水乳交融与油水分离

李佩宁

石油是人类现代生活的血液，大量的石油存在于海平面之下的地壳中。人类对石油的采集往往会带来副作用，尤其是在人类疏忽大意的时候。例如海上石油泄漏，就是一种对海洋环境产生毁灭性破坏的事故。

一、课程重点

本课程以一个生活中出现的简单物理模型（油漂浮于水上）为蓝本，深入浅出地从微观（分子层面）以及宏观（生态层面）层面来阐述这一现象的产生原因、影响以及人类可以选择的干涉对策，由此培养学生对日常生活的关注，观察科学知识和实际生活的联系。同时，营造学生可以在动手中深入感受和理解的课堂氛围。

【涉及领域】工程、物理学、化学、生物学

【建议年级】小学中年级

【建议时间】125分钟

二、课程任务

通过对不同物质彼此相溶和不相溶现象的探讨以及对实际情景的描绘，引发学生了解現象，学习科学的兴趣，并引导和启迪学生综合看待问题和解决问题的思路。

三、课程步骤

1.导入（15分钟）

【第一步】简述物理和化学的区别，询问学生对溶解现象的认识。物理是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科；化学则是在原子层次上研究物质的组成、结构、性质及变化规律的自然科学。至于溶解，广义上指超过两种以上物质混合而成为一个分子状态的均匀相的过程；狭义上指一种液体对于固体、液体或气体产生化学反应使其成为分子状态的均匀相的过程。

【第二步】向学生进一步进行知识预热，告知溶解是一种物理现象，但是现象产生的微观原因却和化学相关，引起学生对交叉学科的兴趣。让学生举例可以溶解于水的物质，以及可以溶解于学生所知道的各种常态液体的物质。

【第三步】向学生讲解理解这部分知识的重要性，并引入情景：当出现石油泄漏事故，会对环境造成很严重的破坏。询问学生原因，然后揭晓答案：石油是一种粘稠的、深褐色液体，主要成分是各种碳氢化合物，它不能溶解于水中，而是会长时间地凝聚在一起，由于油比水轻，所以会漂浮在水面上，挡住下层水下植物所必需的阳光，堵塞出水呼吸的鱼类的呼吸道以及黏住前来捕鱼的水鸟的羽毛使其无法再次飞行，从而造成大量海洋生物的死亡，破坏生态环境。

2.宣布任务一，小组准备（10分钟）

【宣布任务】每组派出学生和教师一起演示油与水的分层现象在分子层面的表现以及不同温度下油和水的运动会变得不同的原因。各小组听清预备知识，以给定的材料，在教师的指导和提示下进行模拟演示，并通过讨论和推理，将结论告诉大家。预备知识如下。

（1）油分子比水分子大，但是比水分子轻。

（2）这两种分子都会无规律地运动碰撞。

（3）水分子像微弱的磁铁一样，会偶尔互相吸引，而油分子之间、油分子和水分子之间不会。

（4）水吸热较快，油吸热较慢。吸收热量后，水分子运动会更剧烈，而油分子的运动不如水分子剧烈。

（5）小组成员都用手抓着各自的水分子尝试演示，而演示中油分子的数量要较少（1—2个）。

【材料】棉花球、报纸、玻璃球

3.任务的执行（20分钟）

正式执行制作任务。引导学生听清任务步骤并考虑相关问题。

（1）教师宣布自己拿着两个油分子（以巨大的棉花球表示），而学生要手持水分子（以玻璃球表示）。

（2）教师提问：你认为油分子是一个完全圆鼓鼓的球吗？油分子是什么样子的？

（3）教师要求学生用玻璃球表现水分子彼此吸引，稳定在一定位置上进行小幅度的不规则运动，然后拿起棉花球提问：既然水分子会相互吸引，是水分子的相对位置更稳定还是油分子的更稳定？

（4）要求学生用玻璃球与教师一起演示：当油分子试图融入水分子中时，水分子会集体抗拒，形成比较固定的网络，并利用这个网络把油分子托起，挤压到上面去，不让它靠近自己的群体。思考：哪些学生和老师的表演是有问题或存在疑问的？为什么？

（5）当在教师的指导下完成上面这个过程后，模拟分层稳定的同时，对油与水的分层混合进行总体加热，其中油加热的慢，水加热的快，越热的分子运动越剧烈，要求学生用玻璃球配合手拿棉花球的教师一起演示几个温度点（40摄氏度、60摄氏度、80摄氏度、100摄氏度）的水与油的分子运动。思考：这个部分，哪些学生和老师的表演是有问题或存在疑问的？为什么？

（6）通过刚才的演示，思考假如在下面的水已经沸腾的状态下，油分子是否还能被继续加热，此时水分子是否能够透过油层。据此思考刚才同学们的演示是否正确。

（7）思考假如在实际情况中，有千千万万的水分子和成比例的油分子，它们会如何运动。预想并试着描述最后产生的结果在肉眼观察下的情形。

4.任务一的总结和反思（25分钟）

全部小组完成后，教师组织讨论以下问题：

（1）你们组是怎么讨论得出结果的？是通过实际操作，还是通过设想和推理排除？

（2）在你们的结论中，油与油、水与水，谁的“同物质亲和力”最强？假如我们在一个平面上滴一滴油和一滴水，哪个有可能会显得更圆？哪个有可能会显得更扁？

（3）小组在讨论中出现了几种不同的意见，最后你们是如何统一的？

（4）对于没有采纳的意见和看法，你们为什么没有采纳？

之后，让学生自己动手（在材料器具有限的情况下，可以考虑该步骤由两个小组合并共同完成）制造肥皂水，并要求学生观察记录对比肥皂水和油滴在水面上后发生的情形。试着观察水和油彼此之间的状态是否符合之前的预期，是否有分层现象。要求学生思考如下问题：

（1）有什么因素会影响水对双方的溶解？

（2）需要控制哪些条件来保证观察的准确以及结论的准确？即如何保证观察到的现象仅仅是因为水要溶解的物质不同而产生的差异。

（3）你们的预测是什么？

（4）有哪些数据是你们认为需要记录的？

在讨论之后，让学生着手进行观察。观察后，进一步讨论如果将肥皂水和油混合，是否会出现分层现象，最终双方是否会相互溶解。

5.宣布任务二和评价量规（10分钟）

【宣布任务】让学生用给出的材料，并通过实验回答最初提出的“如何清理油污”的问题，通过实验找出他们认为最佳的材料和方式，并说明过程以及得出相应结论的原因。宣布任务后提供材料，并展示评价量规（见表1），小组准备。

【材料】咖啡滤纸、棉花球、钢丝球、肥皂、报纸、纸巾、植物油、水、纸杯、小水盆、纱线、坐标纸

宣布任务和评价量规后，教师要继续询问学生以下问题：

（1）这次课程使用的材料较多，每种材料应当如何运用？是否所有的材料都有用？

（2）通过日常生活的接触，你们预测哪种材料吸收油脂的效果最好？为什么？

（3）如何通过图表展示你们的预测和实际实验记录？在实验前是否能够设计基本格式？

询问后，给少量时间让小组各自进行沟通准备。每个人都要写下自己的想法，包括自己的实验设计，然后小组具体讨论使用哪种设计，以及画出基本的图和表格框架。

6.任务二的执行（20分钟）

正式执行制作任务。要求学生依照评价量规，应当考虑以下内容：

（1）以哪种方法处理石油泄漏的问题，这些材料能够起到什么功效？

（2）我们需要的是吸油性最强的材料还是吸油性较强而吸水性差的材料？哪种比较合适？

（3）通过你们设计的处理方法，泄漏的油有没有可能被再利用？

（4）你们小组以什么作为处理油污性能的评价标准？如何取得实验数据？

（5）你认为实验执行的时候应该注意什么？

（6）考虑石油泄漏时大范围的面积，你觉得你的计划是否真实可行？为什么？

（7）小组是怎样分工的？

7.任务二的总结和反思（25分钟）

全部小组完成后，教师组织讨论以下问题：

（1）在刚才的实验中哪个道具是可以使泄漏的油回收再利用的关键？为什么？（钢丝球，因为钢丝球表面积大、造价低、吸油性强且吸水性差、磨损小。）

（2）发挥想象，你觉得还有什么办法可以帮助控制已经发生的石油泄漏？有什么办法可以继续循环利用这些石油？（可布置作业让学生进一步调查支持自己观点的证据）

（3）如果发生大面积的石油泄漏，通过今天的实验，你要利用哪些材料来控制石油泄漏并回收利用泄漏的油？如何进行具体操作？这些操作会遇到什么困难？会导致哪些意外？

（4）石油是一种粘稠的混合物，和我们日常生活使用的食用油和汽油不同的是，其中最粘稠的部分会慢慢沉降到水面下。你觉得这种作用和哪些因素有关？例如温度、洋流、生物活动、海洋盐分浓度等。（这部分是开放性问题，只要学生能进行有逻辑和根據的猜想即可。）

【拓展思考】能直接点火烧吗？为什么？

（责任编辑 张慧籽）