基于模型建構(gòu)的專題研究

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀

我國(guó)在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年修訂版）》提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，其中“模型認(rèn)知”作為體現(xiàn)具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思想和方法的素養(yǎng)之一，旨在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運(yùn)用多種模型來描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象，預(yù)測(cè)物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。

高考試題經(jīng)常涉及沉淀洗滌相關(guān)內(nèi)容，這不僅全面考查學(xué)生正確地運(yùn)用化學(xué)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行表達(dá)和合理解釋的能力，也是評(píng)估知識(shí)掌握程度與能力層次的重要載體，在工藝流程題中較受命題者的青睞，但是缺少相關(guān)方面的文獻(xiàn)研究。學(xué)生在一輪復(fù)習(xí)進(jìn)一步掌握了實(shí)驗(yàn)的基本操作與技能，但往往只關(guān)注單一的實(shí)驗(yàn)儀器與操作的復(fù)習(xí)，老師在講課時(shí)也缺乏對(duì)模型思維的培養(yǎng)。故在具體情景中的應(yīng)用，學(xué)生對(duì)沉淀物的洗滌沒有建構(gòu)出一套行之有效的思維模型。

二、教學(xué)目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)

開展模型建構(gòu)在高中化學(xué)教學(xué)中的研究不僅為了幫助學(xué)生學(xué)好化學(xué)，同時(shí)也希望能對(duì)模型在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用起指導(dǎo)作用，推動(dòng)該領(lǐng)域教學(xué)研究的開展，促進(jìn)化學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)體系的完善。本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)為：一、回顧沉淀物洗滌的相關(guān)基本操作與原理；二、明確沉淀物洗滌目的、洗滌劑的選擇、洗滌的操作與判斷是否洗凈的基本原理與思考方法，提煉出沉淀物洗滌的基本作答模型與思維模型；三、訓(xùn)練提取與處理信息與模型認(rèn)知能力，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

本節(jié)課的創(chuàng)新點(diǎn)在于：通過一個(gè)真實(shí)的情景探究，啟發(fā)學(xué)生思考沉淀物洗滌的相關(guān)問題，幫助學(xué)生形成一套清晰的沉淀物洗滌問題思維模型并加以應(yīng)用；通過思維模型圖幫助學(xué)生將感性認(rèn)知上升至理性認(rèn)知，使學(xué)生相關(guān)模塊構(gòu)架更加完善，在碰見相關(guān)陌生情境時(shí)，幫助學(xué)生建立思維支撐點(diǎn)，科學(xué)合理地分析并解決問題，鞏固、深化已建構(gòu)的知識(shí)體系。

三、教學(xué)流程

本節(jié)課用真實(shí)情景引發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)而引出沉淀物洗滌的一般思維模型，再將思維模型的每個(gè)環(huán)節(jié)逐漸完善并加以運(yùn)用。分為建立模型、完善模型、運(yùn)用模型三大環(huán)節(jié)，其中完善模型又細(xì)分為完善洗滌的目的、完善洗滌劑的選擇、完善洗滌操作、完善判斷是否洗凈四個(gè)小環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)，教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示：

四、教學(xué)實(shí)錄

1.構(gòu)建沉淀物洗滌的思維模型

課堂實(shí)驗(yàn)：制備硫酸鋇沉淀：少量 CuSO₄ 溶液中加入 BaCl₂ 溶液，過濾。

現(xiàn)象：濾紙上看到的白色沉淀帶藍(lán)色。學(xué)生看見實(shí)物后探索欲增加，教學(xué)效果更加顯著。

引入：為什么會(huì)有藍(lán)色？如何得到純凈的白色沉淀？洗滌晶體應(yīng)該從哪幾個(gè)方面考慮？

討論：可能附著銅離子，為了得到純凈的沉淀需要洗滌（即洗滌的目的）。選擇何種試劑；洗到什么程度；是否需要干燥；學(xué)生們還補(bǔ)充了洗滌干凈之后的后續(xù)操作，但是忽略了洗滌沉淀時(shí)的具體操作。

物洗滌的完整思維模型，并滲透“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)\"素養(yǎng)。

構(gòu)建思維模型：洗滌目的（為什么洗滌）；洗滌劑的選擇（用什么洗滌）；洗滌的具體操作（怎么洗滌）；判斷是否洗滌干凈（洗到什么程度）。

2.完善洗滌目的模型

過渡：一般來說洗滌的固體就是我們所需要的產(chǎn)品，那么有沒有其他的情況呢？

思考一：鋇鹽行業(yè)生產(chǎn)中排出大量的鋇泥（主要含有 BaCO₃ BaSiO₃，BaSO₃，Ba（FeO₂）₂ 等）。某生產(chǎn) _{BaCl2，BaCO3} BaSO4的化工廠利用鋇泥制取 Ba（NO₃）₂ ，部分工藝流程（如圖2）。

上述步驟中洗滌的目的是？

學(xué)生很容易找出被提純的物質(zhì)為硝酸鋇，對(duì)于為什么要用水洗滌廢渣，還提出了可以回收鋇離子，進(jìn)一步提高產(chǎn)量。

引導(dǎo)：鋇離子是重金屬離子，與廢渣一起排放會(huì)污染環(huán)境。

設(shè)計(jì)意圖：從提純除雜與回收兩個(gè)角度完善洗滌目的模型，其中回收包括提高產(chǎn)量和綠色化學(xué)兩個(gè)角度，提升企業(yè)社會(huì)責(zé)任感。

3.完善洗滌劑選擇模型

思考二：某同學(xué)在洗滌氯化鉀固體時(shí)，操作規(guī)范，但發(fā)現(xiàn)洗滌前后晶體質(zhì)量差異很大，這可能是什么原因?qū)е碌模坑惺裁磳?duì)策？

學(xué)生討論：可能是用水洗滌，造成晶體溶解損失（找出原因）；

用冰水、乙醇或飽和氯化鉀溶液洗滌晶體（想出對(duì)策）。

教師追問：為什么可以用以上幾種溶液洗滌？原理是什么？

學(xué)生討論：首先這三種洗滌劑都不會(huì)帶入新的雜質(zhì)，用冰水是因?yàn)榭梢詼p小氯化鉀溶解度；用乙醇是因?yàn)槁然洸蝗苡谝掖迹挥蔑柡吐然浫芤菏且驗(yàn)橛捎谕x子效應(yīng)可以抑制氯化鉀進(jìn)一步溶解。

總結(jié)選擇洗滌劑思維模型：（1）不帶入新雜質(zhì)，不產(chǎn)生反應(yīng)；（2）盡可能減小沉淀物在洗滌劑中溶解度。

思考三：（1）通過鐵屑法生產(chǎn)KI，得到的KI固體上常附著有碳酸鉀等可溶性雜質(zhì)，工業(yè)上用冰水洗滌KI，原因是？

（2）CuCl常用作催化劑，微溶于水、不溶于乙醇及稀硫酸，生產(chǎn)中析出的CuCl晶體（附有鹽酸）不用水而用無(wú)水乙醇的原因是？

（3）實(shí)驗(yàn)室制得 K₂SiF₆ 沉淀，采 用飽和KCl溶液洗滌沉淀，原因是？

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：常用的洗滌劑作用的作答模型

① 蒸餾水、冷水、熱水：除去晶體表面附著的雜質(zhì)；減少晶體溶解損失。

② 有機(jī)溶劑：除去晶體表面附著的雜質(zhì)；減少晶體溶解損失；加快固體干燥。

③ 某物質(zhì)的飽和溶液：除去晶體表面附著的雜質(zhì)；減少晶體溶解損失。

思考四：解決復(fù)雜問題情境：葡萄糖酸鈣是一種可促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。相關(guān)物質(zhì)的溶解性見表1：

HO、稀HNO3 X Ba（OH） Ba（NO）溶液 HO ！ 1 T 1 中和1 中和Ⅱ 鋇泥- 酸溶 pH=4＼～5 pH=7 過濾 洗滌 廢渣 Y

實(shí)驗(yàn)室制備并洗滌葡萄糖酸鈣（附著少量溴化鈣），產(chǎn)物中下列洗滌劑最合適的是：

A.冷水 B.熱水 C.乙醇 D.乙醇-水混合溶液

學(xué)生討論：用乙醇，可保證葡萄糖酸鈣損失小，但是溴化鈣不易除去；用水易除去溴化鈣雜質(zhì)，但會(huì)損失產(chǎn)品。部分學(xué)生想到用乙醇與水的混合溶液。

教師總結(jié)：溴化鈣在水中易溶，用水除去，但同時(shí)又要盡可能減少產(chǎn)品的損失，所以用乙醇降低葡萄糖酸鈣的溶解度。在實(shí)際生產(chǎn)中，乙醇和水如何配比，需要經(jīng)過很多次的實(shí)驗(yàn)。

繼續(xù)探討：課前任務(wù)制備硫酸鋇沉淀實(shí)驗(yàn)中，用什么洗滌劑洗滌硫酸鋇可能更好？

學(xué)生分析后，教師給出工業(yè)上洗滌硫酸鋇的試劑：一定溶度的乙醇水溶液。

設(shè)計(jì)意圖：用真實(shí)情景幫助學(xué)生建立選擇洗滌劑的思維模型，并將模型置于另一個(gè)陌生的情境中加以完善，使學(xué)生認(rèn)知進(jìn)一步提升，同時(shí)該環(huán)節(jié)也在滲透“宏觀辨識(shí)與微觀探析”，用微觀的角度去解釋選擇宏觀物質(zhì)洗滌劑的原因。

4.完善沉淀洗滌操作模型

思考五：我們知道選擇洗滌劑是洗滌過程中的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)我們選擇好洗滌劑，應(yīng)如何操作才能有效地除去沉淀上的雜質(zhì)？需要用到哪些實(shí)驗(yàn)裝置與試劑？

學(xué)生：漏斗、玻璃棒、燒杯，洗滌劑等。

追問：操作方法如何？

師生共同總結(jié)操作步驟，完善沉淀物洗滌的作答模型：沿玻璃棒向漏斗中的沉淀物注入蒸餾水至水浸沒沉淀，靜置待水自然流下后，再重復(fù)2-3次。

設(shè)計(jì)意圖：完善沉淀洗滌操作思維模型：1.前期的操作（用玻璃棒引流），加到什么程度；2.靜止至流凈；3.重復(fù)2-3次。

5.完善判斷沉淀是否洗凈的模型

思考六：在洗滌固體時(shí)，如何知道洗干凈了？這是做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要判斷的，那么如何去判斷呢？如何判斷硫酸鋇晶體（雜質(zhì)為 Cu²⁺ ，Cl-）已經(jīng)洗滌干凈？

學(xué)生討論出三種方案：（1）選擇銅離子檢驗(yàn)；（2）選擇銅離子檢驗(yàn)：焰色反應(yīng)；（3）選擇氯離子檢驗(yàn)。

師生點(diǎn)評(píng)：方案1思路與操作均正確，且為最佳；方案2原理上可以，但焰色反應(yīng)干擾因素較多；方案3不行，因?yàn)槁入x子是沉淀物中固有的離子，不能拿來檢驗(yàn)沉淀物是否洗凈。

設(shè)計(jì)意圖：完善沉淀是否洗凈模型（1）取最后一次洗滌液于試管中（取樣）；（2）加試劑（操作）；（3）觀察現(xiàn)象（現(xiàn)象）；（4）得出結(jié)論（結(jié)論）。

6.運(yùn)用模型解決實(shí)際問題

至此學(xué)生構(gòu)建了一套思考沉淀物洗滌的思維模型，且每個(gè)思維環(huán)節(jié)均有可以借鑒的思維模型與作答模型，再通過較為復(fù)雜的情景讓學(xué)生運(yùn)用本節(jié)課所學(xué)習(xí)的模型解決實(shí)際問題。

思考七：用草酸制備草酸亞鐵的步驟如下：取綠礬固體與小燒杯中，加入水和少量稀硫酸酸化，加熱溶解，向此溶液中加入一定量的草酸溶液，將混合溶液加熱至沸騰，不斷攪拌，待有黃色沉淀析出并沉淀后，靜置。倒出上層清液，再加入少量水，并加熱，過濾，充分洗滌沉淀，過濾，用丙酮洗滌固體兩次并晾干。問題：（1）用丙酮洗滌晶體兩次的目的是？ （2）洗滌沉淀的方法是？（3）檢驗(yàn)是否洗滌完全的方法是？

學(xué)生用完善后的思維模型很快解決了上述問題，但在第三問操作過程遇到了分歧：有同學(xué)認(rèn)為可以直接加少量氯化鋇溶液檢驗(yàn)硫酸根離子；有同學(xué)認(rèn)為必須加過量的鹽酸排除草酸根的干擾，再加氯化鋇溶液檢驗(yàn)，因?yàn)椴菟徜^也是沉淀，會(huì)干擾檢驗(yàn)。雙方討論后最終認(rèn)為后者設(shè)計(jì)更加合理。

設(shè)計(jì)意圖：沉淀的洗滌雖有模型可借鑒，但碰到具體問題應(yīng)該具體分析，特別是在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)，還需要有扎實(shí)的元素化合物功底，配以思維模型，才能夠完美地解決實(shí)際問題中沉淀物洗滌的問題。

總結(jié)：展示沉淀物洗滌的一般思維模型，在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)逐步歸納出局部，見圖3：

五、教學(xué)效果與教學(xué)反思

1.創(chuàng)立情境、激發(fā)興趣。本節(jié)課是一堂技能課，在課堂上學(xué)生能跟著老師的思路完成教學(xué)任務(wù)，教學(xué)效果較好。教師在引入課題時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，通過現(xiàn)場(chǎng)制備硫酸鋇沉淀的真實(shí)情境，發(fā)現(xiàn)問題，引出學(xué)生對(duì)沉淀洗滌的討論，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.精設(shè)問題、提升素養(yǎng)。在復(fù)習(xí)中需要教師將零散的知識(shí)進(jìn)行整合并深度加工，使孤立的知識(shí)形成有系統(tǒng)性并富有彈性的框架結(jié)構(gòu)，本節(jié)課在精心挖掘高考素材的基礎(chǔ)上設(shè)置七個(gè)有層次的思考題，為學(xué)生搭階梯，建立沉淀物洗滌的基本思維模型，然后逐步完善和豐富每個(gè)步驟的細(xì)節(jié)，逐步提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

3.總結(jié)模型、錘煉知識(shí)。將模型應(yīng)用于課堂教學(xué)已有一定的歷史，在教育學(xué)和心理學(xué)上都有理論依據(jù)。本課堂師生共同建構(gòu)一套解決該類問題的模型，讓學(xué)生碰到這類情景時(shí)能運(yùn)用該思維模型描述、預(yù)測(cè)、解決問題。

4.教學(xué)相長(zhǎng)、建構(gòu)模型。通過教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出構(gòu)建思維模型需要以下環(huán)節(jié)：首先明確模型對(duì)象（某重難點(diǎn)內(nèi)在邏輯關(guān)系）；然后利用思維導(dǎo)圖等方法進(jìn)行梳理、簡(jiǎn)化；再次將初步建立的模型運(yùn)用于新問題中完善；最后經(jīng)優(yōu)化、調(diào)整得到合理的思維模型并運(yùn)用于新情景中。

提升學(xué)生“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)，提高學(xué)生運(yùn)用多種認(rèn)知模型描述和解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化的能力，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維模型是教師在教學(xué)中可以努力的方向，實(shí)踐證明這是可行的，也是有效的。因此，教師需要在教學(xué)中應(yīng)深挖掘教學(xué)內(nèi)容所蘊(yùn)含的模型并幫助學(xué)生建構(gòu)，通過建構(gòu)模型教學(xué)來促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)課程知識(shí)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“模型認(rèn)知”落地。

責(zé)任編輯 徐國(guó)堅(jiān)