从自然界中获取物质资源

褚幼萍

摘要：以“从自然界中获取物质资源”为情境，在实验复习教学中解读化学学科内涵，建构化学核心观念，阐述化学与技术、与社会、与自然的关系，渗透哲学思想教育，树立正确的人生观和世界观。

关键词：实验；自然界；物质资源；核心观念

文章编号：1008-0546（2016）05-0081-06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.032

一、教学背景

浙江省学业水平虽然扩大了考试范围，但降低了难度要求，考试范围及教学内容的确定侧重于形成整个学科知识体系，使学生更清晰地看到化学学科的全部面貌；关注以核心知识为载体，建构学科观念，理解学科特征和研究方法，实现“知识本位”向“观念建构”的转变。

高一的学生，需要知道什么？他们未必会继续学习化学，又凭什么选择化学？即使学，将来也不一定从事化学行业的工作。所以对他们来说，更重要的是知道化学是什么。懂得必要的化学常识是一方面，而学科观念的培养和理性思维的发展是更重要的一方面，这将有利于他们作出明智的判断与决策，使他们更安全愉悦地工作和生活，也为他们增加了一些生活上的情趣，因为生活和自然界中总存在着化学问题，不思则无，思则深远。正如王立志所说：“教育的目标是培养既有文化，又有专业知识的人才。专业知识是一个人事业起步的基础，而文化则引导他走向人生的深邃和高雅。”

那么，化学是什么？化学不是让学生知道海水中有哪些物质，而是化学对待这个物质世界独特而又通达的态度、观念和思想，以及化学能为人类社会做些什么？化学有哪些思想观念？结构决定性质，能量最低，动态平衡，反应中的“变”与“不变”，实验的重要与美丽……这些都是化学学科的文化内涵[1]。化学的内涵赋予化学独特的创造力，从无到有，从简单到复杂，从粗躁到精细，从有限到无限……

在整个中学化学中，实验是非常重要的组成部分，是最常用的教学方法和有效的学习方式。宋心琦教授说：“整个科学发展史实际上是由千千万万个科学实验集成的。教材不过是对经过反复验证的科学实验成果的合乎逻辑、有序的文字表述而已。初等化学教材中，除去化学语言外，所有的化学知识、基本概念和理论的陈述，实际上都是在阐述前人科学实验的成果[2]。”所以化学实验不仅包含着科学方法、科学态度和科学精神，还凝结着人类智慧的结晶，是一株生机勃勃的“鲜活树”，理所当然也就成为建构学科观念，发展理性思维，培养学科素养的绝佳素材。笔者借助“自然界中获取物质资源”这一素材作为实验复习的情境，尝试从“观念建构”的角度来开发实验教学的价值，用“学科观念”整合学科知识并统领教学，将零散的知识通过“观念”这座桥梁转化成“能力”，并力求发挥学科观念的育人功能，结合哲学思想的渗透，培养学生正确的世界观和方法论，塑造有智慧有品格的社会公民。

二、教学流程

学科知识是形成学科素养的载体，是形成课堂中“知识主线”的根基和源泉，是不可回避的课堂主角。经过高一一年的学习，学生或多或少积累了关于“海水资源的开发和利用”、“金属矿物的开发和利用”、“三种化石燃料的综合利用”三方面的知识内容。而这三类自然资源的开发利用囊括了中学化学中大量的实验操作，也展现了科学实验与工业生产的密切联系，成为“实验综合运用”的背景。高一实验主要包含了“物质的分离与提纯”、“物质的制备与检验”等常见操作，这是本节课的知识细节，也串成了本节课的“知识线”。一节课中还要有隐性的“暗线”，即“思想方法线”，这是师生思想碰撞、情感交流和价值认同的脉动线，是知识升华成能力的演化历程。高一学生已经初步接触了化学的一些核心观念，这为收获贯穿于整节课堂的暗线作了铺垫。表1为本节课的大致教学流程，简要罗列了本节课的“知识线”和同步展开的“思想方法线”。 表2呈现的是本堂课中的学习任务单。

三、 教学片断

1. 从海水中获取物质资源

（1）人与自然

<导入>：人的生存需要哪些基本物质？自然界为人类提供了哪些资源？

<投影>：自然界为人类提供的物质资源

海洋：水和无机物等

陆地：土壤、矿石、化石燃料等

空气：氧气、氮气等

动植物：营养物质、皮毛等

<师>：上述问题对你有什么启示？

<生>：关爱自然，珍爱资源。

（2）实验中洞悉化学观念

<任务1>：从海洋中获得淡水、氯化钠、碘单质的操作方法、原理及实验仪器。

<问题组一>：①海水中获得淡水与实验室里制备蒸馏水的原理都是利用沸点不同，解释沸点不同的原因。

②石油的主要成分是各种烃类物质，工业上能通过分馏手段进行分离，这又说明了什么？

③已知直接蒸馏不能除尽乙醇中的少量水，思考：如何才能制得无水乙醇？

<小结>：组成物质的微粒不同，相互间作用力不同：化学键的键能大于分子间作用力，而不同的分子，分子间作用力又各不相同；生石灰能将水转化成沸点更高的氢氧化钙，避免了对蒸馏乙醇的干扰，这利用了化学转化法。

<问题组二>：蒸馏操作时，温度计的位置在哪？为什么？在下面实验中，温度计的位置又是怎样的？①水浴加热法制备硝基苯。② 170℃时，浓硫酸催化乙醇制备乙烯。请分析归纳在实验中应如何确定温度计的位置？

<小结>：温度计的使用从根本上说，取决于实验目的，因为目的直接决定了仪器的选择与使用。因此，要学会从实验目的出发，系统地认识仪器及其操作规则，深入理解化学实验中的科学性和安全性问题。

<延伸>：从海水中获得的精盐在化工上还可以制备哪些物质？

<小结>：利用物理手段，我们可以从海水中获得淡水和氯化钠；而借助科技的力量和化学转化规律，我们还可以进一步制备自然界中难以直接获取的物质，如金属钠、氯碱工业和制碱工业等，这是化学创造力及社会价值所在。当然，化学的创造力一定是在遵循自然规律、掌握物质性质的基础上，充分发挥人类智慧的结果。

设计意图：化学教学应该注重对课程内容的精神理解，而不是在解题细节上过分关注；应该注重科学研究的方法和思想的掌握，而不是化学知识本身。这个环节的设计，一方面促进学生重温并迁移应用已学知识，另一方面希冀从源头上澄清这些操作的内在原因，让学生知其然，并知其所以然，建构起“微粒观”、“变化观”和“化学价值观”，领悟“利用化学的方法和手段，达到利用自然、改造自然的目的，充分展现化学作为‘中心科学的社会价值”。

（3）实验中学会辩证、联系地看待问题

<问题组三>：①“FeCl2”、“FeCl3”溶液蒸发结晶能否得到相应固体？为什么？②请用已学知识解释“我国北方地区的某些小盐湖，冬天湖底有纯碱晶体析出，夏天偶尔可见有食盐晶体析出”的现象。为了支持你的观点，还需要什么文献资料？（溶解度与温度变化的曲线图）③分析上述两种结晶方法的使用规律。④运用上述知识，思考如何分离硝酸钾与氯化钠的混合物？

在对蒸发结晶和冷却结晶两种方法进行梳理后，笔者试图以第四个问题为抓手，促进学生综合考虑各种因素，学会全面辩证地看待问题。课堂上，学生提出了两种方案：一种是，先溶解混合物得到浓溶液，再蒸发结晶，除去氯化钠，最后冷却结晶，制得硝酸钾；一种是，先用少量的热水配制较高浓度的混合物溶液，过滤除去无法溶解的氯化钠，再降温结晶，分离出硝酸钾。就他们的反映看，高一的学生更倾向于使用后者。孰优孰劣呢？显然不能一概而论。针对这两种方法，笔者先让学生尝试从产量上分析，是否存在差异。然后再引导他们思考以下两种情况：硝酸钾中含有少量的氯化钠如何提纯？氯化钠中含有少量硝酸钾又如何提纯？最后让学生分析讨论，得出规律：谁更易结晶，就相应选择何种手段。从能源角度看，这很容易理解，无论是什么因素导致何者更易析出，从而选择相应手段，将使能源尽可能节约，流程也尽可能简化，从而最大化地降低生产成本。

设计意图：上述两种结晶方法在初中和高中的教材里均有涉及，大多时候是结合使用，而先后顺序的不同构成了两种不同的方案，但教师很多时候并未进行系统讲述，往往只是给出一个定性结论，然后让学生“按图索骥”、“依样画葫芦”地进行实验操作。这样的教学容易造成学生片面、孤立地看待问题，遇到不同的情景时，他们便难以调动已有知识进行分析判断。笔者认为只有从产率、能量和流程等角度综合分析，才能让学生看清问题的本质，让知识变得灵活，易于提取。化学一定是涉及“能量核算”的，而追求简约，定能给工业带来效益，这些都是化学文化的重要内涵，是学生非常乐于也易于接受的，是能够帮助学生系统梳理学科知识，也是引导学生科学合理看待生活生产中实际问题的思想观念，故在教学中不应轻易摈弃。

<问题组四>：除了蒸发结晶和降温结晶外，我们还可以采用其他方法促使溶质析出。接下来，请分析以下几种现象的原因。

①观察实验现象并解释：往饱和硫酸钾溶液中滴加无水乙醇，溶液迅速变浑浊。

②除了改变溶剂外，改变溶质能否使晶体析出？请举例说明。

③资料又给了你什么样的启发？

<资料>：每一种氨基酸在特定的pH条件下，溶解度最小，故可以通过调节溶液的pH，使不同氨基酸析出而得到分离。

<生>：①实验中改变了溶剂的成分，使溶质析出；②改变溶质结晶的方法有盐析法：制备乙酸乙酯时，碳酸钠降低了产物的溶解度；制备肥皂时，氯化钠有利于产物的析出；蛋白质在硫酸铵等浓无机盐溶液中会发生凝结；③资料说明了溶液的酸碱性对溶解度也会产生影响。

<小结>：用哲学的观点来说，事物是普遍联系的，我们要学会用“联系”的观点来看待问题。内因需要关注，外因同样不可忽视。这种思想反映在化学中，能得出“物质的性质是多因素函数”。所以在化学学科中，有系统研究“外界影响因素”的理论，如“反应速率的影响因素”。

设计意图：事实上，结晶法分离是基于在同一温度下，溶液中所含物质达到饱和浓度的先后次序的不同。以温度对溶解度影响的不同为依据的体系，只有少数的特例，其中以氯化钠最为典型[3]。当我们把视野扩大，会发现，改变溶液的成分，也能导致物质溶解性变化而发生结晶现象，这样我们在教学中自然而然地就会将问题三和问题四串连起来，让学生由此及彼系统地形成整体的认识，使化学学习变得更舒畅、更通透、更深刻。

2. 从海带中获取碘单质

（1）从“化学概念”到“人生哲理”

<概念辨析>：水和乙醇能作萃取剂吗？

学生几乎异口同声地回答“不能”。

<问>：请分析在下列例子中，水和乙醇都充当什么角色？

<投影>：酒精浸泡药材、酒精萃取豆油或蛋黄油、酒精提取植物中的黄酮和酚类物质；水浸取甜菜中的糖类、泡茶、煲鸡汤。

当学生领悟到“水和乙醇原来也可以作萃取剂”后，笔者继续追问，揭示“萃取”的本质。

<问>：上述例子对你理解“萃取”有什么启发？

<生>：改变了我对“萃取”的看法。不能只看表面字词，关键要看原理。

<追问>：那么，你认为“萃取”的原理是什么？

<生>： 所选取的萃取剂不与原溶液反应或互溶，被萃取的目标物质在原溶剂和萃取剂中的溶解能力不同。

<师>：嗯，我们要透过现象看本质，四氯化碳或者任何一种溶剂都不是唯一的萃取剂，溶解能力的差异是选取萃取剂的一个重要原则，溶解能力的不同是发生“萃取”现象的根本驱动力。事实上，在自然界和人类社会中，不同驱动力发生的类似“萃取”的事件很多：生物迁徙的驱动力在于气候，“良禽择木而栖”的驱动力在于食物和巢穴，人才资源流动的驱动力来自于各种各样的需求。那么，一个人凭什么能够成功地在不同单位之间发生流动？对你们有什么启迪？

<生>：凭个人的能力，所以我们要发展自己，学好本领。

设计意图：引导学生“由个别实验所得的结果，结合相关事例，获得具有普适性的结论或推理”，传递的是一种思维，一种能力，一种艺术。学生对“萃取”从“概念误解”到“原理透彻”，这过程中滋生的智慧与情感让笔者欣喜万分。教学中要将学生隐性的知识和能力充分展现出来，使他们思维的发散性和深刻性得到锤炼，让他们收获方法、领悟思想、发展自己。

（2）“分液漏斗”中感悟“化学结构观”

<问题五>：你认为分液操作的关键是什么？（分层，界面清晰；准确控制液体的流速）。对应的实验仪器是什么？（梨形分液漏斗）

<任务2>：回忆萃取分液的整个操作过程，从结构上分析：梨形分液漏斗如何满足这些操作细节？

在完成任务2的过程中，笔者发现大部分学生都停留在对分液漏斗结构的描述上，而难以深入结构设计背后原因的思考，未建立起“仪器的结构决定其功能”的观念，自然也就没有领会到科学家在思考这些问题过程中展现出来的缜密思维和创新能力。“以学定教”理念告诉我，此时需要针对学生的思维障碍，做一些疏通和随后的强化训练。因此笔者在启发和总结之后，让学生及时跟进练习，进一步巩固所形成的思维模式。

<讨论整理>：分液漏斗容积较大，有利于装液和充分振荡；上口玻璃塞可以在保证密封性的同时，又能取下放气、控制内外压强、倒出上层液体；狭长的下端有利于清晰地观察界面分层，并减少放液操作引起的误差；下端旋塞便于控制流速，准确放出下端液体……

<变式训练>：对比蒸馏烧瓶、蒸发皿、坩埚的结构，分析它们的相应功能。

<设计意图>：从“实验目的决定了实验仪器的选择，而仪器的结构决定了其功能与操作”，再一次证实了“结构观”的普适性。当学生建立起这种观念后，在后续学习中碰到“滴定管”和“移液管”时，就会从实验目的和仪器结构上去分析它们的操作规则：哪些需要润洗，哪些需要检漏。这些知识原本是很零散的，一旦赋予了化学观念后，就体现出它的价值，因为它们是化学学科观念实实在在的践行者，体现着化学的“思维逻辑魅力”，学生的能力也应是由这些知识的“珍珠”串起来的能力“项链”。所以“在理解基础上的记忆”应成为化学教学中的“家常菜”，而不是纯粹的死记硬背各种条条框框或金科玉律。

3. 从矿物中获取物质资源

（1）“化学实验”走向“工业生产”

<任务3>：结合海带中提取碘单质的实验流程，请分析从矿物中获取铁、铜、铝、硫和硅的工艺，哪些环节是相似的？又有什么区别？

<小结>：相同的环节有：原料选择、碎、烧、溶、氧化还原反应、产物的分离与提纯。

不同点：①根据矿物的形态和工艺要求不同，采用不同的方式使矿物颗粒化：粉碎、剪碎、碾碎、捣碎等。②根据温度和反应类型，热处理的方式不同：加热、灼烧、煅烧或焙烧等。③根据矿物的性质，选择相应的溶解法：水溶（钠盐、硝酸盐）、酸溶（锌矿、镁矿）、碱溶（铝土矿）、有机溶剂溶解法（硫矿）、特殊溶法（冰晶石溶解氧化铝、混合溶剂溶解）。④“核心”反应的条件不同：I-的氧化在常温下就能实现，这类似于“水法冶金”；铁和铜早在远古时代用“烧烤法”（热还原法）就能还原炼制；铝只能依靠电解法制取；硫酸的制备需要借助催化剂，实际工艺中还要考虑反应程度；传统炼硅法，从某种层面上说，是万般困难，属于一种综合手段，因为二氧化硅与焦炭的反应温度太高，索性电能的发现让高温的获得变得方便易行，为硅单质的冶炼拓宽了道路。

<师>：从海带和矿物的处理工艺，你联想到什么？

<生>：不同的矿物在冶炼过程中有统一的工艺处理流程；但依据性质不同，又各有差异性。

<师>：大家分析得很到位，世间的万千事物，既有共性，又有个性，所以我们在认识事物时，要把握事物的共性，能够更快地切入主题，又要深谙事物的个性，尽量规避不必要的错误。

<延伸>：若要检验茶叶中的铁、钙、铝元素，会用到上述流程中的哪些操作？

设计意图：现代化学工艺流程是建立在化学实验基础上的。如果对碘的提取流程只是简单地教授，而没有深化为“有机物中某些元素的检验”一类实验流程，甚至拓展成更为广阔的“矿物冶炼的化工流程”，那是不完整的，也是低效的。事实上，海带中99.2%的碘为水溶性碘，而且浸出液主要以I-形式存在，该“浸泡”过程快速易行，只有少量的碘元素是有机态，且能在经历剪碎、灼烧灰化、煮沸溶解等环节后转化成I-[4]。那么，教材为什么要保留传统的看似“大费周章”的流程呢？笔者认为教材在编写时，想要借助实验室容易实现的“海带实验”呈现一套系统的“有机物中某些元素的检验”的实验方案，（如，茶叶中Ca、Al、Fe元素检验的拓展课题），也粗线条地描绘出化工上大规模的“矿物开发利用”的流程，带领学生由实验室走向化工生产，将熟稔于心的原理应用到更广阔的实践天地中，这样才能让学问成为心灵的生动本质而不是储藏在心里的惰性知识，让学以致用成为每位学生的内在秉性。

<问题六>：冷凝管中水流方向的目的是什么？在炼铁和硫酸工艺中，哪些环节的原理与之相似？

“放热”和“对流”是化工的“不二”主题，而它的原型却是来自化学中简单的实验。冷凝管的水流与气流方向相反，是为了延长接触时间，达到充分冷却的目的，而在高炉炼铁时，矿物和焦炭由炉顶投入，空气从炉底鼓入，势必造成固体和气体相向而行，延长了接触时间，从而尽可能地充分反应；而在硫酸工艺中，热交换器的内外管冷热对流与实验室冷凝管的对流并无二致；再到吸收塔，生成的三氧化硫气体从塔底升起，被由上而下喷洒的浓硫酸吸收，亦是为“放热”与“对流”考虑设计的。当然，除此之外的例子，在化工中还有很多。从充分冷却到充分反应，皆包含“放热”和“对流”，这一系列看似复杂的操作工艺，原来皆浓缩于小小“冷凝管”中，学生怎会不豁然开朗，满心欢喜呢？

4. 从生物体中获取物质资源

<任务4>：借助资料，设计从生物体中获取物质资源的简要路线，思考过程中都分别使用了哪些实验手段？

就必修教材，上述问题涉及到的相关实验有：醇类制作燃料电池、多糖类物质水解、酿酒工艺、造纸工艺、人造丝和铜氨纤维的制作、从蛋白质的水解获取氨基酸、微生物发酵法生产氨基酸（如味精厂）、蛋白质的盐析与变性、油脂皂化、人造奶油。学生通过查阅网站和参考教辅资料，能设出更多的路线……在借助各种各样实验方法的同时，别忘了告诉学生：人类自身有一套神奇高效的天然加工工具，那就是消化系统，它可以不断地从生物体中获取营养物质，维持正常的新陈代谢，保证人的各种体力和脑力活动。同时还要向学生发出警示：人类不能无节制地向自然索取，我们要学会反馈，如废物回收利用，净化自然界。

5. 从空气中获取物质资源

<任务5>：如何从空气中分离出氮气和氧气？如何除去空气中的氧气？

<知识链接>：①已知空气分离的三种常用方法：吸附法、膜分离法和低温法。

吸附法：利用分子筛对不同分子的选择吸附性来达到分离目的。

膜分离法：借助膜渗透技术，根据氧、氮通过膜的速率的不同，实现两种组分的粗分离。

低温法：利用空气中各组分沸点的不同，通过一系列的工艺过程，将空气液化，并通过精馏来达到不同组分的分离。

②除去氧气的常用方法有两种：一是液化空气，再升高温度，沸点低的氮气先逸出；一是碳在空气中燃烧，再用碱吸收二氧化碳，即得氮气。

<讨论>：上述分离方法的原理与你所学的哪些实验操作相似？

<问题组七>：洗气法是一种常用的实验手段。思考实验室制备氯气时，哪些环节使用了洗气法，分别使用了哪些试剂？

<拓展>：对空气的利用，我们更多的时候是直接“转化”，如：生物体从空气中获取氧气或氮气是靠“转化法”；科学家测定氧气含量也是借助“转化法”，工业上煅烧矿物也是“转化”氧气；雷电时，氧气和氮气还能“转化”成农作物必要的“氮肥”……就你现在的知识，说一说空气对地球上整个生物圈的意义？

除了要告诉学生空气是宝贵的天然物质资源，要避免污染空气，保护自然环境，还要让学生明白从固氮菌到工业合成氨气，虽然在量上有了质的飞跃，但是利用率低、成本高、污染环境，这些都在表明：人类还要不断地向自然界学习，追求科学是永无止境的，真理永远在前方。

四、反思

本节课是笔者在我县区内围绕“高一化学学业水平考试复习”教学研讨展示的一节公开课。在交流分享时，笔者谈了自己在备课时的想法：如果教学的目标一开始就定位在熟练几个常见实验操作的考点上，那么我们能指望学生会产生多大的兴趣？而且无论用何种形式去讲授，学生能收获的也就只有这几个考点，顶多因为教学形式或者任何噱头让学生感兴趣那么两三节课，之后便看透本质而失去兴趣。但如果教学目标是停留在展现博大精深的核心观念并感受其简约、普适、质朴和理性之美，领悟“化学实验”背后折射出的科学家的严谨求实和创新思维，渲染丰富的人文内涵和绚烂的艺术之美，那么课堂的境界和层次自然就不同了。所以，只有以学科文化和审美艺术作为教学目标，才能持续长久地调动学生学习动力。这就要求教师在备课时不能仅停留在学术形态的显性知识层面上，还应该关注并挖掘教育形态的缄默知识，不仅从形式上把课堂还给学生，更应该从思维层面上激活学生。追求思维的提升是课堂教学永恒的话题，离开学校若干年后的学生，也只可能剩下思想、观念和方法，这将是永远留在他们脑际，伴随他们终身的精神财富。

参考文献

[1] 郑胤飞.文化有根，课堂有魂[M].上海：上海教育出版社，2013

[2] 宋心琦.化学实验教学改革（上）[J].化学教学，2013，（3）：3-5

[3] 宋心琦.化学实验教学改革建议之一[J].化学教学，2012，（4）：3-5

[4] 赵玉泉，刘克文.对新课程中提取碘的比较研究和问题探索[J].中学化学教学参考，2013，（6）：39-42