基于项目式问题链的化学课堂教学设计

庞嵩

［摘 要］在“从废旧手机和电脑中提炼黄金”一课的教学中，教者以提炼黄金的基本流程为主体框架设计教学内容，在学生已有认知的基础上清楚解释了两次溶金的原理、还原黄金的几种方法、煅烧成金的原因并总结出推断金属活动性顺序的三种常用方法。教者讲解提炼黄金的流程及原理（明线），歸纳金属的物理性质和化学性质（暗线），明暗交织，相辅相成，最终达到让学生在“做中学”“用中学”“创中学”的教学目的。

［关键词］项目式问题链；教学设计；提炼黄金

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）20-0065-05

一、教材、学情分析

“从废旧手机和电脑中提炼黄金”一课与沪教版化学教材九年级上册第5章第1节的内容相关联，属于《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）的一级主题“物质的性质与应用”中的内容之一。《课标》对“金属与金属矿物”提出的学习要求是：“知道大多数金属在自然界中是以金属矿物形式存在的，体会化学方法在金属冶炼中的重要性；知道金属具有一些共同的物理性质，通过实验探究等活动认识常见金属的主要化学性质及金属活动性顺序。”［1］在本节课之前学生已经学习了第4章的相关知识，初步了解了化学反应前后元素种类不变的原理和化学方程式的书写与应用。通过本节课的学习，学生可以较为系统地认识金属的性质以及物质提纯的一般思路和方法，为后续酸、碱、盐的学习做好了铺垫。

“项目式问题链”教学的核心在于问题链的设计，只有高质量的问题链才能引发学生的深入思考。本节课的教学要融入项目式问题链，让学生沉浸在不断发现问题、提出问题并解决问题的探究中，不断深化对化学学科知识的认识和理解。

二、教学目标

1.通过完善从废旧手机和电脑中提炼黄金的流程，了解工业中提纯物质的常用方法，形成在一定条件下通过化学反应可以实现物质转化的化学观念。

2.通过金属与稀盐酸反应、金属与金属化合物溶液反应的探究实验，初步学会研究物质的一般思路和方法，锻炼基于实验的科学探究能力。

3.通过金、银等贵金属的回收再利用，激发对化学学习和科学探究的浓厚兴趣，逐步认识到化学学科对促进人类文明和社会可持续发展的重要价值。

三、教学重难点

1.通过完善从废旧手机和电脑中提炼黄金的流程，了解工业中提纯物质的常用方法。

2.设计实验探究金属与稀盐酸反应、金属与金属化合物溶液反应，发展科学思维，强化创新意识。

四、教学流程图

本节课的教学流程如图1所示。

五、教学过程

【问题1】为什么要回收废旧手机和电脑？

【播放视频】呈现废旧手机和电脑的回收利用。

生1：回收金、银、铜等金属。

【查找文献】线路板中的金属含量（见表1）和废旧电脑线路板中回收金的经济效益估算表（见表2）。

总结：废旧手机和电脑中有金、银、铜、锌等金属，经过提炼后可回收再利用，具有较大的经济价值。

设计意图：从生活入手，用数据和事实让学生体会到回收废旧手机和电脑的价值。教学内容的选择与学生的生活经验和社会发展现实密切关联，反映时代特点和现代意识，体现跨学科知识内容，对某些社会问题做出积极的思考和决策，培养学生从化学学科及跨学科视角分析和解决实际问题的能力，为学生的终身发展奠定基础［4］。

【问题2】如何从废旧手机和电脑中提炼黄金？

【播放视频】呈现从废旧手机和电脑中提炼黄金的过程。

师：请根据视频内容完善下列流程（见图2）。

学生根据视频内容完善黄金提炼流程图（见图3）。

【问题3】提炼黄金的过程中哪些步骤发生了化学反应？

生2：脱金水溶解、置换、王水溶解、还原、煅烧。

师：金不溶于水，引出金的两种存在形式，即游离态和化合态，为后续学习做好铺垫。

【问题4】两次溶解黄金的原理有什么不同？

（1）脱金水溶金

【资料卡1】脱金水配方（见表3）。

【资料卡2】脱金粉原料：硫代硫酸钠、氨水、硫酸铜和亚硫酸钠。

【原理】在碱性溶液中，有氧气存在时，硫代硫酸钠与金能形成稳定的可溶于水的化合物，反应方程式为：[4Au+O2+8Na2S2O3+2H2O]＝[4Na3Au（S2O3）2+4NaOH]。

师：金的存在形式由单质金变成可溶于水的金的化合物，进而完成脱金溶金的过程。

【问题5】如何从可溶于水的金的化合物中获得金？

生3：加入锌粉。

师：为了探究反应原理，我们用硫酸铜、硝酸银和氯化镁溶液代替金的化合物溶液做相似实验。

【学生实验1】锌粒与金属化合物溶液反应。

【步骤】在井穴板的三个空穴中先加入少量锌粒，再分别滴加适量的硫酸铜溶液、硝酸银溶液和氯化镁溶液，静置，观察现象。

【现象】滴加硫酸铜溶液的空穴中，锌粒表面出现红色固体，溶液由蓝色褪为无色；滴加硝酸银溶液的空穴中，锌粒表面出现暗黑色固体；滴加氯化镁溶液的空穴中无明显变化。

【结论】锌可以和硫酸铜、硝酸银发生反应，不和氯化镁反应。

生（书写方程式）：[Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu]；[Zn+2AgNO3=Zn（NO3）2+2Ag]。

【思考】请从金属活动性顺序的角度分析，为什么锌可以和硫酸铜、硝酸银发生反应，但不和氯化镁反应。

生4：锌的金属活动性顺序排在铜和银之前、镁之后。

【思考】回到炼金流程，锌能从金的化合物溶液中置换出金的原因是什么？

生5：锌的金属活动性顺序排在金之前。

设计意图：锌粉置换出金的过程非常缓慢，无法在课堂中进行演示。基于相似的原理，設计锌粒与金属化合物溶液反应的分组实验，让学生近距离感受金属慢慢从溶液中析出的过程，体会化学之美。同时，类推锌置换金的过程，培养学生基于证据进行分析推理及形成结论的能力。

【问题6】为什么置换出金后还要继续溶金？

生6：通过锌置换获得的金中有较多杂质，用王水进行二次溶金，可以除去较多杂质，获得更高纯度的金。

（2）王水溶金

【资料卡3】王水，又称王酸、硝基盐酸，是一种腐蚀性非常强、冒黄色雾的液体，是浓盐酸（HCl）和浓硝酸（HNO₃）按体积比为3∶1组成的混合物。它是少数几种能够溶解金的液体之一，它的名称正是由于它的腐蚀性之强而得。

师：王水腐蚀性较强，性质较为特殊，我们先从较为熟悉的盐酸入手。盐酸能否与常见的金属发生反应呢？

【学生实验2】镁条、锌片、铁片、铜片分别与稀盐酸反应。

【步骤】在井穴板中分别放入铜、铁、锌、镁四种金属，分别滴加稀盐酸，观察这四种金属与稀盐酸是否发生反应，反应的剧烈程度如何。

【现象】铁、锌、镁均与稀盐酸反应，表面产生气泡；铜不与稀盐酸反应。镁与稀盐酸反应最剧烈，锌其次，铁最慢。

【思考】产生的气体是什么？

生7：根据元素种类在化学反应前后不变可知，产生的气体有可能是氢气、氧气、氯化氢、氯气等。

【演示实验1】检验氢气。

【步骤】在试管中加入锌粒，再加入稀盐酸，用拇指堵住试管，一段时间后将燃着的木条放在试管口，松开拇指。

【现象】气体被点燃，发出“噗”的声音。

【结论】证明气体是氢气。

【思考】铁与稀盐酸反应，除氢气外另一种产物是什么呢？

【引导】展示三价铁离子和二价铁离子水溶液的颜色，让学生推断另一种生成物，进而正确推出铁与稀盐酸反应的产物。

生（书写化学方程式）：Mg+2HCl=MgCl2+H2↑；Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑；Fe+2HCl=FeCl2+H2↑。

设计意图：用井穴板代替试管做实验，不仅能节约药品，减少污染，还更便于学生对四个实验的现象进行对比分析，为后续推出金属的活动性顺序以及实验方案的设计做好铺垫。

【思考】若从反应物和生成物的总数和类别的角度去分析，这些反应有什么共同特点？

生8：均由单质和化合物反应生成新的单质和新的化合物。

师：我们将由一种单质和一种化合物作用生成另一种单质和另一种化合物的反应称为置换反应，置换反应属于基本反应类型。

师：镁、锌、铁与稀盐酸反应的剧烈程度不同，说明金属的活动性有差异。人们通过进一步的实验和研究，总结出常见金属的活动性顺序（见图4）。

【思考】圈出镁、锌、铁、铜、氢，分析金属活动性顺序是否与实验现象相符。

【结论】排在氢之前的金属能与稀盐酸反应，排在氢之后的金属不能与稀盐酸反应。

【思考】请从金属活动性顺序的角度分析金能否与稀盐酸反应。

【结论】根据金属活动性顺序表可知，金的活动性顺序排在氢之后，常温下金无法与稀盐酸反应。王水能溶解金的原因：①王水中的浓硝酸氧化性极强，可以与金属活动性顺序表中排在氢后的金属反应；②王水中的盐酸为浓盐酸。

【思考】除利用金属和酸反应的剧烈程度不同来比较金属的活动性强弱外，还可以用哪些方法来比较？

生9：触摸井穴板底部，感受温度变化。

【演示实验2】观测镁条、锌片、铁片、铜片与稀盐酸反应过程中的温度变化。

【步骤】在注射器中吸取3 mL稀盐酸，在四个锥形瓶中分别加入镁条、锌片、铁片、铜片，塞紧带有温度传感器和注射器的双孔塞，接着注入稀盐酸，观察锥形瓶内的现象和温度随时间的变化曲线。实验装置图如图5所示。

【现象】铜片表面无明显变化；镁条、锌片、铁片表面均有气泡产生，剧烈程度依次递减。镁条所对应的注射器活塞快速上移；一段时间后，锌片所对应的注射器活塞匀速且较快上移；铁片所对应的注射器活塞几乎不变，锥形瓶内的溶液颜色变为浅绿。

温度随时间的变化曲线（见图6）：镁条所对应的锥形瓶内的溶液温度随时间快速升高；锌片所对应的锥形瓶内的溶液温度随时间较快升高；铁片所对应的锥形瓶内的溶液温度随时间缓慢升高；铜片所对应的锥形瓶内的溶液温度无明显变化。

【结论】通常情况下，金属的活动性越强，与酸反应的剧烈程度也越大，溶液的温度也越高。

设计意图：金属活动性顺序表是按各金属单质与其在水溶液中形成的简单低价态离子所构成的电对的标准电极电势由小到大的顺序排列的［5］。根据恒温、恒压下标准电极电势和热力学函数的关系：[-nFEθ=ΔGθ=ΔHθ-TΔSθ]，当忽略[TΔSθ]并且n相等的情况下，[ΔHθ]越大，[Eθ]越小，即反应放热越多，金属活动性越强，在金属活动性顺序表中的位置就越靠前。因此，当溶液的体积相同的情况下，放热越多，溶液的温度变化就越大。用反应前后溶液的温度变化作为金属活动性的判断依据是可取的［6］。本创新实验正是在此理论基础上设计的，通过温度传感器精准测定四种金属和酸反应过程中的温度变化，并以曲线图的形式展示出来形成对比，为推断金属的活动性顺序提供有力的数据支撑。

【问题7】还原剂的成分是什么？为什么可以还原出金？

【资料卡4】目前在工业上可用于回收废王水中金的还原剂主要有硫酸亚铁、亚硫酸钠、活泼过渡金属（如锌粉和铁粉等）、亚硫酸氢钠、草酸、甲酸和水合肼等有机还原剂。

师：列举锌粉和铁粉，让学生通过金属的置换反应理解这一过程。

设计意图：讲清楚“为什么要进行两次溶金”“还原的基本原理是什么”，不要因为学生没学过而规避这些问题。教学的目的是启发学生思考、发现、实践、主动学习。对于部分在课堂上暂时无法解释清楚的原理，教师可以把它们设计成课后思考题，让学生通过查找资料来解决，并分享成果。这些学习经历可以帮助学生培养收集证据的技能，使学生体会合作与交流在科学探究中的重要作用。

【问题8】为什么要煅烧海绵金？煅烧海绵金的过程是否发生了化学变化？

【总结】煅烧海绵金的目的有两个：①除去金中部分易氧化、易升华的杂质；②将金熔化重新凝固，除去海绵金内部气孔，使金更加致密。这个过程中部分杂质发生了化学变化，但金没有发生化学变化，因为“真金不怕火炼”。

【思考】其他金属能否与氧气发生反应？举例说明。

生10：钢铁的锈蚀。

【演示实验3】加热铝片。

【步骤】用坩埚钳夹紧铝片置于酒精灯火焰上方加热，观察现象。

【现象】铝片表面变暗，失去金属光泽；加热过程中铝片悬而不滴。

【原因】铝在加热条件下生成一层致密的氧化膜包裹住融化的铝水。

【结论】在常温或加热条件下，铝可以与氧气反应，生成一层致密的氧化膜。

【总结】今天我们通过“从废旧手机和电脑中提炼黄金”一课学习了金属的一些性质。化学来源于生活，生活离不开化学，让我们学以致用，在“做中学”“用中学”“创中学”。

【板书设计】

设计意图：板书中包含的图片类比古代的“金”字，以此致敬历史，弘扬中华文化，传承民族精神。

六、教学反思

本节课用学生熟悉的手机和电脑为情境开展以核心素养为导向的化学教学，选题新颖。通过完善提炼黄金的流程，锻炼学生提取信息的能力；通过两次溶金原理的研究，让学生初步学会推断金属活动性的三种方法；通过锌置换金，从应用层面理解金属活动性的意义；通过大火煅金，理解“真金不怕火炼”。每一个环节的设计都回归到起始的炼金流程，用炼金流程指导教学活动的设计，用教学设计解释炼金流程中蕴含的化学原理，环环相扣，层层递进。

作为项目式教学的典型案例，本节课的驱动性问题是：“如何从废旧手机和电脑中提炼黄金？”项目式任务主要分为三块：①溶金的两种方法；②从溶液中获得金的两种方式；③黄金的提纯方式。每一个项目式任务的开展都建立在一个个有效的高质量的问题之上。课堂上教师给学生足够的思考时间和空间，让学生自由研讨、研究方案、动手实验、得出结论。学生的学习热情随着课堂的展开不断提升，课堂教学效果显著，充分发挥了学生的主观能动性。

本节课在有关金属的活动性顺序问题的研究中，并没有一味地否定用金属与酸反应的剧烈程度推断金属的活动性顺序，因為考虑到初中学生的知识储备和认知水平，用金属与酸反应的剧烈程度进行推断从某种意义上来说现象更明显，学生更容易接受。但是不能将此方法绝对化，需要让学生意识到判断金属的活动性顺序的方法有很多，并且通过测量溶液温度变化进行推导更加科学。因此，本节课设计了三种方法判断金属的活动性顺序：①金属与稀盐酸反应的剧烈程度；②金属与稀盐酸反应过程中溶液的温度变化；③金属能否将另一种金属从它的化合物溶液中置换出来。三种方法并不孤立，而是相辅相成，最终达到让学生理解并学会运用金属的活动性顺序的目的。

［   参   考   文   献   ］

［1］［4］  中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准：2022年版［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］［3］  徐秀丽. 从电子废弃物中浸金的实验方法研究［D］.青岛：青岛科技大学，2012.

［5］［6］  陶亚奇，马宏佳. 正确理解与探究金属活动性顺序［J］.化学教育，2003（6）：36-42.

（责任编辑 罗 艳）