新课改视域下项目式学习探究——以“铜矿石到景泰蓝”项目式学习为例

罗 睿

一、研究背景

项目式学习(project based learning),是一种以学生为中心的动态式学习方法,以学生的兴趣及需要作为基础,把有目的的活动作为核心及学习的依据,使学生能够基于脑海中已有的经验和知识,主动去构建知识及制订相应的学习计划,并通过实践来解决实际中的问题[1]。在这个过程中,学生能够掌握所需的知识和技能。最终能够以产品形式呈现,在整个参与过程中学生能够逐渐建构自己的知识体系、掌握必备技能、实现综合发展的教学模式[2]。

《普通高中化学课程标准(2017 年版) 》 倡导真实问题情境的创设,提倡基于综合问题解决的主题式教学[3],胡红杏认为“项目式学习让内容易习得,让思维具有可见性,促进自主学习和终身学习,有利于调动学生的学习自主性,有利于批判思维与创新思维的培养,有助于学生科学精神和人文精神的养成,有助于发展学生的学科核心素养和学科能力”[4]。化学学科是基础科学当中最重要的一门学科之一,是以实验为基础,并与物理学、生物学、天文学、地理学等学科相互渗透、相互推动发展。教师可以通过各种教学模式提高学生的参与性及学习兴趣,从而实现学生解决问题的能力的培养。本文以从铜矿石到景泰蓝作为情境来进行项目式探究学习。

二、研究过程

从铜矿石到景泰蓝工艺品的工艺流程是这样的:先将从自然界得到的黄铜矿,用氯化物溶液浸润溶解,得到主要成分为氯化铜和氯化钠的浸出液;浸出液经电解能够得到粗铜;粗铜再经电解精炼能够得到精铜,精铜经过工艺处理得到紫铜。将紫铜做成不同形状的胎体后,再经过掐丝、点蓝、烧蓝、磨光处理,最后再经过镀金工艺,一件美丽的景泰蓝工艺品就制作完成了。这里涉及电解、电解精炼和电镀,这和新教材化学选择性必修1 第四章第二节“电解池”的教学目标相契合,可将此项目式学习分为两课时完成,第一课时为“构建电解原理模型”,第二课时为“解决电解原理如何应用的问题”。

(一) 项目式学习中关于电解原理模型的构建

我们先来看第一课时如何展开,教师展示景泰蓝美丽图片,介绍景泰蓝制作工艺是我国首批国家级非物质文化遗产名录中一颗璀璨的明星,激发学生学习兴趣,简要介绍工艺流程,然后带领学生一起探秘。再来看一下研究的起点,这个浸出液中主要的成分有氯化铜和氯化钠,是个复杂的混合体系。为了更好地研究电解基本原理,我们采用化繁为简的拆分方式,将本节课任务拆分为三个子任务,子任务一:探究电解氯化铜溶液的基本原理;子任务二:探究电解氯化钠溶液的基本原理;子任务三:分析电解氯化铜和氯化钠的混合溶液。先来看如何完成子任务一的教学:提到电解,学生可能会想到初中学过的电解水,其装置示意图主要包括外接直流电源、导线、两个电极和被电解的物质水四部分。将该装置中的水换成氯化铜溶液,应该即可实现电解氯化铜溶液。归纳一下,也就是说电解装置的基本构成包括直流电源、电子导体和离子导体三部分。其中,与直流电源正极相连的,我们把它叫作阳极。与直流电源负极相连的,我们把它叫作阴极。接下来教师演示电解氯化铜溶液实验,学生仔细观察实验现象,看完实验,请学生思考“电解氯化铜溶液,生成铜和氯气的原理是什么”宏观上,我们看到的现象是阴极出现了暗红色固体,阳极出现了大量气体。由此可以推测铜离子在阴极得电子,被还原出铜;氯离子在阳极失电子,被氧化为氯气。而学生已经学过,在通电前,微观上,氯化铜溶液中有大量的铜离子和氯离子在无序运动。我们用化学符号来表示其中的过程应该是这样的:通电前,氯化铜这种盐完全电离成铜离子和氯离子。在学习过电解水和弱电解质电离后,学生也会想到水也有极微弱电离,溶液中还有极少量的氢离子和氢氧根离子。那么,在通电时,向阴极迁移的是带正电的铜离子和氢离子,向阳极迁移的是带负电的氯离子和氢氧根离子。实验通电时,铜离子带正电被阴极吸引,向电解池阴极移动得到电子生成铜;氯离子带负电被阳极吸引,向电解池阳极移动,失去电子生成氯气。在此实验条件下,阴极粒子的放电顺序是铜离子优先于氢离子得到电子,即铜离子的氧化性强于氢离子,优先发生了还原反应。同理,在此实验条件下,阳极粒子的放电顺序是:氯离子优先于氢氧根失去电子,即氯离子的还原性强于氢氧根离子,发生了氧化反应。因而电解氯化铜溶液的总反应就是:氯化铜电解得到铜和氯气。学生都知道,氯化铜是不会自发分解成铜和氯气的,电解使得这个非自发氧化还原反应得以发生。学习到此,学生应该更加明确了:这种使电流通过电解质溶液(或熔融电解质) 而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程叫作电解。将电能直接转化为化学能的装置,叫作电解池。而电解可以看作外接电源提供的电能,借助电解池将还原剂的电子转移给了氧化剂。接下来,请学生绘制反映电解池工作原理的示意图。至此,通过设计电解氯化铜溶液的实验,通过实验现象,逐步引导学生构建电解模型,子任务一完成。

明确了电解氯化铜溶液的基本原理之后,接下来让学生看电解饱和食盐水会怎样的,先请学生依据电解的基本原理,预测电解饱和食盐水的产物,并设计实验检验。很多学生可能是这样预测的:饱和氯化钠溶液在通电前,溶质氯化钠完全电离成钠离子和氯离子;水,极微弱的电离成氢离子和氢氧根离子。外接直流电源通电后,钠离子和氢离子向阴极迁移,氯离子和氢氧根向阳极迁移。那么谁会优先放电呢? 在电解氯化铜溶液中,已经看出阳极是氯离子还原性强于氢氧根离子,优先失去电子变成氯气,用湿润的淀粉碘化钾试纸检验氯气。按照金属活动性顺序表推理可知,一般情况下,氢离子的氧化性强于钠离子。因此,最大的可能就是氢离子优先放电,逸出氢气。而氢离子来源于水,随着氢离子的放电,势必有水继续电离,因此,随着氢气的产生,溶液中的氢氧根离子浓度应该增加。这样,阴极的总反应为水得到电子,生成氢气和氢氧根离子。产生的氢气,用点燃的方法检验,生成的碱可以用酚酞溶液来检验。基于电解原理的离子迁移和放电顺序推理,这个反应的总反应可能就会是:氯化钠与水在通电条件下得到氢气、氢氧化钠和氯气。实际上是这样的吗? 我们还要用实验事实来说话,请学生观看实验视频。看来用电解的基本原理推测出的电解饱和食盐水的产物是合理的。请学生思考:能否用该电解池制备氢气、氢氧化钠和氯气呢? 若不能,该怎样改进装置呢? 让学生再聚焦这个反应的总反应方程式,电解氯化钠溶液,阴极区域生成氢气、氢氧化钠,阳极区域生成氯气。再看电解池,会发现在这个电解池里,阴极区域和阳极区域是相通的,因而两极电解所得到的产物可以相互接触。氯气和氢氧化钠有可能继续反应得到次氯酸钠、氯化钠和水,而两极得到的氢气和氯气有可能是混合的。因为氢气和氯气在一定条件下会反应生成氯化氢气体,氢气和氯气混合容易引起爆炸,这里存在极大的安全隐患。那么,我们该如何改进装置呢? 最直接的想法是把电解池阴极区域和阳极区域用隔膜隔离开,避免氯气和氢气混合、氯气和氢氧化钠反应。可是如果仅仅是在中间加入一个隔膜,以阳极区为例,氯离子失去电子变成氯气,原本氯化钠溶液是电中性的,氯离子变成氯气逸出后,溶液中的阴离子逐渐减少,即负电荷减少,导致左边溶液就呈现了正电性,阴离子就很难继续反应了。同理,右面如果放出氢气,溶液就呈现了负电性,而溶液应该是时刻保持在电中性的。怎么解决这个问题呢? 所以,在中间加的隔膜既要阻止反应产物的接触,又要想办法让相应带电粒子通过,使两边的溶液保持电中性,使电解反应得以继续进行。现在的科学研究已经实现了这个想法,比如,中间添加阳离子交换膜,允许阳离子通过,不允许阴离子和气体通过。这样的话,通电时氯离子反应,阳极区域负电荷减少,多出的带正电荷的钠离子就可以穿过阳离子交换膜,进入阴极区,使得两边溶液都保持电中性。若是在电解池阴阳极区域间添加阴离子交换膜,道理是和上面相同的。具体添加何种离子交换膜,视生产目的而定。这样,电解池的工作原理模型就又有了发展:外接直流电源,溶液中离子定向移动,两极区域间加装离子交换膜,相应的离子可以选择性通过交换膜,以保持两电极区域电中性,电解反应得以持续进行。通过构建的电解模型,让学生预测电解饱和食盐水的产物,之后通过实验进行验证,进一步强化电解模型,然后再联系工业生产,找出如果利用该电解装置进行工业生产时存在的问题,将电解池工作原理模型再升级发展为阴阳两极间有离子交换膜的模型。这种模型的升级,会对未来实践具有很强的指导作用,至此子任务二的教学完成。

最后是子任务三的教学:我们分别探究清楚了电解氯化铜溶液和电解饱和氯化钠溶液的基本原理。那么,如果是电解这两者的混合溶液,得到粗铜。应该是怎样的原理呢? 把以上两个实验合二为一进行考虑,可以发现用石墨电极、在一定直流电压下,阴极的放电顺序应该是——铜离子优先于氢离子,氢离子优先于钠离子,而阳极的放电顺序是氯离子优先于氢氧根离子,这样在阴极上就可以得到我们想要的铜单质。这个原理,正好符合工业需求。可是在阳极上会生成有毒气体氯气,工业生产中是怎么解决这个问题的? 这个问题留到后面第二课时再进行讨论。通过以上实验探究,我们清楚了由黄铜矿浸出液电解得到粗铜的基本原理。第一课时内容全部完成,也从铜矿石得到了粗铜。

(二) 项目式学习中关于电解原理模型的应用

第二课时继续探秘如何从粗铜最终得到美丽的景泰蓝。本课时设置两个子任务,子任务一:粗铜精炼,让学生依据电解原理选择电极材料、电解质溶液,实现粗铜精制,我们的铜矿石已转变为精铜。电解精炼粗铜时,以待精炼的铜做阳极,用硫酸铜溶液做电解质溶液,可得含铜量为99.95 %～99.98%的电解铜,即精铜。由于在阳极上溶解的金属有铁、锌、镍、铜等,而在阴极上只有铜析出,根据得失电子守恒可知,阳极产生的铜离子数目和阴极得电子变成单质铜的铜离子数目不相等,所以电解液中铜离子的浓度减小。精铜经工艺处理为紫铜,将紫铜做成不同形状的胎体后,再经过掐丝、点蓝、烧蓝、磨光处理后,与景泰蓝工艺品之间只差一步电镀;接下来完成子任务二电镀的教学:如何提高景泰蓝的抗腐蚀能力? 增加表面硬度和美观? 学生依据电镀的主要目的是选择电极材料、电解质溶液,并比较电解精制和电镀异同。电镀时,通常把镀层金属做阳极,待镀金属制品(镀件) 做阴极,含镀层金属离子的溶液做电镀液。在直流电源的作用下,阳极金属失电子,溶解在溶液中成为阳离子,移向阴极,溶液中该金属离子在阴极获得电子被还原为金属[5],覆盖在镀件上。至此,从铜矿石到景泰蓝工艺品项目式学习全部完成,学生在探究的过程中培养了科学探究与创新意识,增强了化学学科核心素养。

三、研究结论

从铜矿石到景泰蓝项目式学习中,学生的学习是通过自己的思考和探究来实现的[6]。教师通过引导、建议和指导来帮助学生进行探究式学习。教师在整个过程中要及时肯定学生、鼓励学生,并且在关键时刻引导他们对问题进行深度思考。项目式学习代表了教学模式的转变,项目式教学和传统的以教师为主体的课堂非常不同,它需要教师事先准备更多的材料来指导各个小组的学习。而在整个过程中,学生是主体,通过一次次的真实体验与参与进行深度思考,在深度思考的过程中构建模型,理解相关化学原理,促进化学学科核心素养的逐步形成。化学知识是需要在真实的情境中学生主动去获得,而不是教师灌输得来的,这样获得的知识才是能够达到举一反三目的。