基于學科理解準確把握教材實驗的內涵和價值

洪清娟　陳秀娟　張賢金

摘要：基于學科理解的視角分析蘇教版高中化學教材《必修（第一冊）》專題2中“物質的分離提純”的內容，以“萃取與分液”實驗為例對如何準確把握實驗內涵和價值進行教學實踐探索。通過學生在真實情境中解決問題，感受番茄紅素、碘單質在不同溶劑中溶解性與溶解度的不同，認識分液與萃取的原理;通過參與設計、繪制分液儀器，自主建構物質分離提純實驗的一般思維模型，增進對化學實驗體系三要素中物質體系與儀器裝置要素之間的關系以及分液與萃取所蘊含的實驗思維和實驗價值的理解。

關鍵詞：學科理解;萃取與分液;實驗內涵;實驗價值

文章編號：1005-6629（2021）05-0052-07 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在“萃取與分液”實驗教學中，教學重點往往放在分液漏斗裝置的認識和分液的基本實驗操作訓練上，化學實驗體系的三要素之間相互關聯與制約的關系、選擇物質分離提純方法的依據、實驗過程中隱含的實驗思維等方面反而成為次要內容甚至被忽略。因此不少化學教師沒有準確理解和把握化學教材實驗的內涵和價值，以致化學學科本質教育的缺位現象較為嚴重。為了改變當前化學實驗教學的現狀，本文從教材的學科理解出發，以蘇教版高中化學教材《必修（第一冊）》專題2中“萃取與分液”實驗教學為例，探討如何把握教材實驗的內涵和價值，讓學生從實驗中發現化學、學習化學、理解化學，旨在為教師設計、開展有效的實驗教學提供一些參考。

1教材的單元整體理解

物質的分離提純是研究物質的重要實驗方法之一，初、高中化學課程標準對物質的分離提純的知識都有相關的要求?！读x務教育化學課程標準（2011年版）》主要涉及初步學習用過濾、蒸發對混合物進行分離的實驗技能，通過“水的凈化”了解可用蒸餾自來水制取較純凈的水，認識實驗室常用的蒸餾裝置，但學生只是學習了一些零散的實驗知識與技能，未形成系統化、結構化的認識。《普通高中化學課程標準（2017年版）》除了要求學生學會物質分離、提純等化學實驗基礎知識和基本技能外，還要學習和了解進行物質分離、提純等不同類型實驗探究活動的核心思路與基本方法。所以筆者認為物質分離提純的教學，應從學生的知識經驗與認知水平出發，根據物質的狀態、溶解度對物質分離的影響、分離方法與儀器的選擇等不同角度，對物質分離提純的常見方法進行對比和系統的梳理，進而形成“依據各組分性質的差異選擇分離提純的方法和相應的儀器，且分離提純過程中應盡量減少所需物質的損失”等結構化的認識思路。從整體上把握教學設計，使之既有利于初、高中銜接過渡，又有利于后續元素化合物知識相關實驗教學的展開。因此，教授本單元內容的注意點不能只放在講解分離提純實驗的儀器裝置、操作步驟、注意事項和實驗方法的識記等知識層面上，更要重視并挖掘相關實驗的思路、基本方法和功能價值等內隱的但更富有“營養”的內容。如“萃取與分液”實驗教學中增設加了植物油的番茄湯出現分層如何分離、設計繪制用于分離油水兩層液體的儀器等真實、有意義、引發學生探究興趣的情境，讓學生在逐步解決問題的過程中掌握“萃取與分液”的方法，領悟該方法的意義與價值，發展學生“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”等核心素養。

2“萃取與分液”實驗教學目標

通過探究番茄紅素、碘單質在不同溶劑中溶解性與溶解度不同的活動，認識分液與萃取的原理;通過參與設計與繪制分液儀器，不僅了解分液漏斗的作用以及與普通漏斗的區別，還弄清分液為什么要用分液漏斗、分液漏斗為什么會有那樣的構造、分液漏斗怎么使用？初步建立起化學實驗體系三要素之間的關聯意識。具體的教學目標如下。

（1）通過運用控制單一變量法，感知碘在水、酒精、四氯化碳三種溶劑（單一溶劑、兩種溶劑混合）中溶解度與現象的差異，獲取相應的實驗證據并進行推理，初步形成利用物質溶解性的不同，建立互不相溶物質分離的認識模型。

（2）通過討論和繪制分液儀器示意圖，理解分液的原理，建立有關儀器的構造、選擇與實驗目的、物質體系、分液萃取等化學概念的關聯，增進對分離提純實驗所承載的功能價值的認識。

（3）通過屠呦呦提取青蒿素科學史話情境的創設，感受萃取方法的科學價值，激發學習興趣，培養創新意識和社會責任感。

3教學過程

基于上述教學目標，實驗教學由生活情境引出分液;深人情境，認識萃取;明確萃取意義，感受萃取的價值;作業布置，鞏固萃取與分液的認識等四個相關問題解決任務和學習活動組成。任務活動與設計意圖的教學流程見表1。

4教學實錄

4.1生活情境，引出分液

[實物展示]水煮番茄湯和加了食用植物油的番茄湯各一杯。

[教師]兩杯番茄湯有什么不同現象？

[學生]分層，且上下兩層顏色不一樣。

[教師]已經分層的液體可以通過分液的方法進行分離。追問生活中可以采取哪些操作對水層和油層進行分液？

[學生]吸油紙吸、吸管吸、傾倒、勺子舀、冰箱凍了把油刮掉……

[教師]這些操作方法無法實現徹底的分液。能否設計一個儀器將水層和油層比較完全地分離？

[學生]討論并分組設計將油水兩層液體分液的思路和儀器：利用壓強加壓水層、找尋一種能將水油分離的選擇性膜、采用電解、加熱蒸餾等。剛開始繪制時，部分學生設計的是上下口徑一樣大僅一端開口的儀器;也有學生設計出類似簡易凈水器（相當于剪去瓶底倒置的礦泉水瓶）的儀器;后來有學生設計出漏斗加活塞開關的粗胚模型，具體如圖1所示。

[教師]簡單點評各個設計思路。指出加熱蒸餾既耗能又操作復雜，一般僅適用于沸點相差較大且互溶的液體混合物等;贊賞學生提出的功能膜想法體現創新思維，介紹一種用于油水分離的膜材料及其應用（見圖2），激發學生持續的學習動力。之后，讓學生評價自己的設計，引導他們從操作簡單方便與實驗安全、如何便于盛裝與振蕩溶液、如何控制流速便于分離完全、盛液容積大小、分層的液體流向出口等角度去思考，修改并完善用于實驗室分液的儀器。

一種用于油水分離的膜材料

隨著近海石油的開采以及工業含油污水的增加，油水分離成為一個廣受關注的全球性難題。我國化學家在這一領域已經取得了重要的突破，他們合成了在水中具有超疏油的膜材料，當油水混合物穿過水預浸潤的膜材料時，水可以自由流動通過，而油則被阻隔富集，從而達到分離的目的。

[學生]根據教師的提示，歸納出水層從下口流完后，油層從上面出口倒出，形成“上層走上口，下層往下走”的分液操作認識;為分離完全、便于控制流速與防止上層液體繼續從下口流出，接近下口的地方應該適當“收腰”，并加一旋塞控制;為了振蕩時的安全和避免濺出造成損失，上口應該加一個塞子。

[教師]和你們的想法一致，人們真的創造了這么一個儀器：首先這個儀器得盛裝一定體積的液體，所以得有一個大大的“肚子”;其次為了便于控制上下層液體的分液操作，所以有了“下腰細”，這個儀器的名稱叫做分液漏斗。分液漏斗模型的演變如圖3所示。

[教師]在用這種有塞子的儀器裝液體之前，要先進行什么操作呢？

[學生]多數學生回答洗滌。個別提出檢查看看會不會和水龍頭一樣漏水。

[教師]要進行檢漏，并演示檢漏操作。請學生上來用分液漏斗分離番茄湯的水層和油層。

[學生]沒打開上口塞子就直接旋開旋塞，下層液體流出一些后就不再流下。

[教師]如何操作才能讓下層液體順利流下，分離較完全？

[學生]分液操作前應先打開上口的塞子，不然外界壓強更大，分液漏斗內的液體就不能順利流下。

4.2深人情境，認識萃取

[教師]展示分液后的水層和油層。兩種番茄湯對比顏色有什么不同，這說明了什么？引導學生還要從油與水的量的角度去觀察。

[學生]油層顏色比水層深，比水煮番茄湯的顏色也要深。說明加入植物油后，番茄紅素從較大體積的水中轉移到較小體積的油層中，由此可知番茄紅素在植物油中溶解力更強。

[教師]肯定學生的發現與推理，指出化學上用溶解度（而非溶解力）來衡量溶解的難易。《楚辭》有云“蒼鳥群飛，孰使萃之”，這里的萃是聚集的意思。水煮番茄湯中加人植物油之后，把番茄紅素從量多的水中轉移到量少的油中，得以富集，所以油層顏色看起來更深，說明番茄紅素在植物油中溶解度大于水中，化學上把這個過程稱為萃取。

[教師]植物油屬于有機物，其他有機物是否也有這種“萃”的功能呢？你知道哪些有機物可以作溶劑？

[學生]汽油、酒精可以作溶劑，比如常用于傷口消毒的碘酒就是碘溶于酒精，配成一定濃度的酒精溶液。

[教師]生活中為什么不用碘水消毒？請設計實驗以驗證你的預測，注意控制單一變量。

[學生]推測不用碘水消毒是因為碘在水中的溶解度太小。設計方案，分組實驗結果見表2。

[教師]展示一瓶四氯化碳，介紹其難溶于水且密度比水大，是常見的有機溶劑。碘能溶于酒精，能否也溶于四氯化碳？演示：取一支試管加入0.1g碘，再加入2mL四氯化碳振蕩。追問四氯化碳具有哪些物理性質？

[學生]四氯化碳是無色液體，能溶解碘且形成紫色溶液。

[教師]提供25℃碘在幾種不同溶劑中溶解度的資料，具體見表3。

[教師]根據溶解度資料和生活常識，請預測碘水中分別加入酒精、四氯化碳以及碘的四氯化碳溶液中加入水分別會出現什么現象？提示：參照番茄紅素在植物油與水兩層液體的表現。請設計實驗方案驗證你的預測，并講出預測的依據。

[學生]分組討論，設計方案與預測的實驗現象見表4。

[教師]演示實驗3、4、5，要求學生認真觀察現象并進行解釋。

[學生]實驗3振蕩后下層為紫色，上層無色。說明四氯化碳密度比水大，且難溶于水;碘在四氯化碳中的溶解度遠比水大，所以碘幾乎全部從水層轉移到四氯化碳中。實驗4沒有分層，溶液顏色呈淺棕褐色，因為無水酒精與水互溶，所以不會分層。實驗5再次說明碘在四氯化碳中的溶解度遠比水大，水幾乎無法把碘單質從四氯化碳中萃取出來。

[教師]象植物油能將水中的番茄紅素、四氯化碳能將碘水中的碘分別轉移而富集的試劑稱為萃取劑。請根據表3資料判斷能用無水乙醇作碘水的萃取劑嗎？選擇萃取劑時要注意哪些事項？你能對萃取下個定義嗎？

[學生]不能用無水乙醇作碘水的萃取劑，因為乙醇和水互溶沒有分層而無法分離。溶質在萃取劑中溶解度不僅要比原溶劑大很多，且萃取劑與原溶劑須互不相溶、與原溶液不反應才可以。萃取就是加入萃取劑之后把溶質從原溶劑中轉移出來。

[教師]實驗中所使用的四氯化碳溶劑是有毒的，需要回收并作一定處理。

4.3明確萃取意義，感受萃取的價值

[教師]萃取后的溶液是純凈物嗎？如果不是純凈物，為什么還要萃取，這樣操作有什么好處？

[學生]富集，需要溶質在萃取劑中的溶解度更大。

[教師]很好，萃取使溶質得以富集。此外，工業上混合物所處的環境一般比較復雜，通過萃取，可以把需要的物質轉移到萃取劑中形成一個相對簡單的體系，便于后續的分離提純。

[教師]生產生活中有用到萃取原理的嗎？

[學生]干洗、泡藥酒、汽油洗油污……

[學生]閱讀“屠呦呦提取青蒿素的研究”的資料。

[教師]屠呦呦在提取青蒿有效成分的研究中主要創新之處是什么？讀完這段科學研究史，你有什么感悟？

[學生]把萃取劑從原來用水改為用乙醚，提高萃取能力，從青蒿中溶解出更多的有效成分;性質決定用途;中醫里還蘊涵豐富的藥物提取方法。

[教師]應依據被萃取物質的性質選擇合適的萃取劑;科學探究要敢于質疑，遇到問題要靈活轉換角度去思考，適當調整研究方向;屠呦呦在經歷了190多次實驗失敗后才取得成功，由此可見科學探究的艱辛與不易。希望同學們在今后的學習中能學習屠呦呦的精神，用智慧的眼光去發現古籍中的精華，為人類的生產生活做出貢獻。

[教師]通過本節課的學習，你能歸納實驗室萃取與分液、分離與提純的一般方法與思路？

[學生]小組討論完成萃取與分液的一般思路如圖4所示。

[師生]教師啟發引導學生討論歸納后，逐漸完善最終形成分離提純實驗的一般核心思路，如圖5所示。

4.4布置作業，鞏固萃取與分液的認識

[作業1]以番茄為原料提取番茄紅素，某一種工藝流程如圖6所示。

已知：番茄油樹脂是一種深紅色膏狀物;番茄紅素不溶于水，難溶于乙醇，可溶于苯、乙醚等有機溶劑。請回答：

（1）操作①、③、④的名稱分別是____、___、____;操作②使用的玻璃儀器有____。

（2）重結晶后的產品需用______多次洗滌，實驗室洗滌的操作方法為______。

[作業2]查閱資料，設計從含碘的四氯化碳溶液中分離并回收碘與四氯化碳實驗方案的簡單流程圖。

5教學反思

“物質的分離提純”是學生接觸到的第一個比較系統的實驗學習內容，如何在教學中把握實驗的內涵，實現實驗教學的獨特價值？筆者有以下幾點感悟。

5.1結合學生已有經驗，創設真實的實驗問題情境

學習萃取盡量呈現真實的化學實驗，因為真實的或模擬真實的問題情境可以克服學習內容的抽象性，有利于學習內容的強化和遷移。例如本課時通過生活中學生經常接觸的番茄湯，讓學生在解決“如何分離水層和油層”“分離后的水層和油層顏色為什么不一樣”兩個問題的過程中同時獲取萃取與分液的核心知識，感受化學與生活息息相關，提升了“證據推理與模型認知”等學科核心素養。當然，本課時也可先從泡藥酒、煮中藥等生活的視角進入固一液萃取的實例，到生活中植物油萃取番茄紅素初步認識液一液萃取，進行層層鋪墊。由于學生具有一定的生活經驗，這時再順理成章地過渡到需要掌握的四氯化碳萃取碘水中的碘單質（液一液萃取實驗），就比較容易理解萃取的原理。最后再聯系屠呦呦提取青蒿素的化學史實，提出“為什么古人水浸青蒿抗瘧疾的效果不如用乙醚（一種有機溶劑）提取”的問題，促使學生預測原因，查閱文獻，設計實驗驗證，從而幫助學生從科學家的角度思考問題，深化了對萃取的認識。

5.2遵循學生的認知規律，設計學生實驗探究活動

在教學實際中，可基于學生的實際認知情況，設計必要的實驗探究活動，發揮化學實驗的教學功能。比如溴和四氯化碳是學生新接觸的陌生物質，在教學實際中考慮到溴單質的易揮發性，改成以碘為研究對象，同時增設碘在蒸餾水、無水乙醇中的溶解實驗以及碘水與乙醇、四氯化碳等的萃取實驗。通過實驗探究活動，將“萃取與分液”納入到學生的知識結構中。分液漏斗沒有作為分液的儀器直接給出，而是根據分液實驗的目的引導學生進行設計與繪制，逐步演變成分液漏斗——體現了實驗物質與儀器的關聯，它們是一個體系的。

5.3設計具有情境性的習題，有效開展實驗教學日常評價

基于學生實際情況精選針對性的作業或習題情境，提高學生運用化學知識解決實際問題的能力。及時對學生學習情況進行反饋評價，充分發揮日常評價促進學生化學學科核心素養全面發展的功能。例如，設計以番茄為原料提取番茄紅素的工藝流程的習題情境，跟蹤學生對分離提純的操作名稱、沉淀洗滌劑的選擇和沉淀洗滌等實驗操作的掌握情況。另外，設計從含碘的四氯化碳溶液中分離并回收碘與四氯化碳的實驗方案，力求在解決日常問題的實驗教學中診斷學生的發散性思維的水平以及一定的環保意識與創新精神。