基于模型建構(gòu)的“物質(zhì)分離與提純”復習課教學研究

王 珊

（寶安中學集團塘頭學校 廣東 深圳 518108）

一、問題的提出

科學探究與化學實驗是義務(wù)教育化學課程標準的五大主題之一，物質(zhì)分離和提純是科學探究與化學實驗主題的重要組成部分，承載著科學探究能力培養(yǎng)的重要任務(wù)。［1］課標要求通過化學實驗探究活動，學習物質(zhì)分離實驗探究活動的一般思路與基本方法，并能夠應(yīng)用一般思路方法簡單進行實驗設(shè)計，獲得合理結(jié)論。［2］在物質(zhì)分離和提純復習課教學中，不少教師往往注重發(fā)揮自己的主導作用，課堂教學停留在知識的記憶和理解等低級思維層次。復習課不應(yīng)該僅僅是知識的羅列，還應(yīng)該有能力的攀升和方法的提煉。［3］］

查閱文獻，發(fā)現(xiàn)關(guān)于物質(zhì)分離和提純復習課教學存在以下幾個問題：（1）找不到除雜方法。［4］（2）學生對分離提純的認識是零散、沒有條理的，在對分離提純流程圖的分析中尚存在一定困難，思維縝密性不夠，考慮不全面，設(shè)計和評價實驗方案缺少角度。（3）教學重視知識和技能領(lǐng)域（檢驗方法、除雜方法、原理解釋、實際操作等），而缺乏對物質(zhì)分離提純整體思想方法上的提煉和概括。模型認知要求學習者通過“分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”［5］?；诖?，本文采用模型建構(gòu)的教學模式，以期待解決上述問題，具體為：（1）挖掘合適的教學素材，深入挖掘素材的邏輯關(guān)系，素材要有承接關(guān)系，符合學生的認知過程，層層遞進，促進學生的思維發(fā)展。（2）通過一系列豐富情景和真實問題的探究活動，幫助學生理清思維脈絡(luò)，設(shè)計活動發(fā)展認識角度，形成物質(zhì)分離提純認識思路，構(gòu)建思維模型，提升學生的認識水平。（3）教學中突出思維模型的自主建構(gòu)過程，強化模型對問題解決的指導作用。

二、物質(zhì)分離和提純的模型

物質(zhì)的分離和提純的思維模型如圖1所示，模型以基本原則、基本思路、基本步驟、方法為認識角度，基本思路為解決物質(zhì)分離和提純問題的認識思路，在此過程要結(jié)合基本原則、基本步驟和方法進行綜合分析，進行角度之間的關(guān)聯(lián)。在教學中發(fā)展學生的多樣化思維，學生經(jīng)歷不同層級模型的自主建構(gòu)，形成認識思路。

圖1 物質(zhì)分離和提純的思維模型

三、教學設(shè)計與實施

1.學情分析

學生已經(jīng)學習了金屬、酸、堿、鹽的性質(zhì)，對物質(zhì)的性質(zhì)已經(jīng)有了系統(tǒng)的認識，能夠基于具體物質(zhì)、物質(zhì)類別分析物質(zhì)性質(zhì)。熟悉常見的物質(zhì)分離方法，物理方法——蒸餾、結(jié)晶、過濾等，化學方法——沉淀法、氣體法等，能夠解決簡單的除雜問題。

2.教學目標

（1）認識到物質(zhì)的提純與物質(zhì)的分離兩者要求不同，了解物質(zhì)的分離與提純可行性標準（不增、不減、易分、最優(yōu)），掌握物質(zhì)分離與提純的常見方法。

（2）通過一系列豐富情景和真實問題的探究活動，將碎片化知識轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)化知識，形成物質(zhì)分離提純的一般思路（組分分析—性質(zhì)差異—選擇方法—修正補充）。

（3）依據(jù)建構(gòu)主義理論，通過有效的小組合作和科學探究，初步形成物質(zhì)的分離與提純方案設(shè)計思路（取樣—操作—現(xiàn)象—結(jié)論），提高科學探究能力和證據(jù)推理能力。

（4）完成物質(zhì)分離提純思維模型的建構(gòu)，發(fā)展認識水平，提高解決復雜陌生問題能力，最終實現(xiàn)能力發(fā)展。

3.教學框架

通過建立物質(zhì)分離提純的思維模型、應(yīng)用模型解決化學問題、應(yīng)用思維模型解決實際問題三個教學環(huán)節(jié)，以兩組分混合物分離提純、多組分混合物分離、復雜情景廢水處理為素材，建立教學框架（見圖1）。突出模型建構(gòu)教學模式，使學生在分析和評價的基礎(chǔ)上，發(fā)展科學思維，初步形成合作、探究的能力，培養(yǎng)學生的科學精神與社會責任感。

圖2 教學框架

4.教學實施

環(huán)節(jié)一：構(gòu)建物質(zhì)分離和提純的思維模型

（1）定性分析，構(gòu)建模型

任務(wù)1：設(shè)置了多個簡單兩組分混合物分離提純的進階活動，由淺入深，由簡至繁，從物理方法到化學方法，初步建立物質(zhì)分離和提純的基本原則、基本思路。以學習任務(wù)單為導向，問題驅(qū)動，明確選擇的分離提純方法是什么？依據(jù)是什么？具體如圖3所示。

圖3 簡單兩組分混合物分離提純活動框架

學生概括歸納，提煉物質(zhì)分離提純的基本思路：明確兩組分混合物→找出組分性質(zhì)差異→依據(jù)性質(zhì)差異選擇合理的物理或化學方法。在活動的過程中，體會物質(zhì)分離的基本原則：不增、不減、易分、最優(yōu)（將雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為所需要的物質(zhì)，提高原料利用率）。

（2）定性定量結(jié)合，修正模型

任務(wù)2：將實驗室的白色固體KCl、MgCl2、BaSO4固體混合物逐一分離開，加入試劑及其順序正確的是（）

A.水、適量AgNO3溶液、稀硝酸

B.水、適量NaOH溶液、稀鹽酸

C.水、適量KOH溶液、稀鹽酸

D.水、過量KOH溶液、稀硫酸

【課堂實錄】

學生根據(jù)任務(wù)指引，關(guān)注試劑添加順序、試劑用量，打開新視角，小組內(nèi)討論，教師點評，分析方案的可行性，進一步內(nèi)化混合物分離提純的基本原則和基本步驟，如圖4所示。

圖4 多組分混合物分離

設(shè)計意圖：學生討論、思辨、概括歸納，完善物質(zhì)分離提純的基本思路：明確多組分混合物→找出多組分性質(zhì)差異→選擇合理方法→依據(jù)所選試劑、考慮用量、順序，設(shè)計實驗，確定實驗步驟→繪圖展示。設(shè)置多組分混合物分離提純化學問題，以形成任務(wù)—呈現(xiàn)方案—評價方案—解決問題為思路進行分析，學生用流程圖的形式展示分離提純過程，將問題情景化，觀念外顯化。

學生認知發(fā)展：（1）由兩組分混合物分離提純問題到多組分混合物分離提純問題，由定性到定量角度。（2）將單一零散的混合物分離方法有序整合、初步形成依據(jù)混合物組分的性質(zhì)差異進行物質(zhì)提純的有序思路，構(gòu)建認識模型。

環(huán)節(jié)二：應(yīng)用思維模型解決化學問題

任務(wù)3：某探究小組在實驗室用大理石和稀鹽酸制備二氧化碳時，不小心將鋅?；烊氪罄硎?，若要獲得干燥純凈的CO2，請你分析：（1）制備二氧化碳中混有的雜質(zhì)氣體有哪些？（2）選擇哪些除雜的試劑及裝置？（給出多個含有試劑的單個裝置圖），書寫相關(guān)反應(yīng)的化學方程式。（3）分析上述試劑的連接順序，小組交流討論，繪圖展示。

【課堂實錄】

學生：制取的氣體里除了二氧化碳還有氫氣。

追問：還有其他成分嗎？

學生1：鹽酸能夠揮發(fā)，還有氯化氫氣體。

學生2：還有水蒸氣。

教師：選擇哪些除雜的試劑及裝置？

學生1：除去氯化氫可以用含有氫氧化鈉溶液的試管。

學生2：不行，這樣會把二氧化碳也除掉，不符合不減的原則，可以用飽和碳酸氫鈉，既符合不增不減的原則，還能夠獲得二氧化碳，符合最優(yōu)的原則。

教師：其他氣體怎么除去？

學生3：氫氣可以還原氧化銅，變?yōu)樗コ?。除水不能用堿石灰，只能用濃硫酸，因為二氧化碳是酸性氣體。

教師：選什么方法收集氣體，排水法還是排空氣法？

學生：獲得干燥的氣體，要用排空氣法，二氧化碳密度比空氣大，要用向上排空氣法。

教師：請同學們畫出裝置，注意裝置的連接口，以及裝置連接順序。

學生：交流、分析、反思，獲得最佳方案。

學生：經(jīng)過小組交流討論，最終獲得正確裝置，如圖5所示?？紤]吸收氣體的先后順序，首先吸收氯化氫氣體，對帶出的水蒸氣進行干燥，然后經(jīng)過灼熱的氧化銅除去氫氣，最后用濃硫酸吸收水蒸氣，收集干燥的二氧化碳。

圖5 除雜裝置

總結(jié)：此環(huán)節(jié)的難點為模型修正補充部分，學生需要討論獲得盛有不同試劑的裝置的連接順序，設(shè)計實驗方案。

設(shè)計意圖：以解決實驗室化學問題為任務(wù)驅(qū)動，提供試劑及其裝置，學生進行選擇，檢測和診斷學生關(guān)于物質(zhì)分離和提純的認識模型。對信息進行整合和加工，關(guān)聯(lián)基本步驟、基本原則，進行組分分析（分析存在的雜質(zhì)氣體）→性質(zhì)差異→選擇方法（選出除雜試劑，選擇裝置）→修正補充（確定試劑順序，設(shè)計實驗方案）。通過探究活動，幫助學生由孤立的認識角度到系統(tǒng)的認識思路。

環(huán)節(jié)三：應(yīng)用思維模型解決實際問題

以“工業(yè)廢水處理”為項目，通過不同組分性質(zhì)差異，逐步進行除雜，注重運用學科綜合視角解決生產(chǎn)生活實踐中的問題。通過復雜的真實問題，學生對流程圖中每一步驟進行分析、比較、評價，在此過程中發(fā)展學生的邏輯推理能力，模型認知能力，最終形成應(yīng)用思維模型解決實際問題的思維方式，形成穩(wěn)定的認識思路，具體認知過程如圖6。

圖6 工廠廢水處理認知過程

任務(wù)4：工業(yè)廢水直接排放至自然界，不僅會給環(huán)境帶來巨大破壞，還會危害人類健康。在全球環(huán)保意識不斷增強的背景下，要對工業(yè)廢水進行無害化處理后進行排放。某工廠排出的廢水中含有大量的難溶性懸浮物，金屬鹽溶液（FeSO4、ZnSO4和CuSO4），含磷物質(zhì)，有機物，有色物質(zhì)。

已知：離子交換膜法——水中磷的主要存在形式是磷酸根陰離子，游離的磷酸根陰離子與固體離子交換劑中的陰離子進行交換，實現(xiàn)去除與回收磷酸根陰離子的目的。

【課堂實錄】

教師：假設(shè)你是該廠的一名工程師，請設(shè)計流程回收Fe、Cu和硫酸鋅，并除去含磷物質(zhì)、有機物、有色物質(zhì)，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)資源利用。

學生活動：小組討論，請寫出所加試劑及反應(yīng)方程式，設(shè)計方案并畫出流程圖。

教師：首先，分析工廠廢水中混合物的組分；根據(jù)組分的性質(zhì)，選擇用什么方法除去雜質(zhì)。

學生1：廢水中含有難溶解性懸浮物，可用過濾的方法去除；含磷物質(zhì)可以采用離子交換膜去除，有機物可以進行消殺，有色物質(zhì)可以吸附。

學生2：要回收Fe、Cu和硫酸鋅，需要將FeSO4和CuSO4進行轉(zhuǎn)化。

教師：如何轉(zhuǎn)化？小組討論，繪圖展示。

學生：進行小組活動，學生間互評，學生反復修改方案。學生展示方案，在老師的指引下，再次進行修改。

圖7 學生繪圖示例及分析

教師：實際生產(chǎn)中，還要考慮價格，環(huán)保，操作方便，利用率高等問題。

學生：總結(jié)工業(yè)廢水處理的全過程，過濾→回收Fe、Cu和硫酸鋅→離子交換法除磷→吸附色素→消殺除有機物→排放。

教師補充：工業(yè)上過濾通常可以采用格柵。吸附常用活性炭、硅藻土、膨潤石、殼聚糖等物質(zhì)，主要因為具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)。去除有機物，工業(yè)上也可以依靠降解，即微生物在廢水環(huán)境中的新陳代謝，將有毒物質(zhì)吸收或轉(zhuǎn)化為無毒成分，尤其是能將有機污染物轉(zhuǎn)變成CO2、H2O、N2。此外，化學沉淀法是工業(yè)除去金屬離子的常見方法，通過加入NaOH溶液，調(diào)節(jié)廢水的pH，使金屬離子在不同pH范圍沉淀出來。

設(shè)計意圖：學生經(jīng)歷組分分析→性質(zhì)差異→選擇方法→修正補充的過程，在此過程中關(guān)聯(lián)了除雜的基本原則、基本步驟、基本方法。通過對復雜化學問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析和推理，不斷內(nèi)化模型，應(yīng)用物質(zhì)分離提純的認知模型解決復雜問題，不斷重構(gòu)和修補自己的知識網(wǎng)絡(luò)，形成系統(tǒng)的知識體系。通過思維方法的提煉，幫助學生搭建解決問題的腳手架，最終達到深度學習的效果。通過本環(huán)節(jié)，學生逐步形成對化學促進社會可持續(xù)發(fā)展的正確意識，提高了學生的科學態(tài)度與責任。

四、教學反思

根據(jù)課堂學生表現(xiàn)、小組活動、學生展示，分析總結(jié)出建構(gòu)“物質(zhì)分離和提純”思維模型教學的有效教學策略：

（1）在教學中增加應(yīng)用型學生活動

學生學習了理論，但是在復雜情景中，依然不能將模型應(yīng)用到陌生的問題解決中，這說明學生沒有將相關(guān)的理論和應(yīng)用建立關(guān)聯(lián)。因此，教學中要增加應(yīng)用型活動，尤其是加強理論在復雜陌生環(huán)境中的應(yīng)用，在應(yīng)用型活動中啟發(fā)引導學生進行邏輯推理，設(shè)計有梯度且有質(zhì)量的問題，訓練學生解決問題的能力。

（2）注重認識模型的建構(gòu)和應(yīng)用

復習課要將學生單一、碎片化的知識轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)性的、有序的認識。一方面，教師要不斷總結(jié)解決問題的思維模型，并在教學中交給學生，有意識幫助學生建立有序化思維。另一方面，要引導學生將模型遷移到其它的問題解決中。在解決復雜的問題時，要能夠調(diào)用有序思維，從整體出發(fā)，先確定解決問題的大思路、大環(huán)節(jié)、大步驟，然后再逐一解決每個子問題，最終達到復雜問題的解決。

（3）注重發(fā)展學生的科學思維

教師要抓住教學中每一次理論推導、實驗研究、問題解析，讓學生在學習中不斷實踐，提升自己的邏輯思維。針對特定問題，加強類比思維、探究思維、有序思維和邏輯推理思維的訓練。注重提高學生自我評價、自我反思的能力。