大概念统摄下的项目式教学设计与实践

战丽萍 梁诏才

摘要：以“锌电解阳极泥中有价值金属的提取”为真实情境，运用项目式教学进行化工流程专题的高三复习。以“变化观念”与“平衡思想”两个学科大概念为统摄，将项目设计成能力不断进阶的三个挑战性学习任务，通过设计物质转化方案、物质分离方案、解决真实化工流程问题，学生的元素观、变化观、平衡观得到充分发展，能够对元素化合物、热力学、水溶液、实验化学等核心知识进行迁移应用，体现化学学科的育人价值。

关键词：项目式教学；大概念；化工流程；锌电解阳极泥；高三复习

文章编号：1008-0546（2023）09-0014-06

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.003

一、项目教学主题分析

在当前素养为本、深化课程改革的背景下，以学科大概念为抓手开展单元教学被认为是学科核心素养落地的重要途径。[1]积极践行项目化学习，让学生在深度学习中提升学科关键能力，是应对基于高考评价体系的化学试题的重要措施。[2]传统高三复习课的普遍模式是机械地对新授课的内容进行迅速的重复，然后进入“题海战术”，难以形成学科大概念来解决真实问题。本项目以“锌电解阳极泥中有价值金属的提取工艺研究”为真实情境，[3]将其设计成单元项目式教学，可用于高三复习课。从真实的化工生产情境中抽提出学科大概念进行统摄引领，指导学生利用相关知识与信息资料开展研究、设计和分析，最终解决问题并展示和分享项目成果，促进学生化学观念的形成及学科大概念的建构。

1．项目的育人价值

锌是继铁、铝及铜之后的第四大常见金属，主要应用于汽车、家电、电池等领域，80%以上的金属锌采用湿法冶锌技术提取，但湿法冶锌会产生大量的电解阳极泥。大量的锌电解阳极泥被当作废弃物堆积存放，长期暴露在室外，阳极泥中的重金属随雨水渗入地表，并流人地下水，严重威胁人类生活和生态环境，冈此，建立锌电解阳极泥的环境友好、经济可行的综合回收利用方案，势在必行。[3]

“锌电解阳极泥中有价值金属的提取”项目的育人价值见图1，本项目以培育学生的“变化观念与平衡思想”为目标，以“变化观念”与“平衡思想”学科大概念进行统摄，利用价类二维设计转化路线，建立物质转化次级大概念，渗透绿色化学思想；利用物质性质的差异进行复杂体系下物质分离提纯方案的设计，帮助学生形成在复杂体系中利用热力学及物质转化次级大概念解决问题的思想；利用元素守恒思想与反应原理基本理论，对锌电解阳极泥中有价值金属提取的工艺进行研究，对解决化工流程问题的基本思路进行梳理，培养模型认知及科学观念。

2．项目的内容结构

“锌电解阳极泥中有价值金属的提取”涉及多个学科模块的内容：依据价类二维思维模型进行MnO7到Mr-iSO4转化路径的设计是必修模块元素化合物知识体系的核心知识；从Mr-iSO4溶液中分离提纯Mr-iSO4．H20，涉及简单体系下结晶水合物的分离提纯操作，属于实验化学的重要内容；复杂体系（ MriO2. PbSO4、ZnO.Ag）中各物质的分离利用，需综合利用物质性质的差异进行分离方案的设计，同时还涉及分离提纯操作；分析锌电解阳极泥中有价值金属提取的工艺流程，涉及物料的循环利用、绿色化学、条件的选择，属于工程的内容，还涉及各种数据及曲线的分析应用。

二、项目教学目标

1．通過简单体系下Mr-iSO4溶液的制备及Mr-iSO4．H2O分离提纯方案的设计，提高学生利用“价一类”二维思想解决真实问题的能力，帮助学生建立从简单水溶液体系中获得结晶水合物的实验操作思维模型。

2．通过对复杂体系下有价金属的分离利用路径进行设计，帮助学生建立利用化学反应原理及物质理化性质的差异进行物质分离提纯的思维方式。

3．通过对锌电解阳极泥中有价金属提取的工艺进行研究，帮助学生形成解决复杂体系下工艺流程问题的思路，能运用思路解决新的化工流程类问题。

三、项目实施过程

1．简单体系下MriSO4．H2O的制备

活动1：物质转化方案的设计。

【情境导入】展示锌在汽车、电气设备、电池等领域应用的图片，学生感受锌在国民生产中的重要地位；同时展示锌电解阳极泥的图片，指出其中有大量可回收利用的金属，如若这些重金属露置在空气中，随着雨水进入地下水会危害我们生活的环境。科学家一直致力于研究锌电解阳极泥的回收利用，同学们是否也跃跃欲试呢？接下来的三个课时，就让老师带领大家一步步地走近锌电解阳极泥的有价值的金属提取、回收应用。

【教师】锌电解阳极泥中含MnO2，如何将其转化为应用于印染、造纸、医药工业的Mr-iSO4．H2O？

【学生】MnSO4．H2O是结晶水合物，只能从Mr-iSO4溶液中分离提纯。

【教师】请设计MnO2到Mr-iSO4溶液的转化方案。提供的试剂：MnO2）、稀硫酸、浓盐酸、葡萄糖溶液、Na2SO3溶液、蒸馏水。

【方案展示】①浓盐酸与MnO2反应，再加入稀硫酸；②Na2SO3溶液与稀硫酸制备SO2，将MnO2溶于S02的水溶液；③MnO2）与Na2SO3溶液反应；④MnO2与葡萄糖溶液反应，再加入稀硫酸。

【教师追问】请说明选择反应试剂的依据。

【学生】利用价类二维转化思路设计转化路径，MnO2巾+4价的Mn转化成为+2价的Mn，需加还原剂，且需从元素观的角度思考问题，引入SO4一。

活动2：转化方案的优化。

【教师】分析同学们的方案设计，许多同学采取方案②，请说明原因。

【学生】MnO2溶于SO2的水溶液恰好反应生成Mr-iSO4溶液，原子利用率100% ，是最佳选择。

【教师】请评价方案①的可行性。

【学生】方案①生成有毒的C12，直接排放污染空气，需进行尾气处理，从绿色化学的角度排除该方案。另外，获得的MriS04溶液含有杂质——氯离子。

【教师】请继续评价方案②。

【学生】SO2最好现用现制，且SO2有毒，反应时要避免污染。

【教师】③和④方案选择葡萄糖或Na2SO3溶液做还原剂，请评价这两个方案。

【学生】这两种反应物回避了污染环境问题，且相对易得，但两者各有优缺点，Na2SO3溶液做还原剂可直接生成硫酸根离子，但会引入杂质Na+；葡萄糖做还原剂不会引入杂质，但需加入稀硫酸才能生成硫酸锰溶液。

【教师】分析得很全面，难以找到一种十全十美的还原剂来反应，在真实的工业生产中，需要考虑多方面因素。在以上选择试剂的过程中，你综合考虑了哪些因素？

【学生】先利用价类二维思想来选择试剂，同时需考虑绿色化学、原子经济性等因素。

活动3：MnSO4．H2O的分离提取

【教师】如何从Mr-iSO4溶液中得到Mr-iSO4．H2O晶体？已知Mr-iS04结晶水合物的溶解度曲线如图3所示。

【学生】高于40℃时，随着温度升高，MnSO4．H2O的溶解度逐渐降低，因此采用蒸发结晶、趁热过滤的操作。

【教师】还有哪些结晶方法？它们应用的条件是什么？

【学生】蒸发结晶，当溶质的溶解度随温度变化不大，比如当NaCI溶液中混有少量KNO3时，可采用这种方法提纯NaCl；蒸发浓缩、降温结晶，当溶质的溶解度随温度变化较大，比如当KNO3溶液中混有少量NaCI时可采用这种方法提纯KNO3，制备结晶水合物时也需用降温结晶的方法。

【教师】MnSO4．H2O同样是结晶水合物，为何不采用蒸发浓缩、降温结晶的方法呢？

【学生】分析图像，MnSO4．H2O的溶解度随着温度升高而降低，一旦降温，结晶反而溶解，冈此，必须蒸发结晶、趁热过滤。

【教师】当我们分析问题时，一定要结合信息资料解决问题，具体情况具体分析，而非定势思维、死记硬背。在建立NaCI和KNO3相互除杂思维模型的基础上，结合晶体的溶解特性，便可以解决复杂多变的晶体分离提纯问题。

2．复杂体系下有价值金属的提取

已知：锌电解阳极泥中除含有MnO2外，还含有PbSO4、ZnO禾口Ag。

活动1：復杂体系中物质的初步分离——将ZnO、MnO2与PbSO4.Ag分离。

【教师】如何进行初步分离？已知：经过分离，Zn与Mn元素可以化合态存在。

【学生】稀硫酸溶解ZnO，过滤获得混合物沉淀（ MnO2、PbSO4.Ag）及Zr-iSO4溶液，采用还原剂溶解混合物沉淀中的MnO2，过滤获得PbSO4和Ag的混合物。

活动2：复杂体系中物质的进一步分离——分离PbSO4和Ag。

【教师】请设计PbSO4及Ag的分离提纯方案。已知：Ksp（ PbSO4） =1.6×l0-8，Ksp（ PbCO3） =7.4×l0-14，醋酸铅易溶于水。

【方案展示】方案①以溶解Ag为目标，采用稀硝酸，反应生成AgNO3溶液，再通过金属置换或电解生成Ag，但该方案生成AgNO3的过程中会生成有毒的氮氧化物，有一定的缺陷；方案②以溶解PbSO4为目标，将PbSO4转化为更难溶的PbC03沉淀，再将PbCO3溶于醋酸而与Ag分离，再将Pb2+沉淀为PbSO4。

【教师】工业上采取的分离流程如图4所示，请分析其中涉及的反应。

【学生】加入Na2CO3溶液发生沉淀的转化：

PbSO4（s）+CO3==PbCO3（s）+ SO2一；加入醋酸后发生反应：PbCO3+2CH3COOH ==Pb （CH3COO）2+H2O+CO2↑；向醋酸铅溶液中加硫酸发生反应Pb （CH3COO）2+H2SO4==PbSO4↓+2CH3COOH.

【教师】你能结合以上物质分离方案，总结分离物质的方法吗？

【学生】借助物质物理性质的差异，比如溶解度，若物质在溶剂水中溶解度不同，可通过过滤分离；若物质在有机物溶剂中溶解度不同，可通过分液分离；若物质熔沸点不同可通过蒸馏分离；若两种物质物理性质没有较大差异，可利用化学性质的差异，通过化学反应进行分离。

【教师】总体思路是根据物理及化学性质的差异进行物质的分离。

3．锌电解阳极泥中有价值金属提取的工艺研究

锌电解阳极泥（主要成分为MnO2、PbSO4和ZnO，还有少量锰铅氧化物Pb7Mn8O16和Ag）是冶锌过程中产生的废渣，一种回收利用锌电解阳极泥中金属元素锌、锰、铅和银的工艺如图5所示。

活动1：核心反应试剂的选择及反应条件的选择。

【教师】已知：工业级葡萄糖和Na2SO3分别为1500元．t-11和2300元．t-1，选择哪一种物质进行还原酸浸？你的依据是什么？

【学生】葡萄糖，价格便宜。

【教师】在工业上选择原料，只从价格一个维度来进行衡量吗？

【学生】不能仅考虑价格一个因素，还需考虑用量。根据氧化还原反应基本规律进行用量的计算，葡萄糖～12MnO2，Na？SO3～MnO2，处理87 kg MnO2需消耗15 kg葡萄糖或142 kgNa2SO3，葡萄糖不仅价格相对低廉且消耗量少。另外，之前我们分析过，如果采用Na2SO3会引入杂质离子，导致MnSO4溶液不纯。因此，最佳还原试剂是葡萄糖。

【教师】还原酸浸是该提取工艺中非常重要的环节，如何提高单位时间内锰的浸出率？

【学生】可通过搅拌、升高温度、提高葡萄糖的投入量来提高反应速率，以提高单位时间内锰的浸出率。

【教师】在工业生产中，温度和葡萄糖的投入量可以无限提高吗？

【学生】不可以，要考虑投入和产出比的问题，涉及仪器耗能、成本、效率等因素。

【教师】已知反应温度、葡萄糖加入量、反应时间对锰浸山率的影响如图6所示，请选择最佳反应温度、葡萄糖加入量及反应时间。

【学生】综合选择反应温度为120℃左右、葡萄糖加入量为0.24 9．g渣-1、反应时间为120 min。

活动2探寻工艺流程中的工程思维

【教师】已知：Ksp （PbSO4） =1.6×l0-8， Ksp （PbCO3）=7.4×l0-14。

（1）加入Na2CO3溶液的目的是将PbSO4转化为PbCO3，该沉淀转化能彻底进行吗？

（2）当Pb2+恰好沉淀完全时（当溶液中某离子浓度c≤1.0×10-5mol．L-1时，可认为该离子沉淀完全），加入Na2C03溶液的最低浓度是多少？

【学生】PbSO4（s）+CO2-==bCO3（s）+ SO2-一，根据Ksp （PbSO4） =1.6×10-8， Ksp（ PbCO3）=7.4xl0-14计算该反应平衡常数K=1.6>< 10-8/7.4×10-14=2.16x105>1×105，该转化能彻底进行；当Pb2+恰好沉淀完全时，根据Ksp （PbCO3）计算溶液中CO3一的浓度：c=Ksp（PbCO3）/1.0×10-5=7.4x10-9mol. L-1，所需Na2CO3溶液浓度极低，再度印证该沉淀转化反应极易进行。

【教师】该工艺流程中，哪种物质可以循环利用？

【学生】CH3COOH，因为H2SO4加入到Pb（CH3COO）2溶液中，可生成PbSO4和CH3COOH。

活动3：梳理解决化工流程问题的基本思路。

【学生展示】学生小组交流，互相评价，展示其建立的解决真实化工流程问题的思维路径如图7所示。

四、项目教学评价

该项目式教学的目的在于培养学生利用统摄性的大概念解决真实复杂的化工流程问题，虽然纸笔测试的评价方式可以反映學生的学习效果，但不够准确与全面。因此，在该项目式教学的实施过程中，设计课堂表现观察量表如表1所示，以过程性和表现性评价相结合的方式，根据学生的综合表现来衡量项目实施效果。

从学生课堂反馈情况来看，关于任务1和任务2中分离方案的设计，大约70%的学生能够自主调用“价类二维”思维模型来解决问题，其中大约30%的学生在设计实验方案时能够多角度、全方面地思考问题，考虑到绿色化学、原子经济性等问题；关于结晶水合物的分离提纯，约20%的学生能够提取信息、综合分析，提出正确的分离提纯方案；在任务3的解决过程中，大多数同学能够准确地选择还原剂及优化反应条件，大约40%的同学能够建立解决化工流程问题的思维模型。实施本项目后，选择2021年全国乙卷中的化工流程题作为纸笔测试，学生作答情况较以往有所提升，项目实施效果显著。

五、项目教学效果及反思

本项目通过设计三个不同复杂程度的学习任务，进行大概念统摄下的单元项目式教学设计，发展学生的变化观念与平衡思想及科学态度与社会责任等化学学科核心素养。学生历经三课时的项目化学习，获得以下成长：

一是从真实的挑战性任务出发，激发学生主动探究的热情。本项目将锌电解阳极泥中有价值金属提取的内核指向价类二维观分析物质的转化及物质分离提纯等一系列真实复杂且具有高度挑战性的学习任务。通过设计这一挑战性任务，将问题拆解成三个学习任务，学生在解决问题的过程中，像科学家一样思考问题，体会到所学高中化学知识在推动人类生产生活进程中举足轻重的地位。

二是精心设计交流研讨问题，驱动学生有效思考。锌电解阳极泥中有价值金属的提取这一过程复杂且涉及多个知识层级，根据学生学习进阶水平，精心设计问题，驱动学生有效解决问题。其中学生的汇报展示、多形式学生活动，推动学生认识提取过程的核心反应及分离提取路径，帮助学生形成解决问题的思维模型，发展其解决问题的能力水平。

三是突出评价的作用，关注学生项目目标的达成。脱离目标教学的项目式教学就如无源之水、无本之木，课堂一切的教学活动均为目标的达成而服务，目标的达成与否需要特别关注评价的作用。在课堂的推进过程中，教师善用教师评价、生生互评，推动学生思维的交流及提升。评价量表的使用以及应用建立的“解决化工流程问题的基本思路”去处理新的真实问题，均可帮助师生很好地评价目标的达成情况，学生有的放矢地去诊断其模型的建构情况及新情境新问题的解决水平。

参考文献

[1] 何彩霞．化学学科核心素养导向的大概念单元教学探讨[J]．化学教学，2019（11）：44-48．

[2] 江合佩，单旭峰．基于高考评价体系的化学试题研究——以2019年高考化学试题为例[J]．教育测量与评价，2020（2）：11-19.

[3] 耿家锐，王振杰，刘安荣，等． 锌电解阳极泥中有价金属的提取工艺研究[J].矿冶工程，201 9，39（4）：98-101.