基于项目的高中化学单元教学设计及实施

陈文静

摘要：以“基于3R理念认识垃圾的分类处理”为真实情境进行项目式教学，可以在解决真实问题的过程中调动学生的认知并运用于实际生产和生活中。3R理念的构建、运用与提升，让学生理解化学的应用特点和发展方向，学会辩证、全面地看待社会发展中遇到的各种化学问题，培养科学的决策意识、创新精神与实践能力。

关键词：项目式  3R理念  评价  单元教学

项目式教学是一种以学生为中心的教学方式，学生通过一定时长的小组合作方式，解决一个真实世界中复杂的、具有挑战性的问题，学生在收获知识的同时掌握未来发展的素养：批判性地思考、可靠地分析信息、与不同的伙伴协作、创造性地解决问题。项目式学习是实施高中化学单元教学的一种方式，是培育学科核心素养的一种重要手段，基于项目的学习是一种跨学科的深度学习。

“基于3R理念认识垃圾的分类处理”是《普通高中化学课程标准（2017年版）》主题5“化学与社会发展”的重要内容。本文将元素及化合物知识、化学反应速率等与3R理念相结合，通过真实生活中的垃圾处理问题，形成了项目式单元教学设计并进行了教学实践。

一、项目学习主题的生成

人教版高中化学新教材将“化学与可持续发展”安排在必修第二册第八章，其中的“环境保护与绿色化学”，主要探讨化学与环境保护相关问题。此时，学生已经具备了从“价类二维”的角度认识物质转化及化学反应速率等知识，为解决真实生活中资源利用及环境问题奠定了基础。

垃圾分类处理与学生生活结合紧密。在真实的生产中体会到开发和利用资源必须遵循“减量化（Reduce）、再利用（Reuse）和再循环（Recycle）”的3R理念，结合情境确定本单元的学习主题——基于3R理念认识垃圾的分类处理。从垃圾分类、垃圾资源化和垃圾无害化三部分层层推进，让学生能主动运用所学化学知识和方法解决生产、生活中简单的化学问题，具有节约资源、保护环境的可持续发展意识，并引导学生在垃圾处理过程中体会并升华至4R理念。

二、项目学习情境的创设

本项目选用“基于3R理念认识垃圾的分类处理”作为真實教学情境，如图1所示。

三、项目学习目标

1.能从环境和资源角度认识垃圾分类处理的意义，了解生活垃圾的处理原则，认识3R理念，了解废纸的回收过程，树立保护生态环境观念。

2.能通过分析典型废旧金属Cu的资源化处理和常见废气SO2、NO2、NO等的处理，描述不同价态的物质转化，培养学生的元素观和变化观，同时体会3R理念在垃圾处理中的运用，科学进行垃圾处理，建立垃圾回收处理模型。

3.能通过实验室探究工业由废铜制备CuSO4的反应条件和常见废气SO2、NO2、NO等的处理进行实验方案设计及改进，运用化学学科知识解决复杂环境下的真实问题。

4.通过对垃圾分类回收处理过程的体验，牢固树立3R理念，在应用化学成果时能主动考虑其对自然和社会带来的影响，培养学生的科学精神和社会责任。

四、项目教学整体规划

项目教学整体规划如图2所示。

五、项目教学实施片段（以第2课时为例）

课题：垃圾资源化之废铜

［情境］《资源科学》杂志一篇文章中的人类圈铜循环累计格局图，如图3所示。

［问题1］如何从金属类垃圾中分出废铜？

［活动1］观看工业批量处理废金属视频，思考分离的原理。

学生回答：破碎—强磁设备—涡电流分选机—铜铝比重分选。

［评价1］通过真实问题情境创设与解决的过程，评价学生对生活的观察能力、对实际问题的思辨能力；通过工业处理视频的介绍，评价学生获取信息、处理信息、运用学科知识解释工业实际问题的能力。

设计意图：学生初步体会实验室与工业生产的差别，为工业制备硫酸铜的方案设计埋伏笔。

［问题2］假如你是工厂设计师，你如何利用分离出的废铜制取CuSO4晶体？

［活动2］学生讨论并构建路线：第一步废铜先制备CuSO4溶液；第二步从溶液中获得CuSO4晶体。

［问题3］结合铜的价类二维图，构建Cu转化为CuSO4溶液的模型，并根据模型设计由铜转化为CuSO4溶液的方案。

［活动3］学生讨论并构建模型、交流方案。教师展示学生方案、评价方案。

学生构建转化模型：

Cu①氧化剂②酸性环境CuSO4溶液

学生设计的方案有：

方案一：Cu在空气中加热生成CuO，再与稀H2SO4反应生成CuSO4；

方案二：Cu和浓H2SO4加热直接反应；

方案三：Cu和H2O2、稀H2SO4反应；

方案四：Cu和KMnO4（或Cl2、O2、FeCl3等氧化剂）、稀H2SO4反应；

方案五：给Cu和稀H2SO4的混合物中通入空气；

结合3R理念，并考虑成本和分离等问题，初步确定可行方案为方案一、三和五。

［评价2］方案一、二、三是学生在元素化合物中已经学过的方法，根据学生的互动情况评价学生从价类二维角度认知元素化合物的能力，依据学生设计的方案，评价学生高阶思维水平及对3R理念的理解与运用能力。

［活动4］以铜粉为原料进行分组实验模拟方案一、三和五。

学生预测实验现象→小组合作实验→发现问题，思维冲突（方案一铜粉有大量剩余、方案三产生大量气泡、方案五速率慢）→小组讨论，解释异常现象→再次评价方案。最终确定方案五可用于工业生产，但需要加快反应速率。

设计意图：引导学生从价类视角分析物质间的转化路径，运用“具体→抽象→具体”的思维建立认知模型，用化学知识解决实际生产中的陌生问题。在实验方案的设计中体会3R理念，进一步培养证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的核心素养。

［问题4］在不改变空气等原料的前提下，怎样设计方案探究由Cu制备CuSO4溶液的最佳条件呢？

［活动5］学生讨论后提出，可以通过提高温度和增大H2SO4溶液的浓度以加快反应速率，并给出以下设计方案：

（1）控制铜粉的量、H2SO4的浓度和体积、空气流速等相同，在不同温度下测得出现蓝色的时间。

（2）控制铜粉的量、空气流速、温度相同时与等体积不同浓度的稀H2SO4溶液反应相同时间，依据所得溶液蓝色的深浅判断。

教师演示实验1：2 g铜粉、4 mL同浓度的稀硫酸、空气泵调节空气流速相同，在不同温度（分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃时）下反应，分别记录出现蓝色的时间。学生将实验数据转换为坐标曲线，结合曲线分析得出温度为70 ℃左右时最佳，如图5所示。

［追问1］为什么选择70 ℃左右的温度？

学生分析温度低速率慢，而温度高于70 ℃时，速率增加不多且工业上会消耗更多能源。

［追问2］为什么70 ℃后再升温，反应速率增加很少？

学生分析可能温度升高，使通入的空气逸出快，导致速率增加缓慢。

教师演示实验2：用五支试管装入相同量的铜粉，分别装入等体积浓度分别为0.1、0.5、1、3、6 mol/L的H2SO4溶液，调节恒温水浴锅保持温度在70 ℃，用空气泵同时将空气通入五支试管，反应相同时间后观察溶液颜色。

得出结论：温度为70 ℃，H2SO4浓度为1 mol/L时，反应速率最快。

［追问］为什么H2SO4浓度增大，反应速率反而下降？

师生通过共同查阅资料：化学反应速率的大小与反应物分子或离子的碰撞次数有关，溶液中也就与反应物的有效浓度（活度）有关，温度一定时，硫酸溶液浓度越大，有效浓度越小，同时硫酸的黏度随着浓度的增加而增加，受黏度的影响，当物体在流体中移动时，会引起摩擦阻力和压差阻力。

［评价3］通过学生将数据表征转化为图像表征的过程，评价学生多角度解决问题的能力。依据对最佳条件的探究方案设计，评价学生的科学探究精神和实事求是的价值观、解决复杂陌生问题的思辨能力、创新思维的发展水平等。

设计意图：通过思考、讨论，完善并优化实验方案，进一步增强学生对化学知识的应用能力。数据与曲线的多重表征，培养学生多维度认知和解决问题的能力。引导学生跳出思维定势，抓住思维冲突进行深度思考，培养科学探究的精神和对陌生真实问题情境思辨的高阶思维。

［教师小结］展示某地有色金属生产官网中硫酸铜的工业制备工艺：硫酸浓度在15%～18%，温度在70～80 ℃，结晶后母液及洗涤液循环使用。与本节课中探究的最佳生产方案及条件相比，条件非常接近。

设计意图：通过硫酸铜真实生产工艺的展示，让学生体验理论到实践的成就感，体现化学学科价值，感受化学的魅力所在。

最后提供资料数据：2020年，我国的再生铜产量达到325万吨，占铜总供应量的32.4%。《“十四五”循环经济发展规划》提出，到2025年，再生铜产量达到400万吨，废铜资源化已上升到了国家战略。

垃圾资源化不仅创造经济价值，还能实现节能减排，实现可持续发展。

六、项目教学总结與反思

1.在整个项目单元教学设计中，以课程标准为最高纲领，以深度学习为教学设计的基本模型，以学生为主体，通过情境、问题、活动三部曲，实现知识的传递和核心素养的发展。本项目的教学设计遵循情境—问题—活动—知识—素养模式进行，注重知识与现实生活的结合，帮助学生建立化学与生活的联系，实现了从课堂走向生活，让学生在参与垃圾处理项目中体会到化学学科的价值。

2.本项目的单元教学达到了预期目标：创造性地使用教材，建立3R理念下垃圾的分类处理模型；实践了深度学习教学设计基本模型，设立开放性的问题，注重激发学生的探索精神和批判思维，实现了知识、能力、素养的进阶。

3.教学中，引导学生发现身边的化学，增强学习兴趣。让学生利用所学知识亲自参与问题的解决，并引导他们主动关注周围与化学相关的社会热点问题，充分发挥了化学课程对培养学生科学态度与社会责任的积极作用。

参考文献：

［1］刘翠.高中化学项目式教学实践研究［M］.济南：山东科学技术出版社，2020，1.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：5.

责任编辑：黄大灿