“物质的分离与提纯”项目式教学设计与实践

林珍珍

［摘 要］项目式教学有助于学生主动获取知识，使学生在问题解决过程中建立知识之间的相互联系，逐步构建有效的认知模型，并通过模型的迁移应用提升学生的学习能力和学科素养。本节课以“泔水的回收利用”作为项目式教学主题，总结出分离提纯的实质是利用均相体系转变为非均相体系的转化思想，构建“分析物质组成→明确各组分性质→确定轉化形式→选择分离提纯方法”的认知模型，实现了知识关联和认知思路的结构化。

［关键词］项目式教学；分离提纯； 泔水；教学设计

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）02-0073-05

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出：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，教师在教学中应重视创设真实且富有价值的问题情境，促进学生化学学科核心素养的形成和发展［1］。项目式教学是在真实情境中引导学生自主解决问题、开展深度学习的教学模式，该模式以完成真实的项目为目标，创设真实的问题情境，促使学生主动参与，利用所学知识尝试解决一系列的项目问题，并在探索与挑战中获得新知识，发展真能力，进而提升核心素养。

在高中化学教学的设计与实施中，教师可基于生产生活实际中的项目化任务科学地制订具体可行、发展核心素养的教学目标，挖掘教学内容在化学学科核心素养发展方面的独特价值，设计和开展多种形式的实验探究活动，有目的、有计划地引导学生运用化学科学思维和方法学习化学知识，注重引导学生在化学知识结构化的自主建构中理解化学核心观念，设计基于真实情境的问题解决任务，使学生在解决问题的过程中逐步发展化学学科核心素养。

一、教学内容分析

“物质的分离与提纯”是人教版高中化学选择性必修3第一章“有机化合物的结构特点与研究方法”第二节“研究有机化合物的一般方法”第一课时的内容。在一些教学研究中［2-5］，对本节课的处理多是利用大量琐碎的生活实例，如沙里淘金、夏天晒盐、冬天捞碱、海水淡化等来引入新课，从定义、操作和注意事项等方面来介绍什么是过滤、结晶、萃取、分液、蒸馏，甚至在课堂上设计大量的学生实验来强化实验操作技能，但缺乏系统化的情境将知识联系起来。然而，本节课的学习重点并不是要规范实验操作，而是要从学习过程中抽象出解决物质分离与提纯问题的一般思路，进而构建有序的思维模型，以便在后续的学习中可以实现迁移应用。

“物质的分离与提纯”是高中化学的重要内容。由于物质混合体系复杂多变，各种分离方法的适用范围和操作要点易混易错；同时，由于学生缺乏实验的真实体验，只能死记硬背，当遇到需要解决的实际问题时，不能将所学知识进行迁移应用。在本节课中，我们以“泔水的回收利用”为例，以获得某些产品作为项目任务，通过先分析泔水这一复杂混合物的组成信息，再根据各组分的性质选择合适的物质分离与提纯的方法，建立以“相转化”为核心的解决物质分离与提纯问题的思维框架。

本项目式教学分两个课时完成。第1课时在激活原有知识、搜集资料的基础上，对泔水中各成分的分离提纯进行理论分析，制订实验方案，巩固实验操作要点；第2课时模拟实验探究泔水中各组分的分离过程，实现知识、能力、素养的三重进阶。下面以第1课时的教学设计为例。

二、教学目标

（1）通过生产生活中有关分离提纯的实例，认识到对混合物进行分离提纯的实际意义，增强社会责任感。

（2）通过查阅、分析资料，对泔水的组成和性质进行分析，确定分离提纯的思路和方法，构建认知模型，提高解决实际问题的能力，培养科学探究核心素养。

（3）通过讨论、分析，初步了解过滤、结晶、萃取、分液、蒸馏等基本方法的适用范围和操作要点，体会实验方法的科学性和严谨性，养成科学的探究态度。

（4）通过小组合作讨论、动手实验，完成项目任务，多样化展示学习成果，整理并反思实验结果，体会混合体系分离提纯的工艺流程的设计思路，提升合作评价能力，培养科学探究与创新意识等学科核心素养。

三、教学思路及教学流程

泔水中含有丰富的物质，认识泔水的组成并对其进行分离和提纯具有实用的现实意义。教学中以“泔水的回收利用”为驱动性总任务，按照任务的内在逻辑拆分为四个步骤，并依次解决五个情境子任务。在解决任务的过程中，学生需要厘清知识、分析材料、小组合作、动手实验、整理反思。教师在教学实施过程中，可适当提供相关资料供学生参考。本项目式教学的逻辑线、情境线、知识线、活动线以及素养线如图1所示。

四、教学过程

（一）创设情境，引入主题——分析组成，明确性质

【教师活动】（1）展示淘米、捡豆子的图片，引入“分离”“提纯”的概念（如图1、图2）。

（2）展示信息：“粗硅→精硅→超纯硅”以及垃圾的回收利用，引出物质的分离、提纯与生产生活密不可分，可以利用物理方法，也可以利用化学方法来实现物质的分离与提纯。本节课主要以“泔水的回收利用”为例介绍物质分离与提纯的物理方法。

教师：泔水中含有哪些物质？其状态怎样？

【教师活动】展示图片：厨余垃圾预处理后得到的泔水成分（如图4），引导学生从固、气、液三态和分散系的角度分析泔水的组成。

【学生活动】在教师引导下分析泔水的组成（如图5）。

设计意图：从实际问题引入主题，让学生认识到物质分离提纯的重要性，激发学生学习兴趣。通过形象化的图片展示，将“泔水”这个复杂体系的成分具象化、微观化，渗透分类思想，并埋下本节课的“分离与提纯”主线，培养学生的“宏观辨识与微观探析”核心素养。

（二）层层推进，逐步分离——确定转化，选择方法

1.残渣去除，回忆旧知

教师：除去泔水中的食物残渣颗粒（分离液体和固体）应采用什么方法？

学生：过滤。

教师：使用哪些仪器？有哪些操作要点？

【学生活动】回忆过滤操作：仪器有漏斗、烧杯和玻璃棒，操作需要注意一贴、二低、三靠。

【学生活动】绘制过滤装置图。

设计意图：回顾旧知识，引出新知识，从学生熟悉的分离方法入手，引导学生初步认识物质分离提纯的实质是将非均相体系分开的过程，学会透过现象看本质，从感性认识升华至理性认识。

2.油水分离，引入新知

【教师活动】展示过滤后得到的泔水样品，并让学生判断哪一层是水层，哪一层是油层。

学生：上层是油层，下层是水层，因为油难溶于水，且密度比水小。

教师：如何实现油层和水层的分离？

学生：倒出来。

【教师活动】演示“倒油”，让学生通过观察发现油层和水层不易分离。

学生：试管下面开个小洞，在液体分层的位置装一个用于控制的旋塞。

【教师活动】展示新仪器：分液漏斗，并使用分液漏斗对泔水样品进行油层和水层的分离操作；总结“分液”的概念：将互不相溶的上下两层液体分离的操作叫作分液。

教师：分液后得到的水层和油层依然是多种成分的混合物，所以要继续分离提纯。

设计意图：通过感受实物，激发学生想象，抓住问题的本质。引导学生依据实际需要，逐步改进、设计新仪器，体会物质分离与提纯的新方法“分液”的诞生过程，进而提高学生解决问题的能力，培养学生的“科学探究与创新意识”核心素养。

3.水中提盐，升华旧知

教师：如何提取出水层中的盐？

学生：结晶析出。

教师：假如水层中只有NaCl，如何提取NaCl？假如水层中只有KNO3，如何提取KNO3？选择这些方法的依据是什么？

学生：因为NaCl的溶解度受温度影响不大，所以可采用蒸发结晶的方法来提取。而KNO3的溶解度受温度影响较大，可以采用冷却结晶、过滤的方法来提取。

教师：假如水层是混有少量NaCl的KNO3浓溶液，请设计实验方案提纯KNO3。

【学生活动】讨论分析：若采用蒸发结晶，KNO3析出的同时NaCl也会析出，所以应该用冷却结晶的方法，且需将溶液加热到较高的温度再冷却结晶。

【教师活动】提供资料信息：KNO3和NaCl的溶解度数据（如表1）和溶解度曲线（如图6）。

【学生活动】思考发现，当温度从100 ℃降低到20 ℃时，KNO3的溶解度降低214.4 g，而NaCl的溶解度只降低3.8 g，所以先将KNO3的浓溶液加热到较高温度，再进行冷却，就会有KNO3晶体析出，而NaCl几乎不析出，过滤可得到较纯净的KNO3晶体。

【教师活动】总结操作过程：溶解→蒸发浓缩至有晶膜→冷却结晶→过滤→KNO3固体。如果想要得到更纯净的KNO3，可以向粗产品中加入适量热水配成KNO3的热浓溶液，冷却、过滤，可得到更加纯净的KNO3晶体，这个过程在化学上叫重结晶。

教师：假如水层是混有少量KNO3的NaCl浓溶液，请设计实验方案提纯NaCl。

【学生活动】讨论分析：由于NaCl的溶解度受温度影响不大，冷却析出的NaCl会很少，所以应该采用蒸发结晶的方法；蒸发结晶不能完全蒸干，否则杂质KNO3也会析出；为防止温度降低后有KNO3析出，应该在温度比较高的条件下过滤析出的NaCl固体。

【学生活动】归纳总结：溶解→蒸发浓缩至有大量固体析出→趁热过滤→NaCl固体。

设计意图：让学生回忆选择蒸发结晶和冷却结晶的依据，并通过小组合作产生思维碰撞，用已学知识解决新问题，从而获得新知识、新方法，培养逐步分离提纯的探究意识，初步养成“均相体系”转化为“非均相体系”的分离观念。

4.油层取醇，拓展新知

教师：油层也是多种成分的混合物，需要继续分离提纯。油层中含有大量的油，是否可以用来制作食用油？

学生：不能，因为油层中含有很多有害物质。

教师：这里的油就是我们常说的泔水油，一些不法商贩用这种油充当食用油在市场上出售以牟取暴利。怎样辨别植物油和泔水油呢？

【教师活动】展示资料卡1：食用油和泔水油的区别（如图7）；资料卡2：泔水油中胆固醇的提取（如图8）。

教师：请同学们根据资料卡2的信息归纳方法要点。

学生：加入溶剂无水乙醚，使稀溶液变成了浓溶液；胆固醇在无水乙醚中的溶解度比在水中大；乙醚与水互不相溶，所以得到两层液体，可以用分液方法分开。

【教师活动】先总结萃取和萃取剂的概念，再让学生总结选择萃取剂的依据。

学生：萃取剂应与原溶剂互不相溶，不与原溶质、原溶剂反应，且溶质在萃取剂中的溶解度要比在原溶剂中要大得多。

教师：请同学们根据表2中的信息选择萃取剂来完成从碘水中萃取碘的实验。

（已知：CCl4是一种难溶于水的无色油状液体，密度比水大。）

【實验步骤】向两支小试管中各加入约2 mL碘水，再向其中一支试管中加入约1 mL萃取剂（自选），振荡，静置，观察并比较现象。

【学生A组】选择乙醇作萃取剂，现象如图9所示：溶液不分层。分析可知，乙醇和水可以互溶，所以不适合做萃取碘水中碘单质的萃取剂。

【学生B组】选择CCl4作萃取剂，现象如图10所示：分层，下层为紫红色，是碘的CCl4溶液，上层碘水颜色变浅。

教师：一次萃取不能将碘全部萃取出来，需多次萃取。当绝大多数碘萃取出来的时候，水层应该呈无色。

【教师活动】展示生活中的萃取实例：杨梅酒、玫瑰精油的制备以及屠呦呦用低温乙醚法萃取青蒿素。

设计意图：引导学生分析信息、处理信息，找出新方法，培养学生分析归纳的能力。将萃取理论应用于实际操作，可加深学生对萃取的理解；联系生活，可引发学生共鸣，使其感受到萃取对生产生活的重要作用，进一步体会分离提纯中的“相转化”思想。

5.余物炼油，应用旧知

教师：油层中的其他成分如何回收利用？泔水油中含有大量的脂肪酸和中性油，中性油可用于制取生物柴油。工业上的处理流程如图11所示。已知中性油和脂肪酸的沸点有较大差异，请说出图11中“操作”的具体内容。

学生：根据沸点差异可以采取蒸发或加热气化的方法，沸点低的物质先变为气体分离出来；将蒸发产生的气体冷凝收集起来还可以加以回收利用。

【教师活动】总结蒸馏概念，展示蒸馏装置（如图12）。请学生说出需要的仪器及操作要点。

学生：温度计、蒸馏烧瓶、石棉网、酒精灯、铁架台、冷凝管、牛角管、锥形瓶。给蒸馏烧瓶中的液体加热时，需要向蒸馏烧瓶中加入沸石或碎瓷片防暴沸；温度计的水银球放置在侧支管口处，用来测蒸气温度；冷凝水下进上出的冷却效果更好。

设计意图：激发学生原有认知，关联新旧知识。通过实物展示，让学生近距离认识相关的化学仪器；通过操作要点分析，让学生认识到实验的严谨性与严密性，进一步深化学生对物质的分离与提纯方法的认识。

（三）归纳总结，认识本质——模型建构，形成方法

教师：根据以上分析可知，物质分离提纯的核心就是将“均相体系”转化为“非均相体系”进而对混合物进行分离的过程，请同学们归纳总结。

【学生活动】小组讨论，归纳，总结，展示，评价。

【教师小结】如图13所示。

设计意图：引导学生回顾整个分离提纯的流程，通过师生共同讨论总结，抽象出宏观表象下的一般规律，构建模型，形成方法，为解决复杂化学问题提供参照，感受化学学科的独特魅力。

五、教学效果与反思

（一）项目式教学以真实情境为驱动

物质的分离与提纯是化学研究的第一步，在实际生产生活中有着重要的意义。然而，复杂的混合物成分往往会让学生无从下手。本节课采用了项目式情境教学模式，把厨余垃圾预处理后得到的泔水作为研究对象，以对其组分的不断分离提纯为目的设置问题情境，让学生在解决问题的过程中建立起“均相体系”向“非均相体系”转化的思想，构建“分析物质组成→明确各组分性质→确定转化形式→选择分离提纯方法”的认知模型。

（二）项目式教学以学生认知为核心

项目式教学的核心是问题的探究解决和学生的认知发展。通过综合思考形成对学科本质的理解，并构建认知思维模型，才是学习的真正意义所在。虽然本节课学习的是溶液这一均相体系的分离提纯方法，但对于不同状态的体系，转化的思想是相通的。对于学生来讲，若是固固体系，很容易就能联想到转化成固液、固气、溶液体系；若是液液体系，可以想到转化成固液、液液互不相溶、气液体系；若是气气体系，可以想到转化成气液、气固体系，进而选择合适的分离提纯方法。可见，分离提纯的本质就是固、气、液三相之间的相互转化。本节课学习的是物理方法，但这种转化思想同样适用于利用化学方法进行的物质分离与提纯。

（三）项目式教学以素养培育为导向

真实、复杂情境下的项目式教学，能使学生更加积极主动地学习，从多角度、多视角探索解决问题，在创新探究中理解、迁移、应用知识，在合作学习中增强自信心和社会责任感，在不断持续进阶的学习过程中逐步提升化学学科核心素养。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］  韩书影，潘则南，曹育红.问题解决模式下化学实验素养的形成与落实：以“物质的分离和提纯”教学为例［J］.福建基础教育研究，2018（11）：115-117.

［3］  李发顺.从实践走向自己的认同：以物质的“分离与提纯”教学为例［J］.中学化学教学參考，2020（1）：18-20.

［4］  居鸣富.化学课堂追求之“信达雅”：以“物质的分离与提纯”为例［J］.化学教与学，2018（7）：22-25.

［5］  邹定兵.建构认知模型    促进深度学习：以高三选修模块复习课“物质的分离与提纯”为例［J］.化学教学，2019（1）：41-45，51.

（责任编辑 罗 艳）