真實(shí)問題情境引導(dǎo)下的化學(xué)工業(yè)流程專題復(fù)習(xí)
——以“六水氯化鍶晶體的制備”為例

福建省廈門實(shí)驗(yàn)中學(xué)(361116) 黃麗琴 黃明浩 鄒 標(biāo)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)[1]。所謂真實(shí)問題情境，“情”是指對(duì)事物的特定情感體驗(yàn)，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)；“境”是指一種觀念意構(gòu)的教學(xué)環(huán)境或知識(shí)文化背景等，在激發(fā)人的某些情感方面“情境”能夠起到特定作用[2]。在教學(xué)中展示豐富的素材并創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，能有效引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)加工知識(shí)，建立知識(shí)間的聯(lián)系，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)并能對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行遷移與應(yīng)用，學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)反思從而形成深層的理解。故基于真實(shí)問題情境的教學(xué)是深度學(xué)習(xí)的一種教學(xué)策略，也是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的有效途徑。

作為高三一輪復(fù)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，工業(yè)流程題一般包含原料的預(yù)處理、核心反應(yīng)、產(chǎn)物的分離提純?nèi)糠?，考查學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問題的能力。筆者以六水氯化鍶晶體的制備為例，設(shè)計(jì)了基于真實(shí)問題情境的化學(xué)工業(yè)流程專題復(fù)習(xí)。

1 基于真實(shí)問題情境制定目標(biāo)

1.1 復(fù)習(xí)目標(biāo)

(1)通過自主設(shè)計(jì)六水氯化鍶晶體的制備流程，靈活運(yùn)用所學(xué)除雜、分離提純等相關(guān)知識(shí)，再通過課堂上的討論、評(píng)價(jià)，對(duì)這部分內(nèi)容有更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，自主歸納，建構(gòu)知識(shí)框架，從而更好地掌握工業(yè)流程題中物質(zhì)分離提純的方法，建立除雜的基本思路。

(2)通過評(píng)價(jià)其他同學(xué)設(shè)計(jì)的流程，充分聯(lián)想、調(diào)動(dòng)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，解決實(shí)際問題，建立起已有知識(shí)和新知識(shí)的聯(lián)系，學(xué)會(huì)知識(shí)的遷移應(yīng)用。

1.2 評(píng)價(jià)目標(biāo)

(1)通過對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的六水氯化鍶晶體制備流程中暴露出的問題進(jìn)行討論，診斷并發(fā)展學(xué)生分析與解決問題的能力、認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平及對(duì)化學(xué)學(xué)科價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。

(2)通過對(duì)其他同學(xué)設(shè)計(jì)的流程的分析與評(píng)價(jià)，診斷并發(fā)展學(xué)生分析和解決問題的能力，遷移應(yīng)用的能力，診斷學(xué)生的交流合作水平。

2 基于真實(shí)問題情境的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

圍繞三條線索：情境線、問題線和學(xué)生活動(dòng)線展開教學(xué)。

2.1 任務(wù)一：基于模型自主設(shè)計(jì)六水氯化鍶的工業(yè)流程

情境1：學(xué)生自主繪制的工業(yè)流程模型。

問題1：結(jié)合模型思考工業(yè)流程的核心是什么？

學(xué)生活動(dòng)1：展示上節(jié)課的工業(yè)流程結(jié)構(gòu)框架(見圖1)，思考并提出工業(yè)流程的核心在于分離提純。

圖1 工業(yè)流程結(jié)構(gòu)框架

評(píng)價(jià)任務(wù)：引導(dǎo)學(xué)生回想上節(jié)課內(nèi)容，調(diào)用上節(jié)課建構(gòu)的知識(shí)框架，在后續(xù)任務(wù)中將已有知識(shí)遷移應(yīng)用于解決實(shí)際問題。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)已有知識(shí)的掌握水平，借助模型建構(gòu)及模型的應(yīng)用提升學(xué)生智育水平。

情境2：高純六水氯化鍶晶體(SrCl2·6H2O)可作有機(jī)合成的催化劑。工業(yè)上用難溶于水的碳酸鍶(SrCO3)粉末(含少量BaCO3、FeO等雜質(zhì))為原料制備高純六水氯化鍶晶體。

問題2：請(qǐng)你嘗試設(shè)計(jì)由SrCO3粉末制備六水氯化鍶晶體的工業(yè)流程。

學(xué)生活動(dòng)2：結(jié)合所給信息與流程框架，設(shè)計(jì)六水氯化鍶晶體的制備工業(yè)流程。

評(píng)價(jià)任務(wù)：落實(shí)工業(yè)流程模型的應(yīng)用，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)分離提純的認(rèn)識(shí)進(jìn)階，包括除雜的順序、試劑的選擇等，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)；并通過自主設(shè)計(jì)流程，學(xué)生感受工業(yè)流程之美，化學(xué)之美無處不在，借此增強(qiáng)對(duì)學(xué)生的美育熏陶。

2.2 任務(wù)二：基于六水氯化鍶的制備工藝重溫分離提純

學(xué)生在任務(wù)一中設(shè)計(jì)的流程各有特點(diǎn)，有的缺少某些關(guān)鍵步驟，有的過程繁瑣，也有較為完整的，選取有代表性的流程為素材進(jìn)行對(duì)比分析，逐一展開討論評(píng)價(jià)。

情境1：對(duì)比A、B兩位同學(xué)的流程(分別見圖2、圖3)，A同學(xué)用鹽酸酸浸，B同學(xué)用硫酸酸浸。

問題1：你認(rèn)為酸浸的過程選擇哪種酸較好？

學(xué)生活動(dòng)1：結(jié)合已建構(gòu)的工業(yè)流程模型及情境1，分析這一步除了溶解SrCO3及主要雜質(zhì)BaCO3、FeO，還可以發(fā)生核心反應(yīng)：SrCO3+2HCl=SrCl2+H2O+CO2↑，選用鹽酸較優(yōu)。

評(píng)價(jià)任務(wù)：通過酸浸試劑的選擇環(huán)節(jié)，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平，引發(fā)學(xué)生思考加鹽酸一舉兩得：既節(jié)約了鹽酸的用量，也避免了因加入過多H2SO4，引入雜質(zhì)離子帶來的弊端。引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)流程時(shí)，注意統(tǒng)籌看待整個(gè)流程，不要只注意到某一步驟。

情境2：對(duì)比C同學(xué)前后兩次設(shè)計(jì)的流程(見圖4)，前后兩次分別用H2SO4和Na2SO4除Ba2+。

圖2 A同學(xué)設(shè)計(jì)的工業(yè)流程

圖3 B同學(xué)設(shè)計(jì)的工業(yè)流程

圖4 C同學(xué)前后兩次設(shè)計(jì)的流程對(duì)比圖

評(píng)價(jià)任務(wù)：通過除雜試劑的選擇環(huán)節(jié)，診斷并發(fā)展學(xué)生認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)陌生元素的分析視角即元素周期律的視角：可以從鍶的同主族元素性質(zhì)去類推，培養(yǎng)學(xué)生類比遷移的能力。

情境3：對(duì)比A、B、D三位同學(xué)的流程(分別見圖2、圖3、圖5)，在調(diào)pH時(shí)分別選用了SrO、NH3和NaOH。

資料卡片：Fe(OH)3開始沉淀和沉淀完全時(shí)的pH分別為1.5和3.7；Fe(OH)2開始沉淀和沉淀完全時(shí)的pH分別為6.5和9.7。

問題3：①對(duì)調(diào)pH的試劑有何要求；②可以用哪些試劑調(diào)節(jié)pH；③調(diào)到什么范圍？

學(xué)生活動(dòng)3：①分析三者流程的共同點(diǎn)都是先加H2O2，把Fe2+氧化成Fe3+，調(diào)節(jié)pH目的是讓Fe3+完全沉淀從而除雜，故而判斷調(diào)pH的試劑要能與H+反應(yīng)，同時(shí)也不可引入新雜質(zhì)；②試劑可以選用SrO、SrCO3或Sr(OH)2等；③結(jié)合資料卡片數(shù)據(jù)，判斷 pH調(diào)到3.7以上。

評(píng)價(jià)任務(wù)：對(duì)于工業(yè)流程中的關(guān)鍵步驟，學(xué)生往往知其然，不知其所以然。所以在教學(xué)活動(dòng)中，通過教師不斷追問，學(xué)生主動(dòng)調(diào)用已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)用于解決實(shí)際問題。這一環(huán)節(jié)提高了學(xué)生的邏輯思維能力，診斷并發(fā)展學(xué)生認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平。

情境4：對(duì)比E、F同學(xué)的流程(分別見圖6、圖7)，前者先氧化并調(diào)節(jié)pH去除Fe3+后，再加H2SO4除去Ba2+，后者與此相反。

圖5 D同學(xué)設(shè)計(jì)的工業(yè)流程

圖6 E同學(xué)設(shè)計(jì)的工業(yè)流程

圖7 F同學(xué)設(shè)計(jì)的工業(yè)流程

問題4：在除雜時(shí)是先加H2SO4沉淀Ba2+，還是先調(diào)pH除去Fe3+？

學(xué)生活動(dòng)4：對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，如果先加H2SO4，H2O2可以同時(shí)加入，且后續(xù)調(diào)節(jié)pH時(shí)可以把BaSO4和Fe(OH)3沉淀一起過濾除去，減少過濾次數(shù)。

評(píng)價(jià)任務(wù)：多數(shù)學(xué)生設(shè)計(jì)的流程不夠嚴(yán)謹(jǐn)，操作順序可以進(jìn)一步優(yōu)化，故而借此情境引發(fā)討論。一個(gè)科學(xué)的流程設(shè)計(jì)，不僅要完整，而且要簡潔，這在實(shí)際工業(yè)中能大大節(jié)省能源。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。

拓展討論1：結(jié)合上述討論和學(xué)案上的例題，總結(jié)有哪些通過生成沉淀進(jìn)行除雜的方法？嘗試?yán)L制思維導(dǎo)圖。

學(xué)生小結(jié)：沉淀法在工業(yè)流程除雜中的應(yīng)用(見圖8)。

圖8 沉淀法模型

評(píng)價(jià)任務(wù)：通過若干案例分析，學(xué)生能夠自主歸納工業(yè)流程中常用的5種沉淀法，繪制沉淀法模型，建立起已有知識(shí)和新知識(shí)的聯(lián)系，形成更為完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)沉淀法認(rèn)識(shí)的結(jié)構(gòu)化水平。

情境5：A、B、C、D、E、F六位同學(xué)在流程(分別見圖2～7)中均采用蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶法獲得SrCl2·6H2O晶體。

問題5：你都學(xué)過哪些結(jié)晶方法，區(qū)別是什么？

學(xué)生活動(dòng)5：回想NaCl和KNO3的溶解度曲線，思考溶解度受溫度影響較小的物質(zhì)如NaCl，采用蒸發(fā)結(jié)晶的方法提純。溶解度受溫度影響較大的物質(zhì)如KNO3，或帶結(jié)晶水的物質(zhì)如CuSO4·5H2O采用蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶的方法提純。SrCl2·6H2O晶體也含結(jié)晶水，故也是選擇蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶的操作方法。

拓展討論2：學(xué)生自主歸納結(jié)晶的5種模型(見圖9)，其中模型3～4括號(hào)內(nèi)的物質(zhì)代表雜質(zhì)，模型5表示溶液中的NaCl與KNO3等物質(zhì)的量。

圖9 結(jié)晶法模型

評(píng)價(jià)任務(wù)：通過案例分析，學(xué)生能夠自主歸納常用的5種結(jié)晶法，繪制思維導(dǎo)圖，建構(gòu)結(jié)晶模型，建立起已有知識(shí)和新知識(shí)的聯(lián)系，形成更為完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)結(jié)晶法認(rèn)識(shí)的結(jié)構(gòu)化水平。

情境6：A、D、E、F四位同學(xué)設(shè)計(jì)的流程(分別見圖2，圖5～7)中，在獲得SrCl2·6H2O晶體后，均進(jìn)行了洗滌操作。

問題6：①為什么要洗滌；②氯化鍶晶體表面要洗去的對(duì)象主要是什么？

拓展討論3：以學(xué)案例題中的溶解度曲線及KNO3在乙醇中的溶解度曲線為例，自主歸納：①用什么洗滌；②怎么洗滌；③如何檢驗(yàn)洗滌干凈與否？

拓展活動(dòng)1：通過分析典型代表物的溶解度曲線，依次歸納出幾種常用洗滌試劑的使用范圍(見表1)，并結(jié)合SrCl2溶解度曲線判斷可以用飽和SrCl2溶液洗滌。

表1 幾種常用洗滌試劑匯總

拓展活動(dòng)2：結(jié)合洗滌目的，思考洗滌過程中的注意事項(xiàng)，歸納洗滌步驟：明確洗去的對(duì)象→注入洗滌液→使洗滌液完全浸沒沉淀→重復(fù)洗滌(重復(fù)2～3次)。

拓展活動(dòng)3：思考要判斷是否洗凈，即判斷是否還殘存待洗去的離子，可轉(zhuǎn)化為對(duì)待洗去離子檢驗(yàn)的操作步驟，并歸納為：取樣→加試劑→觀察現(xiàn)象→得出結(jié)論。

評(píng)價(jià)任務(wù)：通過拓展討論，層層遞進(jìn)。從是什么、怎么做、還要做什么的思路入手，分析案例，由學(xué)生自主歸納常見的洗滌試劑，總結(jié)洗滌步驟并鞏固洗滌液中離子檢驗(yàn)的方法。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)沉淀洗滌操作認(rèn)識(shí)的結(jié)構(gòu)化水平。

情境7：A、D、F三位同學(xué)設(shè)計(jì)的流程(分別見圖2、圖5和圖7)中，在洗滌之后均設(shè)計(jì)了干燥步驟。

問題7：①常見的干燥措施有哪些；②SrCl2·6H2O 晶體在61 ℃時(shí)開始失去結(jié)晶水，100 ℃時(shí)失去全部結(jié)晶水，在干燥時(shí)要注意什么；③工業(yè)上采用減壓烘干法烘干SrCl2·6H2O晶體，減壓烘干法有何優(yōu)點(diǎn)？

學(xué)生活動(dòng)7：①總結(jié)常見的晶體干燥方法：自然晾干、濾紙吸干、在干燥器中干燥、烘干等；②從性質(zhì)出發(fā)思考干燥方案，溫度過高或過低時(shí)，SrCl2·6H2O晶體均易分解，干燥時(shí)要防止它在61 ℃以上時(shí)失去結(jié)晶水；③類比遷移減壓過濾(抽濾)可以加快過濾速度，推測減壓烘干法可以縮短干燥時(shí)間，還能降低干燥溫度。

評(píng)價(jià)任務(wù)：通過教師提示減壓過濾法的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生能主動(dòng)遷移應(yīng)用已有知識(shí)，并在將來把學(xué)到的新知識(shí)遷移到解決其他的復(fù)雜問題。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移應(yīng)用能力及解決問題的能力。

2.3 任務(wù)三：賞實(shí)際工業(yè)流程，評(píng)自主設(shè)計(jì)成果

情境1：制備六水氯化鍶晶體的實(shí)際工業(yè)流程圖(見圖10)。

問題1：請(qǐng)你對(duì)比自己設(shè)計(jì)的流程和實(shí)際流程，思考還有哪些步驟可以優(yōu)化？

學(xué)生活動(dòng)1：對(duì)每步操作進(jìn)行細(xì)致對(duì)比分析，提出幾點(diǎn)優(yōu)化方案：為避免H2O2分解，可以少量多次加入；濾渣可以無害化處理，響應(yīng)綠色化學(xué)的理念；洗滌用的是飽和SrCl2溶液，洗滌液可以考慮提取SrCl2循環(huán)利用。

評(píng)價(jià)任務(wù)：紙上得來終覺淺，實(shí)際工業(yè)流程是完整的，但也仍然有可完善之處，讓學(xué)生思考可行的優(yōu)化方案，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)用起來；并滲透德育，引導(dǎo)學(xué)生辯證看待實(shí)際工業(yè)流程，敢于質(zhì)疑，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平及分析和解決問題的能力。

情境2：G同學(xué)設(shè)計(jì)的流程(見圖11)：操作步驟較為完整，但是細(xì)節(jié)上存在一些可以完善的地方。

圖10 制備六水氯化鍶晶體的工業(yè)流程

圖11 G同學(xué)設(shè)計(jì)的工業(yè)流程

問題2：反思與評(píng)價(jià)：你如何評(píng)價(jià)圖11所示的工業(yè)流程？

學(xué)生活動(dòng)2：經(jīng)過小組討論，懷著批判精神對(duì)該流程提出自己的見解與優(yōu)化措施。

評(píng)價(jià)任務(wù)：每位學(xué)生都運(yùn)用工業(yè)流程模型，用心設(shè)計(jì)了六水氯化鍶晶體的制備流程，體會(huì)到流程之美。通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)流程的價(jià)值所在，并能對(duì)其他同學(xué)的成果作出評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)方案。這一環(huán)節(jié)診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。

3 教學(xué)反思

以學(xué)生自主設(shè)計(jì)的六水氯化鍶制備流程為真實(shí)問題情境的素材，選取討論點(diǎn)展開現(xiàn)場分析與評(píng)價(jià)，每個(gè)學(xué)生都參與其中。這樣的素材選取極大程度地激發(fā)了學(xué)生的探究興趣和求知欲望，也使學(xué)生更愿意積極表達(dá)自己的見解，充分調(diào)動(dòng)已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，自主建構(gòu)關(guān)于沉淀法、結(jié)晶法和洗滌法的知識(shí)模型，并運(yùn)用模型解決問題。通過遷移應(yīng)用建立起已有知識(shí)和所學(xué)知識(shí)的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。因此，真實(shí)問題情境引導(dǎo)下的教學(xué)可以有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度理解與應(yīng)用，有助于深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。