基于深度學(xué)習(xí)的項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：文章以廢水中“銨根離子的轉(zhuǎn)化”為項(xiàng)目任務(wù)，基于學(xué)情進(jìn)行“教、學(xué)、評”一體化的設(shè)計(jì).以“設(shè)計(jì)銨根離子轉(zhuǎn)化途徑→實(shí)際工業(yè)處理方法（吹脫法、氧化法、沉淀法等）”為主線，分為五個學(xué)習(xí)任務(wù).筆者通過一系列的實(shí)驗(yàn)探究、圖像分析推理解釋，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識解釋真實(shí)情境下的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科思維能力，提升其化學(xué)核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目教學(xué)；銨根離子轉(zhuǎn)化；氧化法

中圖分類號：G632

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）33-0125-03

收稿日期：2024-08-25

作者簡介：薛鋒（1980.3—），男，江蘇省泰州人，本科，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

項(xiàng)目化教學(xué)以項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識和信息，通過自主思考探究或者小組合作等方式來完成項(xiàng)目任務(wù)^[1].這種方式改變了傳統(tǒng)的“講解－示范－小結(jié)－練習(xí)”的教學(xué)流程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生整合多模塊、跨學(xué)科的信息解決真實(shí)情境的任務(wù)項(xiàng)目，進(jìn)而提升圖像圖表的識別、信息的篩選提取分析的能力^[2].

1 設(shè)計(jì)思路

在高三一輪復(fù)習(xí)中，元素及其化合物的知識部分已完成，學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)原理部分理解不夠深刻，面對實(shí)際問題解決的能力有待提高.本節(jié)課以“廢水中銨根離子轉(zhuǎn)化”為項(xiàng)目任務(wù)，先讓學(xué)生以生活中常見的浮萍照片引入，討論水中氮元素濃度增多的原因以及氮在水中存在的形式；再以元素“價類”二維圖為抓手，完成銨根離子轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)思路；最后重點(diǎn)介紹工業(yè)上處理氨氮廢水的方法：吹脫法、氧化法、沉淀法.流程如圖1所示.

2 課堂實(shí)錄

【情景】用PPT展示學(xué)校春夏時節(jié)小河河面浮萍的照片（如圖2）.

教師：浮萍形成是什么原因？有什么危害？

學(xué)生：浮萍主要是水體中氮、磷元素含量過多引起的.氮、磷是植物生長的營養(yǎng)素，會使水中的藻類生物瘋狂生長，耗盡水中的氧氣，使魚蝦死亡，水體發(fā)臭.

教師：我們怎么辦呢？

學(xué)生：設(shè)法降低河水中氮、磷的濃度.

設(shè)計(jì)意圖：將校園中的小河河面的浮萍照片引入課堂，設(shè)計(jì)一個真實(shí)的項(xiàng)目情境，拉近學(xué)生的距離，讓學(xué)生有親切感.

2.1 任務(wù)一：思考銨根離子轉(zhuǎn)化的途徑

教師：河水中的氮元素的濃度是怎么增大呢？聯(lián)系圖3說明.

學(xué)生：可能是動植物的排泄物或遺體，也可能是雷電作用自然固氮.

學(xué)生：學(xué)校附近沒有化工廠，不可能是化肥廠排放.

教師：由圖2可知：氮元素存在的形式有氨或銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽，如何降低河水中銨根離子的濃度？

學(xué)生：加堿產(chǎn)生氨氣，產(chǎn)生的氨氣進(jìn)行回收利用.

學(xué)生：加氧化劑，將銨根離子轉(zhuǎn)化為氮?dú)?

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生從氮循環(huán)的角度，了解河水中氮元素濃度增加的原因，并引導(dǎo)學(xué)生利用價類二維圖，進(jìn)行銨根離子的轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)；熟悉氮及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并能分析含氮廢水的產(chǎn)生原因.

2.2 任務(wù)二：吹脫法

教師：讓銨根轉(zhuǎn)化為一水合氨，再轉(zhuǎn)化為氨氣.這樣的設(shè)計(jì)思路在工業(yè)上叫“吹脫法”.將空氣通入廢水中，廢水中溶解性氣體和易揮發(fā)性溶質(zhì)由液相轉(zhuǎn)入氣相，使廢水得到處理的過程稱為吹脫法.工業(yè)流程圖（如圖4）：

教師：加生石灰或石灰乳的目的是什么？

學(xué)生：與銨根反應(yīng)產(chǎn)生氨氣.

教師： 通入空氣的目的是什么呢？請大家用吸管向自己的水杯中吹氣，模擬向廢水中通空氣.

【學(xué)生體驗(yàn)】用吸管向自己的水杯中吹氣

學(xué)生：攪拌，讓氨氣從水中揮發(fā)到空氣中.

教師：若從平衡角度理解，加生石灰或石灰乳和通空氣的目的是什么？

學(xué)生：在水中存在下列化學(xué)平衡：NH₃+H₂ONH₃·H₂ONH⁺₄+OH^-，加生石灰或石灰乳和通空氣的目的都是使上述平衡逆向移動，讓氨氣從水中逸出.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生看懂工業(yè)流程圖，并能討論出工業(yè)加堿和通空氣的目的；培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會控制條件使平衡移動的思想；體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)原理在化學(xué)反應(yīng)時的指導(dǎo)作用，條件控制對化學(xué)反應(yīng)的重要性.

2.3 任務(wù)三：氧化法

教師：吹脫法受溫度和溶液的pH等因素影響比較大，有沒有其他銨根離子轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)思路？

學(xué)生：將銨根離子轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，向銨根離子中加氧化劑.

教師：可以用哪些氧化劑呢？

學(xué)生：常見的氧化劑有：KMnO₄（H⁺）、O₂、Cl₂、K₂Cr₂O₇、NaClO、濃H₂SO₄、濃、稀HNO₃等

教師：哪些氧化劑更合理？說出理由.

學(xué)生：KMnO₄（H⁺）、K₂Cr₂O₇會引入重金屬離子.

學(xué)生：若加Na₂O₂會使水體堿性增強(qiáng)，濃H₂SO₄不現(xiàn)實(shí)，HNO₃又引入氮元素.

學(xué)生：O₂氧化氨氣要加熱和催化劑，氧化銨根離子可能更難.

教師：氧化NH⁺₄最常用NaClO以及Cl₂，NaClO真的可以氧化銨根離子嗎？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生分組討論分析氧化劑的合理選擇.

【分組實(shí)驗(yàn)】用（NH₄）₂SO₄模擬含銨根離子的污水，向（NH₄）₂SO₄溶液中滴加84消毒液，觀察現(xiàn)象.

學(xué)生：向（NH₄）₂SO₄溶液中滴加84消毒液，產(chǎn)生氣泡.

教師：可能是什么氣體？

學(xué)生：不可能是NO和NO₂.NO₂紅棕色，NO雖然是無色，但遇到空氣變成紅棕色.

教師：可能是氨氣嗎？

學(xué)生：有可能，NaClO溶液顯堿性，與（NH₄）₂SO₄中銨根離子反應(yīng)產(chǎn)生氨氣.

教師：怎么檢驗(yàn)氨氣？

學(xué)生：用濕潤的紅色石蕊試紙放在試管口，若試紙變藍(lán)則產(chǎn)生的氣體中有NH₃.

【分組實(shí)驗(yàn)】向（NH₄）₂SO₄溶液中滴加84消毒液，并在試管口放濕潤的紅色石蕊試紙.

學(xué)生：試紙沒有變藍(lán)，氣體不是氨氣，是氮?dú)?

教師：我們采用排除法，產(chǎn)生的氣體為氮?dú)?請寫出相關(guān)的離子方程式.

學(xué)生：2NH⁺₄+3ClO^-+2OH^-N₂+3Cl^-+5H₂O或2NH⁺₄+3ClO^-N₂↑+3Cl^-+2H⁺+3H₂O

教師：產(chǎn)生的氣體一定是氮?dú)鈫幔磕贸鲈嚬苈劼剼馕?/p>

學(xué)生：有刺激性氣味，可能有氯氣.

教師：怎么檢驗(yàn)?zāi)兀?/p>

學(xué)生：用濕潤的淀粉KI試紙放在管口檢驗(yàn).

【分組實(shí)驗(yàn)】向（NH₄）₂SO₄溶液中滴加84消毒液，并在試管口放濕潤的淀粉KI試紙.

學(xué)生：濕潤的淀粉KI試紙變藍(lán)了，確實(shí)產(chǎn)生了氯氣.

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)探究過程，進(jìn)行證據(jù)推理，采用排除法得出無色氣體的成分；尊重科學(xué)尊重實(shí)際，體驗(yàn)研究化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的思路，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神.

教師：工業(yè)上要根據(jù)水中氨氮的量，來控制NaClO的量，稱為“折點(diǎn)氯化法”.當(dāng)投入氯與氨氮的物質(zhì)的量比達(dá)到1.5∶1（質(zhì)量比7.6∶1），水中余下的氯氣將下降到最低點(diǎn)，此即為“折點(diǎn)”.在折點(diǎn)處，基本上全部氧化性的氯都被還原，全部氨氮都被氧化.超過折點(diǎn)，水中產(chǎn)生的氯氣就會增加.

教師：工業(yè)上除了要控制氯與氨氮的量比，還要調(diào)節(jié)溶液的pH、溫度等才能更好地除去水中的氨氮.

【小組討論】在反應(yīng)溫度25 ℃，氯與氨氮的量比為1.5，投加時間為30 min時，pH對次氯酸鈉氧化去除氨氮效果的影響（如圖5），pH在什么范圍時，氨氮去除率最高？為什么？

學(xué)生：pH在7～9氨氮的去除率較高.

學(xué)生：NaClO的氧化性主要是由于其水解產(chǎn)生的HClO，在強(qiáng)酸性環(huán)境下，水解產(chǎn)生很多HClO，但是HClO分解很快，所以氨氮去除率很低.

學(xué)生：在強(qiáng)堿性環(huán)境下，NaClO的氧化性減弱，不利于將氨氮氧化成氮?dú)?

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生從文獻(xiàn)資料和圖像中提取信息、分析問題的能力，體現(xiàn)元素化合物性質(zhì)認(rèn)識角度在分析實(shí)際問題中的重要應(yīng)用.學(xué)會解決歸因問題的一般解題模型：先看圖表，找出核心信息，分析相關(guān)反應(yīng)，判斷是速率問題、限度問題還是兩者都有，然后抓住反應(yīng)物或生成物的性質(zhì)、狀態(tài)、量，或者反應(yīng)熱、反應(yīng)條件等因素思考.

3 教學(xué)反思

通過吹脫法、氧化法、沉淀法等去除NH⁺₄工藝中對溫度、pH的調(diào)控，以及引導(dǎo)學(xué)生從陌生信息中分析化學(xué)問題，并利用文獻(xiàn)資料中的數(shù)據(jù)、圖表等對化學(xué)工藝進(jìn)行優(yōu)化，初步學(xué)會基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，逐步掌握解決一般實(shí)際問題的方法和思路.

4 結(jié)束語

基于深度學(xué)習(xí)的項(xiàng)目化的教學(xué)設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)和能力的提升.高中化學(xué)教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和能力，挖掘教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)項(xiàng)目化的主題，創(chuàng)設(shè)情景和任務(wù)來解決一系列的問題，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目化的深度學(xué)習(xí).

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊帆.吹脫法處理高濃度氨氮廢水工藝研究[J].甘肅科技，2019，35（13）：66-69.

[2] 岳楠，周康根，董舒宇，等.次氯酸鈉氧化去除廢水中氨氮的研究[J].應(yīng)用化工，2015，44（4）：602-604.

[責(zé)任編輯：季春陽]