從自然界中獲取物質資源

褚幼萍

摘要：以“從自然界中獲取物質資源”為情境，在實驗復習教學中解讀化學學科內涵，建構化學核心觀念，闡述化學與技術、與社會、與自然的關系，滲透哲學思想教育，樹立正確的人生觀和世界觀。

關鍵詞：實驗；自然界；物質資源；核心觀念

文章編號：1008-0546（2016）05-0081-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.032

一、教學背景

浙江省學業水平雖然擴大了考試范圍，但降低了難度要求，考試范圍及教學內容的確定側重于形成整個學科知識體系，使學生更清晰地看到化學學科的全部面貌；關注以核心知識為載體，建構學科觀念，理解學科特征和研究方法，實現“知識本位”向“觀念建構”的轉變。

高一的學生，需要知道什么？他們未必會繼續學習化學，又憑什么選擇化學？即使學，將來也不一定從事化學行業的工作。所以對他們來說，更重要的是知道化學是什么。懂得必要的化學常識是一方面，而學科觀念的培養和理性思維的發展是更重要的一方面，這將有利于他們作出明智的判斷與決策，使他們更安全愉悅地工作和生活，也為他們增加了一些生活上的情趣，因為生活和自然界中總存在著化學問題，不思則無，思則深遠。正如王立志所說：“教育的目標是培養既有文化，又有專業知識的人才。專業知識是一個人事業起步的基礎，而文化則引導他走向人生的深邃和高雅。”

那么，化學是什么？化學不是讓學生知道海水中有哪些物質，而是化學對待這個物質世界獨特而又通達的態度、觀念和思想，以及化學能為人類社會做些什么？化學有哪些思想觀念？結構決定性質，能量最低，動態平衡，反應中的“變”與“不變”，實驗的重要與美麗……這些都是化學學科的文化內涵[1]。化學的內涵賦予化學獨特的創造力，從無到有，從簡單到復雜，從粗躁到精細，從有限到無限……

在整個中學化學中，實驗是非常重要的組成部分，是最常用的教學方法和有效的學習方式。宋心琦教授說：“整個科學發展史實際上是由千千萬萬個科學實驗集成的。教材不過是對經過反復驗證的科學實驗成果的合乎邏輯、有序的文字表述而已。初等化學教材中，除去化學語言外，所有的化學知識、基本概念和理論的陳述，實際上都是在闡述前人科學實驗的成果[2]。”所以化學實驗不僅包含著科學方法、科學態度和科學精神，還凝結著人類智慧的結晶，是一株生機勃勃的“鮮活樹”，理所當然也就成為建構學科觀念，發展理性思維，培養學科素養的絕佳素材。筆者借助“自然界中獲取物質資源”這一素材作為實驗復習的情境，嘗試從“觀念建構”的角度來開發實驗教學的價值，用“學科觀念”整合學科知識并統領教學，將零散的知識通過“觀念”這座橋梁轉化成“能力”，并力求發揮學科觀念的育人功能，結合哲學思想的滲透，培養學生正確的世界觀和方法論，塑造有智慧有品格的社會公民。

二、教學流程

學科知識是形成學科素養的載體，是形成課堂中“知識主線”的根基和源泉，是不可回避的課堂主角。經過高一一年的學習，學生或多或少積累了關于“海水資源的開發和利用”、“金屬礦物的開發和利用”、“三種化石燃料的綜合利用”三方面的知識內容。而這三類自然資源的開發利用囊括了中學化學中大量的實驗操作，也展現了科學實驗與工業生產的密切聯系，成為“實驗綜合運用”的背景。高一實驗主要包含了“物質的分離與提純”、“物質的制備與檢驗”等常見操作，這是本節課的知識細節，也串成了本節課的“知識線”。一節課中還要有隱性的“暗線”，即“思想方法線”，這是師生思想碰撞、情感交流和價值認同的脈動線，是知識升華成能力的演化歷程。高一學生已經初步接觸了化學的一些核心觀念，這為收獲貫穿于整節課堂的暗線作了鋪墊。表1為本節課的大致教學流程，簡要羅列了本節課的“知識線”和同步展開的“思想方法線”。 表2呈現的是本堂課中的學習任務單。

三、 教學片斷

1. 從海水中獲取物質資源

（1）人與自然

<導入>：人的生存需要哪些基本物質？自然界為人類提供了哪些資源？

<投影>：自然界為人類提供的物質資源

海洋：水和無機物等

陸地：土壤、礦石、化石燃料等

空氣：氧氣、氮氣等

動植物：營養物質、皮毛等

<師>：上述問題對你有什么啟示？

<生>：關愛自然，珍愛資源。

（2）實驗中洞悉化學觀念

<任務1>：從海洋中獲得淡水、氯化鈉、碘單質的操作方法、原理及實驗儀器。

<問題組一>：①海水中獲得淡水與實驗室里制備蒸餾水的原理都是利用沸點不同，解釋沸點不同的原因。

②石油的主要成分是各種烴類物質，工業上能通過分餾手段進行分離，這又說明了什么？

③已知直接蒸餾不能除盡乙醇中的少量水，思考：如何才能制得無水乙醇？

<小結>：組成物質的微粒不同，相互間作用力不同：化學鍵的鍵能大于分子間作用力，而不同的分子，分子間作用力又各不相同；生石灰能將水轉化成沸點更高的氫氧化鈣，避免了對蒸餾乙醇的干擾，這利用了化學轉化法。

<問題組二>：蒸餾操作時，溫度計的位置在哪？為什么？在下面實驗中，溫度計的位置又是怎樣的？①水浴加熱法制備硝基苯。② 170℃時，濃硫酸催化乙醇制備乙烯。請分析歸納在實驗中應如何確定溫度計的位置？

<小結>：溫度計的使用從根本上說，取決于實驗目的，因為目的直接決定了儀器的選擇與使用。因此，要學會從實驗目的出發，系統地認識儀器及其操作規則，深入理解化學實驗中的科學性和安全性問題。

<延伸>：從海水中獲得的精鹽在化工上還可以制備哪些物質？

<小結>：利用物理手段，我們可以從海水中獲得淡水和氯化鈉；而借助科技的力量和化學轉化規律，我們還可以進一步制備自然界中難以直接獲取的物質，如金屬鈉、氯堿工業和制堿工業等，這是化學創造力及社會價值所在。當然，化學的創造力一定是在遵循自然規律、掌握物質性質的基礎上，充分發揮人類智慧的結果。

設計意圖：化學教學應該注重對課程內容的精神理解，而不是在解題細節上過分關注；應該注重科學研究的方法和思想的掌握，而不是化學知識本身。這個環節的設計，一方面促進學生重溫并遷移應用已學知識，另一方面希冀從源頭上澄清這些操作的內在原因，讓學生知其然，并知其所以然，建構起“微粒觀”、“變化觀”和“化學價值觀”，領悟“利用化學的方法和手段，達到利用自然、改造自然的目的，充分展現化學作為‘中心科學的社會價值”。

（3）實驗中學會辯證、聯系地看待問題

<問題組三>：①“FeCl2”、“FeCl3”溶液蒸發結晶能否得到相應固體？為什么？②請用已學知識解釋“我國北方地區的某些小鹽湖，冬天湖底有純堿晶體析出，夏天偶爾可見有食鹽晶體析出”的現象。為了支持你的觀點，還需要什么文獻資料？（溶解度與溫度變化的曲線圖）③分析上述兩種結晶方法的使用規律。④運用上述知識，思考如何分離硝酸鉀與氯化鈉的混合物？

在對蒸發結晶和冷卻結晶兩種方法進行梳理后，筆者試圖以第四個問題為抓手，促進學生綜合考慮各種因素，學會全面辯證地看待問題。課堂上，學生提出了兩種方案：一種是，先溶解混合物得到濃溶液，再蒸發結晶，除去氯化鈉，最后冷卻結晶，制得硝酸鉀；一種是，先用少量的熱水配制較高濃度的混合物溶液，過濾除去無法溶解的氯化鈉，再降溫結晶，分離出硝酸鉀。就他們的反映看，高一的學生更傾向于使用后者。孰優孰劣呢？顯然不能一概而論。針對這兩種方法，筆者先讓學生嘗試從產量上分析，是否存在差異。然后再引導他們思考以下兩種情況：硝酸鉀中含有少量的氯化鈉如何提純？氯化鈉中含有少量硝酸鉀又如何提純？最后讓學生分析討論，得出規律：誰更易結晶，就相應選擇何種手段。從能源角度看，這很容易理解，無論是什么因素導致何者更易析出，從而選擇相應手段，將使能源盡可能節約，流程也盡可能簡化，從而最大化地降低生產成本。

設計意圖：上述兩種結晶方法在初中和高中的教材里均有涉及，大多時候是結合使用，而先后順序的不同構成了兩種不同的方案，但教師很多時候并未進行系統講述，往往只是給出一個定性結論，然后讓學生“按圖索驥”、“依樣畫葫蘆”地進行實驗操作。這樣的教學容易造成學生片面、孤立地看待問題，遇到不同的情景時，他們便難以調動已有知識進行分析判斷。筆者認為只有從產率、能量和流程等角度綜合分析，才能讓學生看清問題的本質，讓知識變得靈活，易于提取。化學一定是涉及“能量核算”的，而追求簡約，定能給工業帶來效益，這些都是化學文化的重要內涵，是學生非常樂于也易于接受的，是能夠幫助學生系統梳理學科知識，也是引導學生科學合理看待生活生產中實際問題的思想觀念，故在教學中不應輕易擯棄。

<問題組四>：除了蒸發結晶和降溫結晶外，我們還可以采用其他方法促使溶質析出。接下來，請分析以下幾種現象的原因。

①觀察實驗現象并解釋：往飽和硫酸鉀溶液中滴加無水乙醇，溶液迅速變渾濁。

②除了改變溶劑外，改變溶質能否使晶體析出？請舉例說明。

③資料又給了你什么樣的啟發？

<資料>：每一種氨基酸在特定的pH條件下，溶解度最小，故可以通過調節溶液的pH，使不同氨基酸析出而得到分離。

<生>：①實驗中改變了溶劑的成分，使溶質析出；②改變溶質結晶的方法有鹽析法：制備乙酸乙酯時，碳酸鈉降低了產物的溶解度；制備肥皂時，氯化鈉有利于產物的析出；蛋白質在硫酸銨等濃無機鹽溶液中會發生凝結；③資料說明了溶液的酸堿性對溶解度也會產生影響。

<小結>：用哲學的觀點來說，事物是普遍聯系的，我們要學會用“聯系”的觀點來看待問題。內因需要關注，外因同樣不可忽視。這種思想反映在化學中，能得出“物質的性質是多因素函數”。所以在化學學科中，有系統研究“外界影響因素”的理論，如“反應速率的影響因素”。

設計意圖：事實上，結晶法分離是基于在同一溫度下，溶液中所含物質達到飽和濃度的先后次序的不同。以溫度對溶解度影響的不同為依據的體系，只有少數的特例，其中以氯化鈉最為典型[3]。當我們把視野擴大，會發現，改變溶液的成分，也能導致物質溶解性變化而發生結晶現象，這樣我們在教學中自然而然地就會將問題三和問題四串連起來，讓學生由此及彼系統地形成整體的認識，使化學學習變得更舒暢、更通透、更深刻。

2. 從海帶中獲取碘單質

（1）從“化學概念”到“人生哲理”

<概念辨析>：水和乙醇能作萃取劑嗎？

學生幾乎異口同聲地回答“不能”。

<問>：請分析在下列例子中，水和乙醇都充當什么角色？

<投影>：酒精浸泡藥材、酒精萃取豆油或蛋黃油、酒精提取植物中的黃酮和酚類物質；水浸取甜菜中的糖類、泡茶、煲雞湯。

當學生領悟到“水和乙醇原來也可以作萃取劑”后，筆者繼續追問，揭示“萃取”的本質。

<問>：上述例子對你理解“萃取”有什么啟發？

<生>：改變了我對“萃取”的看法。不能只看表面字詞，關鍵要看原理。

<追問>：那么，你認為“萃取”的原理是什么？

<生>： 所選取的萃取劑不與原溶液反應或互溶，被萃取的目標物質在原溶劑和萃取劑中的溶解能力不同。

<師>：嗯，我們要透過現象看本質，四氯化碳或者任何一種溶劑都不是唯一的萃取劑，溶解能力的差異是選取萃取劑的一個重要原則，溶解能力的不同是發生“萃取”現象的根本驅動力。事實上，在自然界和人類社會中，不同驅動力發生的類似“萃取”的事件很多：生物遷徙的驅動力在于氣候，“良禽擇木而棲”的驅動力在于食物和巢穴，人才資源流動的驅動力來自于各種各樣的需求。那么，一個人憑什么能夠成功地在不同單位之間發生流動？對你們有什么啟迪？

<生>：憑個人的能力，所以我們要發展自己，學好本領。

設計意圖：引導學生“由個別實驗所得的結果，結合相關事例，獲得具有普適性的結論或推理”，傳遞的是一種思維，一種能力，一種藝術。學生對“萃取”從“概念誤解”到“原理透徹”，這過程中滋生的智慧與情感讓筆者欣喜萬分。教學中要將學生隱性的知識和能力充分展現出來，使他們思維的發散性和深刻性得到錘煉，讓他們收獲方法、領悟思想、發展自己。

（2）“分液漏斗”中感悟“化學結構觀”

<問題五>：你認為分液操作的關鍵是什么？（分層，界面清晰；準確控制液體的流速）。對應的實驗儀器是什么？（梨形分液漏斗）

<任務2>：回憶萃取分液的整個操作過程，從結構上分析：梨形分液漏斗如何滿足這些操作細節？

在完成任務2的過程中，筆者發現大部分學生都停留在對分液漏斗結構的描述上，而難以深入結構設計背后原因的思考，未建立起“儀器的結構決定其功能”的觀念，自然也就沒有領會到科學家在思考這些問題過程中展現出來的縝密思維和創新能力。“以學定教”理念告訴我，此時需要針對學生的思維障礙，做一些疏通和隨后的強化訓練。因此筆者在啟發和總結之后，讓學生及時跟進練習，進一步鞏固所形成的思維模式。

<討論整理>：分液漏斗容積較大，有利于裝液和充分振蕩；上口玻璃塞可以在保證密封性的同時，又能取下放氣、控制內外壓強、倒出上層液體；狹長的下端有利于清晰地觀察界面分層，并減少放液操作引起的誤差；下端旋塞便于控制流速，準確放出下端液體……

<變式訓練>：對比蒸餾燒瓶、蒸發皿、坩堝的結構，分析它們的相應功能。

<設計意圖>：從“實驗目的決定了實驗儀器的選擇，而儀器的結構決定了其功能與操作”，再一次證實了“結構觀”的普適性。當學生建立起這種觀念后，在后續學習中碰到“滴定管”和“移液管”時，就會從實驗目的和儀器結構上去分析它們的操作規則：哪些需要潤洗，哪些需要檢漏。這些知識原本是很零散的，一旦賦予了化學觀念后，就體現出它的價值，因為它們是化學學科觀念實實在在的踐行者，體現著化學的“思維邏輯魅力”，學生的能力也應是由這些知識的“珍珠”串起來的能力“項鏈”。所以“在理解基礎上的記憶”應成為化學教學中的“家常菜”，而不是純粹的死記硬背各種條條框框或金科玉律。

3. 從礦物中獲取物質資源

（1）“化學實驗”走向“工業生產”

<任務3>：結合海帶中提取碘單質的實驗流程，請分析從礦物中獲取鐵、銅、鋁、硫和硅的工藝，哪些環節是相似的？又有什么區別？

<小結>：相同的環節有：原料選擇、碎、燒、溶、氧化還原反應、產物的分離與提純。

不同點：①根據礦物的形態和工藝要求不同，采用不同的方式使礦物顆粒化：粉碎、剪碎、碾碎、搗碎等。②根據溫度和反應類型，熱處理的方式不同：加熱、灼燒、煅燒或焙燒等。③根據礦物的性質，選擇相應的溶解法：水溶（鈉鹽、硝酸鹽）、酸溶（鋅礦、鎂礦）、堿溶（鋁土礦）、有機溶劑溶解法（硫礦）、特殊溶法（冰晶石溶解氧化鋁、混合溶劑溶解）。④“核心”反應的條件不同：I-的氧化在常溫下就能實現，這類似于“水法冶金”；鐵和銅早在遠古時代用“燒烤法”（熱還原法）就能還原煉制；鋁只能依靠電解法制取；硫酸的制備需要借助催化劑，實際工藝中還要考慮反應程度；傳統煉硅法，從某種層面上說，是萬般困難，屬于一種綜合手段，因為二氧化硅與焦炭的反應溫度太高，索性電能的發現讓高溫的獲得變得方便易行，為硅單質的冶煉拓寬了道路。

<師>：從海帶和礦物的處理工藝，你聯想到什么？

<生>：不同的礦物在冶煉過程中有統一的工藝處理流程；但依據性質不同，又各有差異性。

<師>：大家分析得很到位，世間的萬千事物，既有共性，又有個性，所以我們在認識事物時，要把握事物的共性，能夠更快地切入主題，又要深諳事物的個性，盡量規避不必要的錯誤。

<延伸>：若要檢驗茶葉中的鐵、鈣、鋁元素，會用到上述流程中的哪些操作？

設計意圖：現代化學工藝流程是建立在化學實驗基礎上的。如果對碘的提取流程只是簡單地教授，而沒有深化為“有機物中某些元素的檢驗”一類實驗流程，甚至拓展成更為廣闊的“礦物冶煉的化工流程”，那是不完整的，也是低效的。事實上，海帶中99.2%的碘為水溶性碘，而且浸出液主要以I-形式存在，該“浸泡”過程快速易行，只有少量的碘元素是有機態，且能在經歷剪碎、灼燒灰化、煮沸溶解等環節后轉化成I-[4]。那么，教材為什么要保留傳統的看似“大費周章”的流程呢？筆者認為教材在編寫時，想要借助實驗室容易實現的“海帶實驗”呈現一套系統的“有機物中某些元素的檢驗”的實驗方案，（如，茶葉中Ca、Al、Fe元素檢驗的拓展課題），也粗線條地描繪出化工上大規模的“礦物開發利用”的流程，帶領學生由實驗室走向化工生產，將熟稔于心的原理應用到更廣闊的實踐天地中，這樣才能讓學問成為心靈的生動本質而不是儲藏在心里的惰性知識，讓學以致用成為每位學生的內在秉性。

<問題六>：冷凝管中水流方向的目的是什么？在煉鐵和硫酸工藝中，哪些環節的原理與之相似？

“放熱”和“對流”是化工的“不二”主題，而它的原型卻是來自化學中簡單的實驗。冷凝管的水流與氣流方向相反，是為了延長接觸時間，達到充分冷卻的目的，而在高爐煉鐵時，礦物和焦炭由爐頂投入，空氣從爐底鼓入，勢必造成固體和氣體相向而行，延長了接觸時間，從而盡可能地充分反應；而在硫酸工藝中，熱交換器的內外管冷熱對流與實驗室冷凝管的對流并無二致；再到吸收塔，生成的三氧化硫氣體從塔底升起，被由上而下噴灑的濃硫酸吸收，亦是為“放熱”與“對流”考慮設計的。當然，除此之外的例子，在化工中還有很多。從充分冷卻到充分反應，皆包含“放熱”和“對流”，這一系列看似復雜的操作工藝，原來皆濃縮于小小“冷凝管”中，學生怎會不豁然開朗，滿心歡喜呢？

4. 從生物體中獲取物質資源

<任務4>：借助資料，設計從生物體中獲取物質資源的簡要路線，思考過程中都分別使用了哪些實驗手段？

就必修教材，上述問題涉及到的相關實驗有：醇類制作燃料電池、多糖類物質水解、釀酒工藝、造紙工藝、人造絲和銅氨纖維的制作、從蛋白質的水解獲取氨基酸、微生物發酵法生產氨基酸（如味精廠）、蛋白質的鹽析與變性、油脂皂化、人造奶油。學生通過查閱網站和參考教輔資料，能設出更多的路線……在借助各種各樣實驗方法的同時，別忘了告訴學生：人類自身有一套神奇高效的天然加工工具，那就是消化系統，它可以不斷地從生物體中獲取營養物質，維持正常的新陳代謝，保證人的各種體力和腦力活動。同時還要向學生發出警示：人類不能無節制地向自然索取，我們要學會反饋，如廢物回收利用，凈化自然界。

5. 從空氣中獲取物質資源

<任務5>：如何從空氣中分離出氮氣和氧氣？如何除去空氣中的氧氣？

<知識鏈接>：①已知空氣分離的三種常用方法：吸附法、膜分離法和低溫法。

吸附法：利用分子篩對不同分子的選擇吸附性來達到分離目的。

膜分離法：借助膜滲透技術，根據氧、氮通過膜的速率的不同，實現兩種組分的粗分離。

低溫法：利用空氣中各組分沸點的不同，通過一系列的工藝過程，將空氣液化，并通過精餾來達到不同組分的分離。

②除去氧氣的常用方法有兩種：一是液化空氣，再升高溫度，沸點低的氮氣先逸出；一是碳在空氣中燃燒，再用堿吸收二氧化碳，即得氮氣。

<討論>：上述分離方法的原理與你所學的哪些實驗操作相似？

<問題組七>：洗氣法是一種常用的實驗手段。思考實驗室制備氯氣時，哪些環節使用了洗氣法，分別使用了哪些試劑？

<拓展>：對空氣的利用，我們更多的時候是直接“轉化”，如：生物體從空氣中獲取氧氣或氮氣是靠“轉化法”；科學家測定氧氣含量也是借助“轉化法”，工業上煅燒礦物也是“轉化”氧氣；雷電時，氧氣和氮氣還能“轉化”成農作物必要的“氮肥”……就你現在的知識，說一說空氣對地球上整個生物圈的意義？

除了要告訴學生空氣是寶貴的天然物質資源，要避免污染空氣，保護自然環境，還要讓學生明白從固氮菌到工業合成氨氣，雖然在量上有了質的飛躍，但是利用率低、成本高、污染環境，這些都在表明：人類還要不斷地向自然界學習，追求科學是永無止境的，真理永遠在前方。

四、反思

本節課是筆者在我縣區內圍繞“高一化學學業水平考試復習”教學研討展示的一節公開課。在交流分享時，筆者談了自己在備課時的想法：如果教學的目標一開始就定位在熟練幾個常見實驗操作的考點上，那么我們能指望學生會產生多大的興趣？而且無論用何種形式去講授，學生能收獲的也就只有這幾個考點，頂多因為教學形式或者任何噱頭讓學生感興趣那么兩三節課，之后便看透本質而失去興趣。但如果教學目標是停留在展現博大精深的核心觀念并感受其簡約、普適、質樸和理性之美，領悟“化學實驗”背后折射出的科學家的嚴謹求實和創新思維，渲染豐富的人文內涵和絢爛的藝術之美，那么課堂的境界和層次自然就不同了。所以，只有以學科文化和審美藝術作為教學目標，才能持續長久地調動學生學習動力。這就要求教師在備課時不能僅停留在學術形態的顯性知識層面上，還應該關注并挖掘教育形態的緘默知識，不僅從形式上把課堂還給學生，更應該從思維層面上激活學生。追求思維的提升是課堂教學永恒的話題，離開學校若干年后的學生，也只可能剩下思想、觀念和方法，這將是永遠留在他們腦際，伴隨他們終身的精神財富。

參考文獻

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