基于學科知識融合能力培養的思維建模研究——以化工流程題為例

河南 葉 軍

1.問題提出

思維建模作為一種教學策略和幫助學生認知的工具參與到教學過程中來，使學生的學習，教師的教學以及師生之間的交流更為有利更能把握全局和細節，更能創造性解決問題和發現問題。

思維建模的過程應包括分析、建模和解模三個過程。

分析的過程主要是對特定的研究對象進行抽象、概括，抓住其主要信息以及對相關對象的共性問題進行提取。

建模的過程主要是抽象思維或非邏輯思維的應用，通過舍棄研究對象的一些次要細節及非本質的聯系，對研究對象的主要信息做出一些必要的簡化、假設和一般化處理，并用適當的文字、公式或實物等方式去再現研究對象的各種復雜結構、特征、功能和聯系，以建構相對固定的思維模型。

解模的過程主要是表現為邏輯的思維，運用已經建構的思維模型去解釋研究對象和解決實際問題。

近些年來，由于化學工藝流程試題具有較高的融合性，備受命題人偏愛。此類試題涉及知識面廣、考查問題全面、題干信息量大，既能考查學生基本物質的相關性質和相關基本實驗操作的掌握，還能考查基本概念、原理的學習能力。能夠充分考查學生的化學學科核心素養的關鍵能力(見表1)。

表1 化學學科核心素養的關鍵能力

鑒于此可知，培養學生學科知識的融合能力就顯得尤為重要，思維建模則是一個非常好的方法。細分析化工流程題，從考查的角度來看有兩大方面：一、學習水平——基礎知識的全面掌握，基礎知識包括元素化合物性質及相關反應、基本實驗操作、化學平衡原理的應用；二、學習能力——題給信息的現學現用，題給信息包括題干文字信息(原料組成、陌生物質的物理及化學性質等相關數據)和流程圖信息。

2.設計思路

流程圖的模型大致如下，通常可以分為三部分(見圖1)：

圖1 流程圖模型

2.1 原料預處理

利用題給混合物組成信息進行預處理，可使用物理或化學方法，借助有關化學反應原理進行。相關物理方法有攪拌、粉碎、升溫等；相關化學方法可借助組分的化學性質選取常見的酸、堿、氧化劑等與其反應。建模如圖2所示：

圖2 原料預處理建模

基本方法：

2.1.1 研磨：減小固體的顆粒度，增大固體與液體或氣體間的接觸面積，加快反應速率。

2.1.2 水(酸、堿)浸：與液體接觸溶解或反應，使可溶物與不溶物分離。

2.1.3 灼燒(煅燒)：改變原料組成的結構或使之分解，除去可燃性雜質或氧化變價元素。

2.2 除雜(提取過程)

分析溶液組成借助已學知識和題給信息，選取相應試劑進行除雜(見圖3)：

圖3 提取過程建模

除雜過程結合中學化學中元素化合物的知識、化學反應原理進行知識高度融合的考查，同時還給出一定的信息，考查學生的學科學習能力。在這里對近幾年全國高考試題化學工藝流程試題的考查元素及相關主要處理方法統計如下(見表2)：

表2 高考流程圖試題考查元素匯總

綜合分析這些處理原理采用以下形式的原因：1.調節溶液的pH，常用于使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀。調節pH所需的物質一般應滿足兩點，能與H+反應，使溶液pH增大；不引入新的雜質。2.控制溫度，根據需要升溫或降溫，改變反應速率或使平衡向需要的方向移動(如升溫促進水解)。

2.3 制取粗產品

思維建模如下(見圖4)：

圖4 制取粗產品建模

基本方法：

①過濾：分離難溶物和易溶物，根據特殊需要采用趁熱過濾或者抽濾等方法。

②萃取和分液：利用溶質在互不相溶的溶劑里的溶解度不同提取、分離物質，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。

③蒸發結晶：提取溶解度隨溫度變化不大的溶質，如NaCl。

④冷卻結晶：提取溶解度隨溫度變化較大的溶質、易水解的溶質或結晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。

⑤蒸餾或分餾：分離沸點不同且互溶的液體混合物，如分離乙醇和甘油。

⑥冷卻法：利用氣體易液化的特點分離氣體，如合成氨工業采用冷卻法分離氨氣與氮氣、氫氣。

基于以上分析，一個復雜的流程圖被我們分解成幾個獨立但又相互關聯的思維圖，這樣學生不至于見到大型流程圖(2013·全國卷Ⅰ流程長達13步)心生恐懼，出現畏難情緒。同時對每個小流程各自考查的內容做出詳細分析，學生分析問題時能夠形成一定的思維模式，從而達到培養學生學科思維能力的目的。

3.答題規范

3.1 文字敘述類的題目要規范解答，防止出現因敘述不嚴謹導致的失分

例如：

①如何洗滌沉淀：往漏斗中加入蒸餾水至浸沒沉淀，待蒸餾水自然流下后，重復以上操作2～3次。

③如何從溶液中得到晶體：蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥。

④在寫某一步驟是為了除雜時，應該注明“是為了除去××雜質”，只寫“除雜”等一類萬能式的回答是不正確的。

3.2 認真審題，不要因審題不細致而失分

例如：

①填“化學方程式”還是“離子方程式”。

②填“名稱”“符號”還是“代號”“序號”等。

③填“大于”還是“>”，填“增大”還是“變大”等。

④填“化學式”“分子式”“結構式”“結構簡式”“最簡式”還是“電子式”等。

4.解題示例

【2018年·全國卷Ⅱ·26】我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家，一種以閃鋅礦(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質)為原料制備金屬鋅的流程如圖5所示：

圖5

相關金屬離子[c(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如表3：

表3

回答下列問題：

(1)焙燒過程中主要反應的化學方程式為____________________________________。

(2)濾渣1的主要成分除SiO2外還有________；氧化除雜工序中ZnO的作用是____________________，若不通入氧氣，其后果是____________________。

(3)溶液中的Cd2+可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應的離子方程式為________________。

(4)電解硫酸鋅溶液制備單質鋅時，陰極的電極反應式為____________________；沉積鋅后的電解液可返回________工序繼續使用。

【解析】依據建模可將流程分三步，如圖6所示：

圖6

1.原料預處理采用焙燒的方法，以達到改變原料組成的結構或使之分解，除去可燃性雜質或氧化變價元素的目的。

2.除雜過程采用沉淀和氧化還原的方法，由題干可知原料中含有FeS、CdS、PbS雜質，分析四種離子沉淀pH不難發現，直接調節pH不能將雜質一次性除去。流程中有三次過濾的除雜處理，依據元素化合物知識可做出判斷，稀硫酸沉淀Pb2+；氧化除雜則是將Fe2+氧化為Fe3+從而生成Fe(OH)3除去；Cd2+沉淀的pH高于Zn2+,則應利用氧化還原反應除去。

3.制取產品采取電解的方法。

4.答題過程：兩處方程式分別要求書寫“化學方程式”和“離子方程式”，注意答題要求。

【答案】

(2)PbSO4調節溶液的pH 無法除去雜質Fe2+