基于化学核心素养发展的项目式教学实践

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  摘要:将高一繁杂琐碎的元素化合物学习根植于项目式学习中,激发学生自主探究热情,同时有利于学生化学核心素养的提升。基于此,以“工业尾气SO2的治理”项目为例,对项目的流程进行详细分析。在解决问题的过程中,学生经查阅资料、实验探究、组内和组间评价、反思总结等途径获得核心知识,提升关键能力,达到了较理想的教学效果。
  关键词:化学核心素养;项目式学习;元素化合物;工业尾气SO2的治理
  文章編号:1008-0546(2020)11-0019-05 中图分类号:G632.41 文献标识码:B
  doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.005
  一、项目背景
  项目式学习(Proiect-Based Learning,简称PBL),源于杜威提出的“从做中学”的教育理念,后来逐渐发展演变为“项目学习”教学法。它与我国著名教育家陶行知先生“生活即教育、教学做合一、行是知之始”的教育理念有着异曲同工之处。它以小组合作解决具有现实意义的问题为载体,通过一系列流程(见图1),改变了学生和老师的角色。学生从单一的被动接受者转变成主动探索者,教师则从单纯的讲授者转变成项目的督导者,在探究和解决问题的过程中发展了学生的化学核心素养。因此,项目式学习符合基础教育改革倡导的理念,是未来教学的必然趋势。
  元素化合物知识是高中核心教学内容之一,也是培养学生化学核心素养的重要载体。其内容具有繁杂、零乱的特点,传统教学多数围绕物质的制备、性质、用途等方面进行学习,缺乏真实的教学实践情境,学生无法获得情感、知识、技能等体验,处于被动灌输的角色。学生通过机械记忆的途径获得知识,这样的知识保留时间也是很短暂的,会经常性遗忘。因此对于这部分内容,学生普遍存在畏惧和抵触心理,并没有形成知识结构化、解决问题的一般思路与方法和持久性学习的能力。
  高一学生根据问题情境,自主选定项目为工业尾气S02的治理,并依据项目的流程完成该项目。以硫磺回收厂尾气的主要成分、尾气中sO2的处理和处理后尾气中残余sO2的检测为项目主线,在真实有意义的情境中,复习了研究元素化合物的一般思路与方法,并将知识进行迁移应用。在活动探究中,小组讨论形成初步的sO2处理方案和残余sO2的检测方案。通过评价交流和反思总结,学生进一步完善方案,并形成最终成果,提炼出工业尾气处理和物质检测的一般思路与方法。在整个项目的实施过程中,学生的化学核心素养也得到了很大的提升。
  二、项目设计流程
  1.准备阶段
  (1)项目选择
  [问题情境]硫磺是一种重要化工原料,主要被用来生成硫酸、钛白粉、二硫化碳等产品,这些产品在轻工、医药等领域有着广泛应用。2019年我国硫磺产量和进口量分别约为705.31万吨和964.39万吨,出现供不应求的局面,很大程度上要依赖于国外进口,因此对硫磺的回收势在必行。目前硫磺回收主要是采用克劳斯法对石油炼制产生的烟气进行处理,在获得硫磺的同时,从该装置中排出的尾气含有SO2和少量其它杂质。SO2作为大气的主要污染物之一,严重地威胁着生态环境和人们的健康。
  [学生]选定研究项目为工业尾气SO2的治理。
  [设计意图]通过硫资源短缺的现状,开拓学生废弃资源再利用,变废为宝的思维。在回收的过程中又会伴随SO2环境污染问题,引导学生确定主题为工业尾气SO2的治理。让学生感悟到凡事都有两面性,学会辩证看待问题。从真实的情境入手,更能增强学生的成就感和兴趣度,培养学生“科学态度和社会责任”的核心素养。
  (2)制定计划
  在此环节中,做好小组的分工是项目顺利进行的前提,合理的分工可以更大地发挥项目价值性。合理的分工应具有一定层次性,从多维度、多角度对学生进行综合考量,考量的因素主要有性别性格、知识储备、人际交往能力、动手能力、决策力、领导力等。结合班级实际情况,以6人为一组,共分成6组。小组成员通过民主投票的形式选出心目中的组长人选,这样既能增强组员对组长的认同感,又能提高工作推进的效率。
  [学生]通过上网查阅资料和走访附近工厂进行咨询,将核心项目“工业尾气SO2的治理”拆分成三个子项目:①硫磺回收厂尾气的主要成分②尾气中S02的处理②处理后尾气中残余SO2的检测。组内交流,通过以前元素化合物学习的相关知识,初步制定项目计划,并画出草图。
  [教师]各组初步方案做好以后,引导学生组间交换意见,经分析讨论形成最终计划(见图2)。如若遇到瓶颈,教师可以适当提供方法指导。
  2实施阶段
  [学生]依据制定好的项目计划,深入细致地讨论交流,确定在每个子项目中要解决的问题。学生根据自己设计的方案,利用老师提供的仪器和药品进行实验探究。如果遇到困难,可向老师寻求帮助。
  [教师]在活动探究的过程中,为学生提供必要的支持(见图3)。
  [学生]通过老师引导和小组互助合作的方式,完成探究过程,记录好相应的实验现象和结论。并将做好的脱硫方案和SO2检测方案写在纸上,用于成果展示交流。
  (1)硫磺回收厂尾气的主要成分
  [学生]根据提供的克劳斯法基本流程(见图4)和所学工艺流程知识,生生讨论,师生讨论,分析燃烧炉和转化器中所发生的主要反应,确定硫磺回收厂尾气主要成分为SO2、CO2、H2S、O2。   [设计意图]以真实的硫磺回收工业为背景,引出其中伴随的环境污染问题,培养学生“科学态度与社会责任”的核心素养。借助情境,复习巩固工艺流程的相关知识,提升综合运用能力,同时让学生了解硫磺回收厂尾气的主要成分,为后面问题的有效解决做好铺垫。
  (2)尾气中SO2的处理
  [学生]类比迁移以前学习的元素化合物知识,先从价类二维的视角先预测SO2的化学性质。从物质类别的角度,SO2具有酸性氧化物的通性;从元素化合价的角度,SO2中硫元素的化合价为 4价,处于硫的中间价态,应既有氧化性,又有还原性。想要探究一个物质是否具有氧化性(还原性),应选择具有还原性(氧化性)的试剂。接下来,再利用提供的材料设计方案进行实验探究。经组内讨论,理论上能和S02反应的试剂可以被用来脱硫,制定初步脱硫方案。各组初步方案汇总如下图(见图5)所示。
  [教师]提供实验所需的仪器、药品和指导。
  [设计意图]利用物质类别和元素价态两个维度学习sO2的性质,复习酸性氧化物通性、氧化还原反应、基本实验操作等核心知识,学会运用价类二维模型解决问题。在实验探究和问题解决的过程中,提高学生的科学探究能力。根据现象,建立宏观物质转化和微观粒子转化间的联系,培养了学生“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”的核心素养。
  (3)处理后尾气中残余sO2的检测
  [学生]结合SO2的性质,最初提出的方案是利用尾气SO2处理那一步中现象明显的试剂进行检测。小组其他成员表达各自看法,有的同学提出反对意见,认为还应该结合克劳斯法工艺流程考虑尾气中其它气体的干扰。在交流讨论中,发现前面用到的试剂并不能很好地进行尾气中SO2的检测,此时在老师的引导下阅读教材,进一步实验探究,修改检测方案。学生确定将SO2的水溶液(针筒)注射到装有品红溶液的青霉素药瓶(带胶塞)中,再将溶液褪色后的药瓶放在酒精灯上加热。其中针对药瓶如何加热进行交流,学生普遍认识到直接加热药瓶,会导致瓶内压强增大,使胶塞喷出,存在一定危险性。接着,进一步改进实验装置,最终选择在青霉素药瓶胶塞上插一个针头,从而达到平衡内外压强的目的,安全性高,又可以减少有毒气体对环境的污染。将小组商讨后的S02检测方案写在纸上,用于后面的成果交流。各组初步方案汇总如下图(见图6)所示。
  [教师]提供实验仪器和药品,并在恰当的时候进行引导。
  [设计意图]体验式教学能让我们的课堂焕发生机和活力,增强学生学习化学的兴趣。通过交流讨论,让学生的思维进行碰撞,突破个人思维局限性,进而引发深度学习。利用所给实验装置和药品,进行药品选取、实验装置组装和改进一系列活动,培养学生“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”的核心素养。
  3.总结阶段
  (1)成果交流
  [学生]各小组代表展示本组初步设计的尾气中S02处理方案和处理后尾气中残余SO2的检测方案,讲述活动探究过程,分享在项目实施过程中遇到的困难、疑惑和本组又是如何突破困难,找寻到解决方法的。
  [教师]组织学生进行成果交流,对学生该环节需要讲述的方面给予指导。培养学生的语言表达能力、逻辑思维能力和团队合作意识。
  (2)活动评价
  ①脱硫方案的评价
  [学生]师生一起对展示的脱硫方案进行评价,指出方案中的不足之处。学生评价1:根据提供的药品价格,高锰酸钾溶液和碘水的价格最为昂贵,工厂很看重经济效益,所以不会选择这两种药品。对于氢硫酸易挥发产生H2S,它是有臭鸡蛋气味的剧毒气体,会造成环境污染。同时根据我们所学的氧化还原知识知道氢硫酸具有强还原性,很容易被空气氧化,不利于保存。学生评价2:氨水易挥发产生氨气,不够绿色環保,运输和存储也存在问题。在老师的引导下,自己分析出脱硫装置中氨水吸收SO2后的产物为(NIL)2SO3,(NIL)2SO3进一步被风机引入的空气氧化成(NIL)2SO4,铵盐可以用作氮肥,脱硫的同时还能提高企业的经济效益。氢氧化钠溶液具有强腐蚀性,使用起来不够安全,不能选用氢氧化钠溶液。学生评价3:对学生2的评价进行补充,根据以前学习的氯气尾气处理知识,我们选择了氢氧化钠溶液,而没有选择氢氧化钙溶液的原因是氢氧化钙的溶解度较小,从而导致对气体的吸收效果不好,因此对于SO2气体的吸收,也应该选择氢氧化钠溶液。学生评价4:我不同意学生3的想法,我们现在是在谈工业SO2尾气的处理,在价格上每吨氢氧化钠要比氢氧化钙贵1000多元钱,所以选用氢氧化钙溶液更合适。学生评价5:这里面生石灰的价格最便宜,选择生石灰岂不是更好。学生评价6:生石灰价格是便宜,但它是固体,固体对气体的吸收效果一般没有溶液好,我们不能只考虑成本。而且使用氢氧化钙溶液吸收SO2,在脱硫装置中最终产物为CaSO4·2H2O,石膏在建筑、医学等领域有着广泛应用。学生认识到工业问题的解决应考虑工业生产实际相关因素,不能单纯从理论的角度进行思考。经综合考量,认为石灰浆一石膏法在工业脱硫中应用更为普遍,而钠碱法(NaOH)更适合实验室脱硫,并对方案加以完善。
  [教师]组织学生交流评价,提供真实工业脱硫装置图(见图7)和药品价格,合理搭建解决问题的脚手架,并帮助学生补充完善。
  ②处理后尾气中残余SO2的检测方案评价
  [学生]师生一起对展示的SO2检测方案进行评价。根据资料显示,工业生产上规定空气中二氧化硫的最大允许排放浓度不得超过2×10-5g·L-1。认识到随着科技的发展和人们环保意识的提高,对SO2的检测要精确到具体的量,进而修改完善方案。查阅到的精确测量方法主要有比色法、碘量法、分光光度法和传感器法(见图8),并对这四种方法进行简要介绍。
  [教师]组织学生进行交流评价,适时提供资料和帮助。
  (3)反思总结
  [学生]通过反思,体会元素化合物性质在解决实际问题中的重要性。在对方案进行评价时,应秉承多维度和多角度原则,从而形成对事物的完整认识。结合本节课所学知识,在价类二维图的基础上,建构含硫物质相互转化模型。总结工业情境下尾气处理(见图9)和物质检测的一般思路与方法(见图10)。
  [教师]在此环节中,引导学生做好反思总结。
  三、教学反思
  为了更好地满足时代发展和个体发展的需要,本设计采用项目式学习,以“工业尾气sO2的治理”为项目进行s02等有关知识的学习。通过真实情境下的问题解决,激发学生的探究热情,让学生在自主搜寻、过滤、分类、消化、整合、输出信息的过程中,提升解决问题能力。在实验探究和评价反思环节,促使学生从记忆、理解、简单应用等低阶思维向分析评价、创新创造等高阶思维的过渡,同时培养了学生的沟通交流、团结协作和实验操作等能力。在小组方案不断修改完善中,教师在必要的时候提供解决问题的脚手架,最终由学生自主建构解决问题的一般模型,增强学生自我成就感、学习化学的自信心和责任意识。项目式学习是一种提升化学核心素养的教学手段,项目的解决过程也就是核心素养的落实过程,在理念上它们是不谋而合的,关注核心知识获得的同时,也要注重必备品格和关键能力的培养。
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