基于学科理解准确把握教材实验的内涵和价值

洪清娟　陈秀娟　张贤金

摘要：基于学科理解的视角分析苏教版高中化学教材《必修（第一册）》专题2中“物质的分离提纯”的内容，以“萃取与分液”实验为例对如何准确把握实验内涵和价值进行教学实践探索。通过学生在真实情境中解决问题，感受番茄红素、碘单质在不同溶剂中溶解性与溶解度的不同，认识分液与萃取的原理;通过参与设计、绘制分液仪器，自主建构物质分离提纯实验的一般思维模型，增进对化学实验体系三要素中物质体系与仪器装置要素之间的关系以及分液与萃取所蕴含的实验思维和实验价值的理解。

关键词：学科理解;萃取与分液;实验內涵;实验价值

文章编号：1005-6629（2021）05-0052-07 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

在“萃取与分液”实验教学中，教学重点往往放在分液漏斗装置的认识和分液的基本实验操作训练上，化学实验体系的三要素之间相互关联与制约的关系、选择物质分离提纯方法的依据、实验过程中隐含的实验思维等方面反而成为次要内容甚至被忽略。因此不少化学教师没有准确理解和把握化学教材实验的内涵和价值，以致化学学科本质教育的缺位现象较为严重。为了改变当前化学实验教学的现状，本文从教材的学科理解出发，以苏教版高中化学教材《必修（第一册）》专题2中“萃取与分液”实验教学为例，探讨如何把握教材实验的内涵和价值，让学生从实验中发现化学、学习化学、理解化学，旨在为教师设计、开展有效的实验教学提供一些参考。

1教材的单元整体理解

物质的分离提纯是研究物质的重要实验方法之一，初、高中化学课程标准对物质的分离提纯的知识都有相关的要求。《义务教育化学课程标准（2011年版）》主要涉及初步学习用过滤、蒸发对混合物进行分离的实验技能，通过“水的净化”了解可用蒸馏自来水制取较纯净的水，认识实验室常用的蒸馏装置，但学生只是学习了一些零散的实验知识与技能，未形成系统化、结构化的认识。《普通高中化学课程标准（2017年版）》除了要求学生学会物质分离、提纯等化学实验基础知识和基本技能外，还要学习和了解进行物质分离、提纯等不同类型实验探究活动的核心思路与基本方法。所以笔者认为物质分离提纯的教学，应从学生的知识经验与认知水平出发，根据物质的状态、溶解度对物质分离的影响、分离方法与仪器的选择等不同角度，对物质分离提纯的常见方法进行对比和系统的梳理，进而形成“依据各组分性质的差异选择分离提纯的方法和相应的仪器，且分离提纯过程中应尽量减少所需物质的损失”等结构化的认识思路。从整体上把握教学设计，使之既有利于初、高中衔接过渡，又有利于后续元素化合物知识相关实验教学的展开。因此，教授本单元内容的注意点不能只放在讲解分离提纯实验的仪器装置、操作步骤、注意事项和实验方法的识记等知识层面上，更要重视并挖掘相关实验的思路、基本方法和功能价值等内隐的但更富有“营养”的内容。如“萃取与分液”实验教学中增设加了植物油的番茄汤出现分层如何分离、设计绘制用于分离油水两层液体的仪器等真实、有意义、引发学生探究兴趣的情境，让学生在逐步解决问题的过程中掌握“萃取与分液”的方法，领悟该方法的意义与价值，发展学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等核心素养。

2“萃取与分液”实验教学目标

通过探究番茄红素、碘单质在不同溶剂中溶解性与溶解度不同的活动，认识分液与萃取的原理;通过参与设计与绘制分液仪器，不仅了解分液漏斗的作用以及与普通漏斗的区别，还弄清分液为什么要用分液漏斗、分液漏斗为什么会有那样的构造、分液漏斗怎么使用？初步建立起化学实验体系三要素之间的关联意识。具体的教学目标如下。

（1）通过运用控制单一变量法，感知碘在水、酒精、四氯化碳三种溶剂（单一溶剂、两种溶剂混合）中溶解度与现象的差异，获取相应的实验证据并进行推理，初步形成利用物质溶解性的不同，建立互不相溶物质分离的认识模型。

（2）通过讨论和绘制分液仪器示意图，理解分液的原理，建立有关仪器的构造、选择与实验目的、物质体系、分液萃取等化学概念的关联，增进对分离提纯实验所承载的功能价值的认识。

（3）通过屠呦呦提取青蒿素科学史话情境的创设，感受萃取方法的科学价值，激发学习兴趣，培养创新意识和社会责任感。

3教学过程

基于上述教学目标，实验教学由生活情境引出分液;深人情境，认识萃取;明确萃取意义，感受萃取的价值;作业布置，巩固萃取与分液的认识等四个相关问题解决任务和学习活动组成。任务活动与设计意图的教学流程见表1。

4教学实录

4.1生活情境，引出分液

[实物展示]水煮番茄汤和加了食用植物油的番茄汤各一杯。

[教师]两杯番茄汤有什么不同现象？

[学生]分层，且上下两层颜色不一样。

[教师]已经分层的液体可以通过分液的方法进行分离。追问生活中可以采取哪些操作对水层和油层进行分液？

[学生]吸油纸吸、吸管吸、倾倒、勺子舀、冰箱冻了把油刮掉……

[教师]这些操作方法无法实现彻底的分液。能否设计一个仪器将水层和油层比较完全地分离？

[学生]讨论并分组设计将油水两层液体分液的思路和仪器：利用压强加压水层、找寻一种能将水油分离的选择性膜、采用电解、加热蒸馏等。刚开始绘制时，部分学生设计的是上下口径一样大仅一端开口的仪器;也有学生设计出类似简易净水器（相当于剪去瓶底倒置的矿泉水瓶）的仪器;后来有学生设计出漏斗加活塞开关的粗胚模型，具体如图1所示。

[教师]简单点评各个设计思路。指出加热蒸馏既耗能又操作复杂，一般仅适用于沸点相差较大且互溶的液体混合物等;赞赏学生提出的功能膜想法体现创新思维，介绍一种用于油水分离的膜材料及其应用（见图2），激发学生持续的学习动力。之后，让学生评价自己的设计，引导他们从操作简单方便与实验安全、如何便于盛装与振荡溶液、如何控制流速便于分离完全、盛液容积大小、分层的液体流向出口等角度去思考，修改并完善用于实验室分液的仪器。

一种用于油水分离的膜材料

随着近海石油的开采以及工业含油污水的增加，油水分离成为一个广受关注的全球性难题。我国化学家在这一领域已经取得了重要的突破，他们合成了在水中具有超疏油的膜材料，当油水混合物穿过水预浸润的膜材料时，水可以自由流动通过，而油则被阻隔富集，从而达到分离的目的。

[学生]根据教师的提示，归纳出水层从下口流完后，油层从上面出口倒出，形成“上层走上口，下层往下走”的分液操作认识;为分离完全、便于控制流速与防止上层液体继续从下口流出，接近下口的地方应该适当“收腰”，并加一旋塞控制;为了振荡时的安全和避免溅出造成损失，上口应该加一个塞子。

[教师]和你们的想法一致，人们真的创造了这么一个仪器：首先这个仪器得盛装一定体积的液体，所以得有一个大大的“肚子”;其次为了便于控制上下层液体的分液操作，所以有了“下腰细”，这个仪器的名称叫做分液漏斗。分液漏斗模型的演变如图3所示。

[教师]在用这种有塞子的仪器装液体之前，要先进行什么操作呢？

[学生]多数学生回答洗涤。个别提出检查看看会不会和水龙头一样漏水。

[教师]要进行检漏，并演示检漏操作。请学生上来用分液漏斗分离番茄汤的水层和油层。

[学生]没打开上口塞子就直接旋开旋塞，下层液体流出一些后就不再流下。

[教师]如何操作才能让下层液体顺利流下，分离较完全？

[学生]分液操作前应先打开上口的塞子，不然外界压强更大，分液漏斗内的液体就不能顺利流下。

4.2深人情境，认识萃取

[教师]展示分液后的水层和油层。两种番茄汤对比颜色有什么不同，这说明了什么？引导学生还要从油与水的量的角度去观察。

[学生]油层颜色比水层深，比水煮番茄汤的颜色也要深。说明加入植物油后，番茄红素从较大体积的水中转移到较小体积的油层中，由此可知番茄红素在植物油中溶解力更强。

[教师]肯定学生的发现与推理，指出化学上用溶解度（而非溶解力）来衡量溶解的难易。《楚辞》有云“苍鸟群飞，孰使萃之”，这里的萃是聚集的意思。水煮番茄汤中加人植物油之后，把番茄红素从量多的水中转移到量少的油中，得以富集，所以油层颜色看起来更深，说明番茄红素在植物油中溶解度大于水中，化学上把这个过程称为萃取。

[教师]植物油属于有机物，其他有机物是否也有这种“萃”的功能呢？你知道哪些有机物可以作溶剂？

[学生]汽油、酒精可以作溶剂，比如常用于伤口消毒的碘酒就是碘溶于酒精，配成一定浓度的酒精溶液。

[教师]生活中为什么不用碘水消毒？请设计实验以验证你的预测，注意控制单一变量。

[学生]推测不用碘水消毒是因为碘在水中的溶解度太小。设计方案，分组实验结果见表2。

[教师]展示一瓶四氯化碳，介绍其难溶于水且密度比水大，是常见的有机溶剂。碘能溶于酒精，能否也溶于四氯化碳？演示：取一支试管加入0.1g碘，再加入2mL四氯化碳振荡。追问四氯化碳具有哪些物理性质？

[学生]四氯化碳是无色液体，能溶解碘且形成紫色溶液。

[教师]提供25℃碘在几种不同溶剂中溶解度的资料，具体见表3。

[教师]根据溶解度资料和生活常识，请预测碘水中分别加入酒精、四氯化碳以及碘的四氯化碳溶液中加入水分别会出现什么现象？提示：参照番茄红素在植物油与水两层液体的表现。请设计实验方案验证你的预测，并讲出预测的依据。

[学生]分组讨论，设计方案与预测的实验现象见表4。

[教师]演示实验3、4、5，要求学生认真观察现象并进行解释。

[学生]实验3振荡后下层为紫色，上层无色。说明四氯化碳密度比水大，且难溶于水;碘在四氯化碳中的溶解度远比水大，所以碘几乎全部从水层转移到四氯化碳中。实验4没有分层，溶液颜色呈浅棕褐色，因为无水酒精与水互溶，所以不会分层。实验5再次说明碘在四氯化碳中的溶解度远比水大，水几乎无法把碘单质从四氯化碳中萃取出来。

[教师]象植物油能将水中的番茄红素、四氯化碳能将碘水中的碘分别转移而富集的试剂称为萃取剂。请根据表3资料判断能用无水乙醇作碘水的萃取剂吗？选择萃取剂时要注意哪些事项？你能对萃取下个定义吗？

[学生]不能用无水乙醇作碘水的萃取剂，因为乙醇和水互溶没有分层而无法分离。溶质在萃取剂中溶解度不仅要比原溶剂大很多，且萃取剂与原溶剂须互不相溶、与原溶液不反应才可以。萃取就是加入萃取剂之后把溶质从原溶剂中转移出来。

[教师]实验中所使用的四氯化碳溶剂是有毒的，需要回收并作一定处理。

4.3明确萃取意义，感受萃取的价值

[教师]萃取后的溶液是纯净物吗？如果不是纯净物，为什么还要萃取，这样操作有什么好处？

[学生]富集，需要溶质在萃取剂中的溶解度更大。

[教师]很好，萃取使溶质得以富集。此外，工业上混合物所处的环境一般比较复杂，通过萃取，可以把需要的物质转移到萃取剂中形成一个相对简单的体系，便于后续的分离提纯。

[教师]生产生活中有用到萃取原理的吗？

[学生]干洗、泡药酒、汽油洗油污……

[学生]阅读“屠呦呦提取青蒿素的研究”的资料。

[教师]屠呦呦在提取青蒿有效成分的研究中主要创新之处是什么？读完这段科学研究史，你有什么感悟？

[学生]把萃取剂从原来用水改为用乙醚，提高萃取能力，从青蒿中溶解出更多的有效成分;性质决定用途;中医里还蕴涵丰富的藥物提取方法。

[教师]应依据被萃取物质的性质选择合适的萃取剂;科学探究要敢于质疑，遇到问题要灵活转换角度去思考，适当调整研究方向;屠呦呦在经历了190多次实验失败后才取得成功，由此可见科学探究的艰辛与不易。希望同学们在今后的学习中能学习屠呦呦的精神，用智慧的眼光去发现古籍中的精华，为人类的生产生活做出贡献。

[教师]通过本节课的学习，你能归纳实验室萃取与分液、分离与提纯的一般方法与思路？

[学生]小组讨论完成萃取与分液的一般思路如图4所示。

[师生]教师启发引导学生讨论归纳后，逐渐完善最终形成分离提纯实验的一般核心思路，如图5所示。

4.4布置作业，巩固萃取与分液的认识

[作业1]以番茄为原料提取番茄红素，某一种工艺流程如图6所示。

已知：番茄油树脂是一种深红色膏状物;番茄红素不溶于水，难溶于乙醇，可溶于苯、乙醚等有机溶剂。请回答：

（1）操作①、③、④的名称分别是____、___、____;操作②使用的玻璃仪器有____。

（2）重结晶后的产品需用______多次洗涤，实验室洗涤的操作方法为______。

[作业2]查阅资料，设计从含碘的四氯化碳溶液中分离并回收碘与四氯化碳实验方案的简单流程图。

5教学反思

“物质的分离提纯”是学生接触到的第一个比较系统的实验学习内容，如何在教学中把握实验的内涵，实现实验教学的独特价值？笔者有以下几点感悟。

5.1结合学生已有经验，创设真实的实验问题情境

学习萃取尽量呈现真实的化学实验，因为真实的或模拟真实的问题情境可以克服学习内容的抽象性，有利于学习内容的强化和迁移。例如本课时通过生活中学生经常接触的番茄汤，让学生在解决“如何分离水层和油层”“分离后的水层和油层颜色为什么不一样”两个问题的过程中同时获取萃取与分液的核心知识，感受化学与生活息息相关，提升了“证据推理与模型认知”等学科核心素养。当然，本课时也可先从泡药酒、煮中药等生活的视角进入固一液萃取的实例，到生活中植物油萃取番茄红素初步认识液一液萃取，进行层层铺垫。由于学生具有一定的生活经验，这时再顺理成章地过渡到需要掌握的四氯化碳萃取碘水中的碘单质（液一液萃取实验），就比较容易理解萃取的原理。最后再联系屠呦呦提取青蒿素的化学史实，提出“为什么古人水浸青蒿抗疟疾的效果不如用乙醚（一种有机溶剂）提取”的问题，促使学生预测原因，查阅文献，设计实验验证，从而帮助学生从科学家的角度思考问题，深化了对萃取的认识。

5.2遵循学生的认知规律，设计学生实验探究活动

在教学实际中，可基于学生的实际认知情况，设计必要的实验探究活动，发挥化学实验的教学功能。比如溴和四氯化碳是学生新接触的陌生物质，在教学实际中考虑到溴单质的易挥发性，改成以碘为研究对象，同时增设碘在蒸馏水、无水乙醇中的溶解实验以及碘水与乙醇、四氯化碳等的萃取实验。通过实验探究活动，将“萃取与分液”纳入到学生的知识结构中。分液漏斗没有作为分液的仪器直接给出，而是根据分液实验的目的引导学生进行设计与绘制，逐步演变成分液漏斗——体现了实验物质与仪器的关联，它们是一个体系的。

5.3设计具有情境性的习题，有效开展实验教学日常评价

基于学生实际情况精选针对性的作业或习题情境，提高学生运用化学知识解决实际问题的能力。及时对学生学习情况进行反馈评价，充分发挥日常评价促进学生化学学科核心素养全面发展的功能。例如，设计以番茄为原料提取番茄红素的工艺流程的习题情境，跟踪学生对分离提纯的操作名称、沉淀洗涤剂的選择和沉淀洗涤等实验操作的掌握情况。另外，设计从含碘的四氯化碳溶液中分离并回收碘与四氯化碳的实验方案，力求在解决日常问题的实验教学中诊断学生的发散性思维的水平以及一定的环保意识与创新精神。