基于“物质分离与提纯”模型的“水的净化”教学研究

刘国豪

摘要：通过模型建构的教学模式，逐步探索“物质分离与提纯”的一般思路和方法，进而在熟悉情境中应用模型、修整模型、完善模型，深入挖掘学科知识背后的核心素养，整合教材内容，提供单元主题类教学案例。

关键词：核心素养;模型建构;物质的分离与提纯;水的净化;过滤

文章编号：1008-0546（2022）06-0048-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.010

物质的分离与提纯是研究物质组成、结构、性质及应用的重要的基础性操作，在化工生产或科学研究领域具有广泛的应用。因此，针对混合物分离与提纯的分析与考查具有重要的现实意义[1]。在初中阶段涉及物质分离的方法主要有：蒸发、过滤、吸附、沉淀、蒸馏、结晶，由于各版本的初中化学教材并没有系统归纳和整理此内容，在教学实践中，针对“物质的分离与提纯”进行单元整体教学分析并建立方法模型解决问题很有必要。

一、问题的提出

本文的研究载体“水的净化”是初中化学“身边的化学物质”中的重要内容。在中国知网检索文献发现，对于“水的净化”的教学研究，主要集中在以下两个方面：（1）对过滤实验进行改进[2-4]。改进后的实验具有操作更加简便，现象更加明显，原理更易理解等优点，但过滤实验操作是《义务教育化学课程标准》要求学生必须掌握的化学实验技能[3]，实验的改进不太适合放在新课教学中。（2）情境教学[6-11]。情境教学增强了化学知识的趣味性和应用性，研究者选取的情境都比较新颖且具有时代性。以“物质分离与提纯”角度对水的净化方法进行归纳和总结的教学研究暂未发现。基于此，本文采用构建模型的教学模式，以期解决“水的净化”教学中所忽视的两个问题：（1）“物质分离与提纯”方法模型的构建;（2）“物质分离与提纯”方法模型在具体情境中的实施与应用。

二、教学问题的分析

1.教学分析

（1）教材分析

“水的净化”是人教版初中化学教材九年级上册第四单元课题2的内容，可解决课题1“爱护水资源”中水资源不足的实际问题，同时也为“粗盐中难溶性杂质的去除”实验打下基础。净化水的知识内容是去除水中的杂质，其核心任务是对混合物中的成分进行分离与提纯。查阅人教版初中化学教材[12-13]中关于物質分离的内容，发现在“水的净化”之前，已有测量空气中氧气含量的演示实验内容，也有工业上制取氧气的相关知识。同时，“水的净化”也是冷却热饱和溶液结晶、蒸发结晶、粗盐提纯等物质分离内容的必备基础（详见表1）。

“水的净化”教材内容首先对自然界水中的杂质进行分类，再介绍自来水厂的净化工艺，接着设置了过滤的演示实验，教材内容以讲述和演示的方式为主，并没有介绍净化水的物质分离思路。

（2）学情分析

学生已经学习了“混合物”“纯净物”等相关概念，也知道分离物质后可以达到某些实验目的。如：测量空气中氧气含量的实验中，在密闭的集气瓶中点燃足量的红磷除去氧气，待冷却到室温后打开密闭体系，让水倒吸进入集气瓶中，水的体积即是集气瓶中氧气的体积;再如：工业制氧气中，由于液氮和液氧的沸点不同，将空气液化以后再蒸发，可以分离出氧气和氮气。但是学生对物质分离的方法仍缺乏独立分析能力，净化水的相关实验操作能力也没有经过训练。

（3）教材内容的重构

基于以上的教材及学情分析，本文以物质分离与提纯的方法模型为主线，解决水的净化的相关问题，并对教材内容进行如下重构：

①变自然界水的引人为工业制氧气引入

不以自然课时为顺序进行引入，改为由学科核心知识为顺序进行引入。由于工业制氧气与本节课净化水的核心任务相同，都是物质的分离与提纯，通过对工业制氧气分离原理的复习，建立方法模型以解决水的净化问题，体现单元整体教学思想。

②变陌生情境为熟悉情境

大多数学生都没有参观过自来水厂，其净化原理对于学生来说看似熟悉，实则陌生。本文采用学校门口“臭水河变清水河”的情境来应用物质分离的模型，学生观察水污染治理的部分操作后，结合已有生活经验思考净化水的原理，更加切合自身的认知经验。自来水厂净化工业的知识用作物质分离的工艺流程情境。

③变演示实验为分组实验

将过滤的演示实验变为学生的分组实验。学生先实验，再总结实验的操作要领，先试错再反思错误，亲身体验实验成功的关键因素。学生由实验的“旁观者”变为了“参与者”。

2.教学目标

见表2。

3.教学框架

通过建立模型、应用模型、修整模型、完善模型四个教学环节，以工业制氧气、臭水河变清水河、自来水厂的净化工业、过滤实验为情境线，以分离氮气和氧气的方法、水净化的方法与工艺、过滤实验的操作要领为知识线建立教学框架（见图1）。突出以模型建构的教学模式，在水污染治理、水净化流程的情境中培养学生的社会责任，在过滤实验的情境中培养科学探究与创新意识等核心素养。

三、教学问题的解决与实施

1.环节一：温故知新建立模型

【师】同学们还记得工业上是如何制取氧气的吗？

【生】先将空气在低温条件下加压，使空气液化，再将两者逐一蒸发出来。

【师】那你们知道氮气和氧气能够分离的关键因素是什么吗？

【生】因为液氮和液氧的沸点不同，液氮的沸点低于液氧。

【师】总结：PPT展示并重温工业制氧气的方法及原理（见图2），工业上制备氧气，实质就是将混合物中的物质进行分离。提问：同学们能够从中总结一下，如果想要将混合物中的物质进行分离，应该进行怎样的分析呢？

【生】小组讨论后得出，首先要分析混合物中含有哪些物质，再分析各物质之间的性质差异，最后利用它们之间的性质差异找出分离的方法。

【师】没错，这就是混合物中物质分离的一般思路和方法：总结起来就三句话：析成分斗寻差异一找方法，同时展示混合物中物质分离与提纯的一般思路和方法（见图3）。

设计意图：学生对工业制取氧气的方法进行复习，老师引导得出混合物中物质分离的一般思路和方法，如此可为解决水的净化问题提供方案，同时为将来解决物质分离与提纯这一类问题建立了模型，形成连贯的主体单元学习内容。

2.环节二：污水治理应用模型

【师】同学们有没有发现，学校门口原来臭气熏天的河水如今变得清澈见底了？

【生】我知道，因为这两年一直在治理，我经常看到有好多工人和机器在河道施工。（学生表现出高兴和兴奋）

【师】是的，同学们亲自见证了这条“臭水河”变成了“清水河”，那你们路过的时候，有没有观察过他们是如何治理的吗？

（学生争先恐后举手，以下是选取了部分的回答）

【生】用栅栏拦截漂浮的污染物、打捞污泥、往污水里撒东西。

【师】污水变清水是不是也属于将混合物中的物质进行分离呢？

【生】想想后一致认同。

【师】同学们能否利用刚才的物质分离的思路步骤对污水进行分析呢，先想想污水里除了水以外有哪些成分？

【生】小组讨论后认为污水里面应该有重金属、色素、泥沙、固体漂浮垃圾、洗涤剂、微生物等。

【师】接下来，物质分离方法的第二步是寻找各成分的性质差异，要想把污水里的杂质除掉，这些物质各自有怎么样的性质特点呢，我们能否简单地归一下类？

【生】泥沙、固体漂浮物是不溶于水的;重金属、色素、洗涤剂是可溶于水的;微生物是生物体。

【师】第三步寻找分离方法，根据杂质的性质和你们所看到的污水治理的操作，你们能够分析一下污水中杂质的分离方法吗？

【生】不溶于水的杂质可以用栅栏隔离、打捞的方法分离;有生命的微生物，可以撒人消毒剂去除，工人们往污水中撒人的物质应该是消毒剂吧;至于可溶性的重金属、色素、洗涤剂等，就不太清楚该怎么分离了。

【师】那我们来看一段视频详细了解污水治理原理吧。（播放污水处理工艺流程动画）看完后梳理污水处理的工艺及所对应的杂质的性质（见表3）。

總结：治理污水中的物质分离方法中，沉淀、吸附、过滤、消毒等方法是初中阶段要重点学习的，其中沉淀、过滤主要是除去不可溶性的杂质，活性炭吸附可以除去部分可溶性的杂质如色素和异味，消毒可以除去微生物，这就是对物质分离方法模型的应用（见图4）。

设计意图：由校门口“臭水河”变成了“清水河”的熟悉情境入手，通过对污水的处理原理的学习和思考，巩固物质分离的方法模型，熟悉净化水的常用方法。

3.环节三：水厂净水修整模型

【师】污水处理厂所用到的过滤、沉淀、吸附、消毒是常用的净化水的方法。自来水厂将天然水净化，需要用到哪些净水操作呢？

【生】小组讨论，提出先对天然水中的杂质成分进行分析，主要有泥沙、微生物，少量的色素、异味。分别采取沉淀、过滤、消毒、活性炭吸附的净化方法。

【师】同学们已经能够很熟练地通过物质分离的模型寻找净化水的方法了，老师有一个问题，这么多方法，是同时使用，还是分开先后使用呢？

【生】小组讨论后得出，应该先除去大颗粒的不溶性杂质，再除去小颗粒不溶性的杂质，最后吸附可溶性的色素和异味。也就是沉淀、过滤、吸附的操作流程。可是消毒剂在自来水中被人一同饮用会不会影响人体健康啊？

此处老师要引导学生知道自来水厂使用的消毒剂是少量、低毒的，经过煮沸后会逸出，对人体健康没有影响。学生就能放心地将消毒操作放在净化水的最后一个环节，以达到最佳的消毒效果。

【师】总结：同学们很有工程师的感觉，水中杂质的除去流程，通常按照先粗后细，先易后难的策略。这个问题告诉我们不仅要找准物质分离的方法，还要考虑工艺流程问题。因此，我们将物质分离的模型进行修整（见图5）。

设计意图：自来水厂的净化工业与污水治理的工业原理有相似之处，学生再次应用物质分离的模型，多步分离时兼顾操作的工艺流程，达到对分离模型进行修整和补充的目的，将化学知识与工业、生活联系，学生的科学精神与社会责任核心素养得到提升。

4.环节四：过滤实验完善模型

【师】展示实验室水的过滤装置，介绍安装方法及作用，强调滤纸折叠和紧贴的操作方法，其他的操作注意事项留待学生亲自探索。

[分组实验]学生两人一小组过滤泥沙水，尝试进行过滤实验，在过滤操作过程中，完成以下的实验反思记录单（见表4），老师在巡视的过程中发现大多数小组都出现了错误的实验操作，学生完成实验反思记录单后，为大家分享过滤实验的操作要领。

【生】通过实验的观察和反思得出：①玻璃棒要紧靠三层滤纸处，以防滤纸破损;②泥沙水液面要低于滤纸边缘，以防过滤效果不佳;③漏斗下端要紧靠烧杯内壁，以防液滴四处飞溅;④滤纸要紧贴漏斗内壁，以防过滤速率太慢。

【师】将学生发现的问题汇总以后，得出过滤实验的操作要领：“一贴、二低、三靠”。我们发现，在进行物质分离的时候还要考虑具体的实验操作要领，以及实验的可行性、易操作性，对物质分离的方法模型进行完善（见图6）。

设计意图：由于此实验操作相对安全，老师事先不再“讲实验”，学生在简单了解实验装置后，即可进行实验操作和探索，对实验中出现的问题及时反思与纠正，逆向分析得出操作要领，科学探究与创新意识的核心素养得到提升，同时进一步完善物质分离与提纯的模型。

四、反思与建议

1.在情境中认知解决问题的模型

王磊等指出，设置综合复杂问题解决任务，让学生尝试面对真实复杂的情境，自主运用认识模型解决问题;系统探究型的任务让学生完成对于陌生物质性质的自主探究;最后利用拓展知识让学生经历创造性体会和批判性思考的创新思维活动[14]。在工业制氧气、污水治理、自来水厂净化工艺三个情境中，先涉及两种物质的分离，再涉及多种物质的分离，最后涉及分离方法的排序，情境由简单到复杂，由理论分析到实践应用，学生反复利用熟悉的模型解决新问题，学生的能力不断提升。学生以学科情境、生活情境为载体，提炼出解决一类问题的思路和方法，有利于将来在面对陌生情境时，增加主动运用熟悉模型解决问题的自觉性和信心。

2.在知识中挖掘其背后的主题

唐云波指出，基于核心素养的化学教学，要求形成适应学生终生发展的关键能力，不是一、二节课所能达成的，必须跨课时甚至跨学期，教师必须能从一节一节的教学中跳出来，以“主题（单元）”作为进行教学的基本思考对象[15]。如在“水的净化”中，其内容表面上是净化水的常用方法，实质上，教师如能挖掘其知识背后“物质分离”的主题，并能联系单元主题教学内容进行系统教学，这样学生就能从一个问题迁移到一系列问题，让学生在学习化学知识的同时，学会主动地利用化学知识解决新情境、新问题，逐步形成适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格与关键能力。

参考文献

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[14]王磊，郭晓丽，王澜等.元素化合物认识模型及其在复习教学中的应用——以高中《化学1》“金属元素及其化合物”单元复习为例[J].化学教育（中英文），2015，36（5）：15-21.

[15]唐云波.从“知识本位”走向“素养为重”的元素化合物教学设计[J].化学教学，2017（10）：35-40.