問絕大部分學生能夠答出溶解金屬氧化物和鋅單質，且將鉛沉淀，少部分學生答得不全面，說明有些學生思考問題的角度還不夠系統；第2問學生基本上都能從 K_sp 大小比較的角度進行解釋；第3問學生出現了兩種解題思路（圖12），第一種解題思路是從 Co²⁺ 濃度是否減小的角度去分析判斷，第二種解題思路是從比較溶液中 Q（cos） 與 K_sp（cos） 相對大小去分析判斷，說明學生能夠靈活遷移應用溶度積常數解決真實問題。也有少部分學生計算時 Zn²⁺ 濃度用 0.1mol?L^-1 代入計算，極少數學生不知道如何通過計算論證。總體而言，學生完成作業的表現符合預期目標。同時也發現，學生的計算過程不夠規范嚴謹，在今后的教學中需要加強。

（3）若n2+況決完全，則（（3n）.C（s2）=2.5x10-22C（s21）=25x1022 =gt;5×101x10-5

c、Co2+也開始沉淀，不能實現2和CO2的實全分離。

基于真實情境的教學對教師的課程開發能力提出了一定的挑戰。設計該課例時，團隊查閱了相關文獻，走訪了“潘北礦”的技術人員，充分了解了工業生產情境以及工業水垢的形成、去除和預防方法，從中選擇與學科知識聯系緊密且學生能夠分析解決的問題用于課堂探究。然而，問題解決能力的培養是一個長期的過程，需要教師在日常教學中有意識地尋找恰當的應用情境，將真實的社會生活、工作或科學研究活動等情境還原到課堂中，使學生在問題解決的活動中，形成科學看待世界的方式和解決問題的能力，從而使學習真正有利于學生未來的社會生活[6]

參考文獻：

[1］陳向明.對高中化學課堂教學發展學生解決問題能力的審視與思考[J].化學教學，2022，（5）：45～49.

［2］楊玉琴，倪娟.新課標的結構化理解與教學轉化：基于課程與教學的基本問題[J]．化學教學，2024：（6）：3～9.

［3］胡樂萌．基于真實情境的“溴和碘的提取”新型作業設計[J].化學教學，2022，（5）：78～82.

［4］周本省.循環冷卻水系統中的水垢及其控制[J]：腐蝕與防護，2006，（1）：26～31，37.

［5」羅艷歸，隋賢棟，黃肖容.水垢防治技術研究進展[J].工業水處理，2012，32（1）：18～20.

［6］楊玉琴，倪娟.從情境素材到教學情境：如何創設富有價值的問題情境[J].化學教學，2020，（7）：10～15，22.