基于真实情境的项目式教学

韩晓 江合佩 王朝晖

摘要：以“粗硅的提纯及其原理”为项目，通过“粗硅提纯的主体流程设计”“氯硅烷的分离提纯”“分离硼和磷等化合物杂质的原因和方法”等三个任务，体会改良西门子法在工业生产中的作用，注重运用学科综合视角解决生产生活实践中的问题，让学生学习的视角从简单理想的情境走向复杂真实的情境。

关键词：粗硅提纯;项目式学习;真实情境;改良西门子法

《普通高中化学课程标准（2017版）》（以下简称《课程标准》）指出，“真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，也为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会”[1]。项目式学习通过真实的和具有挑战性的任务，使学生逐步习得知识、技能和关键品格。通过知识的运用，形成稳定的解决复杂问题的思路和方法。项目式学习在问题解决的过程中彰显化学知识的功能价值，使化学核心知识结构化，促进学生化学核心素养的发展[2]。

“粗硅的提纯及其原理”项目依据课程标准，选取芯片所需硅材料纯化这一社会性热点问题，教学建议2课时，适用于高二完成化学反应原理学习后的复习课教学。项目以粗硅提纯为载体，引导学生设计方案，将分离提纯方法、氧化还原反应等核心知识与粗硅提纯的真实情境结合，注重认识思路的结构化和外显化，形成解决问题的思路和模型。

1 教学目标和项目流程

学科核心素养的发展需要精选学科知识并置于真实的学习情境中，通过学生

的自主学习活动，在持续建构和螺旋式上升中形成和发展。设计教学目标时，可以从课题显性知识所蕴含的学科观念、方法及价值，与学科核心素养的关联角度来设计[3]。据此，本项目的教学目标为：（1）能根据物质的性质和相关沸点数据以及氧化还原反应、化学平衡等理论，分析推理从固体混合物中提取硅和从SiHCl3（三氯硅烷，TCS）等气体混合物中得到硅的方法。（2）能和同伴合作利用绿色化学、循环经济等技术思想对改良西门子法的工艺流程进行优化，形成解决工业流程设计的一般思路和方法。（3）能够与别人交流分享硅材料的应用领域，弘扬化学学科价值。

项目具体学习流程如图1所示[4]。

2 教学过程

2.1 任务1：粗硅提纯的主体流程设计

[情境]2019年9月6日，华为推出全球首款5G芯片麒麟990，芯片的主要材料由单晶硅制作，硅的纯度高达99.9999999%以上。工业上利用焦炭还原得到的粗硅纯度为98%到99%，故需要对粗硅进行提纯。

[问题]从工业制备粗硅的方法中，可否推测粗硅中的主要物质是什么？如何分离？

[学生活动1]分析猜想：粗硅中主要含有Si、 C、 SiO2等，常用的分离固体和固体的物理方法如重结晶法等已不适用，需要选择化学方法。

[学生活动2]从NaOH溶液、HF和HCl气体中选择合适的试剂。小组讨论分析得出Si和SiO2同NaOH溶液、HF等均反应，无法将SiO2和C同时除去，应选用HCl将Si从体系中提取出来。

[学生活动3]书写300℃时，Si和HCl反应的化学方程式。根据表1中各物质沸点数据分析选择HCl的原因。通过讨论，分析该方法利用300℃时SiHCl3为气体，杂质C和SiO2是固体，将含有硅的物质从固体体系中脱离出来。

[教师追问]如何把SiHCl3转变成硅？

[学生]根据氧化还原反应化合价升降规律，可加入还原剂H2。

[教师]分析SiHCl3和H2反应温度为1000℃，将含有硅的物质从气体体系中脱离出来，展示图2。

[学生活动4]讨论Si与HCl反应方向改变的原因。反应自发向右进行，推出反应在低温下自发进行，高温下逆向进行。得出改良西门子法利用反应热力学特征，实现从Si到SiHCl3，再从SiHCl3到Si的变化。

[学生活动5]根据图3设计从石英砂到多晶硅的工艺流程图，小组交流讨论，各组展示本组设计，讲述设计原理和思路，根据设计细节进行评价，并予以纠正，设计如图4的流程图，分析得出可循环利用的物质有HCl和H2。

[教师]组织学生交流、互评、总结评价。

2.2 任务2：氯硅烷的分离提纯

[情境]任务1设计的工艺流程图是粗硅提纯的主流方法——改良西门子法，占全球总产能的80%以上。生产过程中，SiHCl3会发生歧化反应，如表2所示，产生氯硅烷等杂质，需要进行分离纯化。

[问题]表2中的反应化合价没有变化，为什么称为歧化反应？根据表3的数据，分析300℃时氯硅烷中各物质的状态，思考如何从混合物中提取SiHCl3？

[学生活动1]分析猜想：SiHCl3三步歧化反应在形式上和无机反应中的歧化反应一样，一种含硅的物质变为两种含硅的物质。300℃时，5种物质都是气态，需要降温冷凝进行分离。

[教师追问]SiH3Cl和SiH4体系中含量较少，降温到多少度，易于分离？此时各物质什么状态？如何从混合物中分离得到SiHCl3？

[学生]从节约生产成本的角度分析，降温到6℃左右，SiH3Cl和SiH4是气态，SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCl4是液态，使得气液分离，根据表3的沸点数据，推测采用蒸馏的方法进行分离。

[资料卡]2SiHCl3（g）SiH2Cl2（g）+SiCl4（g） ΔH=48kJ·mol-1

[学生活动2]讨论如何将SiH2Cl2和SiCl4分别转化为SiHCl3。将SiCl4转化为SiHCl3可以加氢气，根据氧化还原反应化合价升降规律，猜想另一个产物为HCl。根据化学平衡移动原理，分析可采用降温或抽走SiHCl3的方法使

歧化反應向逆反应方向移动。

[教师]工业上把SiH2Cl2和SiCl4生成SiHCl3的方法称为反歧化。展示优化后的改良西门子法工艺流程，如图5所示。

[学生活动3]分析改良西门子法的优化流程。根据SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCl4三者通过蒸馏的方法得到，推测步骤①为蒸馏。因气体2和H2反应得到SiHCl3，得出气体2为SiCl4，则气体1为SiH2Cl2，步骤②为反歧化。经过小组交流，分析得出混合气体为SiH3Cl和SiH4。

[学生活动4]讨论得出可以循环利用的物质有HCl、 H2、 SiH2Cl2和SiCl4。分析推理得出，流程中含硅物质存在固态→液态→气态→固态的相变过程。

[教师]封闭式循环利用物质是改良西门子法的特点之一。4种氯硅烷的沸点（见表3）很接近，普通蒸馏的方法常无法分离，实验室采用分馏的方法，而工业生产中步骤①采用的是精馏。展示实验室蒸馏和分馏装置、分馏柱，以及工业上精馏塔的图片和相关资料。

[学生活动5]从相变角度比较蒸馏和分馏的区别，得出蒸馏过程中相变为液态→气态→液态，用于分离沸点差别较大的物质。而分馏过程中物质在进行液态和气态反复相变，低沸点的物质越积累越多，先分离出来。工业上利用精馏塔进行分离，原理和分馏相似。

2.3 任务3：分离硼和磷等化合物杂质的原因和方法

[情境]实际工业生产中，由粗硅制得的氯硅烷中含有B、 P组成的氯化物和氢化物。若由含杂质的氯硅烷制备晶体硅，B、 P会嵌入晶体硅的内部，影响半导体材料的导电性能。

[问题]思考硅作为半导体材料，导电性能有哪些特点？

[学生活动1]利用所学物理知识，分析得出半导体的导电性能介于导体和半导体之间，导电性能可以调控。

[教师]展示硅半导体微观示意图（见图6），引导学生根据B和P最外层电子数目，解释B、 P杂质对硅导电能力的影响。

[学生]根据最外层电子数目，P比Si多一个电子，导电能力增强，掺入B，导电能力也增强，因为有空的位置，如图7所示，因为有更多空间，电子移动更自由。

[教师追问]导电能力增强了，有什么不好？

[学生]因杂质的量不可控制，无法调控。

[学生活动2]根据表4的物质沸点数据，分析得出除去B、 P的氯化物和氢化物等杂质的方法为精馏。

[教师补充]有些物质的沸点非常接近，工业上常采用多塔精馏的方式。实际工业生产中多塔精馏装置见图8。

3 教学反思

3.1 创设真实问題情境，促进学生深入思考

以贴近学生知识背景的手机芯片为项目，让学生在真实的情境中分析问题，深入思考和交流。项目实施过程中，创设粗硅中含有B、 P的化合物等杂质的真实情境，学生在探讨B对硅导电能力影响时，发现与他们的预期有所不同，从而激发探究兴趣，引发他们在沟通交流过程中深入思考，使他们思考问题的角度从宏观走向微观，培养宏微结合的能力。

3.2 构建理想模型，不断优化完善模型

在对改良西门子法的工艺流程优化过程中，运用氧化还原反应的化合价升降规律对物质的转化进行设计，对实验室蒸馏、分馏和工业精馏等方法加以区别。项目通过理想模型改良西门子法主体流程的建立，到实际工艺流程中模型的修正和优化，再到工业实际模型的完善，学生作为流程图设计的主体，通过小组合作和交流自行设计并完成项目，对知识进行梳理和整合，形成解决工业流程设计的思路和方法。

3.3 利用学科大概念，综合多个视角解决问题

项目通过三个层层递进的任务展开，将物质的相互转化、分离提纯、氧化还原反应的化合价升降规律、物质沸点高低判断、热力学等核心知识的综合运用，从转化、分离、工业实际等多个视角引导学生分析解决真实且复杂的问题，学生表示喜欢促进其深度思维和综合利用知识解决问题的项目式教学。教学中，先让学生分组查找有关粗硅提纯的资料，熟悉氯硅烷的结构和性质，有利于项目的推进和完成。在项目式教学中综合利用中学化学的核心大概念，将孤立、碎片化的知识在真实复杂的情境下进行重整，帮助学生形成一个认知的有机整体，从而提升逻辑思维能力以及在真实复杂的情境中解决问题的能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2]曾璐，邹映波. 人工合成肉桂酸——基于项目式学习的有机复习[J]. 化学教学，2019，（6）：57～60.

[3]杨玉琴，倪娟. 学科核心素养视域下的教学目标：科学研制与准确表达[J]. 化学教学，2019，（3）：3～7.

[4]江合佩. 促进学生核心素养发展的项目式学习研究与实践——以“废旧锂离子电池回收利用”为例[J]. 教育与装备研究，2019，（9）：60～67.