真实问题情境引导下的化学工业流程专题复习——以“六水氯化锶晶体的制备”为例

福建省厦门实验中学(361116) 黄丽琴 黄明浩 邹 标

《普通高中化学课程标准(2017年版)》重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，重视教学内容的结构化设计[1]。所谓真实问题情境，“情”是指对事物的特定情感体验，能够激发学习的动机；“境”是指一种观念意构的教学环境或知识文化背景等，在激发人的某些情感方面“情境”能够起到特定作用[2]。在教学中展示丰富的素材并创设真实的问题情境，能有效引导学生主动加工知识，建立知识间的联系，构建知识网络并能对所学知识进行迁移与应用，学会评价反思从而形成深层的理解。故基于真实问题情境的教学是深度学习的一种教学策略，也是实现深度学习的有效途径。

作为高三一轮复习的重点内容，工业流程题一般包含原料的预处理、核心反应、产物的分离提纯三部分，考查学生综合应用所学知识分析和解决问题的能力。笔者以六水氯化锶晶体的制备为例，设计了基于真实问题情境的化学工业流程专题复习。

1 基于真实问题情境制定目标

1.1 复习目标

(1)通过自主设计六水氯化锶晶体的制备流程，灵活运用所学除杂、分离提纯等相关知识，再通过课堂上的讨论、评价，对这部分内容有更系统的认识，自主归纳，建构知识框架，从而更好地掌握工业流程题中物质分离提纯的方法，建立除杂的基本思路。

(2)通过评价其他同学设计的流程，充分联想、调动已有知识经验，解决实际问题，建立起已有知识和新知识的联系，学会知识的迁移应用。

1.2 评价目标

(1)通过对学生设计的六水氯化锶晶体制备流程中暴露出的问题进行讨论，诊断并发展学生分析与解决问题的能力、认识思路的结构化水平及对化学学科价值的认识水平。

(2)通过对其他同学设计的流程的分析与评价，诊断并发展学生分析和解决问题的能力，迁移应用的能力，诊断学生的交流合作水平。

2 基于真实问题情境的教学过程设计

围绕三条线索：情境线、问题线和学生活动线展开教学。

2.1 任务一：基于模型自主设计六水氯化锶的工业流程

情境1：学生自主绘制的工业流程模型。

问题1：结合模型思考工业流程的核心是什么？

学生活动1：展示上节课的工业流程结构框架(见图1)，思考并提出工业流程的核心在于分离提纯。

图1 工业流程结构框架

评价任务：引导学生回想上节课内容，调用上节课建构的知识框架，在后续任务中将已有知识迁移应用于解决实际问题。这一环节诊断并发展学生对已有知识的掌握水平，借助模型建构及模型的应用提升学生智育水平。

情境2：高纯六水氯化锶晶体(SrCl2·6H2O)可作有机合成的催化剂。工业上用难溶于水的碳酸锶(SrCO3)粉末(含少量BaCO3、FeO等杂质)为原料制备高纯六水氯化锶晶体。

问题2：请你尝试设计由SrCO3粉末制备六水氯化锶晶体的工业流程。

学生活动2：结合所给信息与流程框架，设计六水氯化锶晶体的制备工业流程。

评价任务：落实工业流程模型的应用，诊断并发展学生对分离提纯的认识进阶，包括除杂的顺序、试剂的选择等，培养“证据推理与模型认知”的核心素养；并通过自主设计流程，学生感受工业流程之美，化学之美无处不在，借此增强对学生的美育熏陶。

2.2 任务二：基于六水氯化锶的制备工艺重温分离提纯

学生在任务一中设计的流程各有特点，有的缺少某些关键步骤，有的过程繁琐，也有较为完整的，选取有代表性的流程为素材进行对比分析，逐一展开讨论评价。

情境1：对比A、B两位同学的流程(分别见图2、图3)，A同学用盐酸酸浸，B同学用硫酸酸浸。

问题1：你认为酸浸的过程选择哪种酸较好？

学生活动1：结合已建构的工业流程模型及情境1，分析这一步除了溶解SrCO3及主要杂质BaCO3、FeO，还可以发生核心反应：SrCO3+2HCl=SrCl2+H2O+CO2↑，选用盐酸较优。

评价任务：通过酸浸试剂的选择环节，诊断并发展学生对化学价值的认识水平，引发学生思考加盐酸一举两得：既节约了盐酸的用量，也避免了因加入过多H2SO4，引入杂质离子带来的弊端。引导学生在设计流程时，注意统筹看待整个流程，不要只注意到某一步骤。

情境2：对比C同学前后两次设计的流程(见图4)，前后两次分别用H2SO4和Na2SO4除Ba2+。

图2 A同学设计的工业流程

图3 B同学设计的工业流程

图4 C同学前后两次设计的流程对比图

评价任务：通过除杂试剂的选择环节，诊断并发展学生认识思路的结构化水平，强化学生对陌生元素的分析视角即元素周期律的视角：可以从锶的同主族元素性质去类推，培养学生类比迁移的能力。

情境3：对比A、B、D三位同学的流程(分别见图2、图3、图5)，在调pH时分别选用了SrO、NH3和NaOH。

资料卡片：Fe(OH)3开始沉淀和沉淀完全时的pH分别为1.5和3.7；Fe(OH)2开始沉淀和沉淀完全时的pH分别为6.5和9.7。

问题3：①对调pH的试剂有何要求；②可以用哪些试剂调节pH；③调到什么范围？

学生活动3：①分析三者流程的共同点都是先加H2O2，把Fe2+氧化成Fe3+，调节pH目的是让Fe3+完全沉淀从而除杂，故而判断调pH的试剂要能与H+反应，同时也不可引入新杂质；②试剂可以选用SrO、SrCO3或Sr(OH)2等；③结合资料卡片数据，判断 pH调到3.7以上。

评价任务：对于工业流程中的关键步骤，学生往往知其然，不知其所以然。所以在教学活动中，通过教师不断追问，学生主动调用已有知识经验用于解决实际问题。这一环节提高了学生的逻辑思维能力，诊断并发展学生认识思路的结构化水平。

情境4：对比E、F同学的流程(分别见图6、图7)，前者先氧化并调节pH去除Fe3+后，再加H2SO4除去Ba2+，后者与此相反。

图5 D同学设计的工业流程

图6 E同学设计的工业流程

图7 F同学设计的工业流程

问题4：在除杂时是先加H2SO4沉淀Ba2+，还是先调pH除去Fe3+？

学生活动4：对比分析发现，如果先加H2SO4，H2O2可以同时加入，且后续调节pH时可以把BaSO4和Fe(OH)3沉淀一起过滤除去，减少过滤次数。

评价任务：多数学生设计的流程不够严谨，操作顺序可以进一步优化，故而借此情境引发讨论。一个科学的流程设计，不仅要完整，而且要简洁，这在实际工业中能大大节省能源。这一环节诊断并发展学生对化学价值的认识水平。

拓展讨论1：结合上述讨论和学案上的例题，总结有哪些通过生成沉淀进行除杂的方法？尝试绘制思维导图。

学生小结：沉淀法在工业流程除杂中的应用(见图8)。

图8 沉淀法模型

评价任务：通过若干案例分析，学生能够自主归纳工业流程中常用的5种沉淀法，绘制沉淀法模型，建立起已有知识和新知识的联系，形成更为完整的知识网络。这一环节诊断并发展学生对沉淀法认识的结构化水平。

情境5：A、B、C、D、E、F六位同学在流程(分别见图2～7)中均采用蒸发浓缩、冷却结晶法获得SrCl2·6H2O晶体。

问题5：你都学过哪些结晶方法，区别是什么？

学生活动5：回想NaCl和KNO3的溶解度曲线，思考溶解度受温度影响较小的物质如NaCl，采用蒸发结晶的方法提纯。溶解度受温度影响较大的物质如KNO3，或带结晶水的物质如CuSO4·5H2O采用蒸发浓缩、冷却结晶的方法提纯。SrCl2·6H2O晶体也含结晶水，故也是选择蒸发浓缩、冷却结晶的操作方法。

拓展讨论2：学生自主归纳结晶的5种模型(见图9)，其中模型3～4括号内的物质代表杂质，模型5表示溶液中的NaCl与KNO3等物质的量。

图9 结晶法模型

评价任务：通过案例分析，学生能够自主归纳常用的5种结晶法，绘制思维导图，建构结晶模型，建立起已有知识和新知识的联系，形成更为完整的知识网络。这一环节诊断并发展学生对结晶法认识的结构化水平。

情境6：A、D、E、F四位同学设计的流程(分别见图2，图5～7)中，在获得SrCl2·6H2O晶体后，均进行了洗涤操作。

问题6：①为什么要洗涤；②氯化锶晶体表面要洗去的对象主要是什么？

拓展讨论3：以学案例题中的溶解度曲线及KNO3在乙醇中的溶解度曲线为例，自主归纳：①用什么洗涤；②怎么洗涤；③如何检验洗涤干净与否？

拓展活动1：通过分析典型代表物的溶解度曲线，依次归纳出几种常用洗涤试剂的使用范围(见表1)，并结合SrCl2溶解度曲线判断可以用饱和SrCl2溶液洗涤。

表1 几种常用洗涤试剂汇总

拓展活动2：结合洗涤目的，思考洗涤过程中的注意事项，归纳洗涤步骤：明确洗去的对象→注入洗涤液→使洗涤液完全浸没沉淀→重复洗涤(重复2～3次)。

拓展活动3：思考要判断是否洗净，即判断是否还残存待洗去的离子，可转化为对待洗去离子检验的操作步骤，并归纳为：取样→加试剂→观察现象→得出结论。

评价任务：通过拓展讨论，层层递进。从是什么、怎么做、还要做什么的思路入手，分析案例，由学生自主归纳常见的洗涤试剂，总结洗涤步骤并巩固洗涤液中离子检验的方法。这一环节诊断并发展学生对沉淀洗涤操作认识的结构化水平。

情境7：A、D、F三位同学设计的流程(分别见图2、图5和图7)中，在洗涤之后均设计了干燥步骤。

问题7：①常见的干燥措施有哪些；②SrCl2·6H2O 晶体在61 ℃时开始失去结晶水，100 ℃时失去全部结晶水，在干燥时要注意什么；③工业上采用减压烘干法烘干SrCl2·6H2O晶体，减压烘干法有何优点？

学生活动7：①总结常见的晶体干燥方法：自然晾干、滤纸吸干、在干燥器中干燥、烘干等；②从性质出发思考干燥方案，温度过高或过低时，SrCl2·6H2O晶体均易分解，干燥时要防止它在61 ℃以上时失去结晶水；③类比迁移减压过滤(抽滤)可以加快过滤速度，推测减压烘干法可以缩短干燥时间，还能降低干燥温度。

评价任务：通过教师提示减压过滤法的优点，学生能主动迁移应用已有知识，并在将来把学到的新知识迁移到解决其他的复杂问题。这一环节诊断并发展学生对知识的迁移应用能力及解决问题的能力。

2.3 任务三：赏实际工业流程，评自主设计成果

情境1：制备六水氯化锶晶体的实际工业流程图(见图10)。

问题1：请你对比自己设计的流程和实际流程，思考还有哪些步骤可以优化？

学生活动1：对每步操作进行细致对比分析，提出几点优化方案：为避免H2O2分解，可以少量多次加入；滤渣可以无害化处理，响应绿色化学的理念；洗涤用的是饱和SrCl2溶液，洗涤液可以考虑提取SrCl2循环利用。

评价任务：纸上得来终觉浅，实际工业流程是完整的，但也仍然有可完善之处，让学生思考可行的优化方案，引导学生将所学知识用起来；并渗透德育，引导学生辩证看待实际工业流程，敢于质疑，培养学生的批判性思维。这一环节诊断并发展学生对化学价值的认识水平及分析和解决问题的能力。

情境2：G同学设计的流程(见图11)：操作步骤较为完整，但是细节上存在一些可以完善的地方。

图10 制备六水氯化锶晶体的工业流程

图11 G同学设计的工业流程

问题2：反思与评价：你如何评价图11所示的工业流程？

学生活动2：经过小组讨论，怀着批判精神对该流程提出自己的见解与优化措施。

评价任务：每位学生都运用工业流程模型，用心设计了六水氯化锶晶体的制备流程，体会到流程之美。通过这一环节，学生发现流程的价值所在，并能对其他同学的成果作出评价，提出改进方案。这一环节诊断并发展学生对化学学科价值的认识水平。

3 教学反思

以学生自主设计的六水氯化锶制备流程为真实问题情境的素材，选取讨论点展开现场分析与评价，每个学生都参与其中。这样的素材选取极大程度地激发了学生的探究兴趣和求知欲望，也使学生更愿意积极表达自己的见解，充分调动已有知识和经验，自主建构关于沉淀法、结晶法和洗涤法的知识模型，并运用模型解决问题。通过迁移应用建立起已有知识和所学知识的联系，从而实现深度学习。因此，真实问题情境引导下的教学可以有效促进学生对知识的深度理解与应用，有助于深度学习的发生。