基于学科知识融合能力培养的思维建模研究——以化工流程题为例

河南 叶 军

1.问题提出

思维建模作为一种教学策略和帮助学生认知的工具参与到教学过程中来，使学生的学习，教师的教学以及师生之间的交流更为有利更能把握全局和细节，更能创造性解决问题和发现问题。

思维建模的过程应包括分析、建模和解模三个过程。

分析的过程主要是对特定的研究对象进行抽象、概括，抓住其主要信息以及对相关对象的共性问题进行提取。

建模的过程主要是抽象思维或非逻辑思维的应用，通过舍弃研究对象的一些次要细节及非本质的联系，对研究对象的主要信息做出一些必要的简化、假设和一般化处理，并用适当的文字、公式或实物等方式去再现研究对象的各种复杂结构、特征、功能和联系，以建构相对固定的思维模型。

解模的过程主要是表现为逻辑的思维，运用已经建构的思维模型去解释研究对象和解决实际问题。

近些年来，由于化学工艺流程试题具有较高的融合性，备受命题人偏爱。此类试题涉及知识面广、考查问题全面、题干信息量大，既能考查学生基本物质的相关性质和相关基本实验操作的掌握，还能考查基本概念、原理的学习能力。能够充分考查学生的化学学科核心素养的关键能力(见表1)。

表1 化学学科核心素养的关键能力

鉴于此可知，培养学生学科知识的融合能力就显得尤为重要，思维建模则是一个非常好的方法。细分析化工流程题，从考查的角度来看有两大方面：一、学习水平——基础知识的全面掌握，基础知识包括元素化合物性质及相关反应、基本实验操作、化学平衡原理的应用；二、学习能力——题给信息的现学现用，题给信息包括题干文字信息(原料组成、陌生物质的物理及化学性质等相关数据)和流程图信息。

2.设计思路

流程图的模型大致如下，通常可以分为三部分(见图1)：

图1 流程图模型

2.1 原料预处理

利用题给混合物组成信息进行预处理，可使用物理或化学方法，借助有关化学反应原理进行。相关物理方法有搅拌、粉碎、升温等；相关化学方法可借助组分的化学性质选取常见的酸、碱、氧化剂等与其反应。建模如图2所示：

图2 原料预处理建模

基本方法：

2.1.1 研磨：减小固体的颗粒度，增大固体与液体或气体间的接触面积，加快反应速率。

2.1.2 水(酸、碱)浸：与液体接触溶解或反应，使可溶物与不溶物分离。

2.1.3 灼烧(煅烧)：改变原料组成的结构或使之分解，除去可燃性杂质或氧化变价元素。

2.2 除杂(提取过程)

分析溶液组成借助已学知识和题给信息，选取相应试剂进行除杂(见图3)：

图3 提取过程建模

除杂过程结合中学化学中元素化合物的知识、化学反应原理进行知识高度融合的考查，同时还给出一定的信息，考查学生的学科学习能力。在这里对近几年全国高考试题化学工艺流程试题的考查元素及相关主要处理方法统计如下(见表2)：

表2 高考流程图试题考查元素汇总

综合分析这些处理原理采用以下形式的原因：1.调节溶液的pH，常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点，能与H+反应，使溶液pH增大；不引入新的杂质。2.控制温度，根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动(如升温促进水解)。

2.3 制取粗产品

思维建模如下(见图4)：

图4 制取粗产品建模

基本方法：

①过滤：分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法。

②萃取和分液：利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取、分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。

③蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl。

④冷却结晶：提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。

⑤蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油。

⑥冷却法：利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气。

基于以上分析，一个复杂的流程图被我们分解成几个独立但又相互关联的思维图，这样学生不至于见到大型流程图(2013·全国卷Ⅰ流程长达13步)心生恐惧，出现畏难情绪。同时对每个小流程各自考查的内容做出详细分析，学生分析问题时能够形成一定的思维模式，从而达到培养学生学科思维能力的目的。

3.答题规范

3.1 文字叙述类的题目要规范解答，防止出现因叙述不严谨导致的失分

例如：

①如何洗涤沉淀：往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀，待蒸馏水自然流下后，重复以上操作2～3次。

③如何从溶液中得到晶体：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。

④在写某一步骤是为了除杂时，应该注明“是为了除去××杂质”，只写“除杂”等一类万能式的回答是不正确的。

3.2 认真审题，不要因审题不细致而失分

例如：

①填“化学方程式”还是“离子方程式”。

②填“名称”“符号”还是“代号”“序号”等。

③填“大于”还是“>”，填“增大”还是“变大”等。

④填“化学式”“分子式”“结构式”“结构简式”“最简式”还是“电子式”等。

4.解题示例

【2018年·全国卷Ⅱ·26】我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家，一种以闪锌矿(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图5所示：

图5

相关金属离子[c(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如表3：

表3

回答下列问题：

(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为____________________________________。

(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有________；氧化除杂工序中ZnO的作用是____________________，若不通入氧气，其后果是____________________。

(3)溶液中的Cd2+可用锌粉除去，还原除杂工序中反应的离子方程式为________________。

(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时，阴极的电极反应式为____________________；沉积锌后的电解液可返回________工序继续使用。

【解析】依据建模可将流程分三步，如图6所示：

图6

1.原料预处理采用焙烧的方法，以达到改变原料组成的结构或使之分解，除去可燃性杂质或氧化变价元素的目的。

2.除杂过程采用沉淀和氧化还原的方法，由题干可知原料中含有FeS、CdS、PbS杂质，分析四种离子沉淀pH不难发现，直接调节pH不能将杂质一次性除去。流程中有三次过滤的除杂处理，依据元素化合物知识可做出判断，稀硫酸沉淀Pb2+；氧化除杂则是将Fe2+氧化为Fe3+从而生成Fe(OH)3除去；Cd2+沉淀的pH高于Zn2+,则应利用氧化还原反应除去。

3.制取产品采取电解的方法。

4.答题过程：两处方程式分别要求书写“化学方程式”和“离子方程式”，注意答题要求。

【答案】

(2)PbSO4调节溶液的pH 无法除去杂质Fe2+