基于“物質分離與提純”模型的“水的凈化”教學研究

劉國豪

摘要：通過模型建構的教學模式，逐步探索“物質分離與提純”的一般思路和方法，進而在熟悉情境中應用模型、修整模型、完善模型，深入挖掘學科知識背后的核心素養，整合教材內容，提供單元主題類教學案例。

關鍵詞：核心素養;模型建構;物質的分離與提純;水的凈化;過濾

文章編號：1008-0546（2022）06-0048-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.010

物質的分離與提純是研究物質組成、結構、性質及應用的重要的基礎性操作，在化工生產或科學研究領域具有廣泛的應用。因此，針對混合物分離與提純的分析與考查具有重要的現實意義[1]。在初中階段涉及物質分離的方法主要有：蒸發、過濾、吸附、沉淀、蒸餾、結晶，由于各版本的初中化學教材并沒有系統歸納和整理此內容，在教學實踐中，針對“物質的分離與提純”進行單元整體教學分析并建立方法模型解決問題很有必要。

一、問題的提出

本文的研究載體“水的凈化”是初中化學“身邊的化學物質”中的重要內容。在中國知網檢索文獻發現，對于“水的凈化”的教學研究，主要集中在以下兩個方面：（1）對過濾實驗進行改進[2-4]。改進后的實驗具有操作更加簡便，現象更加明顯，原理更易理解等優點，但過濾實驗操作是《義務教育化學課程標準》要求學生必須掌握的化學實驗技能[3]，實驗的改進不太適合放在新課教學中。（2）情境教學[6-11]。情境教學增強了化學知識的趣味性和應用性，研究者選取的情境都比較新穎且具有時代性。以“物質分離與提純”角度對水的凈化方法進行歸納和總結的教學研究暫未發現。基于此，本文采用構建模型的教學模式，以期解決“水的凈化”教學中所忽視的兩個問題：（1）“物質分離與提純”方法模型的構建;（2）“物質分離與提純”方法模型在具體情境中的實施與應用。

二、教學問題的分析

1.教學分析

（1）教材分析

“水的凈化”是人教版初中化學教材九年級上冊第四單元課題2的內容，可解決課題1“愛護水資源”中水資源不足的實際問題，同時也為“粗鹽中難溶性雜質的去除”實驗打下基礎。凈化水的知識內容是去除水中的雜質，其核心任務是對混合物中的成分進行分離與提純。查閱人教版初中化學教材[12-13]中關于物質分離的內容，發現在“水的凈化”之前，已有測量空氣中氧氣含量的演示實驗內容，也有工業上制取氧氣的相關知識。同時，“水的凈化”也是冷卻熱飽和溶液結晶、蒸發結晶、粗鹽提純等物質分離內容的必備基礎（詳見表1）。

“水的凈化”教材內容首先對自然界水中的雜質進行分類，再介紹自來水廠的凈化工藝，接著設置了過濾的演示實驗，教材內容以講述和演示的方式為主，并沒有介紹凈化水的物質分離思路。

（2）學情分析

學生已經學習了“混合物”“純凈物”等相關概念，也知道分離物質后可以達到某些實驗目的。如：測量空氣中氧氣含量的實驗中，在密閉的集氣瓶中點燃足量的紅磷除去氧氣，待冷卻到室溫后打開密閉體系，讓水倒吸進入集氣瓶中，水的體積即是集氣瓶中氧氣的體積;再如：工業制氧氣中，由于液氮和液氧的沸點不同，將空氣液化以后再蒸發，可以分離出氧氣和氮氣。但是學生對物質分離的方法仍缺乏獨立分析能力，凈化水的相關實驗操作能力也沒有經過訓練。

（3）教材內容的重構

基于以上的教材及學情分析，本文以物質分離與提純的方法模型為主線，解決水的凈化的相關問題，并對教材內容進行如下重構：

①變自然界水的引人為工業制氧氣引入

不以自然課時為順序進行引入，改為由學科核心知識為順序進行引入。由于工業制氧氣與本節課凈化水的核心任務相同，都是物質的分離與提純，通過對工業制氧氣分離原理的復習，建立方法模型以解決水的凈化問題，體現單元整體教學思想。

②變陌生情境為熟悉情境

大多數學生都沒有參觀過自來水廠，其凈化原理對于學生來說看似熟悉，實則陌生。本文采用學校門口“臭水河變清水河”的情境來應用物質分離的模型，學生觀察水污染治理的部分操作后，結合已有生活經驗思考凈化水的原理，更加切合自身的認知經驗。自來水廠凈化工業的知識用作物質分離的工藝流程情境。

③變演示實驗為分組實驗

將過濾的演示實驗變為學生的分組實驗。學生先實驗，再總結實驗的操作要領，先試錯再反思錯誤，親身體驗實驗成功的關鍵因素。學生由實驗的“旁觀者”變為了“參與者”。

2.教學目標

見表2。

3.教學框架

通過建立模型、應用模型、修整模型、完善模型四個教學環節，以工業制氧氣、臭水河變清水河、自來水廠的凈化工業、過濾實驗為情境線，以分離氮氣和氧氣的方法、水凈化的方法與工藝、過濾實驗的操作要領為知識線建立教學框架（見圖1）。突出以模型建構的教學模式，在水污染治理、水凈化流程的情境中培養學生的社會責任，在過濾實驗的情境中培養科學探究與創新意識等核心素養。

三、教學問題的解決與實施

1.環節一：溫故知新建立模型

【師】同學們還記得工業上是如何制取氧氣的嗎？

【生】先將空氣在低溫條件下加壓，使空氣液化，再將兩者逐一蒸發出來。

【師】那你們知道氮氣和氧氣能夠分離的關鍵因素是什么嗎？

【生】因為液氮和液氧的沸點不同，液氮的沸點低于液氧。

【師】總結：PPT展示并重溫工業制氧氣的方法及原理（見圖2），工業上制備氧氣，實質就是將混合物中的物質進行分離。提問：同學們能夠從中總結一下，如果想要將混合物中的物質進行分離，應該進行怎樣的分析呢？

【生】小組討論后得出，首先要分析混合物中含有哪些物質，再分析各物質之間的性質差異，最后利用它們之間的性質差異找出分離的方法。

【師】沒錯，這就是混合物中物質分離的一般思路和方法：總結起來就三句話：析成分斗尋差異一找方法，同時展示混合物中物質分離與提純的一般思路和方法（見圖3）。

設計意圖：學生對工業制取氧氣的方法進行復習，老師引導得出混合物中物質分離的一般思路和方法，如此可為解決水的凈化問題提供方案，同時為將來解決物質分離與提純這一類問題建立了模型，形成連貫的主體單元學習內容。

2.環節二：污水治理應用模型

【師】同學們有沒有發現，學校門口原來臭氣熏天的河水如今變得清澈見底了？

【生】我知道，因為這兩年一直在治理，我經常看到有好多工人和機器在河道施工。（學生表現出高興和興奮）

【師】是的，同學們親自見證了這條“臭水河”變成了“清水河”，那你們路過的時候，有沒有觀察過他們是如何治理的嗎？

（學生爭先恐后舉手，以下是選取了部分的回答）

【生】用柵欄攔截漂浮的污染物、打撈污泥、往污水里撒東西。

【師】污水變清水是不是也屬于將混合物中的物質進行分離呢？

【生】想想后一致認同。

【師】同學們能否利用剛才的物質分離的思路步驟對污水進行分析呢，先想想污水里除了水以外有哪些成分？

【生】小組討論后認為污水里面應該有重金屬、色素、泥沙、固體漂浮垃圾、洗滌劑、微生物等。

【師】接下來，物質分離方法的第二步是尋找各成分的性質差異，要想把污水里的雜質除掉，這些物質各自有怎么樣的性質特點呢，我們能否簡單地歸一下類？

【生】泥沙、固體漂浮物是不溶于水的;重金屬、色素、洗滌劑是可溶于水的;微生物是生物體。

【師】第三步尋找分離方法，根據雜質的性質和你們所看到的污水治理的操作，你們能夠分析一下污水中雜質的分離方法嗎？

【生】不溶于水的雜質可以用柵欄隔離、打撈的方法分離;有生命的微生物，可以撒人消毒劑去除，工人們往污水中撒人的物質應該是消毒劑吧;至于可溶性的重金屬、色素、洗滌劑等，就不太清楚該怎么分離了。

【師】那我們來看一段視頻詳細了解污水治理原理吧。（播放污水處理工藝流程動畫）看完后梳理污水處理的工藝及所對應的雜質的性質（見表3）。

總結：治理污水中的物質分離方法中，沉淀、吸附、過濾、消毒等方法是初中階段要重點學習的，其中沉淀、過濾主要是除去不可溶性的雜質，活性炭吸附可以除去部分可溶性的雜質如色素和異味，消毒可以除去微生物，這就是對物質分離方法模型的應用（見圖4）。

設計意圖：由校門口“臭水河”變成了“清水河”的熟悉情境入手，通過對污水的處理原理的學習和思考，鞏固物質分離的方法模型，熟悉凈化水的常用方法。

3.環節三：水廠凈水修整模型

【師】污水處理廠所用到的過濾、沉淀、吸附、消毒是常用的凈化水的方法。自來水廠將天然水凈化，需要用到哪些凈水操作呢？

【生】小組討論，提出先對天然水中的雜質成分進行分析，主要有泥沙、微生物，少量的色素、異味。分別采取沉淀、過濾、消毒、活性炭吸附的凈化方法。

【師】同學們已經能夠很熟練地通過物質分離的模型尋找凈化水的方法了，老師有一個問題，這么多方法，是同時使用，還是分開先后使用呢？

【生】小組討論后得出，應該先除去大顆粒的不溶性雜質，再除去小顆粒不溶性的雜質，最后吸附可溶性的色素和異味。也就是沉淀、過濾、吸附的操作流程。可是消毒劑在自來水中被人一同飲用會不會影響人體健康啊？

此處老師要引導學生知道自來水廠使用的消毒劑是少量、低毒的，經過煮沸后會逸出，對人體健康沒有影響。學生就能放心地將消毒操作放在凈化水的最后一個環節，以達到最佳的消毒效果。

【師】總結：同學們很有工程師的感覺，水中雜質的除去流程，通常按照先粗后細，先易后難的策略。這個問題告訴我們不僅要找準物質分離的方法，還要考慮工藝流程問題。因此，我們將物質分離的模型進行修整（見圖5）。

設計意圖：自來水廠的凈化工業與污水治理的工業原理有相似之處，學生再次應用物質分離的模型，多步分離時兼顧操作的工藝流程，達到對分離模型進行修整和補充的目的，將化學知識與工業、生活聯系，學生的科學精神與社會責任核心素養得到提升。

4.環節四：過濾實驗完善模型

【師】展示實驗室水的過濾裝置，介紹安裝方法及作用，強調濾紙折疊和緊貼的操作方法，其他的操作注意事項留待學生親自探索。

[分組實驗]學生兩人一小組過濾泥沙水，嘗試進行過濾實驗，在過濾操作過程中，完成以下的實驗反思記錄單（見表4），老師在巡視的過程中發現大多數小組都出現了錯誤的實驗操作，學生完成實驗反思記錄單后，為大家分享過濾實驗的操作要領。

【生】通過實驗的觀察和反思得出：①玻璃棒要緊靠三層濾紙處，以防濾紙破損;②泥沙水液面要低于濾紙邊緣，以防過濾效果不佳;③漏斗下端要緊靠燒杯內壁，以防液滴四處飛濺;④濾紙要緊貼漏斗內壁，以防過濾速率太慢。

【師】將學生發現的問題匯總以后，得出過濾實驗的操作要領：“一貼、二低、三靠”。我們發現，在進行物質分離的時候還要考慮具體的實驗操作要領，以及實驗的可行性、易操作性，對物質分離的方法模型進行完善（見圖6）。

設計意圖：由于此實驗操作相對安全，老師事先不再“講實驗”，學生在簡單了解實驗裝置后，即可進行實驗操作和探索，對實驗中出現的問題及時反思與糾正，逆向分析得出操作要領，科學探究與創新意識的核心素養得到提升，同時進一步完善物質分離與提純的模型。

四、反思與建議

1.在情境中認知解決問題的模型

王磊等指出，設置綜合復雜問題解決任務，讓學生嘗試面對真實復雜的情境，自主運用認識模型解決問題;系統探究型的任務讓學生完成對于陌生物質性質的自主探究;最后利用拓展知識讓學生經歷創造性體會和批判性思考的創新思維活動[14]。在工業制氧氣、污水治理、自來水廠凈化工藝三個情境中，先涉及兩種物質的分離，再涉及多種物質的分離，最后涉及分離方法的排序，情境由簡單到復雜，由理論分析到實踐應用，學生反復利用熟悉的模型解決新問題，學生的能力不斷提升。學生以學科情境、生活情境為載體，提煉出解決一類問題的思路和方法，有利于將來在面對陌生情境時，增加主動運用熟悉模型解決問題的自覺性和信心。

2.在知識中挖掘其背后的主題

唐云波指出，基于核心素養的化學教學，要求形成適應學生終生發展的關鍵能力，不是一、二節課所能達成的，必須跨課時甚至跨學期，教師必須能從一節一節的教學中跳出來，以“主題（單元）”作為進行教學的基本思考對象[15]。如在“水的凈化”中，其內容表面上是凈化水的常用方法，實質上，教師如能挖掘其知識背后“物質分離”的主題，并能聯系單元主題教學內容進行系統教學，這樣學生就能從一個問題遷移到一系列問題，讓學生在學習化學知識的同時，學會主動地利用化學知識解決新情境、新問題，逐步形成適應個人終生發展和社會發展需要的必備品格與關鍵能力。

參考文獻

[1]鄒定兵.建構認知模型促進深度學習——以高三選修模塊復習課“物質的分離與提純”為例[J].化學教學，2019（1）：41-45，51.

[2]李娜娜.“水的凈化”實驗創新改進[J].中小學實驗與裝備，2019（5）：49.

[3] 馬逸群.基于實驗操作體驗水的凈化[J].中國現代教育裝備，2016（ 12）：27-29.

[4]楊艷偉.運用創新實驗提高課堂實效性——以“水的凈化”一課為例[J].實驗教學研究，2015 （4）：14-17.

[5] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012，9.

[6] 陳彪.從視頻素材中感悟“水的凈化”——“水的凈化”教學設計案例[J].化學教與學，2016（4）：70-71，91.

[7] 劉巖.化學課堂教學的創新視角——以“水的凈化”為例分析不同教師課堂教學的視角差異[J].化學教與學，2017（2）：27-33.

[8]詹發云.化學社會課程資源開發及教學范例——水的凈化與水資源保護[J].化學教育（中英文），2019，40（7）：28-32.

[9]孫成余.“項目式學習視域下化學核心素養”——以“水的凈化”活動設計為例[J].中學化學教學參考，2019，（6）：33-35.

[10]陳凱.生活視角看凈水——“水的凈化”教學設計[J].化學教與學，2014（5）：50-53.

[11]范標.核心素養視域下的情境創設——以“水的凈化與組成”為例[J].化學教學，2019（2）：51-54.

[12]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究中心.義務教育教科書：化學九年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[13]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究中心.義務教育教科書：化學九年級下冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[14]王磊，郭曉麗，王瀾等.元素化合物認識模型及其在復習教學中的應用——以高中《化學1》“金屬元素及其化合物”單元復習為例[J].化學教育（中英文），2015，36（5）：15-21.

[15]唐云波.從“知識本位”走向“素養為重”的元素化合物教學設計[J].化學教學，2017（10）：35-40.