海洋资源的综合利用与制盐-基于真实问题的九年级化学跨学科实践活动设计

海洋资源的综合利用与制盐——基于真实问题的九年级化学跨学科实践活动设计一、教学内容分析  本课隶属《义务教育化学课程标准（2022年版）》“化学与社会·跨学科实践”主题，是“资源跨学科综合利用”学习路径下的关键实践节点。从知识图谱看，它以“粗盐中难溶性杂质的去除”（下册第十一单元）为直接起点，要求学生理解结晶原理，并在此基础上，将视野从单一的“除杂提纯”拓展至宏大的“综合利用”系统，实现了从单一操作到系统工程认知的跃迁。过程方法上，本课是“科学探究与实践”核心素养的典型载体，设计贯穿“问题提出（如何高效、环保地从海水中获取多种资源？）→信息处理与方案设计→模型搭建与模拟实验→评估优化”的完整探究链条，将化学实验探究、技术工程设计与地理、生物、环境等多学科视角下的“系统分析”思想深度融合。其素养价值渗透深刻：在知识建构中，学生将体悟“物质分离与转化”这一核心化学思想在解决真实复杂问题中的威力；在方案设计与评估中，自然孕育“绿色化学”理念与社会责任感；在了解我国海洋资源开发成就与挑战时，厚植家国情怀与可持续发展观。本课的教学重心在于引导学生建立“资源观”和“系统思维”，难点在于如何将跨学科知识有机整合，服务于一个综合性问题的解决方案。  学情研判显示，九年级学生已掌握溶解、过滤、蒸发结晶等基础实验技能，对海水成分有初步了解，具备一定的信息检索和小组协作能力。然而，其认知障碍主要体现在三方面：一是思维易碎片化，难以自发构建从“海水”到“多种产品”的完整工艺流程系统图；二是对“综合利用”中蕴含的“绿色、高效、经济”等多目标协同优化缺乏深刻体验；三是跨学科知识调用能力较弱，如不理解潮汐能、盐田生物系统（卤虫）等与化学工艺的关联价值。基于此，教学调适应采取“支架式”推进：通过提供结构化学习任务单和流程图模板，为思维系统化搭建“脚手架”；通过创设“项目招标会”的驱动情境和多元评价量规，将多目标优化需求外显化、任务化；通过提供精选的跨学科背景资料包，降低信息筛选门槛，引导学生聚焦关联点。在过程评估中，教师需密切关注学生在小组讨论中提出的方案逻辑严密性、在模型制作中体现的工程思维水平，通过巡回指导与关键节点提问，动态识别不同层次学生的理解深度，并给予差异化点拨。二、教学目标  知识目标方面，学生能系统阐述海水淡化（反渗透法）、海水晒盐（蒸发结晶）及从苦卤中提取镁、溴、钾等资源的主要化学原理与核心步骤，辨析蒸馏、膜分离、结晶、化学转化等分离提纯方法在不同情境下的应用选择，并能绘制一份体现物质流与能量流的海水资源综合利用简化工艺流程图。  能力目标聚焦于科学探究与工程实践能力。学生能够以小组为单位，依据资源、环境、经济等多重约束条件，合作设计一份具有一定创新性的海水综合利用简易方案（含流程图与说明）；能够利用简易材料（如塑料瓶、纱布、沙子、活性炭等）搭建一个模拟海水淡化或粗盐提纯的物理模型，并规范操作、记录与解释现象；能够从提供的技术文献或数据中，提取关键信息支撑自己的方案论证，并进行清晰的展示与答辩。  情感态度与价值观目标旨在内化科学态度与社会责任。学生在方案设计与评估辩论中，能自觉考虑能耗、废物排放、经济成本等因素，表现出对“绿色化学”原则和可持续发展理念的认同；在了解我国海洋化工发展成就与“蓝色粮仓”战略时，能产生民族自豪感与资源忧患意识并存的复杂情感，初步树立开发海洋、保护海洋的辩证观念。  科学思维目标着力发展学生的系统思维与模型认知。通过构建“海水资源化”的系统模型，学生能初步运用“输入过程输出反馈”的系统分析方法审视工业生产流程；能理解工艺流程图作为一种模型在简化复杂系统、表达物质转化关系中的重要作用，并尝试运用该模型进行方案设计与交流。  评价与元认知目标关注学生的批判性思维与学习调控能力。学生能够依据教师提供的评价量规（涵盖科学性、创新性、可行性、环保性等维度），对自身及他组的设计方案进行结构化评价，并提出具体改进建议；能在活动后反思本组方案从雏形到成品的迭代过程，总结在信息整合、冲突解决、优化决策方面的经验与教训。三、教学重点与难点  教学重点为：构建海水资源综合利用的系统性认知框架，理解从海水中获取淡水、食盐及多种化工产品（如镁、溴）的基本原理与工艺逻辑关联。确立依据在于，课标在“跨学科实践”主题中强调了对复杂系统中“物质与能量转换”的理解，而“资源综合利用”正是这一思想的核心体现。从学科价值看，它是对“物质分离与转化”知识的整合与升华；从素养立意看，它是培养学生系统思维、工程思维和社会决策能力的绝佳载体。  教学难点为：引导学生进行多目标约束下的方案设计与优化评估。具体表现为，学生需综合运用化学、地理、技术等多学科知识，在“产品纯度”、“能耗”、“成本”、“环境影响”等多个有时相互冲突的目标间进行权衡与决策。预设难点成因有二：一是学生缺乏真实的工程决策经验，容易陷入单一维度（如只追求产品产量）的思维定势；二是评估过程需要高阶的批判性思维和复杂的价值判断。突破方向在于，通过提供真实的案例数据对比和结构化的辩论支架，将隐性的权衡过程显性化、步骤化，降低认知负荷。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含海水综合利用工厂实景视频、主要工艺动画演示）；实物投影仪。1.2实验器材与材料包：海水（或模拟海水）、简易反渗透模型组件（半透膜、注射器）、蒸发皿、酒精灯、三脚架、玻璃棒、过滤装置；方案设计与模型制作材料包（A3白纸、彩笔、塑料瓶、砂石、活性炭、棉花、橡皮泥等）。1.3学习资料：分层学习任务单（基础版/挑战版）；《海水资源综合利用背景资料包》（含文字、数据、图片）；课堂评价量规（小组互评表）。2.学生准备2.1知识预习：复习粗盐提纯步骤；预习课本关于海水淡化及镁的提取相关内容。2.2小组分工：课前完成45人异质分组，明确组长、记录员、发言人、材料员等角色。3.环境布置：教室桌椅调整为小组合作模式；预留作品展示区。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与冲突激发：同学们，我们先来看一段视频。（播放山东某大型海洋化工园区全景及多种产品展示视频）。看，从这看似普通的海水中，竟然能产出淡水、食盐、金属镁、甚至药品原料！但老师这里有个“灵魂拷问”：如果我们要在一个新的海岛建设这样一个综合利用基地，是应该先忙着晒盐，还是先忙着提镁？或者说，怎样才能让海水里的宝贝们“排着队”高效、环保地走出来，而不是互相打架、产生一堆废料呢？这个问题，就是我们今天要挑战的终极任务！1.1核心问题提出与路径规划：我们的核心问题就是——如何设计一个科学、绿色、高效的海水资源综合利用方案？为了解决它，我们需要化身“项目工程师”。第一步，我们要当好“侦察兵”，摸清海水里到底有哪些“宝贝”，以及请回它们各需要什么“法宝”（原理）。第二步，我们要成为“设计师”，把这些“法宝”组合成一条流畅的生产线。第三步，我们还要做“评审官”，用智慧的眼光来评判和完善我们的设计。好，让我们先从回忆“老本行”——从海水中获得食盐开始。第二、新授环节任务一：重温基础——从海水到粗盐的“初提纯”教师活动：首先，引导回顾：“上节课我们学习了粗盐提纯，谁能用最简洁的语言描述关键步骤？”（预计学生回答：溶解、过滤、蒸发）。接着，教师演示模拟海水（含泥沙、色素）的简易净化与蒸发过程，并设问深化：“请看，蒸发后期，我不断搅拌，大家观察到了什么？对，有晶体析出。这利用了什么原理？这就是蒸发结晶。但大家想一想，晒盐场里巨大的盐田，和我们这个小蒸发皿相比，本质上一样吗？对，原理相通，但规模是天壤之别，这就是实验室与工业生产的联系与区别。工业上这叫‘盐田法’，依靠的是什么能量？——太阳能的自然蒸发，这体现了怎样的智慧？”随后，展示盐田图片，引出“苦卤”概念：“蒸发结晶后剩下的母液，就是苦卤，在以前可能被当作废液，但现在，它可是个‘宝藏溶液’！”学生活动：观察教师演示，准确描述实验现象。回答关于结晶原理和能量来源的提问。思考并讨论实验室操作与大规模工业生产在原理一致性与规模、能耗上的差异。理解“苦卤”是后续提取其他资源的原料，而非废物。即时评价标准：1.能否准确运用“蒸发结晶”这一术语解释现象。2.能否指出盐田法利用太阳能所体现的“绿色、节能”思想。3.是否建立起“母液（苦卤）是进一步提取资源的起点”这一关键联系。形成知识、思维、方法清单：★蒸发结晶：利用加热或自然蒸发减少溶剂，使溶解度随温度变化不大的固体溶质析出的方法。这是从海水中获取食盐的核心原理。▲盐田法：大规模应用蒸发结晶的工业生产方式，依赖太阳能，成本低但受气候影响大。★苦卤：晒盐后剩余的母液，富含Mg²⁺、Br⁻、K⁺等，是提取镁、溴、钾等重要资源的主要原料。认知转折点：从“废物”到“资源”。系统思维萌芽：认识到一个工序的产出（食盐）和“废料”（苦卤）是下一个工序的原料。任务二：挑战认知——海水淡化的“魔法”与选择教师活动：提出新需求：“如果我们在一个淡水紧缺的海岛，首先要解决的不是吃盐，而是喝水，怎么办？”展示海水淡化厂图片。“有两种主流‘魔法’：蒸馏法和膜法。谁能根据物理知识猜猜蒸馏法的原理？”简要讲解蒸馏原理及能耗高的缺点。随后，重点介绍反渗透法：“大家玩过‘半透膜’吗？它只让水分子通过，而把盐离子‘拦’在外面。施加一个大于海水渗透压的压力，‘逼着’水分子穿过膜，就得到了淡水。这就像给海水做了一个高精度的‘筛分’。”演示简易反渗透模型。然后，抛出决策性问题：“对于一个能源匮乏但资金充足的地区，你会推荐哪种方法？为什么？这里没有标准答案，但你的理由必须站得住脚。”学生活动：联系物理知识理解蒸馏法。观察反渗透模型演示，理解其“选择性透过”的微观原理。小组讨论两种方法的适用情境，从能耗、成本、技术维护、产水速度等多角度进行比较和初步决策。即时评价标准：1.能否从微观粒子（水分子、离子）角度解释反渗透的原理。2.小组讨论时，能否提出至少两个维度（如经济、技术、环境）来比较不同淡化工艺。3.决策理由是否与其设定的约束条件（如“能源匮乏”）自洽。形成知识、思维、方法清单：★海水淡化：获取淡水资源的途径。▲蒸馏法：利用物质沸点不同进行分离，原理简单但能耗极高。★反渗透法：在外加压力下，溶剂（水）透过半透膜，而溶质被截留的膜分离技术。理解关键在于“选择性透过”和“外加压力克服渗透压”。▲多目标决策思维：技术路线的选择需综合考虑能量消耗、设备成本、维护难度、当地资源条件等多种因素，进行权衡取舍。工程思维渗透：初步体验“在约束条件下寻求最优解”。任务三：揭秘宝藏——从苦卤中提取镁的“变身记”教师活动：聚焦苦卤中的镁：“镁是制造飞机、汽车合金的重要金属。如何把苦卤中的镁离子（Mg²⁺）变成金属镁？这可不是简单蒸发就能做到的，需要一场‘化学变身’。”引导学生书写并分析流程中的核心化学反应：1.向苦卤中加碱（石灰乳）：Mg²⁺+Ca(OH)₂→Mg(OH)₂↓。提问：“为什么选择价廉的石灰乳而不是昂贵的NaOH？对了，考虑成本！而且生成难溶的Mg(OH)₂，实现了第一次分离。”2.加盐酸溶解：Mg(OH)₂+2HCl→MgCl₂。“注意，这里变成了氯化镁溶液，为什么要得到无水氯化镁？”3.电解熔融MgCl₂：MgCl₂(熔融)→Mg+Cl₂↑。强调“电解”是获得活泼金属的终极手段。展示工业流程图，让学生对比自己的推理。学生活动：跟随教师引导，分析每一步转化的目的与化学反应本质。书写关键化学方程式。思考并回答成本选择与最终步骤为何是电解。对比个人推理与工业实际流程，查漏补缺。即时评价标准：1.能否正确书写从Mg²⁺到Mg(OH)₂沉淀，再到MgCl₂溶液的关键反应方程式。2.能否解释在“加碱”步骤选择石灰乳的成本考量。3.能否说出最终获取金属镁必须采用电解法的原因（镁的活泼性）。形成知识、思维、方法清单：★化学转化法提取资源：对于以离子形式存在、不能直接通过物理方法得到的资源（如金属镁），需通过一系列化学反应进行分离和富集。核心反应链：Mg²⁺→Mg(OH)₂（沉淀分离）→MgCl₂（溶解转化）→电解Mg→Mg。▲成本意识：工业生产中试剂的选择（如用石灰乳而非氢氧化钠）必须考虑经济性。★电解的应用：电解熔融氯化镁是获得活泼金属镁的必需步骤，巩固了“活泼金属冶炼”的一般方法认知。任务四：系统整合——绘制“海洋化工厂”的蓝图教师活动：发布核心挑战任务：“现在，请各‘工程团队’整合前面所学的各个模块，为我们虚拟的‘未来海岛资源基地’设计一份综合利用方案蓝图。”提供绘图模板（包含“海水输入”、“产品输出”、“能量输入”、“废料/副产物”等区块）和《背景资料包》（含溴、钾的提取简介、能源选择如风能/潮汐能、环保要求等）。教师巡回指导，提供“脚手架”式提问：“你们的流程起点是什么？是淡化还是晒盐？这个顺序选择会怎样影响后续环节的能耗和物料？”“提取镁之后，剩余的液体如何处理？还能提取其他东西吗？”“你们的能源从哪里来？如何体现绿色？”学生活动：小组合作，充分讨论，确定工艺主线和各工序衔接顺序。查阅资料包，决定是否及如何整合淡化、晒盐、提镁、提溴等工序。共同绘制工艺流程图，并附简要文字说明设计理由，尤其关注物料循环、能量利用和多产品产出。即时评价标准：1.流程图是否体现了物料（海水、苦卤、中间产品）的流动与转化关系。2.设计说明是否考虑了工序间的衔接逻辑与可能产生的副产物。3.方案是否至少尝试在一个环节体现“绿色”或“循环”理念（如能量回收、废物再利用）。形成知识、思维、方法清单：★工艺流程图：表达复杂工业生产过程中物料流向、主要设备与单元操作的模型工具，是工程交流的语言。▲工序优化：不同工序的排列组合（如先淡化后晒盐可降低晒盐能耗，但增加淡化成本）会产生不同的整体效益，需进行系统分析。★绿色化学原则应用：在设计中有意识考虑原子经济性、能源消耗、废物最小化（如氯气的循环利用）。系统思维成型：能够将多个独立的单元操作（物理的、化学的）整合到一个协调运行的系统中，追求整体最优。任务五：模型初建与展示——让方案“看得见”教师活动：邀请12个小组，利用提供的简易材料（如用不同颜色橡皮泥代表不同物质，塑料瓶和纱布代表反应器或过滤器），将他们的流程图中一个关键环节（如“海水预处理”或“粗盐提纯”）搭建出立体物理模型，并进行2分钟展示解说。引导其他学生担任“评审团”：“请大家根据评价量规，重点关注他们的模型能否清晰表达设计意图，操作是否合理。”学生活动：被选中的小组分工合作，快速搭建模型并准备解说词。其他小组认真观察，依据量规思考模型的优缺点。即时评价标准：1.模型能否直观反映其设计方案中的关键结构或过程。2.解说能否清晰地建立模型部件与实际工艺的对应关系。3.“评审团”能否提出基于量规的、具体的评价或疑问。形成知识、思维、方法清单：▲物理模型：将抽象设计方案具象化、实物化的重要手段，有助于检验设计的合理性与可行性。★表达与交流：能够使用模型、语言、图表等多种方式，向他人清晰阐述自己的技术设计思想。批判性思维实践：学习依据明确标准（量规）对他人作品进行客观评价。第三、当堂巩固训练  我们来进行一个“方案诊断与升级”的挑战。请大家看投影上的三个情境化方案片段：基础层：某设计提出“将海水直接电解来制取氢气、氯气和氢氧化钠”。请从化学反应可行性（海水成分复杂性）和经济效益角度，分析这个方案的致命缺陷。（教师点评：想法很‘化学’，但忽略了海水是混合物，电解产物复杂且相互反应，更重要的是，这就像用金矿石直接去打造首饰，太浪费其他成分了！）综合层：一份海岛方案中写道：“先利用潮汐能发电，电力用于海水反渗透淡化，产生的浓海水引入盐田晒盐。”请评价该流程设计的优点，并指出浓海水晒盐相比于普通海水可能带来的一个好处和一个需要关注的问题。（教师组织互评：优点抓得很准：能源绿色、工序联动。好处呢？对，浓海水盐度高，晒盐更快。问题呢？大家想想，浓海水里除了钠离子，其他离子浓度也高了，对盐的纯度会不会有影响？）挑战层：（开放讨论）如果要求你的综合利用基地必须实现“零液体排放”，即所有进入系统的水最终要么成为产品（淡水），要么被回收利用，你的方案需要如何调整？可能会增加哪些单元操作或成本？（教师引导：这是一个世界级难题！‘零排放’意味着最后的‘尾水’也要处理。可能需要更高效的蒸发结晶器，或者引入能吸收剩余离子的特殊工艺，成本和能耗肯定会大幅上升。这就迫使我们思考：环保的极限与经济的平衡点在哪里？）  通过投影展示典型的学生答案，进行即时讲评，重点反馈思维过程而不仅仅是结论。第四、课堂小结  同学们，今天我们进行了一场激动人心的“海洋探宝”之旅。现在，请大家闭上眼睛，在脑海中绘制我们今天构建的知识大厦。第一层基石是什么？是蒸发结晶、膜分离、化学转化这些从海水中取宝的“核心法宝”。第二层结构是什么？是我们用工艺流程图这个强大工具，把这些法宝有序组装起来的“系统工程”。而这座大厦的顶层设计，则是我们始终追求的绿色、高效、可持续的资源利用理念。记住，化学不仅是试管中的变化，更是连接资源、技术、环境与社会的桥梁。今天的作业将延续我们的工程师生涯：必做作业是完善并提交本组的工艺流程图及设计说明；选做作业是撰写一篇短文，探讨“如果未来海水淡化成本极低，盐田晒盐还有存在的必要吗？”，要求有观点、有论据。下节课，我们将举办正式的“项目招标答辩会”，期待大家更精彩的表现！六、作业设计基础性作业（必做）：1.完成学习任务单上的核心知识梳理，包括填写海水晒盐、淡化（反渗透）、提镁的主要步骤与原理关键词。2.绘制一份个人理解的海水资源综合利用简化工艺流程图（至少包含淡水、食盐、金属镁三种产品路径）。拓展性作业（建议完成）：以小组为单位，将课堂设计的方案整理成一份完整的“项目建议书”。格式包括：项目名称、设计理念、工艺流程图（最终版）、各环节简述、本方案主要创新点或绿色亮点。准备下节课的3分钟展示发言。探究性/创造性作业（选做）：任选其一完成：1.调研报告：查阅资料，了解我国“海水提溴”或“海水提钾”的主要技术与产业现状，写一份300字左右的简介。2.创意设计：设计一个可用于科普宣传的“海水资源综合利用”互动小模型或系列漫画脚本，要求通俗易懂且科学准确。七、本节知识清单及拓展★1.海水晒盐（盐田法）：核心原理是蒸发结晶。利用太阳能自然蒸发海水，随着水分减少，氯化钠因溶解度受温度影响较小而优先结晶析出。这是获取食盐最经济、历史最悠久的方法。提示：析出食盐后剩余的溶液称为“苦卤”，是关键副产物。★2.苦卤：晒盐后富含Mg²⁺、Br⁻、K⁺等离子的母液。是提取镁、溴、钾等战略资源的主要原料。认知上需完成从“废物”到“资源宝库”的转变。★3.海水淡化：解决淡水短缺的重要技术。反渗透法是目前主流方法，其原理是在压力驱动下，水分子透过半透膜，而盐离子被截留。理解关键在于“半透膜的选择性”和“外加压力克服渗透压”。▲4.蒸馏法淡化：利用水与盐的沸点差异，通过加热汽化再冷凝获得淡水。原理简单但能耗极高，适用于能源丰富（如有余热）的特殊场合。★5.从海水中提取镁：典型化学转化法案例。流程主线：苦卤（含Mg²⁺）→加石灰乳[Ca(OH)₂]→Mg(OH)₂↓（沉淀分离）→加盐酸→MgCl₂溶液→蒸发结晶得MgCl₂·6H₂O→脱水得无水MgCl₂→电解熔融MgCl₂→得到金属Mg和Cl₂。★6.电解在资源提取中的应用：对于活泼金属（如Na、Mg、Al），工业上均采用电解其熔融氯化物或氧化物的方法制取。这是由金属的强还原性决定的。▲7.工艺流程图：一种用特定图形符号和文字说明来表示生产工艺过程的工程图纸。是理解、设计和交流复杂工业系统的核心工具。阅读和绘制流程图是跨学科工程思维的重要体现。★8.绿色化学原则在综合利用中的体现：包括但不限于：原子经济性（尽可能使原料分子中的原子全部转化为目标产物）；能源节约（利用太阳能晒盐、优先选择低能耗工艺）；废物预防（设计时考虑副产物的循环利用，如提镁流程中产生的氯气可考虑用于生产其他产品）；使用安全试剂（如用石灰乳而非更贵的NaOH沉淀Mg²⁺，也相对更安全）。▲9.系统思维与多目标优化：资源综合利用是一个系统工程，需要综合考虑技术可行性、经济成本、能源消耗、环境影响、社会效益等多个目标。这些目标有时相互矛盾（如高纯度与低能耗），需要根据具体情境进行权衡和优化决策。▲10.海水中的其他宝贵资源：除Na、Mg外，海水还是溴（Br₂）的最大储库（用于阻燃剂、医药），钾（K）的重要来源（用于钾肥）。提取它们通常也涉及复杂的化学转化过程。▲11.潮汐能等海洋可再生能源的关联：在海岛或沿海的综合利用基地设计中，可考虑利用潮汐能、风能为海水淡化和电解等耗能工序提供绿色电力，实现“资源开发”与“清洁能源利用”的协同。★12.我国海洋资源开发：我国是海洋大国，海水淡化、海洋化工（如制盐、提镁、提溴）产业规模居世界前列。了解相关成就，同时认识我国在高端海洋装备、深层海水利用等方面面临的挑战，有助于培养科技兴海的责任感。八、教学反思  （一）目标达成度分析：从课堂小组展示的方案雏形和当堂训练反馈来看，大部分学生能初步构建海水淡化、晒盐、提镁的流程关联，知识目标基本达成。能力目标方面，学生表现出高涨的设计热情，但在方案的系统性和细节严谨性上差异显著，优秀小组已能考虑能量流与物料平衡，而部分小组仍停留在工序的简单罗列，这提示工程思维培养非一日之功。情感与价值观目标在方案辩论环节体现明显，学生们自发地争论“成本”与“环保”谁应优先，这种价值观的碰撞正是素养生长的明证。科学思维与元认知目标的达成，更多依赖于评价环节的深度，本节课因时间所限，学生互评仍显表面化，需在下节课的“项目答辩会”中通过结构化评议表格进行强化。  （二）教学环节有效性评估：导入环节的视频与“灵魂拷问”迅速凝聚了注意力，驱动性问题有效。新授环节的五个任务构成了认知阶梯：任务一至三夯实了“元件”知识，任务四的“系统整合”是能力跃升的关键节点，这里学生的讨论最为激烈，也最需要教师精准的支架。我注意到，提供绘图模板和背景资料包至关重要，避免了学生陷入无从下手的混乱。任