基于真實(shí)情境的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

黃明浩

摘 ? 要：探討高三復(fù)習(xí)課中基于真實(shí)情境的問(wèn)題解決教學(xué)模式。學(xué)生面對(duì)真實(shí)生活情境一系列問(wèn)題時(shí)進(jìn)行探究的過(guò)程中完成知識(shí)體系的構(gòu)建，概括并提煉能遷移應(yīng)用的學(xué)習(xí)策略，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科能力，發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。文章以“生活垃圾焚燒爐渣中鐵磁性物質(zhì)的提取”為例進(jìn)行教學(xué)，探索指向核心素養(yǎng)的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教學(xué)；真實(shí)情境；鐵磁性物質(zhì)；深度學(xué)習(xí)

1 ?問(wèn)題的提出

隨著國(guó)家城市化的不斷發(fā)展，居民每日產(chǎn)生的生活垃圾不斷增長(zhǎng)。根據(jù)有關(guān)新聞報(bào)道，中國(guó)生活垃圾清運(yùn)量每年都在提升。其中，2020年全國(guó)城市生活垃圾的清運(yùn)量達(dá)到2.35億噸。目前，我國(guó)針對(duì)生活垃圾無(wú)害化處理的方式主要有以下三種，分別是衛(wèi)生填埋、高溫焚燒和堆肥分解。對(duì)生活垃圾進(jìn)行高溫焚燒處理時(shí)，充分利用焚燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電，變廢為寶，是國(guó)家高度重視和積極推進(jìn)的方法之一。

生活垃圾焚燒時(shí)，爐渣中含鐵物質(zhì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。含鐵物質(zhì)雖然在焚燒爐渣中廣泛存在，但在焚燒爐渣中所占的比例并不是很高。因而，有必要對(duì)生活垃圾焚燒爐渣含鐵物質(zhì)進(jìn)行富集，分析焚燒爐渣含鐵物質(zhì)中鐵元素各價(jià)態(tài)的分布情況，以便后續(xù)對(duì)于鐵磁性物質(zhì)進(jìn)行更好的利用。

鐵元素是學(xué)生非常熟悉的一種金屬元素，也是化學(xué)高考中出現(xiàn)頻率較高的金屬元素之一。鐵元素及其化合物在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。隨著新高考改革的不斷深入，元素化合物的相關(guān)命題越來(lái)越靈活新穎，試題知識(shí)覆蓋面廣、綜合性強(qiáng)，具有較高的難度和一定的區(qū)分度。近年來(lái)，高考題在這方面往往結(jié)合工業(yè)流程考查學(xué)生元素化合物知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，或者以實(shí)驗(yàn)題形式探究某一元素化合物的性質(zhì)、制備或者用途等問(wèn)題[ 1 ]。

2 ?基于真實(shí)情境問(wèn)題的高三復(fù)習(xí)教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)線索設(shè)計(jì)

2.1.教學(xué)目標(biāo)

（1）以垃圾焚燒爐渣中鐵磁性物質(zhì)的回收作為問(wèn)題情境，了解鐵元素富集、提純的基本原理與方法；

（2）能運(yùn)用化學(xué)知識(shí)對(duì)鐵磁性物質(zhì)的性質(zhì)與變化進(jìn)行微觀探析，并能運(yùn)用化學(xué)方程式正確表示其變化過(guò)程，掌握生活垃圾中鐵磁性物質(zhì)的提取與利用，實(shí)現(xiàn)鐵元素及其化合物相關(guān)知識(shí)的深度復(fù)習(xí)；

（3）從真實(shí)情境出發(fā)，通過(guò)垃圾中鐵磁性物質(zhì)的回收，感悟生活垃圾資源化利用的過(guò)程與意義，培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)護(hù)環(huán)境的高尚品格、學(xué)以致用的科學(xué)態(tài)度以及合理利用資源的社會(huì)責(zé)任感與使命感[ 2 ]。

2.2 ?教學(xué)線索

教學(xué)線索設(shè)計(jì)如圖1所示

3 ?教學(xué)實(shí)踐

任務(wù)1：感知生活垃圾中鐵的存在形式，信息提取，現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用——垃圾中鐵元素富集。

教學(xué)情境：金屬鐵的熔點(diǎn)為1538 ℃，其沸點(diǎn)為 2750 ℃，均遠(yuǎn)高于生活垃圾焚燒爐中約為 850 ℃的反應(yīng)溫度。在生活垃圾焚燒的反應(yīng)過(guò)程中，焚燒爐渣中容易富集出鐵元素。鐵元素是一種常見(jiàn)的變價(jià)金屬元素，主要以0、+2和+3的價(jià)態(tài)存在，在焚燒爐渣中的存在形式有Fe2O3、Fe3O4和Fe等[ 3 ]。

學(xué)生活動(dòng)1：思考如何實(shí)現(xiàn)垃圾中鐵元素的富集？根據(jù)教師給出的信息，分組討論，設(shè)計(jì)出如圖2所示的鐵磁性物質(zhì)提取流程。探究并計(jì)算分別以純水、無(wú)水乙醇和丙酮作為提取介質(zhì)的條件下，比較鐵磁性物質(zhì)在三者中的提取效率，最終選擇合適的提取介質(zhì)。

資料卡片：有關(guān)含鐵物質(zhì)的富集方法很多，主要分為干法和濕法等兩種方法。在焚燒爐實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家分別選擇了純水、無(wú)水乙醇以及丙酮作為濕法提取含鐵物質(zhì)的三種提取介質(zhì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，三種不同介質(zhì)的條件下，磁鐵對(duì)100 g焚燒爐渣中含鐵物質(zhì)的提取程度，列表記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如表1所示。

其中，鐵磁性物質(zhì)提取效率的計(jì)算公式：η=m/n，m=Mα。

公式中的m為提取焚燒爐渣鐵磁性物質(zhì)的鐵含量，n為焚燒爐渣的鐵含量，M為提取鐵磁性物質(zhì)質(zhì)量，α為提取的鐵磁性物質(zhì)中含鐵量。

教師：每100 g焚燒爐渣的鐵含量約為7 g。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)表中數(shù)據(jù)及公式，通過(guò)計(jì)算選擇合適的提取介質(zhì)。

學(xué)生：對(duì)不同的提取介質(zhì)分組進(jìn)行分析、計(jì)算并討論，綜合比對(duì)不同提取介質(zhì)的結(jié)果，每個(gè)小組選擇一名組長(zhǎng)進(jìn)行匯報(bào)。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：選取哪種提取介質(zhì)需要分別計(jì)算水、乙醇和丙酮三種溶劑的提取效率，選取效率最高的介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可從 100 g 爐渣中提取約 34～38 g 的鐵磁性物質(zhì)[ 4 ]。利用公式M×α÷7算出數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)無(wú)水乙醇作為提取介質(zhì)的提取效率最高。

最終條件：選用乙醇作為提取介質(zhì)時(shí)，提取效率最高，達(dá)到95.10%。

任務(wù)2：流程設(shè)計(jì)，核心轉(zhuǎn)化——鐵磁性物質(zhì)的提取與利用。

學(xué)生活動(dòng)2：鐵磁性物質(zhì)提取的除雜過(guò)程、雜質(zhì)種類及提純方法。

資料卡片：生活垃圾成分復(fù)雜，經(jīng)高溫焚燒后，產(chǎn)生的焚燒爐渣主要以熔融玻璃形態(tài)存在，Si、Al、Ca 是玻璃的主要成分，F(xiàn)e和一些堿或者堿土元素被包裹在熔融玻璃中，共同構(gòu)成熔融玻璃的主要組成成分。

教師：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)流程，并選擇合適的實(shí)驗(yàn)條件完成鐵磁性物質(zhì)的提取與利用。

資料卡片：在提取過(guò)程中，2CaO·Al2O3·SiO2一類物質(zhì)不能和鐵磁性物質(zhì)徹底分離，伴隨鐵磁性物質(zhì)被磁鐵提取出來(lái)，構(gòu)成鐵磁性物質(zhì)的一部分。

學(xué)生設(shè)計(jì)提取流程如圖3所示。

教師：此處可以選用什么物質(zhì)作為氧化劑？哪種物質(zhì)最好？

學(xué)生：可以選用過(guò)氧化氫溶液或者氯氣。過(guò)氧化氫溶液最好，因?yàn)檫^(guò)氧化氫被還原后的產(chǎn)物為水，不會(huì)引入新的雜質(zhì)，并且使用過(guò)氧化氫不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，污染環(huán)境。

教師：查閱資料知：

Ksp[Al（OH）3] =1.3×10-33，Ksp[Fe（OH）3]=4×10-38，Ksp[Ni （OH）2]=2.0×10-15，Ksp[Cd（OH）2]=5×10-15，Ksp[Pb（OH）2]=1.2×10-15，Ksp[Ca（OH）2]=5.5×10-6，Ksp[Fe （OH）2] = 8.0×10-16。結(jié)合數(shù)據(jù)，請(qǐng)計(jì)算pH應(yīng)該調(diào)節(jié)到多少范圍？

學(xué)生：根據(jù)沉淀溶解平衡進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)三價(jià)鐵沉淀完全時(shí)，溶液中鐵離子的濃度為10-5，可以計(jì)算此時(shí)氫氧根離子的濃度，再通過(guò)水的離子積常數(shù)，可以得出氫離子濃度，再套用公式，即可算出pH范圍。

學(xué)生活動(dòng)3：刨根究底，追根溯源——了解鐵磁性物質(zhì)還原過(guò)程中的各項(xiàng)化學(xué)反應(yīng)。

資料卡片：將提取物鐵磁性化合物與焦炭混合進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)。圖4、圖5展示該過(guò)程中隨著溫度變化時(shí)，各項(xiàng)產(chǎn)物物質(zhì)的量的變化曲線。

教師：請(qǐng)根據(jù)碳?xì)饣磻?yīng)與鐵氧化物還原反應(yīng)圖像寫(xiě)出各階段的主要方程式，并說(shuō)明你是怎么思考的。

學(xué)生甲：我的思路是先回憶高一學(xué)習(xí)過(guò)有關(guān)碳元素和鐵元素的價(jià)類二維相關(guān)知識(shí)，然后根據(jù)兩種元素的常見(jiàn)價(jià)態(tài)，再結(jié)合氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，最后推理出每一步的反應(yīng)方程式。

學(xué)生乙：根據(jù)甲同學(xué)的思路，觀察圖4中C、CO與CO2物質(zhì)的量的變化曲線，容易發(fā)現(xiàn)C→CO2→CO這一過(guò)程。因此，碳?xì)饣磻?yīng)的主要方程式為C + O2 = CO2，CO2 + C = 2CO。而圖5中更為復(fù)雜，鐵氧化物的轉(zhuǎn)化過(guò)程為Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe，可以根據(jù)圖像大致總結(jié)出如下反應(yīng)過(guò)程：

①當(dāng)T ＜ 400 ℃，主要反應(yīng)為3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2；

②當(dāng)300 ℃ ＜ T ＜ 500 ℃，主要反應(yīng)為Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2；

③當(dāng)T ＞ 500 ℃，主要反應(yīng)為FeO + CO = Fe + CO2。

教師：兩位同學(xué)的發(fā)言非常好。隨著溫度升高，F(xiàn)e2O3平衡組分逐漸減少，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃，F(xiàn)e2O3平衡組分為零；在該溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)e3O4 的平衡組分先增后減，F(xiàn)eO出現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)。隨著溫度升高，F(xiàn)e3O4繼續(xù)減少，F(xiàn)eO繼續(xù)增加，F(xiàn)e3O4繼續(xù)減少到零時(shí)，F(xiàn)eO達(dá)到最大值。當(dāng)溫度高于500 ℃時(shí)，金屬鐵開(kāi)始生成[ 5 ]。通過(guò)一系列的反應(yīng)，科學(xué)家終于能從垃圾焚燒爐渣中獲得單質(zhì)鐵，可以在金屬加工廠處理成金屬制品，實(shí)現(xiàn)資源的回收再利用。此外，垃圾焚燒爐渣經(jīng)過(guò)篩選后再次加工，還能得到環(huán)保砂，可以用于道路的鋪設(shè)材料。

教師小結(jié)：在活動(dòng)3中，兩位同學(xué)不僅回憶復(fù)習(xí)了高一學(xué)習(xí)過(guò)的元素化合物的知識(shí)，而且充分利用了價(jià)類二維模型來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，發(fā)揮了價(jià)類二維圖的解決真實(shí)問(wèn)題的功能與價(jià)值。同學(xué)們，接下來(lái)請(qǐng)一起總結(jié)物質(zhì)制備的認(rèn)識(shí)分析模型（圖6）。

教師總結(jié)升華：在高三復(fù)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生要不斷訓(xùn)練自己基于真實(shí)情境分析問(wèn)題的角度，將化學(xué)學(xué)科知識(shí)，轉(zhuǎn)化為化學(xué)關(guān)鍵能力，最后形成化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。學(xué)生即使在考試時(shí)遇到陌生情境和任務(wù)時(shí)，也能夠有解決問(wèn)題的思考角度和分析思路。

4 ?教學(xué)反思與總結(jié)

在高三復(fù)習(xí)的教學(xué)中，本節(jié)課以生活垃圾中鐵磁性物質(zhì)的提取作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培育的重要載體。本節(jié)課設(shè)計(jì)了兩個(gè)教學(xué)任務(wù)，穿插了3個(gè)教學(xué)活動(dòng)。任務(wù)1主要是復(fù)習(xí)元素化合物提純過(guò)程的富集思想，培養(yǎng)學(xué)生信息提取及運(yùn)用信息解決問(wèn)題的能力，任務(wù)2主要是培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境下，建立核心物質(zhì)的制備、分離與純化的思維模型。其中，活動(dòng)1為鐵元素的富集，通過(guò)分析垃圾焚燒爐中鐵元素的存在形式，依據(jù)教師所給的信息及相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇最合適的提取介質(zhì)。該活動(dòng)對(duì)真實(shí)問(wèn)題進(jìn)行了化學(xué)視角分析，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與科學(xué)探究素養(yǎng)。活動(dòng)2為鐵磁性物質(zhì)的提取與利用，通過(guò)核心物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生解決工業(yè)流程的思維能力?；顒?dòng)3重點(diǎn)分析了不同視角看待化學(xué)變化的多樣性，能對(duì)圖像曲線里各個(gè)階段具體物質(zhì)的化學(xué)變化作出相關(guān)解釋。

通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能充分感受生活垃圾資源化以及回收再利用的社會(huì)價(jià)值。既能夠讓學(xué)生通過(guò)化學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)，建立物質(zhì)制備工業(yè)流程的認(rèn)識(shí)分析模型，同時(shí)在生活垃圾資源化的處理上，又能夠讓學(xué)生提高對(duì)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的理解。在教學(xué)中，緊密聯(lián)系生活實(shí)際，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識(shí)解釋和解決有關(guān)垃圾資源化及環(huán)境保護(hù)相關(guān)問(wèn)題。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能充分體驗(yàn)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值，并通過(guò)真實(shí)情境為載體，積極促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，從淺層學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向深度學(xué)習(xí)，最終潛移默化的培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的效果。

5 ?教學(xué)實(shí)施建議

教學(xué)時(shí)，教師可以根據(jù)班級(jí)學(xué)生的能力水平差異，將真實(shí)情境的問(wèn)題優(yōu)化后分類設(shè)置。對(duì)于能力強(qiáng)的學(xué)生，可以訓(xùn)練學(xué)生的高階思維，讓學(xué)生獨(dú)立完成思考過(guò)程。這樣能讓學(xué)生自行通過(guò)計(jì)算對(duì)比不同提取液的效率，并能設(shè)計(jì)從爐渣中提取物質(zhì)的簡(jiǎn)要流程，寫(xiě)出各階段的化學(xué)反應(yīng)方程式。而對(duì)于能力稍弱的學(xué)生，能夠在教師的提示下，在給定認(rèn)識(shí)角度的路徑下解決問(wèn)題的。

培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科的高階思維并不是一蹴而就的，而基于真實(shí)情境的教學(xué)設(shè)計(jì)是一種很好的培養(yǎng)方式。通過(guò)真實(shí)情境與貼近生活的實(shí)際問(wèn)題、學(xué)生活動(dòng)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展深度學(xué)習(xí)，能夠非常好的實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)。這些基于真實(shí)情境的問(wèn)題，能夠促進(jìn)學(xué)生在高三復(fù)習(xí)時(shí)將碎片化的化學(xué)學(xué)科知識(shí)不斷結(jié)構(gòu)化，進(jìn)而幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化為自身的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

新高考改革后的試題注重與真實(shí)情境下生產(chǎn)、生活的實(shí)際問(wèn)題相聯(lián)系。高三復(fù)習(xí)課的教學(xué)，尤其是高三二輪的復(fù)習(xí)課，不再像一輪復(fù)習(xí)那樣注重知識(shí)體系的建構(gòu)和梳理，更需要學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解和應(yīng)用能力，這也是培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力的一個(gè)契機(jī)。高三復(fù)習(xí)課的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)更多地基于學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)真實(shí)情境為載體，解決真實(shí)問(wèn)題的能力。真實(shí)情境下的課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)與實(shí)際生產(chǎn)生活、科學(xué)技術(shù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)工作緊密聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)教學(xué)凸顯化學(xué)學(xué)科的價(jià)值，達(dá)到發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)的要求。

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