从自然界中获取物质资源

1、从自然界中获取物质资源doi ：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.032一、教学背景 浙江省学业水平虽然扩大了考试范围，但降低了难度要求， 考试范围及教学内容的确定侧重于形成整个学科知识体系， 使学 生更清晰地看到化学学科的全部面貌；关注以核心知识为载体， 建构学科观念，理解学科特征和研究方法， 实现“知识本位”向 “观念建构”的转变。高一的学生，需要知道什么？他们未必会继续学习化学， 又 凭什么选择化学？即使学，将来也不一定从事化学行业的工作。 所以对他们来说，更重要的是知道化学是什么。 懂得必要的化学 常识是一方面，而学科观念的培养和理性思维的发展是更重要的

2、 一方面，这将有利于他们作出明智的判断与决策， 使他们更安全 愉悦地工作和生活，也为他们增加了一些生活上的情趣， 因为生 活和自然界中总存在着化学问题，不思则无，思则深远。正如王 立志所说：“教育的目标是培养既有文化，又有专业知识的人才。 专业知识是一个人事业起步的基础， 而文化则引导他走向人生的 深邃和高雅。”那么，化学是什么？化学不是让学生知道海水中有哪些物 质，而是化学对待这个物质世界独特而又通达的态度、 观念和思 想，以及化学能为人类社会做些什么？化学有哪些思想观念？结构决定性质，能量最低，动态平衡，反应中的“变”与“不变”， 实验的重要与美丽这些都是化学学科的文化内涵1。化学的内涵赋

3、予化学独特的创造力，从无到有，从简单到复杂，从粗 躁到精细，从有限到无限在整个中学化学中，实验是非常重要的组成部分， 是最常用 的教学方法和有效的学习方式。 宋心琦教授说： “整个科学发展 史实际上是由千千万万个科学实验集成的。 教材不过是对经过反 复验证的科学实验成果的合乎逻辑、 有序的文字表述而已。初等 化学教材中，除去化学语言外，所有的化学知识、基本概念和理 论的陈述，实际上都是在阐述前人科学实验的成果 2 。”所以 化学实验不仅包含着科学方法、 科学态度和科学精神，还凝结着 人类智慧的结晶，是一株生机勃勃的“鲜活树” ， 理所当然也就 成为建构学科观念，发展理性思维，培养学科素养的绝佳

4、素材。 笔者借助“自然界中获取物质资源”这一素材作为实验复习的 情境，尝试从“观念建构”的角度来开发实验教学的价值，用 “学科观念”整合学科知识并统领教学， 将零散的知识通过“观 念”这座桥梁转化成“能力”，并力求发挥学科观念的育人功 能，结合哲学思想的渗透，培养学生正确的世界观和方法论，塑 造有智慧有品格的社会公民。二、教学流程 学科知识是形成学科素养的载体，是形成课堂中“知识主 线”的根基和源泉，是不可回避的课堂主角。经过高一一年的学习，学生或多或少积累了关于“海水资源的开发和利用”、 “金 属矿物的开发和利用”、 “三种化石燃料的综合利用”三方面的 知识内容。而这三类自然资源的开发利用囊

5、括了中学化学中大量 的实验操作，也展现了科学实验与工业生产的密切联系，成为 “实验综合运用”的背景。 高一实验主要包含了“物质的分离与 提纯”、 “物质的制备与检验”等常见操作， 这是本节课的知识 细节，也串成了本节课的“知识线”。一节课中还要有隐性的 “暗线”，即“思想方法线”，这是师生思想碰撞、情感交流和 价值认同的脉动线， 是知识升华成能力的演化历程。 高一学生已 经初步接触了化学的一些核心观念， 这为收获贯穿于整节课堂的 暗线作了铺垫。 表 1 为本节课的大致教学流程， 简要罗列了本节 课的“知识线”和同步展开的“思想方法线”。表 2 呈现的是本堂课中的学习任务单。三、教学片断1. 从

6、海水中获取物质资源（1）人与自然 ：人的生存需要哪些基本物质？自然界为人类提供了哪些资 源？：自然界为人类提供的物质资源 海洋：水和无机物等陆地：土壤、矿石、化石燃料等空气：氧气、氮气等动植物：营养物质、皮毛等：上述问题对你有什么启示？：关爱自然，珍爱资源。（2）实验中洞悉化学观念：从海洋中获得淡水、氯化钠、碘单质的操作方法、原理及 实验仪器。:海水中获得淡水与实验室里制备蒸馏水的原理都是利用 沸点不同，解释沸点不同的原因。 石油的主要成分是各种烃类物质， 工业上能通过分馏手段 进行分离，这又说明了什么？ 已知直接蒸馏不能除尽乙醇中的少量水， 思考:如何才能 制得无水乙醇？:组成物质的微粒不同

7、，相互间作用力不同:化学键的键能 大于分子间作用力，而不同的分子，分子间作用力又各不相同； 生石灰能将水转化成沸点更高的氢氧化钙， 避免了对蒸馏乙醇的 干扰，这利用了化学转化法。:蒸馏操作时，温度计的位置在哪？为什么？在下面实验中， 温度计的位置又是怎样的？水浴加热法制备硝基苯。170C时，浓硫酸催化乙醇制备乙烯。 请分析归纳在实验中应如何确定 温度计的位置？:温度计的使用从根本上说，取决于实验目的，因为目的直 接决定了仪器的选择与使用。因此，要学会从实验目的出发，系 统地认识仪器及其操作规则， 深入理解化学实验中的科学性和安 全性问题。：从海水中获得的精盐在化工上还可以制备哪些物质？ ：利用

8、物理手段，我们可以从海水中获得淡水和氯化钠；而 借助科技的力量和化学转化规律， 我们还可以进一步制备自然界 中难以直接获取的物质，如金属钠、氯碱工业和制碱工业等，这 是化学创造力及社会价值所在。 当然， 化学的创造力一定是在遵 循自然规律、掌握物质性质的基础上， 充分发挥人类智慧的结果。 设计意图： 化学教学应该注重对课程内容的精神理解， 而不是在 解题细节上过分关注；应该注重科学研究的方法和思想的掌握， 而不是化学知识本身。 这个环节的设计， 一方面促进学生重温并 迁移应用已学知识， 另一方面希冀从源头上澄清这些操作的内在 原因，让学生知其然，并知其所以然，建构起“微粒观”、“变 化观”和“

9、化学价值观”， 领悟“利用化学的方法和手段， 达到 利用自然、 改造自然的目的， 充分展现化学作为中心科学的 社会价值”。（3）实验中学会辩证、联系地看待问题:“ FeCI2”、“ FeCI3”溶液蒸发结晶能否得到相应固 体？为什么？请用已学知识解释“我国北方地区的某些小盐 湖，冬天湖底有纯碱晶体析出， 夏天偶尔可见有食盐晶体析出” 的现象。为了支持你的观点，还需要什么文献资料？（溶解度与 温度变化的曲线图） 分析上述两种结晶方法的使用规律。 运 用上述知识，思考如何分离硝酸钾与氯化钠的混合物?在对蒸发结晶和冷却结晶两种方法进行梳理后，笔者试图以第四个问题为抓手，促进学生综合考虑各种因素， 学

10、会全面辩证 地看待问题。课堂上，学生提出了两种方案：一种是，先溶解混 合物得到浓溶液，再蒸发结晶，除去氯化钠，最后冷却结晶，制 得硝酸钾；一种是，先用少量的热水配制较高浓度的混合物溶液， 过滤除去无法溶解的氯化钠，再降温结晶，分离出硝酸钾。就他 们的反映看，高一的学生更倾向于使用后者。 孰优孰劣呢？显然 不能一概而论。针对这两种方法，笔者先让学生尝试从产量上分 析，是否存在差异。然后再引导他们思考以下两种情况：硝酸钾 中含有少量的氯化钠如何提纯？氯化钠中含有少量硝酸钾又如 何提纯？最后让学生分析讨论，得出规律：谁更易结晶，就相应 选择何种手段。从能源角度看，这很容易理解，无论是什么因素 导致何

11、者更易析出，从而选择相应手段，将使能源尽可能节约， 流程也尽可能简化，从而最大化地降低生产成本。设计意图：上述两种结晶方法在初中和高中的教材里均有涉 及，大多时候是结合使用，而先后顺序的不同构成了两种不同的 方案，但教师很多时候并未进行系统讲述， 往往只是给出一个定 性结论，然后让学生“按图索骥”、“依样画葫芦”地进行实验操作。这样的教学容易造成学生片面、孤立地看待问题，遇到不 同的情景时，他们便难以调动已有知识进行分析判断。笔者认为只有从产率、能量和流程等角度综合分析， 才能让学生看清问题 的本质，让知识变得灵活，易于提取。化学一定是涉及“能量核 算”的，而追求简约，定能给工业带来效益，这些

12、都是化学文化 的重要内涵， 是学生非常乐于也易于接受的， 是能够帮助学生系 统梳理学科知识， 也是引导学生科学合理看待生活生产中实际问 题的思想观念，故在教学中不应轻易摈弃。：除了蒸发结晶和降温结晶外， 我们还可以采用其他方法促 使溶质析出。接下来，请分析以下几种现象的原因。 观察实验现象并解释：往饱和硫酸钾溶液中滴加无水乙 醇，溶液迅速变浑浊。 除了改变溶剂外，改变溶质能否使晶体析出？请举例说明。 资料又给了你什么样的启发？ ：每一种氨基酸在特定的 pH 条件下，溶解度最小，故可以通过调节溶液的pH,使不同氨基酸析出而得到分离。:实验中改变了溶剂的成分，使溶质析出；改变溶质结 晶的方法有盐析

13、法： 制备乙酸乙酯时， 碳酸钠降低了产物的溶解 度；制备肥皂时，氯化钠有利于产物的析出；蛋白质在硫酸铵等 浓无机盐溶液中会发生凝结； 资料说明了溶液的酸碱性对溶解 度也会产生影响。：用哲学的观点来说， 事物是普遍联系的， 我们要学会用“联 系”的观点来看待问题。内因需要关注，外因同样不可忽视。这 种思想反映在化学中， 能得出“物质的性质是多因素函数”。 所 以在化学学科中，有系统研究“外界影响因素”的理论， 如“反 应速率的影响因素”。 设计意图：事实上，结晶法分离是基于在同一温度下，溶液 中所含物质达到饱和浓度的先后次序的不同。 以温度对溶解度影 响的不同为依据的体系，只有少数的特例，其中以

14、氯化钠最为典 型3 。当我们把视野扩大，会发现，改变溶液的成分，也能导 致物质溶解性变化而发生结晶现象， 这样我们在教学中自然而然 地就会将问题三和问题四串连起来， 让学生由此及彼系统地形成 整体的认识，使化学学习变得更舒畅、更通透、更深刻。2. 从海带中获取碘单质 （1）从“化学概念”到“人生哲理” ：水和乙醇能作萃取剂吗？ 学生几乎异口同声地回答“不能”。 ：请分析在下列例子中，水和乙醇都充当什么角色？ ：酒精浸泡药材、酒精萃取豆油或蛋黄油、酒精提取植物中 的黄酮和酚类物质；水浸取甜菜中的糖类、泡茶、煲鸡汤。当学生领悟到“水和乙醇原来也可以作萃取剂”后， 笔者继 续追问，揭示“萃取”的本质

15、。：上述例子对你理解“萃取”有什么启发？ ：改变了我对“萃取”的看法。不能只看表面字词，关键要 看原理。：那么，你认为“萃取”的原理是什么？：所选取的萃取剂不与原溶液反应或互溶，被萃取的目标 物质在原溶剂和萃取剂中的溶解能力不同。：嗯，我们要透过现象看本质，四氯化碳或者任何一种溶剂 都不是唯一的萃取剂，溶解能力的差异是选取萃取剂的一个重要 原则，溶解能力的不同是发生“萃取”现象的根本驱动力。 事实 上，在自然界和人类社会中，不同驱动力发生的类似“萃取”的 事件很多：生物迁徙的驱动力在于气候， “良禽择木而栖”的驱 动力在于食物和巢穴，人才资源流动的驱动力来自于各种各样的 需求。那么，一个人凭什

16、么能够成功地在不同单位之间发生流 动？对你们有什么启迪？：凭个人的能力，所以我们要发展自己，学好本领。 设 计意图：引导学生“由个别实验所得的结果，结合相关事例，获 得具有普适性的结论或推理”，传递的是一种思维，一种能力， 一种艺术。学生对“萃取”从“概念误解”到“原理透彻”， 这 过程中滋生的智慧与情感让笔者欣喜万分。 教学中要将学生隐性 的知识和能力充分展现出来，使他们思维的发散性和深刻性得到 锤炼，让他们收获方法、领悟思想、发展自己。（2）“分液漏斗”中感悟“化学结构观” ：你认为分液操作的关键是什么？（分层，界面清晰；准确 控制液体的流速）。对应的实验仪器是什么？（梨形分液漏斗）：回忆

17、萃取分液的整个操作过程，从结构上分析：梨形分液 漏斗如何满足这些操作细节？在完成任务 2 的过程中，笔者发现大部分学生都停留在对分 液漏斗结构的描述上，而难以深入结构设计背后原因的思考， 未 建立起“仪器的结构决定其功能”的观念， 自然也就没有领会到 科学家在思考这些问题过程中展现出来的缜密思维和创新能力。 “以学定教”理念告诉我， 此时需要针对学生的思维障碍， 做一 些疏通和随后的强化训练。 因此笔者在启发和总结之后， 让学生 及时跟进练习，进一步巩固所形成的思维模式。：分液漏斗容积较大，有利于装液和充分振荡；上口玻璃塞 可以在保证密封性的同时，又能取下放气、控制内外压强、倒出 上层液体；狭

18、长的下端有利于清晰地观察界面分层， 并减少放液 操作引起的误差；下端旋塞便于控制流速，准确放出下端液 体：对比蒸馏烧瓶、蒸发皿、坩埚的结构，分析它们的相应功 能。：从“实验目的决定了实验仪器的选择， 而仪器的结构决定 了其功能与操作”，再一次证实了“结构观”的普适性。 当学生 建立起这种观念后，在后续学习中碰到“滴定管”和“移液管” 时，就会从实验目的和仪器结构上去分析它们的操作规则： 哪些 需要润洗，哪些需要检漏。这些知识原本是很零散的，一旦赋予 了化学观念后，就体现出它的价值，因为它们是化学学科观念实 实在在的践行者，体现着化学的“思维逻辑魅力”， 学生的能力 也应是由这些知识的“珍珠”串

19、起来的能力“项链”。 所以“在 理解基础上的记忆”应成为化学教学中的“家常菜”， 而不是纯 粹的死记硬背各种条条框框或金科玉律。3. 从矿物中获取物质资源（1）“化学实验”走向“工业生产” ：结合海带中提取碘单质的实验流程， 请分析从矿物中获取 铁、铜、铝、硫和硅的工艺，哪些环节是相似的？又有什么区别？：相同的环节有：原料选择、碎、烧、溶、氧化还原反应、 产物的分离与提纯。不同点： 根据矿物的形态和工艺要求不同， 采用不同的方 式使矿物颗粒化：粉碎、剪碎、碾碎、捣碎等。根据温度和反 应类型，热处理的方式不同：加热、灼烧、煅烧或焙烧等。根 据矿物的性质，选择相应的溶解法：水溶（钠盐、硝酸盐）、酸

20、 溶（锌矿、镁矿）、碱溶（铝土矿）、有机溶剂溶解法（硫矿）、 特殊溶法（冰晶石溶解氧化铝、混合溶剂溶解）。“核心”反 应的条件不同： I- 的氧化在常温下就能实现，这类似于“水法冶 金”；铁和铜早在远古时代用“烧烤法”（热还原法）就能还原 炼制；铝只能依靠电解法制取；硫酸的制备需要借助催化剂，实 际工艺中还要考虑反应程度；传统炼硅法，从某种层面上说，是 万般困难，属于一种综合手段，因为二氧化硅与焦炭的反应温度 太高，索性电能的发现让高温的获得变得方便易行， 为硅单质的 冶炼拓宽了道路。：从海带和矿物的处理工艺，你联想到什么？：不同的矿物在冶炼过程中有统一的工艺处理流程； 但依据 性质不同，又各

21、有差异性。：大家分析得很到位，世间的万千事物，既有共性，又有个 性，所以我们在认识事物时，要把握事物的共性，能够更快地切 入主题，又要深谙事物的个性，尽量规避不必要的错误。：若要检验茶叶中的铁、钙、铝元素，会用到上述流程中的 哪些操作？设计意图：现代化学工艺流程是建立在化学实验基础上的。 如果对碘的提取流程只是简单地教授， 而没有深化为“有机物中 某些元素的检验”一类实验流程， 甚至拓展成更为广阔的“矿物 冶炼的化工流程”，那是不完整的，也是低效的。事实上，海带 中 99.2%的碘为水溶性碘，而且浸出液主要以 I- 形式存在，该 “浸泡”过程快速易行， 只有少量的碘元素是有机态， 且能在经 历

22、剪碎、灼烧灰化、煮沸溶解等环节后转化成 I-4 。那么，教 材为什么要保留传统的看似“大费周章”的流程呢？笔者认为 教材在编写时， 想要借助实验室容易实现的“海带实验”呈现一 套系统的“有机物中某些元素的检验”的实验方案， （如，茶叶 中 Ca、Al、Fe 元素检验的拓展课题），也粗线条地描绘出化工 上大规模的“矿物开发利用”的流程， 带领学生由实验室走向化 工生产， 将熟稔于心的原理应用到更广阔的实践天地中， 这样才 能让学问成为心灵的生动本质而不是储藏在心里的惰性知识， 让 学以致用成为每位学生的内在秉性。：冷凝管中水流方向的目的是什么？在炼铁和硫酸工艺中， 哪些环节的原理与之相似？“放热

23、”和“对流”是化工的“不二”主题， 而它的原型却 是来自化学中简单的实验。 冷凝管的水流与气流方向相反， 是为 了延长接触时间，达到充分冷却的目的，而在高炉炼铁时，矿物 和焦炭由炉顶投入， 空气从炉底鼓入， 势必造成固体和气体相向 而行，延长了接触时间，从而尽可能地充分反应；而在硫酸工艺 中，热交换器的内外管冷热对流与实验室冷凝管的对流并无二 致；再到吸收塔，生成的三氧化硫气体从塔底升起，被由上而下 喷洒的浓硫酸吸收， 亦是为“放热”与“对流”考虑设计的。 当 然，除此之外的例子，在化工中还有很多。从充分冷却到充分反 应，皆包含“放热”和“对流”， 这一系列看似复杂的操作工艺， 原来皆浓缩于小

24、小“冷凝管”中， 学生怎会不豁然开朗， 满心欢 喜呢？4. 从生物体中获取物质资源 ：借助资料， 设计从生 物体中获取物质资源的简要路线， 思考过程中都分别使用了哪些 实验手段？就必修教材， 上述问题涉及到的相关实验有： 醇类制作燃料 电池、多糖类物质水解、酿酒工艺、造纸工艺、人造丝和铜氨纤 维的制作、 从蛋白质的水解获取氨基酸、 微生物发酵法生产氨基 酸（如味精厂）、蛋白质的盐析与变性、油脂皂化、人造奶油。学生通过查阅网站和参考教辅资料， 能设出更多的路线在借 助各种各样实验方法的同时， 别忘了告诉学生： 人类自身有一套 神奇高效的天然加工工具， 那就是消化系统， 它可以不断地从生 物体中获

25、取营养物质， 维持正常的新陈代谢， 保证人的各种体力 和脑力活动。 同时还要向学生发出警示： 人类不能无节制地向自 然索取，我们要学会反馈，如废物回收利用，净化自然界。5. 从空气中获取物质资源 ：如何从空气中分离出氮气和氧气？如何除去空气中的氧 气？:已知空气分离的三种常用方法：吸附法、膜分离法和低 温法。吸附法：利用分子筛对不同分子的选择吸附性来达到分离目 的。膜分离法：借助膜渗透技术，根据氧、氮通过膜的速率的不 同，实现两种组分的粗分离。低温法： 利用空气中各组分沸点的不同， 通过一系列的工艺 过程，将空气液化，并通过精馏来达到不同组分的分离。除去氧气的常用方法有两种： 一是液化空气， 再升高温度， 沸点低的氮气先逸出； 一是碳在空气