项目式教学下高三化学复习的实践与思考——以电池材料和锰基功能材料为例探秘新型功能材料

赵 云 王菁菁 周 奎

(1.贵州省思南县民族中学;2.贵州省铜仁第一中学;3.贵州省思南中学)

一、项目的确立与项目的作用

高三复习的过程艰辛且漫长,“复习什么” “怎么复习” “复习得怎么样”,这三个问题对于师生来说都是挑战。大多教师均采用章节式、知识板块式的“知识归纳总结—试题评讲—高考真题演练”的复习模式。这种以机械记忆、题海战术为主的复习方式,学生即使“记住了”,但在面对以真实情境为载体解决实际问题的试题时,“关键能力”也明显不足。为此,在高三复习备考中,既要紧扣教材,让学生掌握基础知识,还要培养学生运用化学核心知识认识问题、分析问题、解决问题所必备的能力。

项目式教学是在教师的指导下,以学生为中心,通过关键素材构建一个真实问题情境的“教—学—评”项目,通过组建学生团队进行信息收集、方案设计、项目实施及最终评价,从而获取需要的知识,解决项目中的问题,实现有意义的学习。

通过对近几年的高考试题分析,考查过渡元素的几率较大,如Cr、Mn、Fe等。贵州省铜仁市电池材料和锰基功能材料生产已经走在全国前列,课题组设计以电池材料和锰基功能材料为主的学习情境,构建“价—类—用”三维图和电化学原理模型,实现金属的回收,在生产、生活、环境等现实问题的驱动下进行复习,学生不仅从中学习了知识,培养了能力,还体现了学科育人价值。

在高三复习备考中,学生已经有了“常见的无机物及其应用”的认知,初步建立了学习物质性质的基本角度和思路,初步掌握了原电池和电解池的工作原理、装置等以及物质分离、提纯方法的基本实验操作和绿色化学的基本思想等,若能将以上的内容进行系统复习,效果会更好。课题组设置“新型功能材料中的电池材料和锰基功能材料”项目,设计了三个子项目,分别是:基于新情境物质转化及其方程式书写、基于模型构建的电化学复习、基于绿色化学理念的物质回收利用。

通过项目的实施,让学生置身于真实情境中,而不是面对乏味枯燥的知识。引导学生通过探秘电池材料和锰基功能材料项目,展现“证据推理与模型认知” “变化观念与平衡思想” “科学态度与社会责任”等化学学科核心素养,展现化学学科的育人价值。

二、项目的教学目标

1.通过展示贵州省发改委文件,认识锰元素的重要性;通过Mn元素在周期表中的“位”,预测化学变化和性质,书写基于新情境物质转化及其方程式,初步构建Mn的“价—类—用”三维模型。

2.从单液原电池的缺点出发,探究如何优化原电池装置;通过对化学电源的设计,构建原电池的工作原理模型和解答电化学问题的思维模型。

3.通过对软锰矿制MnSO4的方案设计、废旧电池回收利用的方案设计和资源开发对环境污染的实例学习,构建物质制备的思维模型和绿色发展观念。

三、项目的规划与设计流程

本项目是高三化学复习课,分3个子项目,子项目串联为一个完整的大项目。各个子项目主要包括情境引入、活动探究、展示交流与拓展运用。3个子项目分别按照3个课时进行设计,以“电池材料和锰基功能材料”为情境线索逐一探秘。

图2 教学项目设计流程图

四、项目活动的简要实录

本项目最初分别在铜仁市的东部联盟和西部联盟的两个省级示范性高中进行教学,选取同一个班级的学生连续进行3个课时。简要实录如下:

项目一(课时1):

情境引入:PPT展示贵州省政府部门文件《关于支持铜仁市打造国家级新型功能材料战略性新兴产业集群的若干政策措施》(黔发改综合〔2022〕488号),文件指出“加快建成全国新型功能材料产业集聚基地、全国锰产业绿色转型和高质量发展示范基地,打造电池材料和锰基功能材料两大产业链” “充分考虑资源禀赋条件与生态环境承载能力,支持松桃锰产业园区建设,支持铜仁市实施电解金属锰生产企业‘退城入园’,推动锰产业高质量发展。继续做大做强中伟新材料等龙头企业,大力发展三元前驱体、锰酸锂、高纯硫酸锰、四氧化三锰等正极材料‘强链’产业。”

【问题】材料中多次提及的元素是什么?这些“正极材料”是否为金属单质?

学习任务一:探秘Mn的“位” “价”

【教师设问1】Mn元素在周期表中的位置。

【教师设问2】请写出“锰酸锂、高纯硫酸锰、四氧化三锰”及常见的“二氧化锰、高锰酸钾”的化学式,并标出Mn元素的化合价。

【学生活动1】回答教师设问,并按物质类别、元素价态描绘“价—类”二维图。

学习任务二:基于新情境的方程式书写模型构建

【PPT】展示情境素材:(2021年云南师大附中月考改编)锰酸锂(LiMn2O4)材料是新型锂电池的正极材料,工业上常用软锰矿(主要成分为MnO2)为原料制备,物质间转化关系如图所示:

【教师引导】让学生找出“价—类”二维图中MnO2转化为MnSO4的化合价变化。

图3 部分锰化合物“价—类”二维图

构建“基于新情景的方程式书写解题模型”三步法:

运用“价—类”二维图和“三步法”分步完成反应方程式的书写,并构建解题模型。

学习任务三:基于新情境的方程式书写模型应用

【分组活动】学生分组分别完成如下4个学生活动。

【学生练习1】转化③过程中溶液的pH随时间变化如图所示:一定发生的氧化还原反应为____________________(用离子方程式表示)。

【学生练习2】转化④反应的化学方程式为________________________。

【学生练习3】(2019年全国Ⅲ卷,26题改编)根据图示所示写出“沉锰”的离子方程式:

________________。

【学生练习4】(2021年辽宁卷,16题改编)从钒铬锰矿渣(主要成分为V2O3、Cr2O3、MnO)中提铬部分转化如图所示:

“转化”过程中生成MnO2的离子方程式为______________________________。

【教师活动】学生在分组练习时,教师在小组间进行巡视。

【展示与评价】学生上台展示小组答案,交流应用模型解题方法和心得,学生互评、教师点评。

【师生总结】1.回顾“基于新情境的化学反应方程式(或离子方程式)书写解题模型”三步法;

2.回顾锰元素常见物质的“价—类”二维图,构建“价—类—用”三维图。

图4

【课后作业设计】设置3个需要补全和配平的化学反应方程式(或离子方程式)、3个新情境下的化学反应方程式(或离子方程式)书写习题和1个课后探究:《关于支持铜仁市打造国家级新型功能材料战略性新兴产业集群的若干政策措施》中指出“大力发展三元前驱体、锰酸锂、高纯硫酸锰、四氧化三锰等正极材料‘强链’产业”。请同学们通过阅读教材、查阅资料、相互讨论等了解锰酸锂(LiMn2O4)等新型锂电池正极材料和原电池的工作原理。

【作业设计说明】巩固性作业不宜贪多,力求“简、精”,否则又会走进“机械刷题”的误区。探究作业,与课前的情境引入相互呼应,并为项目2作铺垫。

项目二(课时2):

情境引入:PPT展示近几年高考中电化学考向和与锰元素相关的电化学试题,播放国产新能源车视频,引发学生对学习电化学的兴趣。

学习任务一:单液原电池模型构建

【教师设问】什么是原电池?其构成条件有哪些?新能源车的电池一般有哪些?

【师生活动】学生抢答和抽问相结合,教师点评。

【师生活动】学生互评,教师点评。

【学生活动】探究:①电子移动、电流的方向;②阴阳离子的移动方向;③正负极发生的反应类型,其电极反应式如何书写。

【师生总结】单液原电池工作原理模型如图5所示:

图5

学习任务二:多液原电池模型构建与应用

【教师设问】上述单液原电池能否稳定持续供电?如果不能,如何改进?

【学生回答】不能,可以采用双液原电池并架起盐桥。

【教师追问】盐桥的作用是什么?实际电池中为什么没有盐桥?可以换成什么?

【学生探讨】探究得出:盐桥中离子有限且电阻较大,可以换成离子交换膜。

【PPT展示】离子交换膜的概念、常见的离子交换膜、作用、选择依据。剖析氢氧燃料电池、车中电池。

【学生练习1】(2021年湖南永州改编)锌锰液流电池,放电时工作原理见如图6所示。下列说法不正确的是

( )

图6

A.放电时,b极为负极

C.工作一段时间后,a极区溶液中pH增大

D.该装置应使用阳离子交换膜

【师生活动】学生上台分析、展示答案,教师点评。

【师生小结】建立原电池解题模型

( )

图7

A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移

学习任务三:拓展运用—电解法制取MnO2

【学生分组讨论】工业上常采用石墨为电极电解MnSO4溶液制备二氧化锰。请同学们选出你认为最合适的阴阳极电解质溶液和离子交换膜。(可以选择材料及试剂:MnSO4溶液、Na2SO4溶液、阴离子交换膜、阳离子交换膜、质子交换膜)

选择________交换膜最合适;

阳极电解液________;电极式:

;

阴极电解液________;电极式:

。

【师生互评】小组代表上台展示,师生及时进行合理评价。

【师生总结】回顾建立的原电池的工作模型和解题模型。

【课后作业设计】3个高考选择题和2个探究:仿照原电池的工作原理模型构建电解池的工作原理模型、设计提纯废电池中的二氧化锰的方案。

【作业设计说明】由于项目2重点在原电池的工作原理模型构建,所以课后作业增加构建电解池的工作原理模型,探究2为项目3作铺垫。

项目三(课时1):

情境引入:播放铜仁市松桃县锰矿开采的短视频,PPT展示近5年“矿物开发利用及废物回收利用试题考查物质元素载体汇总”表和Mn、Li在高考中的体现。

学习任务一:设计软锰矿的开发路线

【素材展示】松桃某软锰矿样品的主要成分如表。

成分MnO2Fe2O3SiO2Al2O3含量/%32.8714.1033.1414.19

【教师设问】由样品制备硫酸锰。

①原料是什么?产品是什么?由原料到产品从元素观和价态观分析制备过程中应加入什么物质?

②杂质有什么?如何分离?

【学生活动】分组探究,第5小组展示的成果:

【教师引导】PPT:展示教材绿色化学视角如图8

图8

PPT:化学反应原理四维视角

【教师追问】③从绿色化学观念选择什么还原剂为好?

④评价制备方案的合理性。工业生产中还得考虑哪些因素?

【学生活动】分组探究,第2小组展示的成果:

【教师追问】⑤从资源的利用及绿色化学思想出发,滤液中的Fe3+、Al3+应怎么处理?如何实现分离回收?

【学生活动】学生设计,第4小组展示的路径,师生评价。

【师生小结】构建“基于矿物开发利用及废旧金属回收利用的一般思路”模型

学习任务二:设计方案回收锂离子电池中相关物质

【教师设问】①原料是什么?产品是什么?从原料到产品的过程中从元素观和价态观出发分别需要怎么处理?②杂质有什么?如何实现杂质与原料的分离?

【学生活动】分组探究,第1小组的成果:

【教师追问】③能否在Li2SO4溶液和CoSO4溶液中加入碳酸盐沉钴?通过什么方法沉钴?

【学生活动】分组讨论,第3小组的成果:

【小结】PPT展示回收锂离子电池中相关物质的完整设计方案。

【教师追问】④酸浸时可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液,但缺点是什么?(作为课后作业之一)

【教师结语】“绿水青山就是金山银山”,希望同学们学成归来守护我们铜仁市的绿水青山!

五、项目教学实施的效果

在项目实施过程中,通过教师将家乡锰资源的真实情境引入课堂,项目实施中设置连串问题,让学生小组合作,发现问题、探究问题、解决问题、评价项目,改变了传统复习以教师“讲”为主,极大地激发了学生的学习兴趣,培养了学生的爱乡情怀与责任担当。

项目一以政府文件引入,引出家乡的“锰”资源,立足于真实问题情境,通过设计3个学习任务,不断引导学生对“价—类—用”三维图的完善,构建“价—类”二维图中物质类别与化合价的变化和“基于新情境的方程式书写解题模型”三步法相结合书写方程式。然后设置练习应用模型,让学生上台展示成果,交流应用模型解题思路、心得,结合学生互评和教师评价,既锻炼了学生语言表达能力,还培养了学生的逻辑思维能力。

项目二以国产新能源车引入,教师设置3个学习任务以项目任务的形式分配给各小组,让学生运用现有的资源和已学过的氧化还原反应和电化学知识努力参与其中解决问题,例如在“学习任务一设计原电池”,学生需要综合原电池的概念、形成条件以及对给出方程式的分析和正负极如何选择等,并认真思考才能设计出合理的装置,在这个过程中培养了学生的自主学习、探究思考、分析和解决问题的能力。

项目三通过对锰基材料及废旧电池进行回收利用、软锰矿的开发利用及锂电池的回收让学生从物质线、杂质线及原理线的角度来构建物质开发利用的一般思路,为解决高考试题中出现的工艺流程和物质制备性实验提供借鉴。

整个项目实施过程中,授课教师与学生一起设计项目、探究项目、评价项目,学习环境友好、平等,从一开始的没人举手到后来的抢答,学生们认真思考、大胆回答,使学生们既学到了知识,又增强了表达能力,建立了自信心,还使学生们真正感受到自主、合作与探究的重要性。

六、项目式学习的反思

本项目采用“运用知识、能力和学科核心素养解决实际问题”,是对教材内容、学科知识的整合与迁移运用。通过项目学习,教师发现大部分学生能较好完成任务,但仍有少部分学生由于知识掌握的不牢固,缺乏参与感,这就需要教师在课前和课后对他们跟踪与个别辅导。

从整个项目的实施中,我们虽力求按照“教—学—评”一体化要求组织教学,但在学生的汇报和评价环节,课题组发现有许多同学很有想法,但由于时间的关系没能做到让他们都展示出来,所以在以后的教学过程中应多留时间、大胆放手让学生展示自己。

为了增强本项目的跨学科融合,还需设置“课后实践与探索活动”:松桃的锰矿丰富,为了增加地方财政,当地政府可否进行大量开采?引导学生思考在面对地方发展、国家发展和人类低碳要求的两难问题时要如何进行决策?并研制出合理的行动方案。

在课堂教学后的评课、议课中,有听课专家和教师提出在碳达峰、碳中和的大时代背景下,如果能设计一个基于含锰物质对CO2的回收利用方案的设计,更能凸显项目的高度。课题组非常赞同,并深表感谢,这也是我们将来努力的方向。

近几年,高考命题已经从能力立意走向素养导向,从单一教育质量评价方式走向多维评价。开展项目式学习活动,引导学生“做中学” “用中学” “创中学”,在夯实基础的同时,提升自身的综合性、应用性和创新性能力,让学科核心素养在高中教育中得到真正地落实。