聚焦模型建构的高三化学复习课例研析

摘 要 化学“模型认知”核心素养的培养离不开问题解决能力的提升。以高三“化学工艺流程”复习课为例，根据课标中对学生思维水平的发展要求，设立由简单到复杂的驱动性任务，主要包括单一组分原料到目标产物的合成、常见操作和工程思维角度的深度理解、复杂组分原料到目标产物的工艺流程设计与评价，引导学生逐步建构、完善和应用工艺流程认知模型，提升问题解决能力，为高三复习提供参考。

关键词 高中化学 模型认知 问题解决 工艺流程

一、问题提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》将化学学科核心素养划分为5个维度，“模型认知”素养被列入其中，这是对“模型”在学科教学中科学价值的一种肯定。它要求学习者能通过分析、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；能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律[1]。借助复杂的问题情境，忽略次要要素，分析和运用其中的关键要素，厘清事物间的内在联系，从而实现认知模型的主动建构与完善，促使零散琐碎的知识结构化和认识过程的思路化；再应用模型去解决真实、复杂情境中的问题，有利于在实践中进一步拓宽认识思路，巩固和理解认知模型。

问题解决是指在一定的情境下，学生综合运用知识和技能完成目标任务的一系列思维活动过程。它不同于解决问题，解决问题注重的是结果性评价，而问题解决更注重过程性评价。通过真实的情境来承载核心知识、学科方法和学科素养，根据真实情境中产生的真实问题设计活动任务，在任务解决的过程中逐步发展学生的核心素养[2]。问题解决能力的提升是以思维提升为前提，而模型建构又是促进思维提升的重要手段。在多样、可变的问题情境中，通过模型建构，可以使学生掌握一类问题的解决思路和方法，切实提升问题解决能力。

化学工艺流程主要涉及物质的制备和回收，是理论联系实际的重要载体，在工业、农业、医药、建筑等领域具有指导性作用，因此，对于工艺流程的分析和考查有着重要的现实意义。然而，学生对于这类问题的解决还存在一定困难，主要原因有：①该类题目考查的情境一般较为陌生，呈现形式较为复杂，部分学生存在一定的心理障碍，具有畏难情绪；②学生平时多采用机械记忆的方式来存储化学知识，理解程度比较浅；③题目综合性较强，而学生的知识框架比较零散，知识记忆碎片化，缺乏系统性，没有形成解题的思路和方法。基于此，在高三化学工艺流程复习课教学中，我们应把建构认知模型作为首要任务。在运用模型解决真实、复杂的工艺流程问题的过程中，促进学生深度思维能力的提升，最终实现问题解决。

二、设计思路

基于学生认知发展规律，我们做了本节课的教学定位：通过“一元及二元组分原料→目标产物合成”路线的设计，学会从“价类”二维角度来确定物质转化路线，根据“原料和目标产物的性质”确定操作路线，进而建构出工艺流程的认知雏形。通过对多组分原料到目标产物的工艺流程方案分析，进一步深化对原料预处理和分离提纯的理解，并建立工程思维评价角度，完善工艺流程的认知模型。最后应用“模型”去解决真实、复杂的问题，形成问题解决模式，提升问题解决能力。

本节课的教学设计思路如图1所示。

三、教学过程

（一）建立认识角度——初建化学工艺流程认知模型

以铝、铁及其化合物作为建模对象，在回顾元素及其化合物知识的同时，通过合成路线的设计和对比，提炼其中关键的要素进行抽象，构建各要素间的逻辑关系，初步形成思维模型。

【设置任务情境1】为了介绍化学工艺流程在生产生活中的意义和价值，我们让学生根据下面提供的试剂和资料卡1（见图2），设计由原料到目标产物的合成路线（见表1）。试剂：蒸馏水、稀硫酸、NaOH溶液、Na2CO3溶液、H2O2溶液。

表1 简单组分原料到目标产物的合成

[原料→目标产物 合成路线 Fe2O3→Fe（OH）3 Fe→Fe（OH）3 Al、Fe→Fe（OH）3 废铁屑（油污）→FeSO4·7H2O ]

【教师设置问题引导】通过设问的方式使学生的认识思路外显：对于上述“原料→目标产物”的转化，设计合成路线的依据是什么？你是从什么角度入手分析的？在合成路线的设计中，你又是如何提高产物的产量和纯度的？你能用流程图的形式将“原料→目标产物”的合成思路展示出来吗？

【学生活动】回忆旧知，制定合适的合成路线。信息整合，提炼“原料→目标产物”合成路线认识角度：①对比原料和目标产物中核心元素价态，确定转化路线。价态未变，利用物质类别通性；价态改变，利用氧化还原反应。②根据原料和目标产物的性质，选择合适的操作方式，提高产品的产量和纯度。绘制草图，展示设计成果。

【教师点评】点评学生的分析思路，引导学生将看似孤立、零散的合成路线进行有序整合，挖掘内在本质，初步建构认知模型（见图3）。

【设计意图】通过任务1的解决，让学生回顾已学过的元素化合物知识。引导学生对合成路线进行对比归纳，发现内在规律，从而初步建构工艺流程认知模型。

（二）形成认识思路——完善化学工艺流程认知模型

以海带提碘为任务情境，采用问题链启发学生深度思考，并鼓励学生在图3思维模型的基础上尝试搭建新问题解决的模型。在问题的解决过程中，引导学生在原有思维模型的基础上补充延伸。

【设置任务情境2】在上述合成路线的设计中，所给原料组分较为单一，而在实际的工业生产中，原料组分会更复杂，工艺流程也会变得更加繁琐。如从海带中提碘，海带提碘工艺流程详见图4。

【教师创设4组问题链】引导学生对不同的海带提碘方案进行联系和比较，找出共性和差异，划分化学工艺流程框架结构，促进工艺流程认知模型完善。

［问题链1］结合资料卡2（见图5）中所给信息，分析步骤1和步骤2中所涉及的操作“刷、剪碎、灼烧、加水浸泡煮沸”的目的分别是什么？属于工艺流程中的哪个环节？

学生活动：小组讨论，之后进行小组汇报和交流。“刷”的主要目的是除掉海带表面的一些附着物；“剪碎”是为了增大接触面积，加快化学反应速率，使得后续的灼烧反应更为充分；根据资料信息，可以看出“灼烧”的主要目的是将海带中的难溶性有机碘和IO3-转化为可溶性I-，可以大大增加后续浸出液中碘的浓度；“加水浸泡煮沸”是为了加快含I-化合物在水中的溶解，使灰烬中的I-尽可能多地进入溶液。这些操作属于海带提碘前期预处理，提高了碘回收的速度、纯度和产量。

［问题链2］步骤3，在海带浸出液中加入稀硫酸和H2O2溶液的目的是什么？属于工艺流程中的哪个环节？

学生汇报：我们对比碘转化前后的存在形式，它的价态从-1价变到0价，说明在酸性环境下，加入的H2O2充当的是氧化剂，将碘离子氧化成碘单质。步骤3属于工艺流程中的核心反应环节，实现了碘的提取。

［问题链3］甲、乙方案中“步骤4→步骤8”所涉及的操作及目的是什么？属于工艺流程中的哪个环节？

学生汇报：步骤4，加入CCl4的目的是利用单质碘在水相和有机相中溶解度差异，将I2从水相萃取到有机相，实现碘的富集；再通过分液的方式将水相和有机相进行分离。方案甲中的步骤5，蒸馏是利用CCl4和I2沸点的差异，实现CCl4和I2的分离。方案乙中的步骤5，NaOH溶液的加入会将I2转化成IO3-和I-，从而使碘元素从有机相进入到水相，是个反萃取操作。按所给的流程，步骤6中加入硫酸的目的是将溶液中IO3-和I-再转化为I2。步骤7中通过过滤操作，将单质碘从水溶液中分离出来。最后的步骤8，将得到的粗碘通过升华的方式进行提纯。“步骤4→步骤8”属于工艺流程中的分离提纯环节，实现了碘的净化。

［问题链4］对比海带提碘的甲乙两种方案，你认为有哪些优点和不足？为什么？

学生观点1：两种方案提碘，都采用了CCl4这种有机溶剂，价格较高；同时，易挥发产生有毒蒸气，污染环境。甲方案比乙方案的操作步骤少，试剂消耗量少，更省钱。

学生观点2：我们组认为，CCl4有机溶剂的缺点并不是它的价格较高，因为蒸馏后可以将得到的CCl4有机溶剂再循环使用。主要原因应该是CCl4和单质碘的沸点都较低，很难通过蒸馏的方式实现二者很好的分离。相比较而言，乙方案中获得的碘单质纯度会更高，但是后续经历的转化步骤较多，会造成一定的碘损失，甲方案中得到的碘产量会高些。

学生观点3：我们有些观点和第2组同学不太一样，我们认为不适宜采用蒸馏操作分离碘和CCl4混合溶液的主要原因应该是碘易升华，会导致碘的损失。还想补充的是使用蒸馏的方式提碘也会增加能耗。

【设计意图】明确海带提碘工艺流程中各步目的，有利于帮助学生划分工艺流程结构，加深学生对工艺流程认知模型的理解。在问题链1→3解决的过程中，进一步拓宽了学生对于预处理和分离提纯的认识，知道粉碎、灼烧、水浸、酸浸、碱浸等是常见的预处理操作，过滤、洗涤、趁热过滤、萃取、分液、蒸发浓缩和冷却结晶等是分离提纯阶段常见的操作方式。学生通过对两种海带提碘方案的评价，建立工程思维（成本、能耗、绿色环保、循环利用等）的认知视角，完善对化学工艺流程的认知模型。

（三）内化认识方式——应用化学工艺流程认知模型

情境问题应从熟悉到陌生、简单到复杂、理想到真实不断进阶。本环节基于废旧锂离子电池中钴和锂回收工艺流程的真实问题情境，引导学生思考交流，检验模型的应用能力，并将模型要素和分析思路固化与内化，以实现深度学习。

【设置任务情境3】提出复杂的设计型任务，进一步评估和检测学生对化学工艺流程认知模型的学习水平。根据下面提供的试剂和资料卡3（见图6）中的信息，设计从废旧锂离子电池回收钴和锂的工艺流程图，并划分化学工艺流程结构。试剂：盐酸、“H2SO4+H2O2”混合溶液、NaOH溶液、Na2CO3溶液、（NH4）2C2O4、蒸馏水、乙醇溶液。

【学生小组交流讨论设计流程图】整合和加工资料卡中所给的信息，利用所建构的化学工艺流程认知模型，设计出3种从废旧锂离子电池中回收钴和锂的流程图（见图7～9），并进行汇报和组间交流。

【教师引导学生展示设计成果并概括分析】投影展示学生所设计的典型工艺流程图（图7～9），引导学生汇报各自设计成果并进行分析和评价。通过认知模型的运用，促进学生对工艺流程认知模型的深入理解，提升解决真实复杂问题的能力。

［学生汇报设计成果1］（图7）根据资料显示，废旧电池中还含有少量的余电，在对它进行处理的时候存在一定的安全风险。由于温度低的时候电池耗电比较快，可以通过降温的方式让电池放电，然后再对电池进行拆解，就能够得到负极、正极、塑料及外壳等部分。由于需要回收的钴和锂集中在正极上，我们就对分离之后的正极进行处理。正极材料是由钴酸锂、乙炔黑导电剂、有机粘结剂三者共同黏附在铝箔上组成的，根据它们在溶解性上的差异，可以先加入NaOH溶液使铝单质转化成Na[Al（OH）4]进入溶液，钴酸锂、乙炔黑和有机粘结剂这三者难溶于碱溶液，可通过过滤除去铝元素。再根据剩余这三者溶解性上的差异，选择加酸溶解，把锂离子和钴离子引入溶液中，过滤掉难溶性的乙炔黑和有机粘结剂。资料中提到钴离子在水溶液中的稳定存在形式为Co2+，而LiCoO2中的钴为+3价，从氧化还原的角度来看，应加入一种还原剂，我们选择了“H2O2+H2SO4”的混合溶液，因为它是一种绿色的还原剂。然后通过沉淀法将溶液中的Li+和Co2+进行分离，我们商量以后觉得沉钴可能要用草酸铵，因为资料显示草酸铵的溶解度较大，沉淀颗粒也会较大，过滤除杂效果会更好，但是我们也不太确定。沉淀Li+选择加入Na2CO3溶液，由于Li2CO3的溶解度随温度的升高而减小，所以要趁热过滤，再用热水洗涤，促进可溶性杂质的溶解，获得更多的碳酸锂。

［学生汇报设计成果2］（图8）我们前面的处理与第1组同学是一样的，但是在正极材料的处理上不太一样。正极材料中有机物和乙炔黑具有易燃的性质，结合资料所给信息，将温度调控在400℃～650℃范围内，让粘结剂分解，钴酸锂就可以从铝箔上脱落下来。同时要保证金属铝不能融化，避免和钴酸锂混合在一起，增大分离难度。在粘结剂分解的过程中，乙炔黑燃烧变成CO2。分离出铝箔后，得到的钴酸锂用“H2O2+H2SO4”混合溶液进行酸浸。沉钴阶段加入NaOH溶液会更好，因为Co（OH）2的Ksp值最小，沉淀更难溶，沉淀钴离子效果最好。沉锂阶段选择的试剂是Na2CO3溶液，对于Li2CO3的洗涤，选用乙醇溶液会更好，因为乙醇可以快速带走固体表面的水分，达到很好的干燥效果。