吴风琴
（江苏省华罗庚中学 江苏常州 213299）
《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》中明确指出：开展“素养为本”的课堂教学，教师要进一步增进化学学科理解。化学学科理解是指教师对化学学科知识、思维方式的一种本原性、结构化的认识。［1］科学经验传递理论认为：科学教育的过程就是将人类已获得的经验传递给学生，学生通过消化吸收后内化为自己的经验。从人类已有的科学经验这个起点到学生习得经验为终点，需要经过课程化、教材化、教师化、学生化四个阶段。教师化过程包含内化、转化和外化三个环节，其过程如图1所示。［2］
图1 教师化过程
教师应从学科视角提升学科理解，基于课程标准精选教学内容，科学设计教学过程，引导学生建构具有化学特质的思维模型，开展以实验为主的多种探究活动，指向问题解决，最终达成学科育人的价值目标。
“从海水中提取镁”，位于苏教版《普通高中教科书（化学必修第一册）》专题3“从海水中获得的化学物质”中的第三单元，而人教版和鲁科版教材都没有此内容。苏教版教材以海水资源的综合利用为背景，以“工业生产—性质探究—社会应用”为主线，将化学学科知识的学习置于真实的工业生产背景下开展，学生在获取学科知识和习得基础实验技能的同时，形成合理利用自然资源的观念，提升可持续发展的意识，从而对化学学科价值有全新的认识。“海洋化学资源的综合利用”共有4个内容：粗盐提纯、从海水中提取溴、从海水中提取镁和从海带中提取碘，前3个内容是从海水中提取物质。笔者在实际教学中，调整教材学习顺序，先学习溴、碘的提取，最后学习镁的提取。通过从海水提取氯、溴、碘的学习，学生初步掌握了物质提取的基本原理和方法；
通过氯和钠的学习，学生基本掌握了物质分类、氧化还原反应、离子反应等基本概念。但学生在面对真实情境时，缺乏认识具体物质及其转化规律的切入点，也没有形成认识物质性质及转化的路径。这就需要教师适时引导，激活学生已有的知识和经验（如初中已学的金属制备方法），使问题直观化，降低学生的认知难度。
化学学科理解的本原性方式，要求教师对化学知识进行本原性思考，凝练学科本原性问题；
化学学科理解的结构化方式，要求教师抽提出认识视角和认识思路，建构关联性的知识体系，形成有机的整体。基于化学学科理解的“从海水中提取镁”一课的教学内容如图2所示。
图2 基于化学学科理解的“从海水中提取镁”一课的教学内容
以“素养为本”的化学课堂教学设计，应注重基于化学课堂教学板块和化学学习任务的设计。［3］基于学科理解的教学板块及学习任务的设计能驱动学生的深度思考，帮助学生构建完整的知识框架，学生在任务解决中深刻理解和掌握核心概念以及学科知识，实现知识的结构化、功能化、素养化。本节课通过展示镁在航天、生活中的应用，引发3个问题的思考：如何从海水和矿物中提取单质镁？镁及其化合物具有怎样的物理和化学性质？如何构建从自然界中提取化学物质的思维模型？本节课沿着科学家的脚步探寻镁的前世、今生、未来，认识镁的性质，其中每个板块又由若干个学习任务组成。教学板块、教学任务和教学目标的关系见图3。
图3 教学板块、教学任务和教学目标的关系
1.创设情境，引入新课
【教师活动】展示镁合金实物。展示镁合金在日常生活以及航天领域应用的图片。
【学生活动】触摸实物。感受镁在航空以及生活中的应用，进行讨论、交流。
设计意图：从新闻事件中感知镁的相关应用，让学生感悟“为什么要制备镁？”凸显“从生活走进化学”的学科视角。
2.追寻历史，感受镁提取过程的曲折
【教师活动】化学史话：（1）1808年，英国化学家戴维电解汞和氧化镁的混合物，得到镁汞齐，将镁汞齐中的汞蒸馏后，得到了银白色的金属镁。（2）1828 年，法国科学家布西用金属钾和熔融无水氯化镁发生置换反应，制取了大量的金属镁。（3）二战时期，对镁合金的需求量急剧增加（航天、火炬以及照明弹），欧洲曾有四个工厂，采用碳热还原工艺炼制镁，但二战后都倒闭了。
提问：由镁的制备史分析，前人制镁的过程中蕴含了哪些化学原理？
【学生活动】讨论交流每种制备方法的利弊，分析总结制备金属的方法。
设计意图：通过概括、关联等活动，比较不同的金属制备方案并分析金属冶炼的共性，引导学生概括将金属由化合态转变成游离态的思路，凸显氧化还原反应理论在金属制备中的应用。
3.走进现代制镁工艺，感知含镁化合物的性质
【教师活动】展示数据：海水中镁的总量（1.8×1015t），常见镁的化合物的溶解度如表1所示。
表1 常见镁的化合物的溶解度（g）
【问题1】从易分离的角度思考如何将镁从海水中提取出来？
【学生活动】分析讨论，依据物质分离提纯的“四原则”，可以加入碱使Mg2＋转化为Mg（OH）2沉淀。
【教师活动】展示海水中含有的主要离子的浓度（见表2）。
表2 海水中主要离子的浓度（mol/L）
【问题2】海水中c（Mg2+）=0.054 mol/L，在海水中加沉淀剂能否有沉淀？为什么？
【分组实验】将模拟海水［c（Mg2+）=0.053 mol/L］、模拟晒盐后的母液［c（Mg2+）=3 mol/L］分别与NaOH溶液以及澄清石灰水反应。
【学生活动】学生两人一组，分工合作，观察实验现象，对比发现向模拟海水中加入碱（不管是NaOH溶液还是澄清石灰水）无沉淀生成，而向模拟晒盐后的母液中加入一定浓度的NaOH溶液则有沉淀生成。说明当离子浓度太小时产生的沉淀量少，在实际工业生产中必须对原料进行富集。
【教师活动】展示数据：2020 年的常见碱的价格（见表3）。
表3 常见碱的价格（元/吨）
【问题3】从原料来源以及节约成本的角度，应选择何种沉淀剂？这种沉淀剂可以通过怎样的化学反应获得？
【学生活动】从生产成本和生产效率两个角度评价，选择使用石灰乳沉淀Mg2+。
设计意图：通过实验对比，让学生感知“富集”的概念，逐步形成“原料分离提纯、产品富集精制、条件控制”等技术思想，帮助学生树立经济效益以及海洋资源综合利用的意识，复习并巩固分离与提纯等实验方法。
【教师活动】展示数据：常见镁的化合物的熔点（见表4）。
表4 常见镁的化合物的熔点（℃）
【问题4】如何实现Mg（OH）2到Mg的转化？
【学生活动】讨论、总结制备Mg的可能途径，并在讨论中分析各种方法的利弊。
【问题5】选择电解氯化镁溶液制镁，还是电解熔融氯化镁制镁，为什么？
【实验探究】Mg与水的反应
【学生活动】得出结论：镁能与热水反应。联系钠的制备原理，得出选择电解熔融氯化镁制备镁的结论。
【问题6】电解的副产物氯气有什么用途？从产业链考虑，可以在电解厂的旁边再建什么工厂？
【学生活动】绘制从海水中提取镁的流程图，思考用氯气制备HCl，HCl再与Mg（OH）2反应生成MgCl2。
设计意图：该环节讨论将镁的化合物转化为单质镁，培养学生分析与解决问题的能力。绘制“海水→Mg2+→Mg”流程，将学生的思维外显，在问题探讨中凸显循环使用、绿色化学等思想。
4.展示我国制镁工艺（图4），创设陌生情境，培养演绎推理能力
【教师活动】展示中国的菱镁矿、白云石矿的储量信息。中国目前主要以皮江法冶炼镁，皮江法冶炼镁的工艺流程如图4所示。
图4 皮江法冶炼镁的流程
【问题7】找出皮江法冶炼镁工艺流程中的关键词。
【问题8】还原（温度为1200℃）后的镁蒸气（沸点为1090℃）可以用什么气体冷却？
【实验演示】Mg与CO2的反应（用雪碧摇晃产生的CO2代替现场制备）
【学生活动】分析流程图中的各步骤。“粉碎”“磨粉”“压团”是工艺术语，代表物理过程；
“煅烧”“还原”为化学过程；
“高温”“抽真空”是条件控制。
设计意图：创设真实复杂的问题情境，学生在寻找关键词的过程中感受制镁技术。“高温”“抽真空”等条件映射出镁及其化合物的性质，冷凝气体的选择及实验验证培养了学生证据演绎、推理的能力。
5.分析目前制备的缺点，展望未来镁的前景
【教师活动】在生产实际中镁的应用不如铝，请分析原因。
【学生活动】①镁在地壳中的含量低于铝；
②制备镁的能耗高，且有大量的温室气体排出；
③镁的性质比铝活泼，耐腐蚀性差。
设计意图：在综合评价分析金属镁的制备、用途的活动中，开展生生评价，拓宽学生视野，有利于学生高阶思维的发展和化学价值观的建构。
1.以“物质转化”为载体，抽提认识视角
从海水中提取镁的过程是化学物质转化的过程：（1）将镁的化合物从海水中分离出来；
（2）将镁的化合物转化为单质镁。在两个主要学习任务的驱动下，通过实验，使学生从微粒观的视角理解Mg2+富集的本质，进行绘制流程图、书写离子方程式等一系列活动，抽提出从物质类别和元素价态视角认识镁的性质和制备。不仅凸显了“宏观—微观—符号”的思维路径，还引导学生建立起“结构与性质”之间的关联。
2.以“问题链”引导学生构建认识思路
高质量且有逻辑性的问题是思维的源泉和动力，它能保证学生始终参与到深层次的认知活动之中。本节课设计了8 个问题，围绕化学观念的建构而展开，学生在问题解决的过程中感悟到科学思维建构的过程，加深对化学问题的本原性和结构性的理解，并建构实现物质转化的一般思路以及制备活泼金属的一般理论模型：“为什么要提取镁？从哪里提取镁？从混合物中如何分离得到镁的化合物？如何将镁的化合物转化为镁单质？”学生在自我建构的过程中，形成了超越事实的思维以及对学科的深层理解。
3.在理性思维中增进对化学学科的理解
“素养为本”的课堂倡导通过任务驱动、问题解决、具身学习等启发学生的高阶思维，引导学生自主建构对化学知识及基本观念的理解。但并非所有的问题都能达到启发学生、调动学生学习积极性的目的，不同水平层次的问题所引起的学生思维参与程度是不同的，在促进学生对知识理解方面的作用也不相同。［4］本节课提出的问题具有思维容量，同时兼具开放性，在问题解决过程中需要用比较、关联、分析、类比、推理等理性思维。例如：化学史话中关于几种炼镁方法利弊的讨论，学生在原理分析、金属价格及能耗等数据比较中的综合评判，不仅提升了基于数据的推理能力，还渗透了绿色化学的思想。在问题“海水中加沉淀剂是否有沉淀？”的解决过程中，通过几组对照实验渗透了条件调控、成本控制等基本观念。学生的化学学科理解在基于数据、实验证据的推理中得以增进，突出了观念建构中的“理性思维”，还原了化学学科的本质特征。
