基于模型建構的“物質分離與提純”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教育化學課程標準的五大主題之一，物質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的重要任務。［1］課標要求通過化學實驗探究活動，學習物質分離實驗探究活動的一般思路與基本方法，并能夠應用一般思路方法簡單進行實驗設計，獲得合理結論。［2］在物質分離和提純復習課教學中，不少教師往往注重發揮自己的主導作用，課堂教學停留在知識的記憶和理解等低級思維層次。復習課不應該僅僅是知識的羅列，還應該有能力的攀升和方法的提煉。［3］］

查閱文獻，發現關于物質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，設計和評價實驗方案缺少角度。（3）教學重視知識和技能領域（檢驗方法、除雜方法、原理解釋、實際操作等），而缺乏對物質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特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”［5］。基于此，本文采用模型建構的教學模式，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系，素材要有承接關系，符合學生的認知過程，層層遞進，促進學生的思維發展。（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，設計活動發展認識角度，形成物質分離提純認識思路，構建思維模型，提升學生的認識水平。（3）教學中突出思維模型的自主建構過程，強化模型對問題解決的指導作用。

二、物質分離和提純的模型

物質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分離和提純問題的認識思路，在此過程要結合基本原則、基本步驟和方法進行綜合分析，進行角度之間的關聯。在教學中發展學生的多樣化思維，學生經歷不同層級模型的自主建構，形成認識思路。

圖1 物質分離和提純的思維模型

三、教學設計與實施

1.學情分析

學生已經學習了金屬、酸、堿、鹽的性質，對物質的性質已經有了系統的認識，能夠基于具體物質、物質類別分析物質性質。熟悉常見的物質分離方法，物理方法——蒸餾、結晶、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）認識到物質的提純與物質的分離兩者要求不同，了解物質的分離與提純可行性標準（不增、不減、易分、最優），掌握物質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，將碎片化知識轉變為系統化知識，形成物質分離提純的一般思路（組分分析—性質差異—選擇方法—修正補充）。

（3）依據建構主義理論，通過有效的小組合作和科學探究，初步形成物質的分離與提純方案設計思路（取樣—操作—現象—結論），提高科學探究能力和證據推理能力。

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

3.教學框架

通過建立物質分離提純的思維模型、應用模型解決化學問題、應用思維模型解決實際問題三個教學環節，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）。突出模型建構教學模式，使學生在分析和評價的基礎上，發展科學思維，初步形成合作、探究的能力，培養學生的科學精神與社會責任感。

圖2 教學框架

4.教學實施

環節一：構建物質分離和提純的思維模型

（1）定性分析，構建模型

任務1：設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，初步建立物質分離和提純的基本原則、基本思路。以學習任務單為導向，問題驅動，明確選擇的分離提純方法是什么？依據是什么？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，提煉物質分離提純的基本思路：明確兩組分混合物→找出組分性質差異→依據性質差異選擇合理的物理或化學方法。在活動的過程中，體會物質分離的基本原則：不增、不減、易分、最優（將雜質轉化為所需要的物質，提高原料利用率）。

（2）定性定量結合，修正模型

任務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】

學生根據任務指引，關注試劑添加順序、試劑用量，打開新視角，小組內討論，教師點評，分析方案的可行性，進一步內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

設計意圖：學生討論、思辨、概括歸納，完善物質分離提純的基本思路：明確多組分混合物→找出多組分性質差異→選擇合理方法→依據所選試劑、考慮用量、順序，設計實驗，確定實驗步驟→繪圖展示。設置多組分混合物分離提純化學問題，以形成任務—呈現方案—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、初步形成依據混合物組分的性質差異進行物質提純的有序思路，構建認識模型。

環節二：應用思維模型解決化學問題

任務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，不小心將鋅粒混入大理石中，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），書寫相關反應的化學方程式。（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，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，變為水去除。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：經過小組交流討論，最終獲得正確裝置，如圖5所示。考慮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：此環節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，設計實驗方案。

設計意圖：以解決實驗室化學問題為任務驅動，提供試劑及其裝置，學生進行選擇，檢測和診斷學生關于物質分離和提純的認識模型。對信息進行整合和加工，關聯基本步驟、基本原則，進行組分分析（分析存在的雜質氣體）→性質差異→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的認識思路。

環節三：應用思維模型解決實際問題

以“工業廢水處理”為項目，通過不同組分性質差異，逐步進行除雜，注重運用學科綜合視角解決生產生活實踐中的問題。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，在此過程中發展學生的邏輯推理能力，模型認知能力，最終形成應用思維模型解決實際問題的思維方式，形成穩定的認識思路，具體認知過程如圖6。

圖6 工廠廢水處理認知過程

任務4：工業廢水直接排放至自然界，不僅會給環境帶來巨大破壞，還會危害人類健康。在全球環保意識不斷增強的背景下，要對工業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，有機物，有色物質。

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，實現去除與回收磷酸根陰離子的目的。

【課堂實錄】

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

學生活動：小組討論，請寫出所加試劑及反應方程式，設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；根據組分的性質，選擇用什么方法除去雜質。

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

學生2：要回收Fe、Cu和硫酸鋅，需要將FeSO4和CuSO4進行轉化。

教師：如何轉化？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：實際生產中，還要考慮價格，環保，操作方便，利用率高等問題。

學生：總結工業廢水處理的全過程，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，主要因為具有疏松多孔的結構。去除有機物，工業上也可以依靠降解，即微生物在廢水環境中的新陳代謝，將有毒物質吸收或轉化為無毒成分，尤其是能將有機污染物轉變成CO2、H2O、N2。此外，化學沉淀法是工業除去金屬離子的常見方法，通過加入NaOH溶液，調節廢水的pH，使金屬離子在不同pH范圍沉淀出來。

設計意圖：學生經歷組分分析→性質差異→選擇方法→修正補充的過程，在此過程中關聯了除雜的基本原則、基本步驟、基本方法。通過對復雜化學問題情境中的關鍵要素進行分析和推理，不斷內化模型，應用物質分離提純的認知模型解決復雜問題，不斷重構和修補自己的知識網絡，形成系統的知識體系。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。通過本環節，學生逐步形成對化學促進社會可持續發展的正確意識，提高了學生的科學態度與責任。

四、教學反思

根據課堂學生表現、小組活動、學生展示，分析總結出建構“物質分離和提純”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，依然不能將模型應用到陌生的問題解決中，這說明學生沒有將相關的理論和應用建立關聯。因此，教學中要增加應用型活動，尤其是加強理論在復雜陌生環境中的應用，在應用型活動中啟發引導學生進行邏輯推理，設計有梯度且有質量的問題，訓練學生解決問題的能力。

（2）注重認識模型的建構和應用

復習課要將學生單一、碎片化的知識轉化為系統性的、有序的認識。一方面，教師要不斷總結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，要能夠調用有序思維，從整體出發，先確定解決問題的大思路、大環節、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。