基于“物質(zhì)分離與提純”模型的“水的凈化”教學(xué)研究

劉國豪

摘要：通過模型建構(gòu)的教學(xué)模式，逐步探索“物質(zhì)分離與提純”的一般思路和方法，進(jìn)而在熟悉情境中應(yīng)用模型、修整模型、完善模型，深入挖掘?qū)W科知識背后的核心素養(yǎng)，整合教材內(nèi)容，提供單元主題類教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);模型建構(gòu);物質(zhì)的分離與提純;水的凈化;過濾

文章編號：1008-0546（2022）06-0048-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.010

物質(zhì)的分離與提純是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用的重要的基礎(chǔ)性操作，在化工生產(chǎn)或科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。因此，針對混合物分離與提純的分析與考查具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。在初中階段涉及物質(zhì)分離的方法主要有：蒸發(fā)、過濾、吸附、沉淀、蒸餾、結(jié)晶，由于各版本的初中化學(xué)教材并沒有系統(tǒng)歸納和整理此內(nèi)容，在教學(xué)實(shí)踐中，針對“物質(zhì)的分離與提純”進(jìn)行單元整體教學(xué)分析并建立方法模型解決問題很有必要。

一、問題的提出

本文的研究載體“水的凈化”是初中化學(xué)“身邊的化學(xué)物質(zhì)”中的重要內(nèi)容。在中國知網(wǎng)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于“水的凈化”的教學(xué)研究，主要集中在以下兩個方面：（1）對過濾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)[2-4]。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有操作更加簡便，現(xiàn)象更加明顯，原理更易理解等優(yōu)點(diǎn)，但過濾實(shí)驗(yàn)操作是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生必須掌握的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能[3]，實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)不太適合放在新課教學(xué)中。（2）情境教學(xué)[6-11]。情境教學(xué)增強(qiáng)了化學(xué)知識的趣味性和應(yīng)用性，研究者選取的情境都比較新穎且具有時代性。以“物質(zhì)分離與提純”角度對水的凈化方法進(jìn)行歸納和總結(jié)的教學(xué)研究暫未發(fā)現(xiàn)。基于此，本文采用構(gòu)建模型的教學(xué)模式，以期解決“水的凈化”教學(xué)中所忽視的兩個問題：（1）“物質(zhì)分離與提純”方法模型的構(gòu)建;（2）“物質(zhì)分離與提純”方法模型在具體情境中的實(shí)施與應(yīng)用。

二、教學(xué)問題的分析

1.教學(xué)分析

（1）教材分析

“水的凈化”是人教版初中化學(xué)教材九年級上冊第四單元課題2的內(nèi)容，可解決課題1“愛護(hù)水資源”中水資源不足的實(shí)際問題，同時也為“粗鹽中難溶性雜質(zhì)的去除”實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。凈化水的知識內(nèi)容是去除水中的雜質(zhì)，其核心任務(wù)是對混合物中的成分進(jìn)行分離與提純。查閱人教版初中化學(xué)教材[12-13]中關(guān)于物質(zhì)分離的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)在“水的凈化”之前，已有測量空氣中氧氣含量的演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也有工業(yè)上制取氧氣的相關(guān)知識。同時，“水的凈化”也是冷卻熱飽和溶液結(jié)晶、蒸發(fā)結(jié)晶、粗鹽提純等物質(zhì)分離內(nèi)容的必備基礎(chǔ)（詳見表1）。

“水的凈化”教材內(nèi)容首先對自然界水中的雜質(zhì)進(jìn)行分類，再介紹自來水廠的凈化工藝，接著設(shè)置了過濾的演示實(shí)驗(yàn)，教材內(nèi)容以講述和演示的方式為主，并沒有介紹凈化水的物質(zhì)分離思路。

（2）學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“混合物”“純凈物”等相關(guān)概念，也知道分離物質(zhì)后可以達(dá)到某些實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｈ纾簻y量空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)中，在密閉的集氣瓶中點(diǎn)燃足量的紅磷除去氧氣，待冷卻到室溫后打開密閉體系，讓水倒吸進(jìn)入集氣瓶中，水的體積即是集氣瓶中氧氣的體積;再如：工業(yè)制氧氣中，由于液氮和液氧的沸點(diǎn)不同，將空氣液化以后再蒸發(fā)，可以分離出氧氣和氮?dú)?。但是學(xué)生對物質(zhì)分離的方法仍缺乏獨(dú)立分析能力，凈化水的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作能力也沒有經(jīng)過訓(xùn)練。

（3）教材內(nèi)容的重構(gòu)

基于以上的教材及學(xué)情分析，本文以物質(zhì)分離與提純的方法模型為主線，解決水的凈化的相關(guān)問題，并對教材內(nèi)容進(jìn)行如下重構(gòu)：

①變自然界水的引人為工業(yè)制氧氣引入

不以自然課時為順序進(jìn)行引入，改為由學(xué)科核心知識為順序進(jìn)行引入。由于工業(yè)制氧氣與本節(jié)課凈化水的核心任務(wù)相同，都是物質(zhì)的分離與提純，通過對工業(yè)制氧氣分離原理的復(fù)習(xí)，建立方法模型以解決水的凈化問題，體現(xiàn)單元整體教學(xué)思想。

②變陌生情境為熟悉情境

大多數(shù)學(xué)生都沒有參觀過自來水廠，其凈化原理對于學(xué)生來說看似熟悉，實(shí)則陌生。本文采用學(xué)校門口“臭水河變清水河”的情境來應(yīng)用物質(zhì)分離的模型，學(xué)生觀察水污染治理的部分操作后，結(jié)合已有生活經(jīng)驗(yàn)思考凈化水的原理，更加切合自身的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)。自來水廠凈化工業(yè)的知識用作物質(zhì)分離的工藝流程情境。

③變演示實(shí)驗(yàn)為分組實(shí)驗(yàn)

將過濾的演示實(shí)驗(yàn)變?yōu)閷W(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。學(xué)生先實(shí)驗(yàn)，再總結(jié)實(shí)驗(yàn)的操作要領(lǐng)，先試錯再反思錯誤，親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。學(xué)生由實(shí)驗(yàn)的“旁觀者”變?yōu)榱恕皡⑴c者”。

2.教學(xué)目標(biāo)

見表2。

3.教學(xué)框架

通過建立模型、應(yīng)用模型、修整模型、完善模型四個教學(xué)環(huán)節(jié)，以工業(yè)制氧氣、臭水河變清水河、自來水廠的凈化工業(yè)、過濾實(shí)驗(yàn)為情境線，以分離氮?dú)夂脱鯕獾姆椒ā⑺畠艋姆椒ㄅc工藝、過濾實(shí)驗(yàn)的操作要領(lǐng)為知識線建立教學(xué)框架（見圖1）。突出以模型建構(gòu)的教學(xué)模式，在水污染治理、水凈化流程的情境中培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任，在過濾實(shí)驗(yàn)的情境中培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)問題的解決與實(shí)施

1.環(huán)節(jié)一：溫故知新建立模型

【師】同學(xué)們還記得工業(yè)上是如何制取氧氣的嗎？

【生】先將空氣在低溫條件下加壓，使空氣液化，再將兩者逐一蒸發(fā)出來。

【師】那你們知道氮?dú)夂脱鯕饽軌蚍蛛x的關(guān)鍵因素是什么嗎？

【生】因?yàn)橐旱鸵貉醯姆悬c(diǎn)不同，液氮的沸點(diǎn)低于液氧。

【師】總結(jié)：PPT展示并重溫工業(yè)制氧氣的方法及原理（見圖2），工業(yè)上制備氧氣，實(shí)質(zhì)就是將混合物中的物質(zhì)進(jìn)行分離。提問：同學(xué)們能夠從中總結(jié)一下，如果想要將混合物中的物質(zhì)進(jìn)行分離，應(yīng)該進(jìn)行怎樣的分析呢？

【生】小組討論后得出，首先要分析混合物中含有哪些物質(zhì)，再分析各物質(zhì)之間的性質(zhì)差異，最后利用它們之間的性質(zhì)差異找出分離的方法。

【師】沒錯，這就是混合物中物質(zhì)分離的一般思路和方法：總結(jié)起來就三句話：析成分斗尋差異一找方法，同時展示混合物中物質(zhì)分離與提純的一般思路和方法（見圖3）。

設(shè)計意圖：學(xué)生對工業(yè)制取氧氣的方法進(jìn)行復(fù)習(xí)，老師引導(dǎo)得出混合物中物質(zhì)分離的一般思路和方法，如此可為解決水的凈化問題提供方案，同時為將來解決物質(zhì)分離與提純這一類問題建立了模型，形成連貫的主體單元學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2.環(huán)節(jié)二：污水治理應(yīng)用模型

【師】同學(xué)們有沒有發(fā)現(xiàn)，學(xué)校門口原來臭氣熏天的河水如今變得清澈見底了？

【生】我知道，因?yàn)檫@兩年一直在治理，我經(jīng)?？吹接泻枚喙と撕蜋C(jī)器在河道施工。（學(xué)生表現(xiàn)出高興和興奮）

【師】是的，同學(xué)們親自見證了這條“臭水河”變成了“清水河”，那你們路過的時候，有沒有觀察過他們是如何治理的嗎？

（學(xué)生爭先恐后舉手，以下是選取了部分的回答）

【生】用柵欄攔截漂浮的污染物、打撈污泥、往污水里撒東西。

【師】污水變清水是不是也屬于將混合物中的物質(zhì)進(jìn)行分離呢？

【生】想想后一致認(rèn)同。

【師】同學(xué)們能否利用剛才的物質(zhì)分離的思路步驟對污水進(jìn)行分析呢，先想想污水里除了水以外有哪些成分？

【生】小組討論后認(rèn)為污水里面應(yīng)該有重金屬、色素、泥沙、固體漂浮垃圾、洗滌劑、微生物等。

【師】接下來，物質(zhì)分離方法的第二步是尋找各成分的性質(zhì)差異，要想把污水里的雜質(zhì)除掉，這些物質(zhì)各自有怎么樣的性質(zhì)特點(diǎn)呢，我們能否簡單地歸一下類？

【生】泥沙、固體漂浮物是不溶于水的;重金屬、色素、洗滌劑是可溶于水的;微生物是生物體。

【師】第三步尋找分離方法，根據(jù)雜質(zhì)的性質(zhì)和你們所看到的污水治理的操作，你們能夠分析一下污水中雜質(zhì)的分離方法嗎？

【生】不溶于水的雜質(zhì)可以用柵欄隔離、打撈的方法分離;有生命的微生物，可以撒人消毒劑去除，工人們往污水中撒人的物質(zhì)應(yīng)該是消毒劑吧;至于可溶性的重金屬、色素、洗滌劑等，就不太清楚該怎么分離了。

【師】那我們來看一段視頻詳細(xì)了解污水治理原理吧。（播放污水處理工藝流程動畫）看完后梳理污水處理的工藝及所對應(yīng)的雜質(zhì)的性質(zhì)（見表3）。

總結(jié)：治理污水中的物質(zhì)分離方法中，沉淀、吸附、過濾、消毒等方法是初中階段要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的，其中沉淀、過濾主要是除去不可溶性的雜質(zhì)，活性炭吸附可以除去部分可溶性的雜質(zhì)如色素和異味，消毒可以除去微生物，這就是對物質(zhì)分離方法模型的應(yīng)用（見圖4）。

設(shè)計意圖：由校門口“臭水河”變成了“清水河”的熟悉情境入手，通過對污水的處理原理的學(xué)習(xí)和思考，鞏固物質(zhì)分離的方法模型，熟悉凈化水的常用方法。

3.環(huán)節(jié)三：水廠凈水修整模型

【師】污水處理廠所用到的過濾、沉淀、吸附、消毒是常用的凈化水的方法。自來水廠將天然水凈化，需要用到哪些凈水操作呢？

【生】小組討論，提出先對天然水中的雜質(zhì)成分進(jìn)行分析，主要有泥沙、微生物，少量的色素、異味。分別采取沉淀、過濾、消毒、活性炭吸附的凈化方法。

【師】同學(xué)們已經(jīng)能夠很熟練地通過物質(zhì)分離的模型尋找凈化水的方法了，老師有一個問題，這么多方法，是同時使用，還是分開先后使用呢？

【生】小組討論后得出，應(yīng)該先除去大顆粒的不溶性雜質(zhì)，再除去小顆粒不溶性的雜質(zhì)，最后吸附可溶性的色素和異味。也就是沉淀、過濾、吸附的操作流程。可是消毒劑在自來水中被人一同飲用會不會影響人體健康??？

此處老師要引導(dǎo)學(xué)生知道自來水廠使用的消毒劑是少量、低毒的，經(jīng)過煮沸后會逸出，對人體健康沒有影響。學(xué)生就能放心地將消毒操作放在凈化水的最后一個環(huán)節(jié)，以達(dá)到最佳的消毒效果。

【師】總結(jié)：同學(xué)們很有工程師的感覺，水中雜質(zhì)的除去流程，通常按照先粗后細(xì)，先易后難的策略。這個問題告訴我們不僅要找準(zhǔn)物質(zhì)分離的方法，還要考慮工藝流程問題。因此，我們將物質(zhì)分離的模型進(jìn)行修整（見圖5）。

設(shè)計意圖：自來水廠的凈化工業(yè)與污水治理的工業(yè)原理有相似之處，學(xué)生再次應(yīng)用物質(zhì)分離的模型，多步分離時兼顧操作的工藝流程，達(dá)到對分離模型進(jìn)行修整和補(bǔ)充的目的，將化學(xué)知識與工業(yè)、生活聯(lián)系，學(xué)生的科學(xué)精神與社會責(zé)任核心素養(yǎng)得到提升。

4.環(huán)節(jié)四：過濾實(shí)驗(yàn)完善模型

【師】展示實(shí)驗(yàn)室水的過濾裝置，介紹安裝方法及作用，強(qiáng)調(diào)濾紙折疊和緊貼的操作方法，其他的操作注意事項(xiàng)留待學(xué)生親自探索。

[分組實(shí)驗(yàn)]學(xué)生兩人一小組過濾泥沙水，嘗試進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，在過濾操作過程中，完成以下的實(shí)驗(yàn)反思記錄單（見表4），老師在巡視的過程中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)小組都出現(xiàn)了錯誤的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)反思記錄單后，為大家分享過濾實(shí)驗(yàn)的操作要領(lǐng)。

【生】通過實(shí)驗(yàn)的觀察和反思得出：①玻璃棒要緊靠三層濾紙?zhí)帲苑罏V紙破損;②泥沙水液面要低于濾紙邊緣，以防過濾效果不佳;③漏斗下端要緊靠燒杯內(nèi)壁，以防液滴四處飛濺;④濾紙要緊貼漏斗內(nèi)壁，以防過濾速率太慢。

【師】將學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題匯總以后，得出過濾實(shí)驗(yàn)的操作要領(lǐng)：“一貼、二低、三靠”。我們發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行物質(zhì)分離的時候還要考慮具體的實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)，以及實(shí)驗(yàn)的可行性、易操作性，對物質(zhì)分離的方法模型進(jìn)行完善（見圖6）。

設(shè)計意圖：由于此實(shí)驗(yàn)操作相對安全，老師事先不再“講實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生在簡單了解實(shí)驗(yàn)裝置后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和探索，對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及時反思與糾正，逆向分析得出操作要領(lǐng)，科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)得到提升，同時進(jìn)一步完善物質(zhì)分離與提純的模型。

四、反思與建議

1.在情境中認(rèn)知解決問題的模型

王磊等指出，設(shè)置綜合復(fù)雜問題解決任務(wù)，讓學(xué)生嘗試面對真實(shí)復(fù)雜的情境，自主運(yùn)用認(rèn)識模型解決問題;系統(tǒng)探究型的任務(wù)讓學(xué)生完成對于陌生物質(zhì)性質(zhì)的自主探究;最后利用拓展知識讓學(xué)生經(jīng)歷創(chuàng)造性體會和批判性思考的創(chuàng)新思維活動[14]。在工業(yè)制氧氣、污水治理、自來水廠凈化工藝三個情境中，先涉及兩種物質(zhì)的分離，再涉及多種物質(zhì)的分離，最后涉及分離方法的排序，情境由簡單到復(fù)雜，由理論分析到實(shí)踐應(yīng)用，學(xué)生反復(fù)利用熟悉的模型解決新問題，學(xué)生的能力不斷提升。學(xué)生以學(xué)科情境、生活情境為載體，提煉出解決一類問題的思路和方法，有利于將來在面對陌生情境時，增加主動運(yùn)用熟悉模型解決問題的自覺性和信心。

2.在知識中挖掘其背后的主題

唐云波指出，基于核心素養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)，要求形成適應(yīng)學(xué)生終生發(fā)展的關(guān)鍵能力，不是一、二節(jié)課所能達(dá)成的，必須跨課時甚至跨學(xué)期，教師必須能從一節(jié)一節(jié)的教學(xué)中跳出來，以“主題（單元）”作為進(jìn)行教學(xué)的基本思考對象[15]。如在“水的凈化”中，其內(nèi)容表面上是凈化水的常用方法，實(shí)質(zhì)上，教師如能挖掘其知識背后“物質(zhì)分離”的主題，并能聯(lián)系單元主題教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)教學(xué)，這樣學(xué)生就能從一個問題遷移到一系列問題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)知識的同時，學(xué)會主動地利用化學(xué)知識解決新情境、新問題，逐步形成適應(yīng)個人終生發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格與關(guān)鍵能力。

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