核心素养下高中化学PBL 教学模式建构与实践

建构主义理论认为，学生应在真实问题中主动建构知识；情境学习理论进一步指出，知识迁移依赖于社会化的实践参与。PBL 模式以复杂问题为驱动，借助协作探究促进高阶思维发展，其核心优势包括： ① 以跨学科情境任务整合知识； ② 通过实验设计与工程实践提升科学探究能力； ③ 在解决社会性问题的过程中强化社会责任与价值认同。

本研究以“铁及其化合物”为载体，围绕“轧钢厂酸洗废水处理”这一工业实境，设计了包含废水成分解析、污染物定量检测和生态净化三阶段的PBL 教学项目。项目整合了铁元素价态转化、氧化还原反应及定量分析等核心知识，引导学生构建铁系物质价类二维转化模型，强化元素观与变化观。通过实验设计与证据推理，培养学生的科学探究与模型认知能力。借助“变废为宝”的工程实践，帮助学生体认绿色化学理念，在真实情境中提升科学探究能力与社会责任感，实现知识迁移与价值认同的融合进阶。

1 PBL 项目学习目标

（1）工业情境分析：通过解析轧钢厂酸洗车间铁屑表面氧化层的形成机制及酸洗工艺流程，系统建构铁单质、氧化物及对应离子的转化网络，建立铁系价类二维图分析金属及其化合物性质。

（2）实验探究进阶：开展酸洗废液的成分检测与含量测定，在实验方案设计与现象解释中发展证据推理能力。

（3）工程思维培养：基于绿色化学理念，设计酸洗废液中金属资源的回收利用方案，通过工艺流程设计、环境评估等环节，提升学生基于证据推理解决复杂问题的科学思维。

2 PBL 项目实施教学过程

[情境引入·工业问题具象化]

某轧钢厂热轧钢板在冷却过程中表面形成致密氧化层（主要成分为FeO、Fe₃ 0₄ ₄、Fe₂ 0₃ ₃的混合相），需采用 10%-20% 稀硫酸进行酸洗处理以恢复金属光泽。每处理1 吨钢材约产生 0.8m³ 酸性废水，其中 pH 值低于 2.5

[驱动性任务·工程伦理渗透]

（1）根据《GB 8978-1996 污水综合排放标准》，酸性废水需满足 pH 6-9、总铁浓度 <10mg/L 方可排放。当前酸洗废水是否达标？

（2）从绿色化学视角设计酸性废水综合治理方案，要求实现资源化利用。

2.1 酸洗废水成分解析

[教师引导]化学反应建模：请建立 FeO/Fe₃ ₃ Δ₀₄ /Fe₂ 0₃ ₃与 H₂ ₂ SO₄ 反应的离子方程式。综合反应产物分析酸洗废水的主要溶质成分及存在形态。

[学生活动]为验证铁元素的价态分布，分组设计实验方案，通过阶梯式试剂组合完成多重验证。

核心试剂：KSCN 溶液、铁氰化钾溶液、酸性 KMnO4 溶液

设计意图：本设计以工业酸洗废水处理为情境，构建“问题导向-实验探究-方案设计”的 PBL 教学模式。以“铁元素价态验证”为探究核心，通过阶梯式试剂引导学生建立“显色反应 + 氧化还原滴定”双重验证方法，强化“现象→本质”的推理逻辑。实验设计融合“宏观辨识、微观探析、符号表征”三重表征，促进学生从定性到定量的认知进阶，为后续定量检测任务奠基。

2.2 酸洗废水定量检测

[资料卡]浙江省地方酸洗废液总铁元素的一级排放限值不大于 3.0mg/L

[教师引导]根据排放标准，需要测定废水中总铁浓度。现有两种思路：① 分别测定 Fe2+ 和 Fe3+ 后加和； ② 将不同价态铁统一转化为单一价态测定。哪种方案更符合工业检测的实际需求？

[学生观点碰撞]

观点 1：应选择转化法。分步测定操作繁琐，且 Fe2+ 易被空气氧化导致误差。

观点2：但转化过程中可能引入新离子干扰，需要找到专一性还原剂。

[教师追问]若采用转化法，哪些还原剂可将 Fe3+ 完全还原为 Fe2+？ ？请 从可行性、干扰因素、成本三个维度评估。

[学生讨论及结果汇总]

[实验方案设计]以流程图形式设计实验方案，通过所给数据结合反应原理算出总铁元素浓度。

[教师评价]通过方案的提出、评估、优化，最终我们得到了科学合理的可行性实验方案。通过数据计算，若结果没有达到国家的排放标准，该如何处理呢？

设计意图：本教学设计以"酸洗废水定量检测"为情境，构建问题链驱动探究学习。从“还原剂残留 $$ 副反应路径 $$ 最终误差”建立误差预判模型，发展证据推理与模型认知；引导学生经历"发现问题-方案设计-误差分析-实际应用"完整探究过程，将氧化还原反应、定量测定等理论转化为解决环境问题的实践能力，促进学科知识与社会责任意识深度融合。

2.3 酸洗废水生态净化

[学生活动]工业上常将酸洗废液中铁元素转化成沉淀析出并调节 pH 以达到排放标准，请小组内讨论，书写相应的转化流程图。

[教师提问]在对酸洗废水处理时，试剂的正确添加顺序是什么？试说明理由。

[学生观点]选择先氧化、后加碱液更合适，根据资料卡所给信息，Fe（OH）3 的溶解度远小于 Fe（OH）2 ，且在酸性条件下就能沉淀完全，若转化成 Fe（OH）2 沉淀，则溶液的 pH 会超过国家废水的排放标准。

[拓展视野]工业上通过资源化处理技术，常将酸洗废水转化成铁系颜料或铁系净水剂，实现了“变废为宝”的绿色循环。这种“以废治废”的工艺，生动诠释了循环经济和绿色化学的理念。

设计意图：本工艺流程设计以“酸洗废水生态净化”为实践背景，引导学生基于金属化合物性质展开探究。通过对比资料卡中两种沉淀的 pH 要求分析为何优先生成 Fe（OH）₃ ，理解控制反应条件的重要性；通过设计“氧化-调节 pH⋅ -沉淀分离”的分步操作，让学生体会工业生产中试剂添加顺序的科学依据，培养实验探究思维；再将生成的铁沉淀与资源化利用结合，通过“制作颜料”“制备聚合硫酸铁净水剂”等案例，最终帮助学生构建“基础理论-工艺设计-社会效益”的认知体系，为后续学习选修课程打下基础。

3 PBL 项目教学反思

上述案例通过构建轧钢厂酸洗废水处理工程，紧密衔接高一学生认知水平与学核心素养培养，实践成效与改进方向如下：

（1）知识建构梯度化：通过层次化任务，将铁化合物性质、氧化还原反应、定量计算等知识模块有机串联。针对学生刚接触金属化合物的学情，采用“价类二维模型”可视化呈现 Fe2+/Fe3+ 转化路径，降低多价态分析难度，符合“现象→本质”的认知规律。

（2）探究思维社会化：在定量检测环节，设置“还原剂选择辩论”“pH调控策略对比”等活动，强化证据推理能力。学生通过分析Fe、Zn、Cu等还原剂对总铁含量的干扰，理解工业流程中试剂选择的严谨性，深化“学科社会价值”认知。

（3）工程思维具象化：通过制备净水剂、铁红颜料合成等拓展任务，将理论与生活应用结合。但部分学生在工艺流程设计中仍存在“步骤逻辑不清”“成本分析缺失”问题，后续可借助数据可视化工具降低抽象度。

总体而言，本案例以真实问题驱动知识迁移，在“实验探究-工艺设计-社会评估”中实现素养进阶。未来可加强跨学科融合，拓宽绿色化学认知维度，助力学生形成系统性生态治理观。