聚焦模型建构的高三化学复习课例研析——以“化学工艺流程”为例

杨菲菲 邹 标

一、问题提出

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》将化学学科核心素养划分为5 个维度，“模型认知”素养被列入其中，这是对“模型”在学科教学中科学价值的一种肯定。它要求学习者能通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型；能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律[1]。借助复杂的问题情境，忽略次要要素，分析和运用其中的关键要素，厘清事物间的内在联系，从而实现认知模型的主动建构与完善，促使零散琐碎的知识结构化和认识过程的思路化；再应用模型去解决真实、复杂情境中的问题，有利于在实践中进一步拓宽认识思路，巩固和理解认知模型。

问题解决是指在一定的情境下，学生综合运用知识和技能完成目标任务的一系列思维活动过程。它不同于解决问题，解决问题注重的是结果性评价，而问题解决更注重过程性评价。通过真实的情境来承载核心知识、学科方法和学科素养，根据真实情境中产生的真实问题设计活动任务，在任务解决的过程中逐步发展学生的核心素养[2]。问题解决能力的提升是以思维提升为前提，而模型建构又是促进思维提升的重要手段。在多样、可变的问题情境中，通过模型建构，可以使学生掌握一类问题的解决思路和方法，切实提升问题解决能力。

化学工艺流程主要涉及物质的制备和回收，是理论联系实际的重要载体，在工业、农业、医药、建筑等领域具有指导性作用，因此，对于工艺流程的分析和考查有着重要的现实意义。然而，学生对于这类问题的解决还存在一定困难，主要原因有：①该类题目考查的情境一般较为陌生，呈现形式较为复杂，部分学生存在一定的心理障碍，具有畏难情绪；②学生平时多采用机械记忆的方式来存储化学知识，理解程度比较浅；③题目综合性较强，而学生的知识框架比较零散，知识记忆碎片化，缺乏系统性，没有形成解题的思路和方法。基于此，在高三化学工艺流程复习课教学中，我们应把建构认知模型作为首要任务。在运用模型解决真实、复杂的工艺流程问题的过程中，促进学生深度思维能力的提升，最终实现问题解决。

二、设计思路

基于学生认知发展规律，我们做了本节课的教学定位：通过“一元及二元组分原料→目标产物合成”路线的设计，学会从“价类”二维角度来确定物质转化路线，根据“原料和目标产物的性质”确定操作路线，进而建构出工艺流程的认知雏形。通过对多组分原料到目标产物的工艺流程方案分析，进一步深化对原料预处理和分离提纯的理解，并建立工程思维评价角度，完善工艺流程的认知模型。最后应用“模型”去解决真实、复杂的问题，形成问题解决模式，提升问题解决能力。

本节课的教学设计思路如图1所示。

图1 “化学工艺流程”教学设计思路

三、教学过程

（一）建立认识角度——初建化学工艺流程认知模型

以铝、铁及其化合物作为建模对象，在回顾元素及其化合物知识的同时，通过合成路线的设计和对比，提炼其中关键的要素进行抽象，构建各要素间的逻辑关系，初步形成思维模型。

【设置任务情境1】为了介绍化学工艺流程在生产生活中的意义和价值，我们让学生根据下面提供的试剂和资料卡1（见图2），设计由原料到目标产物的合成路线（见表1）。试剂：蒸馏水、稀硫酸、NaOH 溶液、Na2CO3溶液、H2O2溶液。

图2 资料卡1

表1 简单组分原料到目标产物的合成

【教师设置问题引导】通过设问的方式使学生的认识思路外显：对于上述“原料→目标产物”的转化，设计合成路线的依据是什么？你是从什么角度入手分析的？在合成路线的设计中，你又是如何提高产物的产量和纯度的？你能用流程图的形式将“原料→目标产物”的合成思路展示出来吗？

【学生活动】回忆旧知，制定合适的合成路线。信息整合，提炼“原料→目标产物”合成路线认识角度：①对比原料和目标产物中核心元素价态，确定转化路线。价态未变，利用物质类别通性；价态改变，利用氧化还原反应。②根据原料和目标产物的性质，选择合适的操作方式，提高产品的产量和纯度。绘制草图，展示设计成果。

【教师点评】点评学生的分析思路，引导学生将看似孤立、零散的合成路线进行有序整合，挖掘内在本质，初步建构认知模型（见图3）。

【设计意图】通过任务1 的解决，让学生回顾已学过的元素化合物知识。引导学生对合成路线进行对比归纳，发现内在规律，从而初步建构工艺流程认知模型。

（二）形成认识思路——完善化学工艺流程认知模型

以海带提碘为任务情境，采用问题链启发学生深度思考，并鼓励学生在图3 思维模型的基础上尝试搭建新问题解决的模型。在问题的解决过程中，引导学生在原有思维模型的基础上补充延伸。

图3 “化学工艺流程”认知雏形

【设置任务情境2】在上述合成路线的设计中，所给原料组分较为单一，而在实际的工业生产中，原料组分会更复杂，工艺流程也会变得更加繁琐。如从海带中提碘，海带提碘工艺流程详见图4。

图4 海带提碘工艺流程

【教师创设4 组问题链】引导学生对不同的海带提碘方案进行联系和比较，找出共性和差异，划分化学工艺流程框架结构，促进工艺流程认知模型完善。

［问题链1］结合资料卡2（见图5）中所给信息，分析步骤1 和步骤2 中所涉及的操作“刷、剪碎、灼烧、加水浸泡煮沸”的目的分别是什么？属于工艺流程中的哪个环节？

图5 资料卡2

学生活动：小组讨论，之后进行小组汇报和交流。“刷”的主要目的是除掉海带表面的一些附着物；“剪碎”是为了增大接触面积，加快化学反应速率，使得后续的灼烧反应更为充分；根据资料信息，可以看出“灼烧”的主要目的是将海带中的难溶性有机碘和IO3-转化为可溶性I-，可以大大增加后续浸出液中碘的浓度；“加水浸泡煮沸”是为了加快含I-化合物在水中的溶解，使灰烬中的I-尽可能多地进入溶液。这些操作属于海带提碘前期预处理，提高了碘回收的速度、纯度和产量。

［问题链2］步骤3，在海带浸出液中加入稀硫酸和H2O2溶液的目的是什么？属于工艺流程中的哪个环节？

学生汇报：我们对比碘转化前后的存在形式，它的价态从-1 价变到0 价，说明在酸性环境下，加入的H2O2充当的是氧化剂，将碘离子氧化成碘单质。步骤3 属于工艺流程中的核心反应环节，实现了碘的提取。

［问题链3］甲、乙方案中“步骤4→步骤8”所涉及的操作及目的是什么？属于工艺流程中的哪个环节？

学生汇报：步骤4，加入CCl4的目的是利用单质碘在水相和有机相中溶解度差异，将I2从水相萃取到有机相，实现碘的富集；再通过分液的方式将水相和有机相进行分离。方案甲中的步骤5，蒸馏是利用CCl4和I2沸点的差异，实现CCl4和I2的分离。方案乙中的步骤5，NaOH 溶液的加入会将I2转化成IO3-和I-，从而使碘元素从有机相进入到水相，是个反萃取操作。按所给的流程，步骤6 中加入硫酸的目的是将溶液中IO3-和I-再转化为I2。步骤7 中通过过滤操作，将单质碘从水溶液中分离出来。最后的步骤8，将得到的粗碘通过升华的方式进行提纯。“步骤4→步骤8”属于工艺流程中的分离提纯环节，实现了碘的净化。

［问题链4］对比海带提碘的甲乙两种方案，你认为有哪些优点和不足？为什么？

学生观点1：两种方案提碘，都采用了CCl4这种有机溶剂，价格较高；同时，易挥发产生有毒蒸气，污染环境。甲方案比乙方案的操作步骤少，试剂消耗量少，更省钱。

学生观点2：我们组认为，CCl4有机溶剂的缺点并不是它的价格较高，因为蒸馏后可以将得到的CCl4有机溶剂再循环使用。主要原因应该是CCl4和单质碘的沸点都较低，很难通过蒸馏的方式实现二者很好的分离。相比较而言，乙方案中获得的碘单质纯度会更高，但是后续经历的转化步骤较多，会造成一定的碘损失，甲方案中得到的碘产量会高些。

学生观点3：我们有些观点和第2 组同学不太一样，我们认为不适宜采用蒸馏操作分离碘和CCl4混合溶液的主要原因应该是碘易升华，会导致碘的损失。还想补充的是使用蒸馏的方式提碘也会增加能耗。

【设计意图】明确海带提碘工艺流程中各步目的，有利于帮助学生划分工艺流程结构，加深学生对工艺流程认知模型的理解。在问题链1→3 解决的过程中，进一步拓宽了学生对于预处理和分离提纯的认识，知道粉碎、灼烧、水浸、酸浸、碱浸等是常见的预处理操作，过滤、洗涤、趁热过滤、萃取、分液、蒸发浓缩和冷却结晶等是分离提纯阶段常见的操作方式。学生通过对两种海带提碘方案的评价，建立工程思维（成本、能耗、绿色环保、循环利用等）的认知视角，完善对化学工艺流程的认知模型。

（三）内化认识方式——应用化学工艺流程认知模型

情境问题应从熟悉到陌生、简单到复杂、理想到真实不断进阶。本环节基于废旧锂离子电池中钴和锂回收工艺流程的真实问题情境，引导学生思考交流，检验模型的应用能力，并将模型要素和分析思路固化与内化，以实现深度学习。

【设置任务情境3】提出复杂的设计型任务，进一步评估和检测学生对化学工艺流程认知模型的学习水平。根据下面提供的试剂和资料卡3（见图6）中的信息，设计从废旧锂离子电池回收钴和锂的工艺流程图，并划分化学工艺流程结构。试剂：盐酸、“H2SO4+H2O2”混合溶液、NaOH 溶液、Na2CO3溶液、(NH4)2C2O4、蒸馏水、乙醇溶液。

图6 资料卡3[3-4]

【学生小组交流讨论设计流程图】整合和加工资料卡中所给的信息，利用所建构的化学工艺流程认知模型，设计出3 种从废旧锂离子电池中回收钴和锂的流程图（见图7～9），并进行汇报和组间交流。

【教师引导学生展示设计成果并概括分析】投影展示学生所设计的典型工艺流程图（图7～9），引导学生汇报各自设计成果并进行分析和评价。通过认知模型的运用，促进学生对工艺流程认知模型的深入理解，提升解决真实复杂问题的能力。

［学生汇报设计成果1］（图7）根据资料显示，废旧电池中还含有少量的余电，在对它进行处理的时候存在一定的安全风险。由于温度低的时候电池耗电比较快，可以通过降温的方式让电池放电，然后再对电池进行拆解，就能够得到负极、正极、塑料及外壳等部分。由于需要回收的钴和锂集中在正极上，我们就对分离之后的正极进行处理。正极材料是由钴酸锂、乙炔黑导电剂、有机粘结剂三者共同黏附在铝箔上组成的，根据它们在溶解性上的差异，可以先加入NaOH 溶液使铝单质转化成Na[Al(OH)4]进入溶液，钴酸锂、乙炔黑和有机粘结剂这三者难溶于碱溶液，可通过过滤除去铝元素。再根据剩余这三者溶解性上的差异，选择加酸溶解，把锂离子和钴离子引入溶液中，过滤掉难溶性的乙炔黑和有机粘结剂。资料中提到钴离子在水溶液中的稳定存在形式为Co2+，而LiCoO2中的钴为+3 价，从氧化还原的角度来看，应加入一种还原剂，我们选择了“H2O2+H2SO4”的混合溶液，因为它是一种绿色的还原剂。然后通过沉淀法将溶液中的Li+和Co2+进行分离，我们商量以后觉得沉钴可能要用草酸铵，因为资料显示草酸铵的溶解度较大，沉淀颗粒也会较大，过滤除杂效果会更好，但是我们也不太确定。沉淀Li+选择加入Na2CO3溶液，由于Li2CO3的溶解度随温度的升高而减小，所以要趁热过滤，再用热水洗涤，促进可溶性杂质的溶解，获得更多的碳酸锂。

图7 学生设计的废旧锂离子电池中钴和锂回收工艺流程图（成果1）

［学生汇报设计成果2］（图8）我们前面的处理与第1 组同学是一样的，但是在正极材料的处理上不太一样。正极材料中有机物和乙炔黑具有易燃的性质，结合资料所给信息，将温度调控在400℃～650℃范围内，让粘结剂分解，钴酸锂就可以从铝箔上脱落下来。同时要保证金属铝不能融化，避免和钴酸锂混合在一起，增大分离难度。在粘结剂分解的过程中，乙炔黑燃烧变成CO2。分离出铝箔后，得到的钴酸锂用“H2O2+H2SO4”混合溶液进行酸浸。沉钴阶段加入NaOH 溶液会更好，因为Co(OH)2的Ksp值最小，沉淀更难溶，沉淀钴离子效果最好。沉锂阶段选择的试剂是Na2CO3溶液，对于Li2CO3的洗涤，选用乙醇溶液会更好，因为乙醇可以快速带走固体表面的水分，达到很好的干燥效果。

图8 学生设计的废旧锂离子电池中钴和锂回收工艺流程图（成果2）

［学生汇报设计成果3］（图9）我们组的设计和第2 组同学很相似，不同的是在给电池放电这一步，我们认为可以把电池放到电解质溶液中，比如常见的氯化钠溶液，这样就可以使电池短路，将电池残余的电量消耗完全。在正极材料的分离上，根据“相似相溶”原理，有机物一般易溶于有机溶剂，可以选择四氯化碳溶解掉粘结剂，从而将钴酸锂、乙炔黑和铝箔分离。

图9 学生设计的废旧锂离子电池中钴和锂回收工艺流程图（成果3）

［教师概括分析与问题引导］同学们结合生活常识和所学的化学知识，从两个角度提出了给电池放电的方法：一是通过物理方法降温；二是通过化学方法，利用电解放电。这两种方法分别从破坏粘结剂和溶解铝箔两个角度对正极材料进行分离，获得钴酸锂。利用所给资料信息，都有观察到反应前后钴价态的不同，从氧化还原视角选择相应的酸浸试剂。并且结合Ksp、沉淀颗粒大小和溶解度数据，设计了沉钴和沉锂路线，你们的表现很好。但是我还想问问同学们：为什么酸浸过程中没有选择盐酸？沉钴过程没有考虑加入Na2CO3溶液？选择NaOH 溶液沉钴的小组，是因为Co(OH)2的Ksp值最小吗？采用加入有机溶剂CCl4来溶解有机粘结剂（PVDF），你们觉得效果好吗？

［学生汇报］如果选择盐酸来溶解钴酸锂，在氧化还原反应的过程中，Cl-一般会转变成Cl2，不利于环保。沉钴阶段如果加Na2CO3溶液，会同时产生CoCO3和Li2CO3沉淀，钴和锂无法很好分离。对于CoC2O4和Co(OH)2难溶性的判断，我们应该根据资料中提供的Ksp数据，计算出CoC2O4和Co(OH)2的溶解度，分别为2.5×10-4mol/L和6.5×10-6mol/L，从而判断出是Co(OH)2更难溶。从PVDF 的结构式来看，它应该是一种极性物质，而四氯化碳属于非极性溶剂，根据极性物质易溶于极性溶剂，应选择一种强极性物质来溶解，效果会更好。

（四）评估和检测学生对认知模型的应用——促进认知水平和思维能力提升

通过让学生对比废旧锂离子电池中钴和锂的回收工艺流程，评估和检测学生应用认知模型的能力和水平，并通过教师的及时概括分析与总结，促进学生认知水平和思维能力的提升。

【教师设置问题引导】对比上述3 种废旧锂离子电池中钴和锂的回收流程，你认为有哪些优点和不足？

［学生评价工艺流程1］（图7）通过碱浸的方式分离正极材料，相对于后两种方案，操作上会比较简单，更绿色环保些；但是我们认为用(NH4)2C2O4沉钴的效果没有用NaOH 溶液的好，钴的回收量可能偏低。

［学生评价工艺流程2］（图8）在高温分解有机粘结剂和除碳的过程中，能耗大，会造成环境污染，需要进行尾气处理，也会增加成本。

［学生评价工艺流程3］（图9）我们认为采用有机溶剂进行浸泡不太妥当。有机溶剂一般易挥发、有毒，会造成环境污染，价格也比较贵，会增加回收成本；流程中也没有设计将有机溶剂回收利用的路线。

【教师概括分析与总结】这三组同学从成本、环保、能耗、循环利用等角度对废旧锂离子电池中钴和锂的回收工艺进行评价，想法是值得肯定的。关于沉钴，实际上我们通常选择的沉淀剂是(NH4)2C2O4。Co(OH)2沉淀颗粒比较小，容易在滤纸上形成一层密实的沉淀，难以有效分离，会造成一定的钴损失；利用(NH4)2C2O4和钴盐反应，可以得到较大颗粒、沉降彻底的草酸钴沉淀，钴回收率较高。在化学工艺流程问题解决的过程中，问题的情境虽然复杂多变，但是工艺流程的认知模型却是相似的，我们要学会以不变应万变。

学生面对情境多变的工艺流程题，往往会出现束手无策的现象，明明用的时间最多，却拿了最少的分数。这与平时的学习模式有着密切的关系，是一味追求机械记忆和题海战术所留下的“后遗症”，缺乏对知识的深度理解，没有形成科学系统的分析方法。教师在平时的教学中，不能只关注知识的传授，而是应该引导学生根据所给的问题情境，抽象提炼出一类问题背后的本质，建构认知模型，由单一的知识记忆转向知识的有序建构与整合，优化认知结构，加深对知识的理解；在建立和优化模型、运用模型解决真实复杂问题的过程中，建构解决问题的思维模型，逐步发展学科核心素养，发展学科观念，提升学生的思维品质与问题解决能力，从而提高高三复习效率。