基于真实情境的化学教学设计与实践

黄明浩

摘   要：探讨高三复习课中基于真实情境的问题解决教学模式。学生面对真实生活情境一系列问题时进行探究的过程中完成知识体系的构建，概括并提炼能迁移应用的学习策略，培养化学学科能力，发展化学核心素养。文章以“生活垃圾焚烧炉渣中铁磁性物质的提取”为例进行教学，探索指向核心素养的教学，引导学生深度学习。

关键词：化学教学；真实情境；铁磁性物质；深度学习

1  问题的提出

随着国家城市化的不断发展，居民每日产生的生活垃圾不断增长。根据有关新闻报道，中国生活垃圾清运量每年都在提升。其中，2020年全国城市生活垃圾的清运量达到2.35亿吨。目前，我国针对生活垃圾无害化处理的方式主要有以下三种，分别是卫生填埋、高温焚烧和堆肥分解。对生活垃圾进行高温焚烧处理时，充分利用焚烧产生的热量进行发电，变废为宝，是国家高度重视和积极推进的方法之一。

生活垃圾焚烧时，炉渣中含铁物质对周边环境产生影响。含铁物质虽然在焚烧炉渣中广泛存在，但在焚烧炉渣中所占的比例并不是很高。因而，有必要对生活垃圾焚烧炉渣含铁物质进行富集，分析焚烧炉渣含铁物质中铁元素各价态的分布情况，以便后续对于铁磁性物质进行更好的利用。

铁元素是学生非常熟悉的一种金属元素，也是化学高考中出现频率较高的金属元素之一。铁元素及其化合物在生产生活中有着广泛的应用。随着新高考改革的不断深入，元素化合物的相关命题越来越灵活新颖，试题知识覆盖面广、综合性强，具有较高的难度和一定的区分度。近年来，高考题在这方面往往结合工业流程考查学生元素化合物知识的综合应用能力，或者以实验题形式探究某一元素化合物的性质、制备或者用途等问题[ 1 ]。

2  基于真实情境问题的高三复习教学目标及教学线索设计

2.1.教学目标

（1）以垃圾焚烧炉渣中铁磁性物质的回收作为问题情境，了解铁元素富集、提纯的基本原理与方法；

（2）能运用化学知识对铁磁性物质的性质与变化进行微观探析，并能运用化学方程式正确表示其变化过程，掌握生活垃圾中铁磁性物质的提取与利用，实现铁元素及其化合物相关知识的深度复习；

（3）从真实情境出发，通过垃圾中铁磁性物质的回收，感悟生活垃圾资源化利用的过程与意义，培养学生爱护环境的高尚品格、学以致用的科学态度以及合理利用资源的社会责任感与使命感[ 2 ]。

2.2  教学线索

教学线索设计如图1所示

3  教学实践

任务1：感知生活垃圾中铁的存在形式，信息提取，现学现用——垃圾中铁元素富集。

教学情境：金属铁的熔点为1538 ℃，其沸点为 2750 ℃，均远高于生活垃圾焚烧炉中约为 850 ℃的反应温度。在生活垃圾焚烧的反应过程中，焚烧炉渣中容易富集出铁元素。铁元素是一种常见的变价金属元素，主要以0、+2和+3的价态存在，在焚烧炉渣中的存在形式有Fe2O3、Fe3O4和Fe等[ 3 ]。

学生活动1：思考如何实现垃圾中铁元素的富集？根据教师给出的信息，分组讨论，设计出如图2所示的铁磁性物质提取流程。探究并计算分别以纯水、无水乙醇和丙酮作为提取介质的条件下，比较铁磁性物质在三者中的提取效率，最终选择合适的提取介质。

资料卡片：有关含铁物质的富集方法很多，主要分为干法和湿法等两种方法。在焚烧炉实验中，科学家分别选择了纯水、无水乙醇以及丙酮作为湿法提取含铁物质的三种提取介质。根据实验过程中，三种不同介质的条件下，磁铁对100 g焚烧炉渣中含铁物质的提取程度，列表记录数据进行分析如表1所示。

其中，铁磁性物质提取效率的计算公式：η=m/n，m=Mα。

公式中的m为提取焚烧炉渣铁磁性物质的铁含量，n为焚烧炉渣的铁含量，M为提取铁磁性物质质量，α为提取的铁磁性物质中含铁量。

教师：每100 g焚烧炉渣的铁含量约为7 g。请同学们根据表中数据及公式，通过计算选择合适的提取介质。

学生：对不同的提取介质分组进行分析、计算并讨论，综合比对不同提取介质的结果，每个小组选择一名组长进行汇报。

教师引导学生总结：选取哪种提取介质需要分别计算水、乙醇和丙酮三种溶剂的提取效率，选取效率最高的介质进行实验。根据表中数据，可从 100 g 炉渣中提取约 34～38 g 的铁磁性物质[ 4 ]。利用公式M×α÷7算出数据，发现无水乙醇作为提取介质的提取效率最高。

最终条件：选用乙醇作为提取介质时，提取效率最高，达到95.10%。

任务2：流程设计，核心转化——铁磁性物质的提取与利用。

学生活动2：铁磁性物质提取的除杂过程、杂质种类及提纯方法。

资料卡片：生活垃圾成分复杂，经高温焚烧后，产生的焚烧炉渣主要以熔融玻璃形态存在，Si、Al、Ca 是玻璃的主要成分，Fe和一些碱或者碱土元素被包裹在熔融玻璃中，共同构成熔融玻璃的主要组成成分。

教师：请设计流程，并选择合适的实验条件完成铁磁性物质的提取与利用。

资料卡片：在提取过程中，2CaO·Al2O3·SiO2一类物质不能和铁磁性物质彻底分离，伴随铁磁性物质被磁铁提取出来，构成铁磁性物质的一部分。

学生设计提取流程如图3所示。

教師：此处可以选用什么物质作为氧化剂？哪种物质最好？

学生：可以选用过氧化氢溶液或者氯气。过氧化氢溶液最好，因为过氧化氢被还原后的产物为水，不会引入新的杂质，并且使用过氧化氢不会产生有毒物质，污染环境。

教师：查阅资料知：

Ksp[Al（OH）3] =1.3×10-33，Ksp[Fe（OH）3]=4×10-38，Ksp[Ni （OH）2]=2.0×10-15，Ksp[Cd（OH）2]=5×10-15，Ksp[Pb（OH）2]=1.2×10-15，Ksp[Ca（OH）2]=5.5×10-6，Ksp[Fe （OH）2] = 8.0×10-16。结合数据，请计算pH应该调节到多少范围？

学生：根据沉淀溶解平衡进行计算，当三价铁沉淀完全时，溶液中铁离子的浓度为10-5，可以计算此时氢氧根离子的浓度，再通过水的离子积常数，可以得出氢离子浓度，再套用公式，即可算出pH范围。

学生活动3：刨根究底，追根溯源——了解铁磁性物质还原过程中的各项化学反应。

资料卡片：将提取物铁磁性化合物与焦炭混合进行加热实验。图4、图5展示该过程中随着温度变化时，各项产物物质的量的变化曲线。

教师：请根据碳气化反应与铁氧化物还原反应图像写出各阶段的主要方程式，并说明你是怎么思考的。

学生甲：我的思路是先回忆高一学习过有关碳元素和铁元素的价类二维相关知识，然后根据两种元素的常见价态，再结合氧化还原反应的规律，最后推理出每一步的反应方程式。

学生乙：根据甲同学的思路，观察图4中C、CO与CO2物质的量的变化曲线，容易发现C→CO2→CO这一过程。因此，碳气化反应的主要方程式为C + O2 = CO2，CO2 + C = 2CO。而图5中更为复杂，铁氧化物的转化过程为Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe，可以根据图像大致总结出如下反应过程：

①当T ＜ 400 ℃，主要反应为3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2；

②当300 ℃ ＜ T ＜ 500 ℃，主要反应为Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2；

③当T ＞ 500 ℃，主要反应为FeO + CO = Fe + CO2。

教师：两位同学的发言非常好。随着温度升高，Fe2O3平衡组分逐渐减少，当温度达到400 ℃，Fe2O3平衡组分为零；在该温度范围内，Fe3O4 的平衡组分先增后减，FeO出现明显增加的趋势。随着温度升高，Fe3O4继续减少，FeO继续增加，Fe3O4继续减少到零时，FeO达到最大值。当温度高于500 ℃时，金属铁开始生成[ 5 ]。通过一系列的反应，科学家终于能从垃圾焚烧炉渣中获得单质铁，可以在金属加工厂处理成金属制品，实现资源的回收再利用。此外，垃圾焚烧炉渣经过筛选后再次加工，还能得到环保砂，可以用于道路的铺设材料。

教师小结：在活动3中，两位同学不仅回忆复习了高一学习过的元素化合物的知识，而且充分利用了价类二维模型来分析问题、解决问题，发挥了价类二维图的解决真实问题的功能与价值。同学们，接下来请一起总结物质制备的认识分析模型（图6）。

教师总结升华：在高三复习过程中，学生要不断训练自己基于真实情境分析问题的角度，将化学学科知识，转化为化学关键能力，最后形成化学学科素养。学生即使在考试时遇到陌生情境和任务时，也能够有解决问题的思考角度和分析思路。

4  教学反思与总结

在高三复习的教学中，本节课以生活垃圾中铁磁性物质的提取作为化学学科核心素养培育的重要载体。本节课设计了两个教学任务，穿插了3个教学活动。任务1主要是复习元素化合物提纯过程的富集思想，培养学生信息提取及运用信息解决问题的能力，任务2主要是培养学生在真实情境下，建立核心物质的制备、分离与纯化的思维模型。其中，活动1为铁元素的富集，通过分析垃圾焚烧炉中铁元素的存在形式，依据教师所给的信息及相关数据，选择最合适的提取介质。该活动对真实问题进行了化学视角分析，重点培养学生的证据推理与科学探究素养。活动2为铁磁性物质的提取与利用，通过核心物质的转化，培养学生解决工业流程的思维能力。活动3重点分析了不同视角看待化学变化的多样性，能对图像曲线里各个阶段具体物质的化学变化作出相关解释。

通过本节课的学习，学生能充分感受生活垃圾资源化以及回收再利用的社会价值。既能够让学生通过化学知识的复习，建立物质制备工业流程的认识分析模型，同时在生活垃圾资源化的处理上，又能够让学生提高对科学态度与社会责任的理解。在教学中，紧密联系生活实际，使学生能够运用所学的化学知识解释和解决有关垃圾资源化及环境保护相关问题。学生在学习过程中能充分体验化学学科的价值，并通过真实情境为载体，积极促进学生学习方式的转变，从浅层学习转向深度学习，最终潜移默化的培养化学核心素养，实现深度学习的效果。

5  教学实施建议

教学时，教师可以根据班级学生的能力水平差异，将真实情境的问题優化后分类设置。对于能力强的学生，可以训练学生的高阶思维，让学生独立完成思考过程。这样能让学生自行通过计算对比不同提取液的效率，并能设计从炉渣中提取物质的简要流程，写出各阶段的化学反应方程式。而对于能力稍弱的学生，能够在教师的提示下，在给定认识角度的路径下解决问题的。

培养学生化学学科的高阶思维并不是一蹴而就的，而基于真实情境的教学设计是一种很好的培养方式。通过真实情境与贴近生活的实际问题、学生活动来引导学生开展深度学习，能够非常好的实现预设的教学目标。这些基于真实情境的问题，能够促进学生在高三复习时将碎片化的化学学科知识不断结构化，进而帮助学生实现从化学学科知识转化为自身的化学学科核心素养。

新高考改革后的试题注重与真实情境下生产、生活的实际问题相联系。高三复习课的教学，尤其是高三二轮的复习课，不再像一轮复习那样注重知识体系的建构和梳理，更需要学生对于知识的理解和应用能力，这也是培养学生深度学习能力的一个契机。高三复习课的教学过程中，教师应当更多地基于学生的知识结构，培养学生面对真实情境为载体，解决真实问题的能力。真实情境下的课堂教学应当与实际生产生活、科学技术发展、环境保护工作紧密联系起来，通过教学凸显化学学科的价值，达到发展学生化学学科的核心素养的要求。

参考文献：

［1］ 栾厚福.新高考改革背景下如何进行元素化合物复习[J].教学考试，2018（32）：27-29.

［2］ 王韵超．“生活垃圾的分类处理”教学设计[J].数理化解题研究，2018（21）：86-87.

［3］ 周英.生活垃圾焚烧炉渣中铁磁性物质提取及去除三氯乙烯的初步研究[D].重庆：重庆大学，2015.

［4］ 魏云梅.垃圾焚烧炉渣铁磁性物质提取及特性表征[J].环境工程学报，2015，9（10）：5037-5044.

［5］ 朱奎松．高炉瓦斯泥自还原提取铁和锌的机理研究[J].钢铁钒钛，2016（37）：79-84.