“物質的分離與提純”項目式教學設計與實踐

林珍珍

［摘 要］項目式教學有助于學生主動獲取知識，使學生在問題解決過程中建立知識之間的相互聯系，逐步構建有效的認知模型，并通過模型的遷移應用提升學生的學習能力和學科素養。本節課以“泔水的回收利用”作為項目式教學主題，總結出分離提純的實質是利用均相體系轉變為非均相體系的轉化思想，構建“分析物質組成→明確各組分性質→確定轉化形式→選擇分離提純方法”的認知模型，實現了知識關聯和認知思路的結構化。

［關鍵詞］項目式教學；分離提純； 泔水；教學設計

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2024）02-0073-05

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出：真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，教師在教學中應重視創設真實且富有價值的問題情境，促進學生化學學科核心素養的形成和發展［1］。項目式教學是在真實情境中引導學生自主解決問題、開展深度學習的教學模式，該模式以完成真實的項目為目標，創設真實的問題情境，促使學生主動參與，利用所學知識嘗試解決一系列的項目問題，并在探索與挑戰中獲得新知識，發展真能力，進而提升核心素養。

在高中化學教學的設計與實施中，教師可基于生產生活實際中的項目化任務科學地制訂具體可行、發展核心素養的教學目標，挖掘教學內容在化學學科核心素養發展方面的獨特價值，設計和開展多種形式的實驗探究活動，有目的、有計劃地引導學生運用化學科學思維和方法學習化學知識，注重引導學生在化學知識結構化的自主建構中理解化學核心觀念，設計基于真實情境的問題解決任務，使學生在解決問題的過程中逐步發展化學學科核心素養。

一、教學內容分析

“物質的分離與提純”是人教版高中化學選擇性必修3第一章“有機化合物的結構特點與研究方法”第二節“研究有機化合物的一般方法”第一課時的內容。在一些教學研究中［2-5］，對本節課的處理多是利用大量瑣碎的生活實例，如沙里淘金、夏天曬鹽、冬天撈堿、海水淡化等來引入新課，從定義、操作和注意事項等方面來介紹什么是過濾、結晶、萃取、分液、蒸餾，甚至在課堂上設計大量的學生實驗來強化實驗操作技能，但缺乏系統化的情境將知識聯系起來。然而，本節課的學習重點并不是要規范實驗操作，而是要從學習過程中抽象出解決物質分離與提純問題的一般思路，進而構建有序的思維模型，以便在后續的學習中可以實現遷移應用。

“物質的分離與提純”是高中化學的重要內容。由于物質混合體系復雜多變，各種分離方法的適用范圍和操作要點易混易錯；同時，由于學生缺乏實驗的真實體驗，只能死記硬背，當遇到需要解決的實際問題時，不能將所學知識進行遷移應用。在本節課中，我們以“泔水的回收利用”為例，以獲得某些產品作為項目任務，通過先分析泔水這一復雜混合物的組成信息，再根據各組分的性質選擇合適的物質分離與提純的方法，建立以“相轉化”為核心的解決物質分離與提純問題的思維框架。

本項目式教學分兩個課時完成。第1課時在激活原有知識、搜集資料的基礎上，對泔水中各成分的分離提純進行理論分析，制訂實驗方案，鞏固實驗操作要點；第2課時模擬實驗探究泔水中各組分的分離過程，實現知識、能力、素養的三重進階。下面以第1課時的教學設計為例。

二、教學目標

（1）通過生產生活中有關分離提純的實例，認識到對混合物進行分離提純的實際意義，增強社會責任感。

（2）通過查閱、分析資料，對泔水的組成和性質進行分析，確定分離提純的思路和方法，構建認知模型，提高解決實際問題的能力，培養科學探究核心素養。

（3）通過討論、分析，初步了解過濾、結晶、萃取、分液、蒸餾等基本方法的適用范圍和操作要點，體會實驗方法的科學性和嚴謹性，養成科學的探究態度。

（4）通過小組合作討論、動手實驗，完成項目任務，多樣化展示學習成果，整理并反思實驗結果，體會混合體系分離提純的工藝流程的設計思路，提升合作評價能力，培養科學探究與創新意識等學科核心素養。

三、教學思路及教學流程

泔水中含有豐富的物質，認識泔水的組成并對其進行分離和提純具有實用的現實意義。教學中以“泔水的回收利用”為驅動性總任務，按照任務的內在邏輯拆分為四個步驟，并依次解決五個情境子任務。在解決任務的過程中，學生需要厘清知識、分析材料、小組合作、動手實驗、整理反思。教師在教學實施過程中，可適當提供相關資料供學生參考。本項目式教學的邏輯線、情境線、知識線、活動線以及素養線如圖1所示。

四、教學過程

（一）創設情境，引入主題——分析組成，明確性質

【教師活動】（1）展示淘米、撿豆子的圖片，引入“分離”“提純”的概念（如圖1、圖2）。

（2）展示信息：“粗硅→精硅→超純硅”以及垃圾的回收利用，引出物質的分離、提純與生產生活密不可分，可以利用物理方法，也可以利用化學方法來實現物質的分離與提純。本節課主要以“泔水的回收利用”為例介紹物質分離與提純的物理方法。

教師：泔水中含有哪些物質？其狀態怎樣？

【教師活動】展示圖片：廚余垃圾預處理后得到的泔水成分（如圖4），引導學生從固、氣、液三態和分散系的角度分析泔水的組成。

【學生活動】在教師引導下分析泔水的組成（如圖5）。

設計意圖：從實際問題引入主題，讓學生認識到物質分離提純的重要性，激發學生學習興趣。通過形象化的圖片展示，將“泔水”這個復雜體系的成分具象化、微觀化，滲透分類思想，并埋下本節課的“分離與提純”主線，培養學生的“宏觀辨識與微觀探析”核心素養。

（二）層層推進，逐步分離——確定轉化，選擇方法

1.殘渣去除，回憶舊知

教師：除去泔水中的食物殘渣顆粒（分離液體和固體）應采用什么方法？

學生：過濾。

教師：使用哪些儀器？有哪些操作要點？

【學生活動】回憶過濾操作：儀器有漏斗、燒杯和玻璃棒，操作需要注意一貼、二低、三靠。

【學生活動】繪制過濾裝置圖。

設計意圖：回顧舊知識，引出新知識，從學生熟悉的分離方法入手，引導學生初步認識物質分離提純的實質是將非均相體系分開的過程，學會透過現象看本質，從感性認識升華至理性認識。

2.油水分離，引入新知

【教師活動】展示過濾后得到的泔水樣品，并讓學生判斷哪一層是水層，哪一層是油層。

學生：上層是油層，下層是水層，因為油難溶于水，且密度比水小。

教師：如何實現油層和水層的分離？

學生：倒出來。

【教師活動】演示“倒油”，讓學生通過觀察發現油層和水層不易分離。

學生：試管下面開個小洞，在液體分層的位置裝一個用于控制的旋塞。

【教師活動】展示新儀器：分液漏斗，并使用分液漏斗對泔水樣品進行油層和水層的分離操作；總結“分液”的概念：將互不相溶的上下兩層液體分離的操作叫作分液。

教師：分液后得到的水層和油層依然是多種成分的混合物，所以要繼續分離提純。

設計意圖：通過感受實物，激發學生想象，抓住問題的本質。引導學生依據實際需要，逐步改進、設計新儀器，體會物質分離與提純的新方法“分液”的誕生過程，進而提高學生解決問題的能力，培養學生的“科學探究與創新意識”核心素養。

3.水中提鹽，升華舊知

教師：如何提取出水層中的鹽？

學生：結晶析出。

教師：假如水層中只有NaCl，如何提取NaCl？假如水層中只有KNO3，如何提取KNO3？選擇這些方法的依據是什么？

學生：因為NaCl的溶解度受溫度影響不大，所以可采用蒸發結晶的方法來提取。而KNO3的溶解度受溫度影響較大，可以采用冷卻結晶、過濾的方法來提取。

教師：假如水層是混有少量NaCl的KNO3濃溶液，請設計實驗方案提純KNO3。

【學生活動】討論分析：若采用蒸發結晶，KNO3析出的同時NaCl也會析出，所以應該用冷卻結晶的方法，且需將溶液加熱到較高的溫度再冷卻結晶。

【教師活動】提供資料信息：KNO3和NaCl的溶解度數據（如表1）和溶解度曲線（如圖6）。

【學生活動】思考發現，當溫度從100 ℃降低到20 ℃時，KNO3的溶解度降低214.4 g，而NaCl的溶解度只降低3.8 g，所以先將KNO3的濃溶液加熱到較高溫度，再進行冷卻，就會有KNO3晶體析出，而NaCl幾乎不析出，過濾可得到較純凈的KNO3晶體。

【教師活動】總結操作過程：溶解→蒸發濃縮至有晶膜→冷卻結晶→過濾→KNO3固體。如果想要得到更純凈的KNO3，可以向粗產品中加入適量熱水配成KNO3的熱濃溶液，冷卻、過濾，可得到更加純凈的KNO3晶體，這個過程在化學上叫重結晶。

教師：假如水層是混有少量KNO3的NaCl濃溶液，請設計實驗方案提純NaCl。

【學生活動】討論分析：由于NaCl的溶解度受溫度影響不大，冷卻析出的NaCl會很少，所以應該采用蒸發結晶的方法；蒸發結晶不能完全蒸干，否則雜質KNO3也會析出；為防止溫度降低后有KNO3析出，應該在溫度比較高的條件下過濾析出的NaCl固體。

【學生活動】歸納總結：溶解→蒸發濃縮至有大量固體析出→趁熱過濾→NaCl固體。

設計意圖：讓學生回憶選擇蒸發結晶和冷卻結晶的依據，并通過小組合作產生思維碰撞，用已學知識解決新問題，從而獲得新知識、新方法，培養逐步分離提純的探究意識，初步養成“均相體系”轉化為“非均相體系”的分離觀念。

4.油層取醇，拓展新知

教師：油層也是多種成分的混合物，需要繼續分離提純。油層中含有大量的油，是否可以用來制作食用油？

學生：不能，因為油層中含有很多有害物質。

教師：這里的油就是我們常說的泔水油，一些不法商販用這種油充當食用油在市場上出售以牟取暴利。怎樣辨別植物油和泔水油呢？

【教師活動】展示資料卡1：食用油和泔水油的區別（如圖7）；資料卡2：泔水油中膽固醇的提?。ㄈ鐖D8）。

教師：請同學們根據資料卡2的信息歸納方法要點。

學生：加入溶劑無水乙醚，使稀溶液變成了濃溶液；膽固醇在無水乙醚中的溶解度比在水中大；乙醚與水互不相溶，所以得到兩層液體，可以用分液方法分開。

【教師活動】先總結萃取和萃取劑的概念，再讓學生總結選擇萃取劑的依據。

學生：萃取劑應與原溶劑互不相溶，不與原溶質、原溶劑反應，且溶質在萃取劑中的溶解度要比在原溶劑中要大得多。

教師：請同學們根據表2中的信息選擇萃取劑來完成從碘水中萃取碘的實驗。

（已知：CCl4是一種難溶于水的無色油狀液體，密度比水大。）

【實驗步驟】向兩支小試管中各加入約2 mL碘水，再向其中一支試管中加入約1 mL萃取劑（自選），振蕩，靜置，觀察并比較現象。

【學生A組】選擇乙醇作萃取劑，現象如圖9所示：溶液不分層。分析可知，乙醇和水可以互溶，所以不適合做萃取碘水中碘單質的萃取劑。

【學生B組】選擇CCl4作萃取劑，現象如圖10所示：分層，下層為紫紅色，是碘的CCl4溶液，上層碘水顏色變淺。

教師：一次萃取不能將碘全部萃取出來，需多次萃取。當絕大多數碘萃取出來的時候，水層應該呈無色。

【教師活動】展示生活中的萃取實例：楊梅酒、玫瑰精油的制備以及屠呦呦用低溫乙醚法萃取青蒿素。

設計意圖：引導學生分析信息、處理信息，找出新方法，培養學生分析歸納的能力。將萃取理論應用于實際操作，可加深學生對萃取的理解；聯系生活，可引發學生共鳴，使其感受到萃取對生產生活的重要作用，進一步體會分離提純中的“相轉化”思想。

5.余物煉油，應用舊知

教師：油層中的其他成分如何回收利用？泔水油中含有大量的脂肪酸和中性油，中性油可用于制取生物柴油。工業上的處理流程如圖11所示。已知中性油和脂肪酸的沸點有較大差異，請說出圖11中“操作”的具體內容。

學生：根據沸點差異可以采取蒸發或加熱氣化的方法，沸點低的物質先變為氣體分離出來；將蒸發產生的氣體冷凝收集起來還可以加以回收利用。

【教師活動】總結蒸餾概念，展示蒸餾裝置（如圖12）。請學生說出需要的儀器及操作要點。

學生：溫度計、蒸餾燒瓶、石棉網、酒精燈、鐵架臺、冷凝管、牛角管、錐形瓶。給蒸餾燒瓶中的液體加熱時，需要向蒸餾燒瓶中加入沸石或碎瓷片防暴沸；溫度計的水銀球放置在側支管口處，用來測蒸氣溫度；冷凝水下進上出的冷卻效果更好。

設計意圖：激發學生原有認知，關聯新舊知識。通過實物展示，讓學生近距離認識相關的化學儀器；通過操作要點分析，讓學生認識到實驗的嚴謹性與嚴密性，進一步深化學生對物質的分離與提純方法的認識。

（三）歸納總結，認識本質——模型建構，形成方法

教師：根據以上分析可知，物質分離提純的核心就是將“均相體系”轉化為“非均相體系”進而對混合物進行分離的過程，請同學們歸納總結。

【學生活動】小組討論，歸納，總結，展示，評價。

【教師小結】如圖13所示。

設計意圖：引導學生回顧整個分離提純的流程，通過師生共同討論總結，抽象出宏觀表象下的一般規律，構建模型，形成方法，為解決復雜化學問題提供參照，感受化學學科的獨特魅力。

五、教學效果與反思

（一）項目式教學以真實情境為驅動

物質的分離與提純是化學研究的第一步，在實際生產生活中有著重要的意義。然而，復雜的混合物成分往往會讓學生無從下手。本節課采用了項目式情境教學模式，把廚余垃圾預處理后得到的泔水作為研究對象，以對其組分的不斷分離提純為目的設置問題情境，讓學生在解決問題的過程中建立起“均相體系”向“非均相體系”轉化的思想，構建“分析物質組成→明確各組分性質→確定轉化形式→選擇分離提純方法”的認知模型。

（二）項目式教學以學生認知為核心

項目式教學的核心是問題的探究解決和學生的認知發展。通過綜合思考形成對學科本質的理解，并構建認知思維模型，才是學習的真正意義所在。雖然本節課學習的是溶液這一均相體系的分離提純方法，但對于不同狀態的體系，轉化的思想是相通的。對于學生來講，若是固固體系，很容易就能聯想到轉化成固液、固氣、溶液體系；若是液液體系，可以想到轉化成固液、液液互不相溶、氣液體系；若是氣氣體系，可以想到轉化成氣液、氣固體系，進而選擇合適的分離提純方法?？梢?，分離提純的本質就是固、氣、液三相之間的相互轉化。本節課學習的是物理方法，但這種轉化思想同樣適用于利用化學方法進行的物質分離與提純。

（三）項目式教學以素養培育為導向

真實、復雜情境下的項目式教學，能使學生更加積極主動地學習，從多角度、多視角探索解決問題，在創新探究中理解、遷移、應用知識，在合作學習中增強自信心和社會責任感，在不斷持續進階的學習過程中逐步提升化學學科核心素養。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］ ?韓書影，潘則南，曹育紅.問題解決模式下化學實驗素養的形成與落實：以“物質的分離和提純”教學為例［J］.福建基礎教育研究，2018（11）：115-117.

［3］ ?李發順.從實踐走向自己的認同：以物質的“分離與提純”教學為例［J］.中學化學教學參考，2020（1）：18-20.

［4］ ?居鳴富.化學課堂追求之“信達雅”：以“物質的分離與提純”為例［J］.化學教與學，2018（7）：22-25.

［5］ ?鄒定兵.建構認知模型 ? ?促進深度學習：以高三選修模塊復習課“物質的分離與提純”為例［J］.化學教學，2019（1）：41-45，51.

（責任編輯 羅 艷）