“元素转化观”统摄下的项目式学习

乔艳冰

摘要：以学校周边工业搬迁后的“环评达标”作为项目背景，引导学生运用元素化合物知识学习的两个基本工具——“价类”二维图和元素周期表，完成对废水中含铬物质的模拟处理。通过课前问卷调查、周围居民访谈、设计转化路线、实验模拟等环节，将课堂学习、生产生活、化学实验、工艺流程结合起来，引导学生在实践中感受化学对生产生活、环境保护的作用，发展学生的问题解决与科学探究能力，增强社会责任感。

关键词：元素转化观；项目式学习；废水处理；铬及其化合物

文章编号：10056629（2023）12006207

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

三十几年前，青岛第十七中学周围化工厂密布，是青岛重要的化工基地。自2008年起，青岛市政府启动老城区企业搬迁改造工作。目前学校周边的工厂已全部完成搬迁、关停、转型，取而代之的是商业楼和住宅。但是改造之后的水质和土壤是否达标，成为困扰购房者和周边居民的一个重要问题。

基于此，笔者带领青岛第十七中学高一学生，以“废水中的铬处理”为主题进行项目式学习实践，课上课下相结合，引导学生完成对废水中含铬物质性质的认识，设计转化路线并进行实验模拟，体会物质及其转化在环境保护中的重要价值，树立科学态度，培养责任意识。

1 教学主题内容及教学现状分析

元素化合物知识是高一化学的核心内容，涉及广泛，同时与我们的生活息息相关，为基于实际问题解决的教学模式奠定了丰富的事实基础。对于“元素化合物”的教学，新课标的内容要求为“了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在环境保护中的重要价值”。同时课标教学策略中提到“紧密联系生产和生活实际，创设丰富多彩的真实问题情境”^［1］。深度挖掘元素化合物知识与生产生活中真实问题的融合，不但可以帮助学生形成解决元素化合物问题的一般思路，也能在知识学习中真正发展学生的学科核心素养。

隨着新课程的实施，教师对元素化合物的教学逐渐从传统的按物理性质、化学性质、制取、应用等思路过渡到基于“价类”二维的元素观教学^［2］。通过新授课的学习，学生基本上能有意识地从物质类别和核心元素化合价两个角度认识物质性质，研究物质之间的相互转化^［3］。但在高三复习过程中发现，面对真实的陌生情境，学生灵活迁移应用所学知识分析解决实际问题的能力还是有所欠缺。究其根本原因是基础年级教学关注的往往是具体的孤立的元素化合物的相关知识，对认识角度的提炼和关联不够，面对陌生元素和物质，学生显得束手无策。

铬及其化合物是一类常见的工业污染物，铬系物质具有多种化合价，转化关系多样且复杂，因此铬及其化合物频频成为平时学习或高考中重要的知识考查载体^［4］。本节课是学完元素周期律和元素周期表之后的项目式复习课。此时，学生已经知道可以运用“价类”二维图来解决元素化合物中物质转化问题，但是面对陌生元素“铬”，学生尚缺乏调用元素周期表认识工具的意识，自主、有效地调用“价类”二维图认识工具的能力需要提高。

2 教学目标

（1）能用元素周期表、“价类”二维图两个基本认识工具推测陌生元素的性质，形成并熟练掌握元素化合物知识学习的一般思路。

（2）能自主设计含铬废水处理中的物质转化路线，能通过实验模拟、分析、解释有关实验现象，发展科学探究、证据推理的核心素养。

（3）通过拓展物理、生物方法处理含铬废水，提升从不同视角解决问题的科学方法，发展发散性思维和创新精神。

（4）通过课前调查访谈，树立“生活处处皆化学”的观念，在项目任务的完成过程中，体会学习化学的价值和意义，培养社会责任感和公民参与意识。

3 教学流程

教学流程见图1。

4 教学实录

［问卷调查］课前化学兴趣小组对周围居民进行了问卷调查（65份）：刨除价格因素，您对购房选址有哪些考虑因素（多选）？

通过图2可以看出，居民购房选址时对空气、水源质量以及原址状况还是比较关注的。

［课前街头访谈］课前学生分组对附近居民进行了采访，他们讲述了附近环境近些年来的变化，有居民表达了担忧：在原先的工厂用地上建住宅，水质和土壤里的重金属是否超标呢？有居民反馈：想在院子里种菜，但是担心重金属超标，就把土壤寄到了上海一家专业检测机构检测，检测结果显示是达标的。

4.1 项目背景分析及任务拆解

［教师］展示百度地图：约30年前，我们学校周围工厂密布：棉纺织厂、化工厂、机械厂、染料厂、焦化制气厂等。这些工厂大约都是上世纪五六十年代建立的。在建国初期，为什么会选择四方北岭这一带作为化工厂聚集地呢？

［学生回答］分别从地理、历史、经济等角度分析。这一带濒临大海，原材料取材方便；而且有胶济铁路，交通便利。从历史上来看，1956年青岛化工学院在此建校，同年，青岛化工厂建厂，有人才优势。

［项目任务及拆解］红星化工厂排放的铬渣堆积造成的地下水污染曾经是一个非常严重的事件，国家投入了3000多万元才把它治理好。今天我们聚焦工业废水中的铬处理，请同学们头脑风暴，为了找到有效方法，我们需要解决哪些问题？

通过小组讨论，同学们将任务拆解为：了解铬及其化合物的性质、根据性质设计转化路线、实验室模拟含铬废水处理三个子任务。

4.2 子任务1：认识铬及其化合物的性质

［小组汇报1］Cr的常见价态为0价、+3价、+6价。Cr单质为钢灰色金属，是自然界中硬度最大的金属。铬是人体必需的微量元素，对于预防糖尿病以及动脉硬化等都有很大的帮助。六价铬以含氧酸根的形式存在，有Cr₂O^2-₇和CrO^2-₄两种存在形式，属于一类污染物，工业废水中六价铬含量超过10mg/L就会对水生物有致死作用，还会通过消化道、呼吸道和皮肤黏膜进入人体，对人体造成多种危害。废水中主要存在的有害铬就是六价铬。

［小组汇报2］铬的性质和铝具有一定的相似性，如氢氧化铬也具有两性，在溶液中存在两种平衡^［5］：

［问题驱动1］研究陌生元素的性质，有哪些认识工具？请利用该工具，对铬元素的性质做出推测。

［学生观点1］我们可以利用元素周期表来预测陌生元素的性质，铬位于元素周期表第4周期，第VIB族，属于金属元素，性质和钼、钨相似。

［学生观点2］Cr的价电子数为6，最高价是+6价，具有氧化性，还有+3价等多种价态。通过查阅资料可知：氢氧化铬和氢氧化铝性质相似，都具有两性，所以我们在研究氢氧化铬时，可类比我们熟悉的氢氧化铝。

［拓展视野］通过刚才同学们的汇报，我们了解到六价铬有两种存在形式：酸性溶液中的Cr₂O^2-₇和碱性溶液中的CrO^2-₄。接下來，我们通过实验来认识一下两种六价铬的化合物之间的转化（见图3）。

［问题驱动2］认识某元素相关物质的性质，常用认识工具是什么？请利用该工具，画出废水处理中可能涉及的铬系物质的“价类”二维图。

［学生活动］教师提供Cr、CrO₃、Cr₂O₃、Cr（OH）₃、Cr³⁺（浓）、Cr³⁺（稀）、CrO^2-₄、Cr₂O^2-₇等彩色卡片，学生自主建构铬及其化合物的“价类”二维图（见图4）。

4.3 子任务2：根据性质设计转化路线

［问题驱动1］废水中铬系物质的转化思路是什么？

［学生观点1］利用氧化还原反应，首先将溶液中的有毒的六价铬转化为无毒的Cr³⁺，再把Cr³⁺变成沉淀析出。利用复分解反应，可以考虑加碱将Cr³⁺变成Cr（OH）₃。

［学生观点2］通过课前查阅资料可知铬酸钡难溶，所以可加钡盐，将CrO^2-₄一步沉淀。

［教师评价］同学们的想法非常好，上个世纪70年代的时候，我们国家的科研人员就是加钡盐除去六价铬，但是大家想想这种方法有没有问题呢？

［学生回答］有问题，引入了另外一种重金属离子Ba²⁺，需要再加其他沉淀剂除去Ba²⁺。

［问题驱动2］大家准备选用何种试剂将废水中的六价铬转化为Cr³⁺呢？选用依据是什么？

［学生回答］可以选择还原性物质，比如硫化物、二氧化硫、亚硫酸盐，铁、亚铁盐，碘化物等。

［学生补充］可以排除碘化物，因为它被氧化的产物是I₂，在水体中形成了二次污染。

［教师点评］以上这些还原剂是工业上常用的还原剂，究竟选择何种还原剂不但要考虑价格因素，还需要综合考虑处理含铬量的多少、周围资源配置、设备的适应性、工艺能否达标等因素。面对真实复杂的情境，需要从多角度考虑问题。

［设计转化路线］项目初成果——学生绘制物质转化图（见图5）。

［教师点评］以上两组同学的设计都很好。第一组利用了还原沉降法，将Cr₂O^2-₇还原成了Cr³⁺，再用适量的碱使Cr³⁺变成沉淀而除去。第二组利用了直接沉淀法，将溶液中的CrO^2-₄一步转化为BaCrO₄沉淀，再加Na₂CO₃除去过量的Ba²⁺，最后加酸调节pH。大家设计的还原沉降法确实是目前处理含铬废水的主要方法^［6］。当理论设计转化为真实问题时，还涉及到工艺流程、工程技术、条件控制等多种具体的问题。图6为工业中含铬废水的处理流程图。

4.4 子任务3：实验室模拟工业含铬废水的处理

［设计实验方案］根据教师提供的实验仪器和试剂，设计实验室模拟工业含铬废水处理的实验。

各小组讨论，设计出三种典型的实验设计方案如下：

［方案1］取0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于试管中，加入0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中加入0.5mol/L的NaOH溶液，观察实验现象。

［方案2］取一定量的0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于试管中，加入适量0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中逐滴加入0.5mol/L的NaOH溶液，观察实验现象。

［方案3］取一定量的0.1mol/L的K₂Cr₂O₇溶液于试管中，先加入一定量的0.1mol/L的H₂SO₄溶液酸化，再加入适量0.5mol/L的Na₂SO₃溶液。再往溶液中逐滴加入0.5mol/L的NaOH溶液，观察实验现象。

小组间互评，最终选定方案3进行实验。

［实验现象］往酸性K₂Cr₂O₇溶液中滴加Na₂SO₃溶液，溶液颜色由橙色变成绿色，后逐滴滴加NaOH溶液，先产生灰绿色沉淀，振荡立即消失，持续滴加，又有灰绿色沉淀产生，继续滴加，沉淀又消失。

［教师提问］产生上述现象的原因是什么呢？

［学生观点1］结合前面的“价类”二维图分析，第一步的橙色变绿色，应该是SO^2-₃将Cr₂O^2-₇还原成了Cr³⁺。加NaOH溶液是想让Cr³⁺沉淀下来，但是产生的沉淀又消失了，因为Cr（OH）₃沉淀和Al（OH）₃沉淀具有相似性，可以溶于NaOH溶液。但是为什么持续滴加NaOH溶液，又有沉淀生成，后来沉淀又消失呢？

［学生观点2］我猜测第一次沉淀消失，应该是因为原溶液硫酸过量，硫酸溶解了Cr（OH）₃沉淀，后来滴加NaOH溶液，又生成了Cr（OH）₃沉淀，继续滴加，Cr（OH）₃沉淀溶于NaOH溶液，所以沉淀又消失了。所以在工业废水处理时，我们要把握好碱的用量。

［方程式解释］

Cr₂O^2-₇+3SO^2-₃+8H⁺====2Cr³⁺+3SO^2-₄+4H₂O（橙色→绿色）

Cr³⁺+3OH^-====Cr（OH）₃↓（产生沉淀）

Cr（OH）₃+3H⁺====Cr³⁺+3H₂O（第一次沉淀消失）

Cr（OH）₃+OH^-====［Cr（OH）₄］^-（第二次沉淀消失）

［教师补充］同学们分析得很到位。工厂实践证明，为了使Cr³⁺完全沉淀，适宜的pH为7～8^［7］。

［实验表现评价］从学生实验设计能力、实验操作能力、实验现象解释能力三个维度，对学生的实验探究表现进行评价，具体评价内容见表1。通过模拟工业含铬废水处理实验建立的学生实验探究表现评价表，为教师对学生进行精准诊断提供了重要依据，有助于教师后续实验教学工作的开展。

4.5 项目拓展：其他含铬废水的处理方法

通过查阅资料，学生汇报其他含铬废水的处理方法，见表2。

［教师展示］有报道称：反渗透膜技术能回收废水中99.8%的铬金属。反渗透法：利用反渗透的原理，在含废水的部分施加较高的压力，使作为溶剂的水分子透过半透膜，从而使水与重金属及其他溶质分离。老师课前利用网上购买的反渗透膜对含铬废水中的金属铬进行处理，十几分钟之后，出现了明显的效果。

4.6 建构模型

通过本项目的学习，了解到认识陌生的元素化合物要善于运用两个工具：元素周期表和“价类”二维图，找到元素在周期表中的位置，推测元素的化合价和所属物质类别，迁移我们熟悉的元素化合物知识消除陌生感，再利用“价类”二维图实现物质之间的转化。在這个过程中加深对两个学科大概念的认识：元素观和元素转化观，进而建立元素化合物问题的分析思路（见图7）。

［项目成果展示］学生整理绘制工业废水中铬处理方法的思维导图（见图8）。

通过本节课的学习，我们发现通过化学、物理、生物等多种方法均可处理含铬废水，学校周围改造之后的水质和土壤中的重金属离子均可利用我们所学的知识，运用科学的方法，达到除去的目的。国家在进行房屋拆迁或改造时，对一些指标都有非常明确的要求。《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国土壤污染防治法》、《中华人民共和国水污染防治法》中均明确提出：国家加强对大气、水、土壤等的保护，建立和完善相应的调查、监测、评估和修复制度。只有验收合格后方可进行新的建设，所以居民购房选址时对于空气、水源的质量是可以放心的。

［课后作业］继续了解工业废水中其他重金属离子的除去方法，选取另外一种非铬元素，绘制物质转化图，尝试挑战工艺流程图。

5 教学实践反思

本项目通过挖掘学生身边的环保问题，将生产生活中的问题转化为课堂上的学习情境，极大地增强了学生学习化学的兴趣。从课前问卷调查、周围居民访谈到课上设计转化路线、实验模拟等环节，学生真实、完整地体验了用科学知识解决实际问题的过程。把课堂学习、生产生活、化学实验、工艺流程结合起来，提高了学生解决问题的综合能力。

课后学生分享了本节课的收获，认为：化学不单单是课本上的知识和枯燥的化学方程式，通过这一节课深深体会到了“化学是源于生活，又服务生活的”；通过自主设计工艺流程图，似乎有一种工程师的成就感。本项目给学生提供的是陌生情境和陌生元素，通过探究，学生掌握了处理元素化合物问题的一般思路，面对“陌生”，学生将会更加从容。

本节课思路比较开拓，项目推进过程中将元素化合物知识与科学、技术、社会、环境问题相融合，引导学生意识到学好元素化合物知识对于解决现实问题具有重要的意义。同时也注重跨学科的融合：开篇先引导学生从历史、地理、经济等角度分析十几年前学校周围工厂密布的原因，培养学生的统筹观。在讨论完化学方法处理含铬废水之后，教师和学生又积极拓展物理和生物处理方法，通过学科融合，开拓学生的思维，培养学生综合性问题解决的高占位和大视角。

本项目针对高一学段学生的特点，只从定性认识的角度进行教学设计，至于处理后的废水是否达标、沉淀出来的Cr（OH）₃应该如何处理等问题教师可以继续开展项目研究，开发系列项目教学案例，真正做到学有所用、学以致用。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京：人民教育出版社，2020：4～17.

［2］朱成东，夏建华，袁天祥. 从三维视角认识元素化合物的单元教学设计及实施——以“硫及其化合物”为例［J］. 化学教学，2022，（7）：37～42.

［3］朱沈燕. 硫及其化合物转化的核心知识探析［J］. 中学化学，2020，（8）：23～24.

［4］孙晶. “铬”有千秋 不同凡响——六维透视铬及其化合物在高考命题中的呈现［J］. 高中数理化，2021，（9）：74～78.

［5］曹忠良，王珍云. 无机化学反应方程式手册［M］. 长沙：湖南科学技术出版社，1985：279.

［6］［7］汤清家. 用二氧化硫处理含铬废水［J］. 化工环保，1998，（18）：347～351.