羅 睿

一、研究背景

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)(project based learning),是一種以學(xué)生為中心的動(dòng)態(tài)式學(xué)習(xí)方法,以學(xué)生的興趣及需要作為基礎(chǔ),把有目的的活動(dòng)作為核心及學(xué)習(xí)的依據(jù),使學(xué)生能夠基于腦海中已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),主動(dòng)去構(gòu)建知識(shí)及制訂相應(yīng)的學(xué)習(xí)計(jì)劃,并通過實(shí)踐來解決實(shí)際中的問題[1]。在這個(gè)過程中,學(xué)生能夠掌握所需的知識(shí)和技能。最終能夠以產(chǎn)品形式呈現(xiàn),在整個(gè)參與過程中學(xué)生能夠逐漸建構(gòu)自己的知識(shí)體系、掌握必備技能、實(shí)現(xiàn)綜合發(fā)展的教學(xué)模式[2]。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版) 》 倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè),提倡基于綜合問題解決的主題式教學(xué)[3],胡紅杏認(rèn)為“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)讓內(nèi)容易習(xí)得,讓思維具有可見性,促進(jìn)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí),有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性,有利于批判思維與創(chuàng)新思維的培養(yǎng),有助于學(xué)生科學(xué)精神和人文精神的養(yǎng)成,有助于發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)和學(xué)科能力”[4]?；瘜W(xué)學(xué)科是基礎(chǔ)科學(xué)當(dāng)中最重要的一門學(xué)科之一,是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),并與物理學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科相互滲透、相互推動(dòng)發(fā)展。教師可以通過各種教學(xué)模式提高學(xué)生的參與性及學(xué)習(xí)興趣,從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生解決問題的能力的培養(yǎng)。本文以從銅礦石到景泰藍(lán)作為情境來進(jìn)行項(xiàng)目式探究學(xué)習(xí)。

二、研究過程

從銅礦石到景泰藍(lán)工藝品的工藝流程是這樣的:先將從自然界得到的黃銅礦,用氯化物溶液浸潤(rùn)溶解,得到主要成分為氯化銅和氯化鈉的浸出液;浸出液經(jīng)電解能夠得到粗銅;粗銅再經(jīng)電解精煉能夠得到精銅,精銅經(jīng)過工藝處理得到紫銅。將紫銅做成不同形狀的胎體后,再經(jīng)過掐絲、點(diǎn)藍(lán)、燒藍(lán)、磨光處理,最后再經(jīng)過鍍金工藝,一件美麗的景泰藍(lán)工藝品就制作完成了。這里涉及電解、電解精煉和電鍍,這和新教材化學(xué)選擇性必修1 第四章第二節(jié)“電解池”的教學(xué)目標(biāo)相契合,可將此項(xiàng)目式學(xué)習(xí)分為兩課時(shí)完成,第一課時(shí)為“構(gòu)建電解原理模型”,第二課時(shí)為“解決電解原理如何應(yīng)用的問題”。

(一) 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中關(guān)于電解原理模型的構(gòu)建

我們先來看第一課時(shí)如何展開,教師展示景泰藍(lán)美麗圖片,介紹景泰藍(lán)制作工藝是我國(guó)首批國(guó)家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄中一顆璀璨的明星,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,簡(jiǎn)要介紹工藝流程,然后帶領(lǐng)學(xué)生一起探秘。再來看一下研究的起點(diǎn),這個(gè)浸出液中主要的成分有氯化銅和氯化鈉,是個(gè)復(fù)雜的混合體系。為了更好地研究電解基本原理,我們采用化繁為簡(jiǎn)的拆分方式,將本節(jié)課任務(wù)拆分為三個(gè)子任務(wù),子任務(wù)一:探究電解氯化銅溶液的基本原理;子任務(wù)二:探究電解氯化鈉溶液的基本原理;子任務(wù)三:分析電解氯化銅和氯化鈉的混合溶液。先來看如何完成子任務(wù)一的教學(xué):提到電解,學(xué)生可能會(huì)想到初中學(xué)過的電解水,其裝置示意圖主要包括外接直流電源、導(dǎo)線、兩個(gè)電極和被電解的物質(zhì)水四部分。將該裝置中的水換成氯化銅溶液,應(yīng)該即可實(shí)現(xiàn)電解氯化銅溶液。歸納一下,也就是說電解裝置的基本構(gòu)成包括直流電源、電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體三部分。其中,與直流電源正極相連的,我們把它叫作陽極。與直流電源負(fù)極相連的,我們把它叫作陰極。接下來教師演示電解氯化銅溶液實(shí)驗(yàn),學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,看完實(shí)驗(yàn),請(qǐng)學(xué)生思考“電解氯化銅溶液,生成銅和氯氣的原理是什么”宏觀上,我們看到的現(xiàn)象是陰極出現(xiàn)了暗紅色固體,陽極出現(xiàn)了大量氣體。由此可以推測(cè)銅離子在陰極得電子,被還原出銅;氯離子在陽極失電子,被氧化為氯氣。而學(xué)生已經(jīng)學(xué)過,在通電前,微觀上,氯化銅溶液中有大量的銅離子和氯離子在無序運(yùn)動(dòng)。我們用化學(xué)符號(hào)來表示其中的過程應(yīng)該是這樣的:通電前,氯化銅這種鹽完全電離成銅離子和氯離子。在學(xué)習(xí)過電解水和弱電解質(zhì)電離后,學(xué)生也會(huì)想到水也有極微弱電離,溶液中還有極少量的氫離子和氫氧根離子。那么,在通電時(shí),向陰極遷移的是帶正電的銅離子和氫離子,向陽極遷移的是帶負(fù)電的氯離子和氫氧根離子。實(shí)驗(yàn)通電時(shí),銅離子帶正電被陰極吸引,向電解池陰極移動(dòng)得到電子生成銅;氯離子帶負(fù)電被陽極吸引,向電解池陽極移動(dòng),失去電子生成氯氣。在此實(shí)驗(yàn)條件下,陰極粒子的放電順序是銅離子優(yōu)先于氫離子得到電子,即銅離子的氧化性強(qiáng)于氫離子,優(yōu)先發(fā)生了還原反應(yīng)。同理,在此實(shí)驗(yàn)條件下,陽極粒子的放電順序是:氯離子優(yōu)先于氫氧根失去電子,即氯離子的還原性強(qiáng)于氫氧根離子,發(fā)生了氧化反應(yīng)。因而電解氯化銅溶液的總反應(yīng)就是:氯化銅電解得到銅和氯氣。學(xué)生都知道,氯化銅是不會(huì)自發(fā)分解成銅和氯氣的,電解使得這個(gè)非自發(fā)氧化還原反應(yīng)得以發(fā)生。學(xué)習(xí)到此,學(xué)生應(yīng)該更加明確了:這種使電流通過電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì)) 而在陽極、陰極引起氧化還原反應(yīng)的過程叫作電解。將電能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置,叫作電解池。而電解可以看作外接電源提供的電能,借助電解池將還原劑的電子轉(zhuǎn)移給了氧化劑。接下來,請(qǐng)學(xué)生繪制反映電解池工作原理的示意圖。至此,通過設(shè)計(jì)電解氯化銅溶液的實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,逐步引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建電解模型,子任務(wù)一完成。

明確了電解氯化銅溶液的基本原理之后,接下來讓學(xué)生看電解飽和食鹽水會(huì)怎樣的,先請(qǐng)學(xué)生依據(jù)電解的基本原理,預(yù)測(cè)電解飽和食鹽水的產(chǎn)物,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。很多學(xué)生可能是這樣預(yù)測(cè)的:飽和氯化鈉溶液在通電前,溶質(zhì)氯化鈉完全電離成鈉離子和氯離子;水,極微弱的電離成氫離子和氫氧根離子。外接直流電源通電后,鈉離子和氫離子向陰極遷移,氯離子和氫氧根向陽極遷移。那么誰會(huì)優(yōu)先放電呢? 在電解氯化銅溶液中,已經(jīng)看出陽極是氯離子還原性強(qiáng)于氫氧根離子,優(yōu)先失去電子變成氯氣,用濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)氯氣。按照金屬活動(dòng)性順序表推理可知,一般情況下,氫離子的氧化性強(qiáng)于鈉離子。因此,最大的可能就是氫離子優(yōu)先放電,逸出氫氣。而氫離子來源于水,隨著氫離子的放電,勢(shì)必有水繼續(xù)電離,因此,隨著氫氣的產(chǎn)生,溶液中的氫氧根離子濃度應(yīng)該增加。這樣,陰極的總反應(yīng)為水得到電子,生成氫氣和氫氧根離子。產(chǎn)生的氫氣,用點(diǎn)燃的方法檢驗(yàn),生成的堿可以用酚酞溶液來檢驗(yàn)?；陔娊庠淼碾x子遷移和放電順序推理,這個(gè)反應(yīng)的總反應(yīng)可能就會(huì)是:氯化鈉與水在通電條件下得到氫氣、氫氧化鈉和氯氣。實(shí)際上是這樣的嗎? 我們還要用實(shí)驗(yàn)事實(shí)來說話,請(qǐng)學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)視頻?？磥碛秒娊獾幕驹硗茰y(cè)出的電解飽和食鹽水的產(chǎn)物是合理的。請(qǐng)學(xué)生思考:能否用該電解池制備氫氣、氫氧化鈉和氯氣呢? 若不能,該怎樣改進(jìn)裝置呢? 讓學(xué)生再聚焦這個(gè)反應(yīng)的總反應(yīng)方程式,電解氯化鈉溶液,陰極區(qū)域生成氫氣、氫氧化鈉,陽極區(qū)域生成氯氣。再看電解池,會(huì)發(fā)現(xiàn)在這個(gè)電解池里,陰極區(qū)域和陽極區(qū)域是相通的,因而兩極電解所得到的產(chǎn)物可以相互接觸。氯氣和氫氧化鈉有可能繼續(xù)反應(yīng)得到次氯酸鈉、氯化鈉和水,而兩極得到的氫氣和氯氣有可能是混合的。因?yàn)闅錃夂吐葰庠谝欢l件下會(huì)反應(yīng)生成氯化氫氣體,氫氣和氯氣混合容易引起爆炸,這里存在極大的安全隱患。那么,我們?cè)撊绾胃倪M(jìn)裝置呢? 最直接的想法是把電解池陰極區(qū)域和陽極區(qū)域用隔膜隔離開,避免氯氣和氫氣混合、氯氣和氫氧化鈉反應(yīng)?？墒侨绻麅H僅是在中間加入一個(gè)隔膜,以陽極區(qū)為例,氯離子失去電子變成氯氣,原本氯化鈉溶液是電中性的,氯離子變成氯氣逸出后,溶液中的陰離子逐漸減少,即負(fù)電荷減少,導(dǎo)致左邊溶液就呈現(xiàn)了正電性,陰離子就很難繼續(xù)反應(yīng)了。同理,右面如果放出氫氣,溶液就呈現(xiàn)了負(fù)電性,而溶液應(yīng)該是時(shí)刻保持在電中性的。怎么解決這個(gè)問題呢? 所以,在中間加的隔膜既要阻止反應(yīng)產(chǎn)物的接觸,又要想辦法讓相應(yīng)帶電粒子通過,使兩邊的溶液保持電中性,使電解反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。現(xiàn)在的科學(xué)研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法,比如,中間添加陽離子交換膜,允許陽離子通過,不允許陰離子和氣體通過。這樣的話,通電時(shí)氯離子反應(yīng),陽極區(qū)域負(fù)電荷減少,多出的帶正電荷的鈉離子就可以穿過陽離子交換膜,進(jìn)入陰極區(qū),使得兩邊溶液都保持電中性。若是在電解池陰陽極區(qū)域間添加陰離子交換膜,道理是和上面相同的。具體添加何種離子交換膜,視生產(chǎn)目的而定。這樣,電解池的工作原理模型就又有了發(fā)展:外接直流電源,溶液中離子定向移動(dòng),兩極區(qū)域間加裝離子交換膜,相應(yīng)的離子可以選擇性通過交換膜,以保持兩電極區(qū)域電中性,電解反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行。通過構(gòu)建的電解模型,讓學(xué)生預(yù)測(cè)電解飽和食鹽水的產(chǎn)物,之后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)一步強(qiáng)化電解模型,然后再聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn),找出如果利用該電解裝置進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)存在的問題,將電解池工作原理模型再升級(jí)發(fā)展為陰陽兩極間有離子交換膜的模型。這種模型的升級(jí),會(huì)對(duì)未來實(shí)踐具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用,至此子任務(wù)二的教學(xué)完成。

最后是子任務(wù)三的教學(xué):我們分別探究清楚了電解氯化銅溶液和電解飽和氯化鈉溶液的基本原理。那么,如果是電解這兩者的混合溶液,得到粗銅。應(yīng)該是怎樣的原理呢? 把以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)合二為一進(jìn)行考慮,可以發(fā)現(xiàn)用石墨電極、在一定直流電壓下,陰極的放電順序應(yīng)該是——銅離子優(yōu)先于氫離子,氫離子優(yōu)先于鈉離子,而陽極的放電順序是氯離子優(yōu)先于氫氧根離子,這樣在陰極上就可以得到我們想要的銅單質(zhì)。這個(gè)原理,正好符合工業(yè)需求?？墒窃陉枠O上會(huì)生成有毒氣體氯氣,工業(yè)生產(chǎn)中是怎么解決這個(gè)問題的? 這個(gè)問題留到后面第二課時(shí)再進(jìn)行討論。通過以上實(shí)驗(yàn)探究,我們清楚了由黃銅礦浸出液電解得到粗銅的基本原理。第一課時(shí)內(nèi)容全部完成,也從銅礦石得到了粗銅。

(二) 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中關(guān)于電解原理模型的應(yīng)用

第二課時(shí)繼續(xù)探秘如何從粗銅最終得到美麗的景泰藍(lán)。本課時(shí)設(shè)置兩個(gè)子任務(wù),子任務(wù)一:粗銅精煉,讓學(xué)生依據(jù)電解原理選擇電極材料、電解質(zhì)溶液,實(shí)現(xiàn)粗銅精制,我們的銅礦石已轉(zhuǎn)變?yōu)榫~。電解精煉粗銅時(shí),以待精煉的銅做陽極,用硫酸銅溶液做電解質(zhì)溶液,可得含銅量為99.95 %～99.98%的電解銅,即精銅。由于在陽極上溶解的金屬有鐵、鋅、鎳、銅等,而在陰極上只有銅析出,根據(jù)得失電子守恒可知,陽極產(chǎn)生的銅離子數(shù)目和陰極得電子變成單質(zhì)銅的銅離子數(shù)目不相等,所以電解液中銅離子的濃度減小。精銅經(jīng)工藝處理為紫銅,將紫銅做成不同形狀的胎體后,再經(jīng)過掐絲、點(diǎn)藍(lán)、燒藍(lán)、磨光處理后,與景泰藍(lán)工藝品之間只差一步電鍍;接下來完成子任務(wù)二電鍍的教學(xué):如何提高景泰藍(lán)的抗腐蝕能力? 增加表面硬度和美觀? 學(xué)生依據(jù)電鍍的主要目的是選擇電極材料、電解質(zhì)溶液,并比較電解精制和電鍍異同。電鍍時(shí),通常把鍍層金屬做陽極,待鍍金屬制品(鍍件) 做陰極,含鍍層金屬離子的溶液做電鍍液。在直流電源的作用下,陽極金屬失電子,溶解在溶液中成為陽離子,移向陰極,溶液中該金屬離子在陰極獲得電子被還原為金屬[5],覆蓋在鍍件上。至此,從銅礦石到景泰藍(lán)工藝品項(xiàng)目式學(xué)習(xí)全部完成,學(xué)生在探究的過程中培養(yǎng)了科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí),增強(qiáng)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、研究結(jié)論

從銅礦石到景泰藍(lán)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中,學(xué)生的學(xué)習(xí)是通過自己的思考和探究來實(shí)現(xiàn)的[6]。教師通過引導(dǎo)、建議和指導(dǎo)來幫助學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。教師在整個(gè)過程中要及時(shí)肯定學(xué)生、鼓勵(lì)學(xué)生,并且在關(guān)鍵時(shí)刻引導(dǎo)他們對(duì)問題進(jìn)行深度思考。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)代表了教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變,項(xiàng)目式教學(xué)和傳統(tǒng)的以教師為主體的課堂非常不同,它需要教師事先準(zhǔn)備更多的材料來指導(dǎo)各個(gè)小組的學(xué)習(xí)。而在整個(gè)過程中,學(xué)生是主體,通過一次次的真實(shí)體驗(yàn)與參與進(jìn)行深度思考,在深度思考的過程中構(gòu)建模型,理解相關(guān)化學(xué)原理,促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的逐步形成?；瘜W(xué)知識(shí)是需要在真實(shí)的情境中學(xué)生主動(dòng)去獲得,而不是教師灌輸?shù)脕淼?這樣獲得的知識(shí)才是能夠達(dá)到舉一反三目的。