基于項(xiàng)目式問題鏈的化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

龐嵩

［摘 要］在“從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金”一課的教學(xué)中，教者以提煉黃金的基本流程為主體框架設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，在學(xué)生已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上清楚解釋了兩次溶金的原理、還原黃金的幾種方法、煅燒成金的原因并總結(jié)出推斷金屬活動性順序的三種常用方法。教者講解提煉黃金的流程及原理（明線），歸納金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)（暗線），明暗交織，相輔相成，最終達(dá)到讓學(xué)生在“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”的教學(xué)目的。

［關(guān)鍵詞］項(xiàng)目式問題鏈；教學(xué)設(shè)計(jì)；提煉黃金

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）20-0065-05

一、教材、學(xué)情分析

“從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金”一課與滬教版化學(xué)教材九年級上冊第5章第1節(jié)的內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，屬于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）的一級主題“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”中的內(nèi)容之一。《課標(biāo)》對“金屬與金屬礦物”提出的學(xué)習(xí)要求是：“知道大多數(shù)金屬在自然界中是以金屬礦物形式存在的，體會化學(xué)方法在金屬冶煉中的重要性；知道金屬具有一些共同的物理性質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)探究等活動認(rèn)識常見金屬的主要化學(xué)性質(zhì)及金屬活動性順序?！保?］在本節(jié)課之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了第4章的相關(guān)知識，初步了解了化學(xué)反應(yīng)前后元素種類不變的原理和化學(xué)方程式的書寫與應(yīng)用。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以較為系統(tǒng)地認(rèn)識金屬的性質(zhì)以及物質(zhì)提純的一般思路和方法，為后續(xù)酸、堿、鹽的學(xué)習(xí)做好了鋪墊。

“項(xiàng)目式問題鏈”教學(xué)的核心在于問題鏈的設(shè)計(jì)，只有高質(zhì)量的問題鏈才能引發(fā)學(xué)生的深入思考。本節(jié)課的教學(xué)要融入項(xiàng)目式問題鏈，讓學(xué)生沉浸在不斷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題的探究中，不斷深化對化學(xué)學(xué)科知識的認(rèn)識和理解。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過完善從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金的流程，了解工業(yè)中提純物質(zhì)的常用方法，形成在一定條件下通過化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的化學(xué)觀念。

2.通過金屬與稀鹽酸反應(yīng)、金屬與金屬化合物溶液反應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)，初步學(xué)會研究物質(zhì)的一般思路和方法，鍛煉基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究能力。

3.通過金、銀等貴金屬的回收再利用，激發(fā)對化學(xué)學(xué)習(xí)和科學(xué)探究的濃厚興趣，逐步認(rèn)識到化學(xué)學(xué)科對促進(jìn)人類文明和社會可持續(xù)發(fā)展的重要價(jià)值。

三、教學(xué)重難點(diǎn)

1.通過完善從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金的流程，了解工業(yè)中提純物質(zhì)的常用方法。

2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究金屬與稀鹽酸反應(yīng)、金屬與金屬化合物溶液反應(yīng)，發(fā)展科學(xué)思維，強(qiáng)化創(chuàng)新意識。

四、教學(xué)流程圖

本節(jié)課的教學(xué)流程如圖1所示。

五、教學(xué)過程

【問題1】為什么要回收廢舊手機(jī)和電腦？

【播放視頻】呈現(xiàn)廢舊手機(jī)和電腦的回收利用。

生1：回收金、銀、銅等金屬。

【查找文獻(xiàn)】線路板中的金屬含量（見表1）和廢舊電腦線路板中回收金的經(jīng)濟(jì)效益估算表（見表2）。

總結(jié)：廢舊手機(jī)和電腦中有金、銀、銅、鋅等金屬，經(jīng)過提煉后可回收再利用，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

設(shè)計(jì)意圖：從生活入手，用數(shù)據(jù)和事實(shí)讓學(xué)生體會到回收廢舊手機(jī)和電腦的價(jià)值。教學(xué)內(nèi)容的選擇與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和社會發(fā)展現(xiàn)實(shí)密切關(guān)聯(lián)，反映時(shí)代特點(diǎn)和現(xiàn)代意識，體現(xiàn)跨學(xué)科知識內(nèi)容，對某些社會問題做出積極的思考和決策，培養(yǎng)學(xué)生從化學(xué)學(xué)科及跨學(xué)科視角分析和解決實(shí)際問題的能力，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)［4］。

【問題2】如何從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金？

【播放視頻】呈現(xiàn)從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金的過程。

師：請根據(jù)視頻內(nèi)容完善下列流程（見圖2）。

學(xué)生根據(jù)視頻內(nèi)容完善黃金提煉流程圖（見圖3）。

【問題3】提煉黃金的過程中哪些步驟發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？

生2：脫金水溶解、置換、王水溶解、還原、煅燒。

師：金不溶于水，引出金的兩種存在形式，即游離態(tài)和化合態(tài)，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。

【問題4】兩次溶解黃金的原理有什么不同？

（1）脫金水溶金

【資料卡1】脫金水配方（見表3）。

【資料卡2】脫金粉原料：硫代硫酸鈉、氨水、硫酸銅和亞硫酸鈉。

【原理】在堿性溶液中，有氧氣存在時(shí)，硫代硫酸鈉與金能形成穩(wěn)定的可溶于水的化合物，反應(yīng)方程式為：[4Au+O2+8Na2S2O3+2H2O]＝[4Na3Au（S2O3）2+4NaOH]。

師：金的存在形式由單質(zhì)金變成可溶于水的金的化合物，進(jìn)而完成脫金溶金的過程。

【問題5】如何從可溶于水的金的化合物中獲得金？

生3：加入鋅粉。

師：為了探究反應(yīng)原理，我們用硫酸銅、硝酸銀和氯化鎂溶液代替金的化合物溶液做相似實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)1】鋅粒與金屬化合物溶液反應(yīng)。

【步驟】在井穴板的三個(gè)空穴中先加入少量鋅粒，再分別滴加適量的硫酸銅溶液、硝酸銀溶液和氯化鎂溶液，靜置，觀察現(xiàn)象。

【現(xiàn)象】滴加硫酸銅溶液的空穴中，鋅粒表面出現(xiàn)紅色固體，溶液由藍(lán)色褪為無色；滴加硝酸銀溶液的空穴中，鋅粒表面出現(xiàn)暗黑色固體；滴加氯化鎂溶液的空穴中無明顯變化。

【結(jié)論】鋅可以和硫酸銅、硝酸銀發(fā)生反應(yīng)，不和氯化鎂反應(yīng)。

生（書寫方程式）：[Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu]；[Zn+2AgNO3=Zn（NO3）2+2Ag]。

【思考】請從金屬活動性順序的角度分析，為什么鋅可以和硫酸銅、硝酸銀發(fā)生反應(yīng)，但不和氯化鎂反應(yīng)。

生4：鋅的金屬活動性順序排在銅和銀之前、鎂之后。

【思考】回到煉金流程，鋅能從金的化合物溶液中置換出金的原因是什么？

生5：鋅的金屬活動性順序排在金之前。

設(shè)計(jì)意圖：鋅粉置換出金的過程非常緩慢，無法在課堂中進(jìn)行演示?；谙嗨频脑?，設(shè)計(jì)鋅粒與金屬化合物溶液反應(yīng)的分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生近距離感受金屬慢慢從溶液中析出的過程，體會化學(xué)之美。同時(shí)，類推鋅置換金的過程，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行分析推理及形成結(jié)論的能力。

【問題6】為什么置換出金后還要繼續(xù)溶金？

生6：通過鋅置換獲得的金中有較多雜質(zhì)，用王水進(jìn)行二次溶金，可以除去較多雜質(zhì)，獲得更高純度的金。

（2）王水溶金

【資料卡3】王水，又稱王酸、硝基鹽酸，是一種腐蝕性非常強(qiáng)、冒黃色霧的液體，是濃鹽酸（HCl）和濃硝酸（HNO?）按體積比為3∶1組成的混合物。它是少數(shù)幾種能夠溶解金的液體之一，它的名稱正是由于它的腐蝕性之強(qiáng)而得。

師：王水腐蝕性較強(qiáng)，性質(zhì)較為特殊，我們先從較為熟悉的鹽酸入手。鹽酸能否與常見的金屬發(fā)生反應(yīng)呢？

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)2】鎂條、鋅片、鐵片、銅片分別與稀鹽酸反應(yīng)。

【步驟】在井穴板中分別放入銅、鐵、鋅、鎂四種金屬，分別滴加稀鹽酸，觀察這四種金屬與稀鹽酸是否發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的劇烈程度如何。

【現(xiàn)象】鐵、鋅、鎂均與稀鹽酸反應(yīng)，表面產(chǎn)生氣泡；銅不與稀鹽酸反應(yīng)。鎂與稀鹽酸反應(yīng)最劇烈，鋅其次，鐵最慢。

【思考】產(chǎn)生的氣體是什么？

生7：根據(jù)元素種類在化學(xué)反應(yīng)前后不變可知，產(chǎn)生的氣體有可能是氫氣、氧氣、氯化氫、氯氣等。

【演示實(shí)驗(yàn)1】檢驗(yàn)氫氣。

【步驟】在試管中加入鋅粒，再加入稀鹽酸，用拇指堵住試管，一段時(shí)間后將燃著的木條放在試管口，松開拇指。

【現(xiàn)象】氣體被點(diǎn)燃，發(fā)出“噗”的聲音。

【結(jié)論】證明氣體是氫氣。

【思考】鐵與稀鹽酸反應(yīng)，除氫氣外另一種產(chǎn)物是什么呢？

【引導(dǎo)】展示三價(jià)鐵離子和二價(jià)鐵離子水溶液的顏色，讓學(xué)生推斷另一種生成物，進(jìn)而正確推出鐵與稀鹽酸反應(yīng)的產(chǎn)物。

生（書寫化學(xué)方程式）：Mg+2HCl=MgCl2+H2↑；Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑；Fe+2HCl=FeCl2+H2↑。

設(shè)計(jì)意圖：用井穴板代替試管做實(shí)驗(yàn)，不僅能節(jié)約藥品，減少污染，還更便于學(xué)生對四個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象進(jìn)行對比分析，為后續(xù)推出金屬的活動性順序以及實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)做好鋪墊。

【思考】若從反應(yīng)物和生成物的總數(shù)和類別的角度去分析，這些反應(yīng)有什么共同特點(diǎn)？

生8：均由單質(zhì)和化合物反應(yīng)生成新的單質(zhì)和新的化合物。

師：我們將由一種單質(zhì)和一種化合物作用生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應(yīng)稱為置換反應(yīng)，置換反應(yīng)屬于基本反應(yīng)類型。

師：鎂、鋅、鐵與稀鹽酸反應(yīng)的劇烈程度不同，說明金屬的活動性有差異。人們通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和研究，總結(jié)出常見金屬的活動性順序（見圖4）。

【思考】圈出鎂、鋅、鐵、銅、氫，分析金屬活動性順序是否與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符。

【結(jié)論】排在氫之前的金屬能與稀鹽酸反應(yīng)，排在氫之后的金屬不能與稀鹽酸反應(yīng)。

【思考】請從金屬活動性順序的角度分析金能否與稀鹽酸反應(yīng)。

【結(jié)論】根據(jù)金屬活動性順序表可知，金的活動性順序排在氫之后，常溫下金無法與稀鹽酸反應(yīng)。王水能溶解金的原因：①王水中的濃硝酸氧化性極強(qiáng)，可以與金屬活動性順序表中排在氫后的金屬反應(yīng)；②王水中的鹽酸為濃鹽酸。

【思考】除利用金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度不同來比較金屬的活動性強(qiáng)弱外，還可以用哪些方法來比較？

生9：觸摸井穴板底部，感受溫度變化。

【演示實(shí)驗(yàn)2】觀測鎂條、鋅片、鐵片、銅片與稀鹽酸反應(yīng)過程中的溫度變化。

【步驟】在注射器中吸取3 mL稀鹽酸，在四個(gè)錐形瓶中分別加入鎂條、鋅片、鐵片、銅片，塞緊帶有溫度傳感器和注射器的雙孔塞，接著注入稀鹽酸，觀察錐形瓶內(nèi)的現(xiàn)象和溫度隨時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示。

【現(xiàn)象】銅片表面無明顯變化；鎂條、鋅片、鐵片表面均有氣泡產(chǎn)生，劇烈程度依次遞減。鎂條所對應(yīng)的注射器活塞快速上移；一段時(shí)間后，鋅片所對應(yīng)的注射器活塞勻速且較快上移；鐵片所對應(yīng)的注射器活塞幾乎不變，錐形瓶內(nèi)的溶液顏色變?yōu)闇\綠。

溫度隨時(shí)間的變化曲線（見圖6）：鎂條所對應(yīng)的錐形瓶內(nèi)的溶液溫度隨時(shí)間快速升高；鋅片所對應(yīng)的錐形瓶內(nèi)的溶液溫度隨時(shí)間較快升高；鐵片所對應(yīng)的錐形瓶內(nèi)的溶液溫度隨時(shí)間緩慢升高；銅片所對應(yīng)的錐形瓶內(nèi)的溶液溫度無明顯變化。

【結(jié)論】通常情況下，金屬的活動性越強(qiáng)，與酸反應(yīng)的劇烈程度也越大，溶液的溫度也越高。

設(shè)計(jì)意圖：金屬活動性順序表是按各金屬單質(zhì)與其在水溶液中形成的簡單低價(jià)態(tài)離子所構(gòu)成的電對的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢由小到大的順序排列的［5］。根據(jù)恒溫、恒壓下標(biāo)準(zhǔn)電極電勢和熱力學(xué)函數(shù)的關(guān)系：[-nFEθ=ΔGθ=ΔHθ-TΔSθ]，當(dāng)忽略[TΔSθ]并且n相等的情況下，[ΔHθ]越大，[Eθ]越小，即反應(yīng)放熱越多，金屬活動性越強(qiáng)，在金屬活動性順序表中的位置就越靠前。因此，當(dāng)溶液的體積相同的情況下，放熱越多，溶液的溫度變化就越大。用反應(yīng)前后溶液的溫度變化作為金屬活動性的判斷依據(jù)是可取的［6］。本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)正是在此理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，通過溫度傳感器精準(zhǔn)測定四種金屬和酸反應(yīng)過程中的溫度變化，并以曲線圖的形式展示出來形成對比，為推斷金屬的活動性順序提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

【問題7】還原劑的成分是什么？為什么可以還原出金？

【資料卡4】目前在工業(yè)上可用于回收廢王水中金的還原劑主要有硫酸亞鐵、亞硫酸鈉、活潑過渡金屬（如鋅粉和鐵粉等）、亞硫酸氫鈉、草酸、甲酸和水合肼等有機(jī)還原劑。

師：列舉鋅粉和鐵粉，讓學(xué)生通過金屬的置換反應(yīng)理解這一過程。

設(shè)計(jì)意圖：講清楚“為什么要進(jìn)行兩次溶金”“還原的基本原理是什么”，不要因?yàn)閷W(xué)生沒學(xué)過而規(guī)避這些問題。教學(xué)的目的是啟發(fā)學(xué)生思考、發(fā)現(xiàn)、實(shí)踐、主動學(xué)習(xí)。對于部分在課堂上暫時(shí)無法解釋清楚的原理，教師可以把它們設(shè)計(jì)成課后思考題，讓學(xué)生通過查找資料來解決，并分享成果。這些學(xué)習(xí)經(jīng)歷可以幫助學(xué)生培養(yǎng)收集證據(jù)的技能，使學(xué)生體會合作與交流在科學(xué)探究中的重要作用。

【問題8】為什么要煅燒海綿金？煅燒海綿金的過程是否發(fā)生了化學(xué)變化？

【總結(jié)】煅燒海綿金的目的有兩個(gè)：①除去金中部分易氧化、易升華的雜質(zhì)；②將金熔化重新凝固，除去海綿金內(nèi)部氣孔，使金更加致密。這個(gè)過程中部分雜質(zhì)發(fā)生了化學(xué)變化，但金沒有發(fā)生化學(xué)變化，因?yàn)椤罢娼鸩慌禄馃挕薄?/p>

【思考】其他金屬能否與氧氣發(fā)生反應(yīng)？舉例說明。

生10：鋼鐵的銹蝕。

【演示實(shí)驗(yàn)3】加熱鋁片。

【步驟】用坩堝鉗夾緊鋁片置于酒精燈火焰上方加熱，觀察現(xiàn)象。

【現(xiàn)象】鋁片表面變暗，失去金屬光澤；加熱過程中鋁片懸而不滴。

【原因】鋁在加熱條件下生成一層致密的氧化膜包裹住融化的鋁水。

【結(jié)論】在常溫或加熱條件下，鋁可以與氧氣反應(yīng)，生成一層致密的氧化膜。

【總結(jié)】今天我們通過“從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金”一課學(xué)習(xí)了金屬的一些性質(zhì)?；瘜W(xué)來源于生活，生活離不開化學(xué)，讓我們學(xué)以致用，在“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。

【板書設(shè)計(jì)】

設(shè)計(jì)意圖：板書中包含的圖片類比古代的“金”字，以此致敬歷史，弘揚(yáng)中華文化，傳承民族精神。

六、教學(xué)反思

本節(jié)課用學(xué)生熟悉的手機(jī)和電腦為情境開展以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)，選題新穎。通過完善提煉黃金的流程，鍛煉學(xué)生提取信息的能力；通過兩次溶金原理的研究，讓學(xué)生初步學(xué)會推斷金屬活動性的三種方法；通過鋅置換金，從應(yīng)用層面理解金屬活動性的意義；通過大火煅金，理解“真金不怕火煉”。每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都回歸到起始的煉金流程，用煉金流程指導(dǎo)教學(xué)活動的設(shè)計(jì)，用教學(xué)設(shè)計(jì)解釋煉金流程中蘊(yùn)含的化學(xué)原理，環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)。

作為項(xiàng)目式教學(xué)的典型案例，本節(jié)課的驅(qū)動性問題是：“如何從廢舊手機(jī)和電腦中提煉黃金？”項(xiàng)目式任務(wù)主要分為三塊：①溶金的兩種方法；②從溶液中獲得金的兩種方式；③黃金的提純方式。每一個(gè)項(xiàng)目式任務(wù)的開展都建立在一個(gè)個(gè)有效的高質(zhì)量的問題之上。課堂上教師給學(xué)生足夠的思考時(shí)間和空間，讓學(xué)生自由研討、研究方案、動手實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論。學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情隨著課堂的展開不斷提升，課堂教學(xué)效果顯著，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。

本節(jié)課在有關(guān)金屬的活動性順序問題的研究中，并沒有一味地否定用金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度推斷金屬的活動性順序，因?yàn)榭紤]到初中學(xué)生的知識儲備和認(rèn)知水平，用金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度進(jìn)行推斷從某種意義上來說現(xiàn)象更明顯，學(xué)生更容易接受。但是不能將此方法絕對化，需要讓學(xué)生意識到判斷金屬的活動性順序的方法有很多，并且通過測量溶液溫度變化進(jìn)行推導(dǎo)更加科學(xué)。因此，本節(jié)課設(shè)計(jì)了三種方法判斷金屬的活動性順序：①金屬與稀鹽酸反應(yīng)的劇烈程度；②金屬與稀鹽酸反應(yīng)過程中溶液的溫度變化；③金屬能否將另一種金屬從它的化合物溶液中置換出來。三種方法并不孤立，而是相輔相成，最終達(dá)到讓學(xué)生理解并學(xué)會運(yùn)用金屬的活動性順序的目的。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］［4］? 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］［3］? 徐秀麗. 從電子廢棄物中浸金的實(shí)驗(yàn)方法研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2012.

［5］［6］? 陶亞奇，馬宏佳. 正確理解與探究金屬活動性順序［J］.化學(xué)教育，2003（6）：36-42.

（責(zé)任編輯 羅 艷）