基于真实情境的初中化学项目式复习教学设计

摘要： 基于“废金属的回收利用”这一真实情境，以“制作金属书签”为主题，在“走近废金属的回收利用”“废金属表面预处理”“刻蚀制作金属书签”“实验后处理”等项目任务中，开展铁及其化合物的性质、转化、冶炼和利用等相关知识的系统复习。学生在调用相关知识和能力、运用化学工艺回收利用废弃金属的学习过程中，促进了化学学科核心素养的发展。

关键词： 中学化学； 真实情境； 项目式教学； 复习课； 铁及其化合物

文章编号： 1005-6629（2024）07-0054-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“课程标准”）在课程理念中提到：创设真实问题情境，倡导“做中学”“用中学”“创中学”，开展项目式学习，重视跨学科实践活动。同时，在每个学习主题中都提出了一些具体的项目式学习活动建议［1］。从学习者的角度看，项目式学习是以建构主义理论为指导，以小组合作的形式探索和解决学科或跨学科有关问题的学习方式。在解决真实问题、完成项目任务、形成公开成果的过程中，促进学生理解迁移核心知识、提高应用实践能力、锻炼高阶思维方式、形成正确的价值观［2］。至今，国内外许多专家、教师进行了关于项目式学习的教学理论研究和教学实践［3～5］。

传统复习课通常按照“梳理基础知识→分析重难点→进行解题训练”的程式进行，只强调知识的记忆，无法充分唤起学生的学习兴趣，也无法锻炼学生迁移知识解决灵活的、探究性问题的能力，导致复习效率低下。如何在初三复习阶段打通知识壁垒，激发学生的学习兴趣，建立有效的复习策略？基于真实情境的项目式复习是一种优良选择，教师可以通过创设真实情境，提炼有意义的学科问题，激发学生的好奇心和探索欲；设置挑战性的项目任务，锻炼学生的学科思维；引导学生自主构建知识网络，发现知识与现实世界的联系，彰显学科价值［6］。

目前，与金属有关的复习情境，有从历史视角出发的如金属矿物的发现及其冶炼史、冶炼技术的发展、探究文物锈蚀和保存的条件等；也有一些情境素材来自科技前沿，如研究火箭、高铁的材料［7］等，与工业生产、学生生活有关的情境较少，大多数集中在暖宝宝的使用原理和制作方面。因此，教师有必要进一步发掘更多与生产生活相关的情境素材，以引起学生对物质世界的好奇心和探究欲，利用项目式学习的形式，在运用知识解决问题的过程中提升学生的核心素养，使复习课更加有趣和有效。

1 项目内容分析

金属作为生活中应用最广泛的一种材料，是帮助学生认识物质多样性并形成化学观念的重要载体。“课程标准”对金属与金属矿物这一内容的要求是，知道金属矿物，体会化学方法在金属冶炼中的重要性，知道金属共同的物理性质，通过实验探究金属主要的化学性质，了解铁生锈和防锈的常用方法，了解废弃金属对环境的影响及金属回收再利用的价值［8］。

项目的内容和任务主要包括：引导学生调查生活中金属的回收利用情况，并以生活中常见的“废铁”为研究对象，讨论具体可行的回收方案。学生调用化学知识、思维能力和实践能力，探索化学工艺的理论和实践要点，对废铁片进行初步处理并制成真实可用的金属书签。

项目产品与学生的学习生活密切相关，学生经历运用化学知识和工程技术方法变废为宝的过程，有助于进一步认识金属回收利用的价值。

2 学情分析

在初三复习阶段，学生已经学习过金属的冶炼、性质、金属的活动性和防护等相关知识［9］，也初步具备设计实验进行探究的能力。但大多数学生对物质的认识还只局限在相对孤立的水平，需进一步培养他们综合利用物质性质、反应类型、多角度论证、设计和实施方案的能力，用于分析解决与化学相关的实际问题。

3 学习目标

（1） 运用网络查询、信息加工、社会调查等手段，了解常见金属的冶炼和回收利用方法，能从跨学科的角度初步分析和解决简单的开放性的问题，逐步形成自主、合作的探究能力。

（2） 合作完成金属除锈、刻蚀等化学实验，学会合理选用化学品，初步学会调控化学反应，能基于实验事实或证据从宏观-微观-符号相结合的视角分析物质及其变化，归纳铁及其化合物的相关性质，形成研究物质性质的基本思路和方法。

（3） 经历金属材料的保护、废金属的回收和废液处理的探究过程，锻炼运用简单的技术与工程方法制作产品的能力，树立节约资源、保护环境的意识，增强为推进社会可持续发展而努力学习化学知识的社会责任感。

4 项目任务流程

设计并拟定项目任务及实施流程如图1所示。

5 项目实施过程

5.1 第一课时

5.1.1 任务一：走近废金属的回收利用

［课前任务］教师将学生分组，发布驱动问题：回收利用废弃金属的意义是什么？废弃金属回收利用的现状如何？

学生针对问题，调查生活中金属废弃的情况、回收政策、回收金属类型、回收工艺方法、市场需求以及面临的问题等等，组内交流观点，撰写调查报告。

教师适当补充数据：常见金属的储量、价格、冶炼方法、冶炼能耗及污染物排放情况等数据以便学生理解废金属回收的意义。

［学生活动1］学生分组汇报调查报告，普遍认同回收利用废弃金属能降低生产成本，有利于保护资源和环境，表明现行的回收方法包括冶炼回收、再造回收、加工回收等等。

［教师］废旧金属的回收前景非常乐观。学校化学实验室有一批长期废弃、表面脏污的长条铁片，非常坚硬，难剪成小块用于实验。利用实验室现有条件，怎样对废铁片进行加工回收？

［学生］可以加工改造成一些零件、摆件和金属画作、书签、徽章等工艺品。

［教师］金属书签美观、耐磨、不易变形，观察废铁片（2cm×6cm左右），怎样改造成金属书签？

［学生1］需要对铁片的表面进行处理。通过触摸观察发现，其表面的脏污呈现红棕色且疏松易掉渣，判断是铁锈，应先除锈再进行美化改造。

［学生2］手工雕刻、激光雕刻等技术在校园中难以实现，可以利用化学反应在铁片上面绘制一些图案。

5.1.2 任务二：废弃金属表面预处理

［教师］从铁锈的组成和性质角度出发，小组讨论怎样除去废铁片表面的铁锈？

［学生］由于铁锈比较疏松，可以使用砂纸打磨进行除锈，这种方法有些费力，适用于小面积局部除锈。铁锈是铁与氧气、水反应形成的，主要含有金属氧化物，利用其可以和酸反应的性质，除去大面积的铁锈。

［教师］用酸除锈时，通常需要将金属在稀酸中进行较长时间浸泡，怎样加快除锈速度？

［学生］可以适当提高酸的浓度或者进行加热。

［教师］对，使用高浓度的酸有一定的危险性，8%的稀盐酸和稀硫酸就比较合适。加热也可以加快除锈反应，操作时须注意规范和安全。注意观察铁片酸浸处理前后的变化（液体衬在白纸上或者放在试管里看得更清楚），思考该过程中主要发生什么反应？

［学生活动2］学生分组进行废铁片表面除锈实验并观察分析：铁片表面的红棕色铁锈和蓝黑色的部分都变成了银白色，溶液明显变黄，表明是铁锈溶于酸生成了铁离子。

［教师］为什么铁锈周围蓝黑色的部分也变成了银白色？

［学生］可能是原铁片进行过防锈处理，保护层被盐酸溶解？

［教师］蓝黑色的外层是利用烤蓝防锈工艺在铁表面形成致密的四氧化三铁保护膜，隔绝氧气和水，它也能和酸反应。能否让铁片在氧气中燃烧以使在表面重新形成四氧化三铁保护膜？

［学生］铁片与氧气的接触面积没有铁丝大，不易发生燃烧反应。

［教师］的确，工业上常用的是溶液发蓝法，同学们可以课后阅读学案了解原理。如何保存上一步中处理好的铁片，防止再次生锈？

［学生］刷油保存于密封袋中。

［教师］使用稀硫酸除锈的速度比使用稀盐酸的组慢很多，这可能和什么有关？怎样验证？

［学生］可能和酸中阴离子的种类相关。需设置对照实验，一组用稀盐酸和废铁片反应，另一组改用稀硫酸，比较除锈速度。如果稀硫酸确实比较慢，再向该实验组中加入一些氯化钠固体引入氯离子，观察速率是否加快。

［教师］怎样更快完成，更好地体现对比？

［学生］使用等量的粉末状氧化铁，控制酸的浓度、加热的时间和温度等条件相同，通过观察氧化铁剩余的量或溶液颜色来判断快慢。

［学生活动3］学生进行实验，得出结论：盐酸中的氯离子可加快除锈的速度。

［课后任务］学生分组讨论如何利用化学工艺加工金属片制成书签的方法。

5.2 第二课时

5.2.1 任务三：刻蚀制作金属书签

［学生活动4］学生根据教师提供的化学刻蚀工艺的补充阅读资料，总结制作金属书签的简易流程：金属表面预处理→部分遮盖保护→刻蚀→后处理。

［教师］此前同学们已经对铁片表面完成了预处理，接下来的第二步，怎样对不需要刻蚀的地方进行保护呢？

［学生］可使用涂蜡或油性材料、利用胶带遮盖进行保护等方法。

［教师］在第三步刻蚀步骤中，怎样使铁形成凹凸表面？请在硫酸铜溶液、氯化锌溶液、稀盐酸等化学试剂中进行选择，讨论选择的依据、发生的反应和预期的现象。

［学生］讨论并阐述选择硫酸铜溶液刻蚀的理由：铁比铜活泼，可以从硫酸铜溶液中置换出单质铜，刻蚀处出现红色固体；而铁不能从氯化锌中置换出更活泼的锌。

［教师］哪些微观粒子发生了改变？

［学生］蓝色刻蚀液颜色变浅，析出红色固体，说明铜离子转变为铜原子，与之接触的铁原子变成亚铁离子。

［教师］除锈时，有些同学还看到有气泡发生，溶液呈现黄绿色，那么稀盐酸能否用来刻蚀铁片呢？还有哪些微粒发生了变化？请写出对应的化学方程式，并分析绘制反应后的溶液中所含微粒的图像。

［学生］根据铁和盐酸反应有气泡发生、溶液变绿色的宏观现象，说明可以使用盐酸刻蚀，氢离子和铁原子反应后变成了氢分子和亚铁离子，而氯离子没有改变。

［教师］该转化本质上是一个得失电子的过程。铁原子转移到溶液中后（如图2所示），铁片被刻蚀处会出现什么现象？

［学生］出现凹坑。

［教师］除以上两种方案之外，还可以利用除锈步骤中的废液来刻蚀。

（展示工业刻蚀电路板资料：Cu+2FeCl3＝CuCl2+2FeCl2， Fe+2FeCl3＝3FeCl2）

［总结归纳］试剂选择方案一：铁片+稀盐酸

方案二：铁片+硫酸铜溶液

方案三：铁片+氯化铁溶液）

［仪器用品］教师提供浓盐酸和水的体积比为1∶4和1∶10的稀盐酸、不同浓度的硫酸铜溶液（加稀酸调节pH=5）和氯化铁溶液，学生自主探究浓度和效果的关系。

为学生提供遮盖保护用品：花式打孔器和剪刀用于裁剪电工黑胶带，粘贴进行保护。提供油性马克笔用于绘画书写，刻蚀完成后用酒精湿巾擦去油墨保护层。

［学生活动5］学生设计图案并对除锈后的铁片进行局部遮盖保护、滴液涂抹刻蚀、清洗并擦干。

学生得出结论：使用1%的硫酸铜溶液刻蚀铁片，紫红色镀层虽出现较慢，但附着牢固；使用氯化铁溶液刻蚀铁片凹坑很明显。

5.2.2 任务四：实验后处理

［教师］金属书签在后续使用时需要注意什么？

［学生］注意保持洁净干燥，还可以贴一层透明保护膜防锈、防划伤书本。（贴膜装穗并小组展示成品，如图3所示）

［教师］怎样处理实验产生的废液？请根据表1提供的2022年江苏省《电镀行业主要污染物排放标准》进行思考。

［学生］废液中含有稀盐酸、氯化铁、氯化亚铁、硫酸铜等物质需要处理。首先需要中和处理大量的酸。大量的铁离子和铜离子可以用活泼金属置换，也可以加入碱液，转化为沉淀分离出来，回收再利用，尽量减少化学工艺对环境造成污染。

［教师］把本项目涉及的含铁物质按照一定的规律整理，可得到一张铁的“价类二维图”［如图4（右）所示］，这个工具可以帮助我们系统地梳理物质的转化关系，请同学们课后完成细节的绘制。在制作金属书签的项目中，同学们利用所学知识将废弃金属转化成了有用的产品，体会到每一条成熟的化学工艺路线的形成都要经历原理探析、条件优化、操作控制、安全把控等实践过程，课后请同学们尝试以废铜片、锌片等原料制作书签。请同学们留心生活，发现更多化学刻蚀工艺的运用场景；查阅资料，设计更多废金属的加工回收方案，利用化学知识把我们的生活变得更加美好！

6 教学效果和展望

学生在完成“走近废金属的回收利用”项目任务时，能够积极查阅信息、提升团队合作与沟通表达能力；在选择合适的除锈方案、刻蚀液种类和浓度以实现快速、强力的刻蚀等实验探究中，充分运用分析、归纳、比较、解释、应用等学科思维；在防锈、废液处理等实验后处理的项目任务中，学生形成了利用化学知识保护资源和环境的意识、增强了社会责任感。项目要求学生构建一张“含铁物质的价类二维图”用于概括总结铁及其化合物的转化关系，为学生今后系统学习其他元素化合物打下了基础。

从教学效果看，学生的兴趣和专注度明显好于传统复习课，后续一些学生还进行了家庭回收利用废金属的研究，如图5所示的部分生活作品中，把易拉罐做成小夜灯（图5左）、利用铝箔处理发黑的银饰（图5中、右）、把茶叶盒做成收纳罐等等。此外，笔者在高中段任教时，一些初中阶段参与过该项目的学生在学习必修1金属相关章节时，仍能主动与本项目的学习成果进行联系。

在本项目实施过程中，教师对评价量规工具的使用还不够熟练，在项目的管理方面还比较生疏。所幸随着项目化工具和支架的丰富——如项目化设计工具［10］、评价工具［11］、项目搭建及管理平台（如苏州工业园区的易加学院）等等，有助于新手教师快速熟悉项目式学习的教学模式。相信未来基于真实情境的项目化的学习会让复习课变得更加“食之有味”，带给学生更多有意义的学习。

参考文献：

［1］［8］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022： 3.

［2］夏雪梅. 项目化学习设计： 学习素养视角下的国际与本土实践［M］. 北京： 教育科学出版社， 2018： 8.

［3］王磊. 项目学习实验教材化学［M］. 太原： 山西教育出版社， 2018： 2.

［4］王磊主编. 普通高中教科书·化学必修·第一册［M］. 济南： 山东科学技术出版社， 2019： 32.

［5］Morales T M， Bang E J， Andre T. A One－year Case Study： Understanding the Rich Potential of Project－based Learning in a Virtual Reality Class for High School Students ［J］. Journal of Science Education & Technology， 2013， 22（5）： 791～806.

［6］杨玉琴， 王祖浩. 教学情境的本真意蕴——基于化学课堂教学案例的分析与思考［J］. 化学教育， 2011， 32（10）： 30～33.

［7］李学玲， 杨玉琴， 周志源. 基于真实情境的任务驱动式学习设计——高铁建设中金属材料的选择［J］. 化学教学， 2021， （11）： 6.

［9］王祖浩主编. 义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2013： 113.

［10］夏雪梅. 项目化学习工具： 66个工具的实践手册［M］. 北京： 教育科学出版社， 2022： 2.

［11］陈素平. 让评价支持和促进学习——美国STEM项目学习评价的特点与启示［J］. 上海教育科研， 2020， （4）： 5.