驱动性问题链解决主题式教学设计——以“如何处理工业酸碱性废水达标排放”为例

江苏 王海英

一、教学设计背景分析

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)指出，必修课程内容依据主题组织，提高课程实施的整体性。倡导基于学科核心素养实施主题式教学。主题式教学是围绕某主题，让学生借助各种探究活动以及与主题相关的各种资源，使学生的认知发生迁移，提高学生解决问题的能力以及科学探究精神的有效教学方式。问题驱动教学法是“一种以学生为主体，以问题为核心规划学习内容，让学生围绕问题寻求解决方案的一种学习方法”。通过教学过程中生成的问题链，驱动学生层层深入分析问题，解决问题，既复习巩固了必备知识和基本技能，又锻炼了学生科学探究与问题解决的能力，进而内化为学生的化学学科核心素养。

溶液的酸碱性是选择性必修课程《模块1 化学反应原理》中“主题3 水溶液中的离子反应与平衡”的重要知识，本节课通过复习溶液的酸碱性来解决“如何处理工业酸碱性废水达标排放”这一问题，围绕解决这一主题性问题，采用“提出问题→设计方案→发现问题→解决问题→归纳思维”模型进行教学活动，通过这种方式不仅能够提高学生的学习兴趣，锻炼学生运用知识解决实际问题的能力，发展学生证据推理与模型认知及科学态度与社会责任等化学核心素养，还能培养学生环保意识，使之感受到化学是一门实用的学科。

二、教学目标设计

1.通过设计实验检验废水的酸碱性，使学生掌握检测溶液酸碱性的简单方法，通过思考“使酸碱指示剂变色能否用来判断溶液酸碱性”“pH=7的溶液是否一定显中性”等问题，使学生辩证地掌握判断溶液酸碱性的依据。

2.通过定量计算调节废水pH使之达到排放标准，使学生能够进行溶液pH的简单计算，并总结pH简单计算的思维模型。

3.通过设计实验测定废水中酸的准确浓度，让学生熟悉基本的滴定操作，通过定量分析和教师演示手持式技术进行酸碱中和滴定，使学生能够理解酸碱指示剂对中和滴定实验的意义并能正确进行选择。

4.通过设计如何处理工业酸碱性废水达到排放标准这样的真实情境和解决学以致用的问题，让学生知道测定和控制溶液的酸碱性在日常生活和工农业生产中的重要意义并提高他们解决实际问题的能力。

三、教学过程设计

环节1：设计真实问题情境导入新课

[情境引入]2021年4月13日，日本政府召开相关阁僚会议，正式决定将福岛第一核电站核废水排入大海。日本政府一旦把含有放射性物质的核废水排入大海，其中含有的大量有害物质将在几十天内从洋流较强的福岛海岸扩散到太平洋大部分水域，不仅会破坏海洋生态环境，还会给沿岸地区人民的健康和生存造成严重的威胁。

[问题链]

(1)核废水为何不能直接排放？

(2)工业废水能否随意排放？

(3)工业酸碱性废水是最常见的废水，如何处理才能排放呢？

[设计意图]以真实的STSE问题导入新课，引发学生思考，增强学生环保意识，激发学生运用化学知识解决这一问题的欲望，并以此引入新课。

环节2：设计实验方案检验工业废水的酸碱性

[探究任务]以实验室盐酸与氢氧化钠反应后的废液模拟工业废水，请学生设计实验方案检验废水A、废水B的酸碱性。

[学生活动]分组讨论，总结汇报。

[分组实验]学生根据提供的试剂和用品：废水A、废水B、甲基橙、酚酞、pH试纸、pH计等，动手操作验证方案的可行性。

[问题链]实验过程中生成五个问题：

(1)滴加几滴酚酞未变红的溶液一定显酸性么？

(2)滴加几滴甲基橙呈黄色的溶液一定显碱性么？

(3)pH=7的溶液一定显中性么？

(4)判断溶液酸碱性的依据是什么呢？

(5)用实验方法检验溶液酸碱性需要注意什么呢？

[设计意图]通过学生设计并动手操作检验废水的酸碱性，提高学生综合运用知识、技能解决问题的能力，实验过程中生成的问题链引发学生思考，从本质上认识溶液的酸碱性，从定性到定量判断，从粗略到精确测定溶液的酸碱性，为酸碱中和滴定定量分析溶液埋下伏笔。

环节3：处理工业酸碱性废水达到排放标准

[查阅资料]我国对排放工业废水pH的要求。

[问题链]

(1)废水A、废水B能否直接排放呢？

(2)若废水A不能直接排放，如何达到排放标准呢？

[探究任务]请设计实验处理废水A达到排放标准。

[学生活动]分组讨论，总结汇报。

[分组实验]学生根据提供的试剂和用品：废水A、碳酸钙固体、碳酸钠溶液、氢氧化钠溶液、蒸馏水、pH试纸等，动手操作验证方案的可行性。

(3)能否通过加水稀释实现排放标准呢？

[计算]常温下，1.0 L pH=2.0的污水(只含强酸)若直接用水稀释至达排放标准，需要加入水的体积约为多少(忽略体积相加的误差)？

(4)通过中和法实现排放标准需要注意什么呢？

[计算]常温下，1.0 L pH=2.0的污水(只含强酸)若加入生石灰0.56 g进行中和处理(忽略溶液体积变化)，该溶液符合排放标准吗？若要符合排放标准，需要加生石灰多少克呢？

[学生活动]通过计算，分析、思考形成结论并归纳总结计算思维模型如图1所示。

图1 pH计算思维模型

[计算]酸性污水中和处理经常采用的两种中和剂生石灰和碳酸钠，上网查出两种中和剂的价格，判断分别用两种中和剂将废水pH从2.0调到6.0时，哪种性价比高呢？

[学生活动]通过计算，分析思考形成结论并总结归纳中和剂选择的思维模型如图2所示。

图2 中和剂选择的思维模型

[查阅资料]工业酸碱性废水处理的常用方法。

[设计意图]通过学生设计并动手操作处理废水达标的实验，初步感受工业上用中和法处理酸碱性废水的方法，通过探讨实验过程中生成的问题链和查阅资料，深入了解工业处理废水的复杂性和进行定量分析的必要性，培养学生灵活、综合、有效地处理复杂问题的能力，总结pH计算和中和剂选择的思维模型，有助于提升学生化学知识结构化水平，发展化学核心素养。

环节4：准确测定工业废水中酸碱的浓度

[教师过渡]工业上选择处理酸碱废水的方法时往往要进行定量分析确定投料比，如何定量分析溶液中酸或碱的浓度呢？

[探究任务]准确测定废水A中盐酸的浓度。

[问题链]

(1)用什么方法测定呢？

(2)利用的原理是什么呢？

(3)中和滴定所需要的主要仪器有哪些？

(4)如何选择酸碱指示剂呢？滴定终点的现象是什么呢？

(5)中和滴定怎么操作呢？

[分组实验]学生根据提供的试剂：废水A、0.10 mol·L-1NaOH溶液、酚酞试剂等，测定废水A中盐酸的浓度。

[问题链]实验过程中生成四个问题：

(1)滴定终点时酸碱一定恰好中和吗？

(2)酸碱指示剂的选择对实验结果影响大吗？

[计算]0.10 mol·L-1NaOH溶液滴定20 mL 0.10 mol·L-1盐酸，若少滴加半滴(体积大约为0.02 mL)和多滴加半滴pH分别为多少呢？(已知：lg2≈0.3，lg5≈0.7)

[教师演示1]用0.10 mol·L-1NaOH溶液滴定20.00 mL 废水A溶液，用手持技术pH计测量并绘制pH曲线图，如图3所示。

图3 氢氧化钠滴定盐酸pH曲线

[教师演示2]用0.10 mol·L-1NaOH溶液滴定20.00 mL 醋酸溶液，用手持技术pH计测量并绘制pH曲线图，如图4所示。

图4 氢氧化钠滴定醋酸pH曲线

(3)弱酸或弱碱参与的中和滴定，指示剂该如何选择呢？

[学生活动]通过讨论，分析思考、形成结论并归纳酸碱指示剂选择的思维模型如图5。

图5 酸碱指示剂选择的思维模型

(4)若滴定计算出的盐酸浓度偏低，可能是哪些因素造成的呢？

[学生活动]通过讨论，分析思考形成结论并归纳中和滴定误差分析的思维模型如图6。

图6 中和滴定误差分析的思维模型

[设计意图]通过学生设计并动手测定废水中酸的浓度，复习巩固了酸碱中和滴定的基础知识和基本技能，从推理计算和运用手持式技术进行探讨指示剂对实验误差的影响，构建理论计算与实践测量相互证实的学科认知模型，让学生感知科技的进步对学科研究的帮助，进而激发学生学习化学的兴趣和热情。

环节5：利用所学知识解决实际问题

[教师过渡]测定和控制溶液的酸碱性在工农业生产和日常生活中具有重要的意义，下面举几个例子，请同学们思考。

[问题链]

(1)在工业生产中，溶液的pH是影响产品质量和产量的关键因素，查阅Fe3+、Cu2+、Mg2+开始和完全沉淀的pH，思考如何除去氯化镁溶液中含有的氯化铁和氯化铜杂质。

(2)在医学中，治疗胃酸过多可以使用碳酸氢钠、氢氧化铝等药物，原理是什么呢？

(3)在生活中，蚊虫叮咬皮肤时会释放甲酸刺激皮肤，涂抹哪些物质可以缓解痛痒，消退红肿呢？

(4)在农业生产和园林绿化中，不同农作物和绿植花卉对土壤酸碱性的要求不同，有些花卉，比如绣球花的花色受土壤酸碱度影响：偏碱性的土壤中花色为红色，偏酸性的土壤中花色为蓝色，土壤酸碱性改变的过程中花色还会变为紫色和粉色。如何根据需求将绣球花进行调色呢？

[学生活动]通过讨论，分析思考形成结论。

[设计意图]通过几道实例，不仅让学生知道利用测定和控制溶液的酸碱性在工农业生产和日常生活中的重要性，也提高了他们运用知识解决实际问题的能力。

环节6：归纳总结自我评价

[教师总结]通过本节课的学习，我们不仅复习了溶液酸碱性的基础知识，还掌握了如何设计实验方案、pH的简单计算、酸碱指示剂如何选择等技能，提升了我们科学探究和解决问题的能力。请同学们从以下七个方面：判断溶液的酸碱性、检测溶液酸碱性的简单方法、pH的简单计算、酸碱中和滴定操作、酸碱指示剂的选择、利用中和法处理工业酸碱性废水、利用调节pH解决某些实际问题，从熟练掌握、基本掌握、有困难三个角度对自己进行评价。

[学生活动]总结反思完成自我评价。

[设计意图]引导学生进行总结反思、自我评价，对学生存在的普遍问题进行针对性备课，为更好地发展学生学科素养提供依据。

四、教学反思

1.创设真实情境展开教学。本节课从工业废水直接排放污染环境这一真实情境出发，衍生出三个学科问题，将化学知识通过情境活动与核心素养对接，帮助学生形成知识网络。

2.生成问题链驱动教学。学生在设计实验方案并实施方案的过程中产生多个问题，形成问题链，在解决问题的过程中，提高学生应用知识解决实际问题的能力。

3.归纳思维模型实现重难点突破。对解决问题的过程和方法进行证据推理并归纳总结形成思维模型，帮助学生形成结构化思维，实现重难点突破。