基于模型建构的“物质分离与提纯”复习课教学研究

王 珊

（宝安中学集团塘头学校 广东 深圳 518108）

一、问题的提出

科学探究与化学实验是义务教育化学课程标准的五大主题之一，物质分离和提纯是科学探究与化学实验主题的重要组成部分，承载着科学探究能力培养的重要任务。［1］课标要求通过化学实验探究活动，学习物质分离实验探究活动的一般思路与基本方法，并能够应用一般思路方法简单进行实验设计，获得合理结论。［2］在物质分离和提纯复习课教学中，不少教师往往注重发挥自己的主导作用，课堂教学停留在知识的记忆和理解等低级思维层次。复习课不应该仅仅是知识的罗列，还应该有能力的攀升和方法的提炼。［3］］

查阅文献，发现关于物质分离和提纯复习课教学存在以下几个问题：（1）找不到除杂方法。［4］（2）学生对分离提纯的认识是零散、没有条理的，在对分离提纯流程图的分析中尚存在一定困难，思维缜密性不够，考虑不全面，设计和评价实验方案缺少角度。（3）教学重视知识和技能领域（检验方法、除杂方法、原理解释、实际操作等），而缺乏对物质分离提纯整体思想方法上的提炼和概括。模型认知要求学习者通过“分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”［5］。基于此，本文采用模型建构的教学模式，以期待解决上述问题，具体为：（1）挖掘合适的教学素材，深入挖掘素材的逻辑关系，素材要有承接关系，符合学生的认知过程，层层递进，促进学生的思维发展。（2）通过一系列丰富情景和真实问题的探究活动，帮助学生理清思维脉络，设计活动发展认识角度，形成物质分离提纯认识思路，构建思维模型，提升学生的认识水平。（3）教学中突出思维模型的自主建构过程，强化模型对问题解决的指导作用。

二、物质分离和提纯的模型

物质的分离和提纯的思维模型如图1所示，模型以基本原则、基本思路、基本步骤、方法为认识角度，基本思路为解决物质分离和提纯问题的认识思路，在此过程要结合基本原则、基本步骤和方法进行综合分析，进行角度之间的关联。在教学中发展学生的多样化思维，学生经历不同层级模型的自主建构，形成认识思路。

图1 物质分离和提纯的思维模型

三、教学设计与实施

1.学情分析

学生已经学习了金属、酸、碱、盐的性质，对物质的性质已经有了系统的认识，能够基于具体物质、物质类别分析物质性质。熟悉常见的物质分离方法，物理方法——蒸馏、结晶、过滤等，化学方法——沉淀法、气体法等，能够解决简单的除杂问题。

2.教学目标

（1）认识到物质的提纯与物质的分离两者要求不同，了解物质的分离与提纯可行性标准（不增、不减、易分、最优），掌握物质分离与提纯的常见方法。

（2）通过一系列丰富情景和真实问题的探究活动，将碎片化知识转变为系统化知识，形成物质分离提纯的一般思路（组分分析—性质差异—选择方法—修正补充）。

（3）依据建构主义理论，通过有效的小组合作和科学探究，初步形成物质的分离与提纯方案设计思路（取样—操作—现象—结论），提高科学探究能力和证据推理能力。

（4）完成物质分离提纯思维模型的建构，发展认识水平，提高解决复杂陌生问题能力，最终实现能力发展。

3.教学框架

通过建立物质分离提纯的思维模型、应用模型解决化学问题、应用思维模型解决实际问题三个教学环节，以两组分混合物分离提纯、多组分混合物分离、复杂情景废水处理为素材，建立教学框架（见图1）。突出模型建构教学模式，使学生在分析和评价的基础上，发展科学思维，初步形成合作、探究的能力，培养学生的科学精神与社会责任感。

图2 教学框架

4.教学实施

环节一：构建物质分离和提纯的思维模型

（1）定性分析，构建模型

任务1：设置了多个简单两组分混合物分离提纯的进阶活动，由浅入深，由简至繁，从物理方法到化学方法，初步建立物质分离和提纯的基本原则、基本思路。以学习任务单为导向，问题驱动，明确选择的分离提纯方法是什么？依据是什么？具体如图3所示。

图3 简单两组分混合物分离提纯活动框架

学生概括归纳，提炼物质分离提纯的基本思路：明确两组分混合物→找出组分性质差异→依据性质差异选择合理的物理或化学方法。在活动的过程中，体会物质分离的基本原则：不增、不减、易分、最优（将杂质转化为所需要的物质，提高原料利用率）。

（2）定性定量结合，修正模型

任务2：将实验室的白色固体KCl、MgCl2、BaSO4固体混合物逐一分离开，加入试剂及其顺序正确的是（）

A.水、适量AgNO3溶液、稀硝酸

B.水、适量NaOH溶液、稀盐酸

C.水、适量KOH溶液、稀盐酸

D.水、过量KOH溶液、稀硫酸

【课堂实录】

学生根据任务指引，关注试剂添加顺序、试剂用量，打开新视角，小组内讨论，教师点评，分析方案的可行性，进一步内化混合物分离提纯的基本原则和基本步骤，如图4所示。

图4 多组分混合物分离

设计意图：学生讨论、思辨、概括归纳，完善物质分离提纯的基本思路：明确多组分混合物→找出多组分性质差异→选择合理方法→依据所选试剂、考虑用量、顺序，设计实验，确定实验步骤→绘图展示。设置多组分混合物分离提纯化学问题，以形成任务—呈现方案—评价方案—解决问题为思路进行分析，学生用流程图的形式展示分离提纯过程，将问题情景化，观念外显化。

学生认知发展：（1）由两组分混合物分离提纯问题到多组分混合物分离提纯问题，由定性到定量角度。（2）将单一零散的混合物分离方法有序整合、初步形成依据混合物组分的性质差异进行物质提纯的有序思路，构建认识模型。

环节二：应用思维模型解决化学问题

任务3：某探究小组在实验室用大理石和稀盐酸制备二氧化碳时，不小心将锌粒混入大理石中，若要获得干燥纯净的CO2，请你分析：（1）制备二氧化碳中混有的杂质气体有哪些？（2）选择哪些除杂的试剂及装置？（给出多个含有试剂的单个装置图），书写相关反应的化学方程式。（3）分析上述试剂的连接顺序，小组交流讨论，绘图展示。

【课堂实录】

学生：制取的气体里除了二氧化碳还有氢气。

追问：还有其他成分吗？

学生1：盐酸能够挥发，还有氯化氢气体。

学生2：还有水蒸气。

教师：选择哪些除杂的试剂及装置？

学生1：除去氯化氢可以用含有氢氧化钠溶液的试管。

学生2：不行，这样会把二氧化碳也除掉，不符合不减的原则，可以用饱和碳酸氢钠，既符合不增不减的原则，还能够获得二氧化碳，符合最优的原则。

教师：其他气体怎么除去？

学生3：氢气可以还原氧化铜，变为水去除。除水不能用碱石灰，只能用浓硫酸，因为二氧化碳是酸性气体。

教师：选什么方法收集气体，排水法还是排空气法？

学生：获得干燥的气体，要用排空气法，二氧化碳密度比空气大，要用向上排空气法。

教师：请同学们画出装置，注意装置的连接口，以及装置连接顺序。

学生：交流、分析、反思，获得最佳方案。

学生：经过小组交流讨论，最终获得正确装置，如图5所示。考虑吸收气体的先后顺序，首先吸收氯化氢气体，对带出的水蒸气进行干燥，然后经过灼热的氧化铜除去氢气，最后用浓硫酸吸收水蒸气，收集干燥的二氧化碳。

图5 除杂装置

总结：此环节的难点为模型修正补充部分，学生需要讨论获得盛有不同试剂的装置的连接顺序，设计实验方案。

设计意图：以解决实验室化学问题为任务驱动，提供试剂及其装置，学生进行选择，检测和诊断学生关于物质分离和提纯的认识模型。对信息进行整合和加工，关联基本步骤、基本原则，进行组分分析（分析存在的杂质气体）→性质差异→选择方法（选出除杂试剂，选择装置）→修正补充（确定试剂顺序，设计实验方案）。通过探究活动，帮助学生由孤立的认识角度到系统的认识思路。

环节三：应用思维模型解决实际问题

以“工业废水处理”为项目，通过不同组分性质差异，逐步进行除杂，注重运用学科综合视角解决生产生活实践中的问题。通过复杂的真实问题，学生对流程图中每一步骤进行分析、比较、评价，在此过程中发展学生的逻辑推理能力，模型认知能力，最终形成应用思维模型解决实际问题的思维方式，形成稳定的认识思路，具体认知过程如图6。

图6 工厂废水处理认知过程

任务4：工业废水直接排放至自然界，不仅会给环境带来巨大破坏，还会危害人类健康。在全球环保意识不断增强的背景下，要对工业废水进行无害化处理后进行排放。某工厂排出的废水中含有大量的难溶性悬浮物，金属盐溶液（FeSO4、ZnSO4和CuSO4），含磷物质，有机物，有色物质。

已知：离子交换膜法——水中磷的主要存在形式是磷酸根阴离子，游离的磷酸根阴离子与固体离子交换剂中的阴离子进行交换，实现去除与回收磷酸根阴离子的目的。

【课堂实录】

教师：假设你是该厂的一名工程师，请设计流程回收Fe、Cu和硫酸锌，并除去含磷物质、有机物、有色物质，减少环境污染，实现资源利用。

学生活动：小组讨论，请写出所加试剂及反应方程式，设计方案并画出流程图。

教师：首先，分析工厂废水中混合物的组分；根据组分的性质，选择用什么方法除去杂质。

学生1：废水中含有难溶解性悬浮物，可用过滤的方法去除；含磷物质可以采用离子交换膜去除，有机物可以进行消杀，有色物质可以吸附。

学生2：要回收Fe、Cu和硫酸锌，需要将FeSO4和CuSO4进行转化。

教师：如何转化？小组讨论，绘图展示。

学生：进行小组活动，学生间互评，学生反复修改方案。学生展示方案，在老师的指引下，再次进行修改。

图7 学生绘图示例及分析

教师：实际生产中，还要考虑价格，环保，操作方便，利用率高等问题。

学生：总结工业废水处理的全过程，过滤→回收Fe、Cu和硫酸锌→离子交换法除磷→吸附色素→消杀除有机物→排放。

教师补充：工业上过滤通常可以采用格栅。吸附常用活性炭、硅藻土、膨润石、壳聚糖等物质，主要因为具有疏松多孔的结构。去除有机物，工业上也可以依靠降解，即微生物在废水环境中的新陈代谢，将有毒物质吸收或转化为无毒成分，尤其是能将有机污染物转变成CO2、H2O、N2。此外，化学沉淀法是工业除去金属离子的常见方法，通过加入NaOH溶液，调节废水的pH，使金属离子在不同pH范围沉淀出来。

设计意图：学生经历组分分析→性质差异→选择方法→修正补充的过程，在此过程中关联了除杂的基本原则、基本步骤、基本方法。通过对复杂化学问题情境中的关键要素进行分析和推理，不断内化模型，应用物质分离提纯的认知模型解决复杂问题，不断重构和修补自己的知识网络，形成系统的知识体系。通过思维方法的提炼，帮助学生搭建解决问题的脚手架，最终达到深度学习的效果。通过本环节，学生逐步形成对化学促进社会可持续发展的正确意识，提高了学生的科学态度与责任。

四、教学反思

根据课堂学生表现、小组活动、学生展示，分析总结出建构“物质分离和提纯”思维模型教学的有效教学策略：

（1）在教学中增加应用型学生活动

学生学习了理论，但是在复杂情景中，依然不能将模型应用到陌生的问题解决中，这说明学生没有将相关的理论和应用建立关联。因此，教学中要增加应用型活动，尤其是加强理论在复杂陌生环境中的应用，在应用型活动中启发引导学生进行逻辑推理，设计有梯度且有质量的问题，训练学生解决问题的能力。

（2）注重认识模型的建构和应用

复习课要将学生单一、碎片化的知识转化为系统性的、有序的认识。一方面，教师要不断总结解决问题的思维模型，并在教学中交给学生，有意识帮助学生建立有序化思维。另一方面，要引导学生将模型迁移到其它的问题解决中。在解决复杂的问题时，要能够调用有序思维，从整体出发，先确定解决问题的大思路、大环节、大步骤，然后再逐一解决每个子问题，最终达到复杂问题的解决。

（3）注重发展学生的科学思维

教师要抓住教学中每一次理论推导、实验研究、问题解析，让学生在学习中不断实践，提升自己的逻辑思维。针对特定问题，加强类比思维、探究思维、有序思维和逻辑推理思维的训练。注重提高学生自我评价、自我反思的能力。