吳種云

摘要：模型可協(xié)助學(xué)生記憶與解釋，讓學(xué)生思考視覺化，解決問題程序化?；瘜W(xué)建模教學(xué)包括幫助學(xué)生理解物質(zhì)模型，形成思維模型，并在分析和解決問題時，隨著新問題的不斷出現(xiàn)，對原有的模型進(jìn)行強(qiáng)化或修正，從而得到較完整的認(rèn)知模型的過程。以化學(xué)工藝流程的建模為例，闡述了模型的建立、強(qiáng)化、運(yùn)用和發(fā)展的過程。

關(guān)鍵詞：模型；建模教學(xué)；化學(xué)工藝流程；模型資源開發(fā)

文章編號：1005-6629（2018）1-0029-06 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1化學(xué)工藝及學(xué)生學(xué)習(xí)情況

化學(xué)工藝，即化工技術(shù)或化學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，指將原料物主要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的方法和過程，以及實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的全部措施。它是以化學(xué)方法為主，以改變物質(zhì)組成與物質(zhì)結(jié)構(gòu)合成新物質(zhì)為主的生產(chǎn)過程和技術(shù)?；瘜W(xué)工藝涉及的范疇很廣，一般包括原料的選擇和預(yù)處理，生產(chǎn)方法的選擇及方法原理，設(shè)備的作用、結(jié)構(gòu)和操作，催化劑的選擇和使用，其他物料的影響，操作條件的影響和選定，流程組織，生產(chǎn)控制，產(chǎn)品規(guī)格和副產(chǎn)物的分離與利用，資源的回收利用和對不同工藝路線和流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價等等…。

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在解讀工藝流程時存在以下幾個問題：①對考查的元素化合物知識或化學(xué)原理的遺忘；②對不熟悉的特殊工藝目的的理解有缺失，在遇到新問題時，不會從流程的實(shí)際出發(fā)去分析工藝的目的，常常將頭腦中已有的常規(guī)解答教條地照搬，而出現(xiàn)文不對題、答非所問的情況；③對于題目所提供的信息有漏用或錯用的情況，如用乙醇洗滌cucl的作用還是答成常規(guī)的減少溶解損失，而忽略了cucl是不溶性的固體且容易氧化潮解而需要迅速除去水；④文字表述不夠準(zhǔn)確，不能從工藝自身的目的出發(fā)進(jìn)行描述，如趁熱過濾的目的，將“避免溶質(zhì)析出造成損失”答成“溫度高溶解度大”，再如將“加稀硫酸除去銅粉中混有的鐵粉”答成“稀硫酸與鐵粉反應(yīng)生成氫氣”等。

2化學(xué)建模教學(xué)

“化學(xué)知識的組成包括現(xiàn)象觀察的結(jié)果與其蘊(yùn)含的科學(xué)理論”，然而學(xué)生“通常會將情境的問題加以解構(gòu)，把知識內(nèi)容拆成片段來理解”，忽略了學(xué)習(xí)材料從現(xiàn)象到結(jié)論再上升到理論這一發(fā)展認(rèn)知規(guī)律的內(nèi)容編排的價值，這樣建立的知識就成了無源之水，不能有效地發(fā)展成解決問題的方法；沒有系統(tǒng)組織已經(jīng)習(xí)得或正在習(xí)得的知識也是一盤散沙，容易出現(xiàn)記憶錯誤或遺忘。

圖式是人腦中已有的知識經(jīng)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)，例如化學(xué)工藝流程的一般結(jié)構(gòu)包括除雜、轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品精制等多個環(huán)節(jié)，化學(xué)工藝流程就是這多個環(huán)節(jié)形成的網(wǎng)絡(luò)；圖式也是人頭腦中關(guān)于普通事件、客體與情景的一般知識結(jié)構(gòu)，例如實(shí)驗(yàn)室制備氣體的裝置圖式一般包含氣體的發(fā)生裝置、除雜裝置、收集裝置和尾氣處理裝置，而實(shí)驗(yàn)室制備氣體的操作圖式則包括：搭裝置，檢查裝置氣密性，裝藥品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，終止實(shí)驗(yàn)和拆裝置等步驟；圖式有“概括性”，通常包含“同類事物的本質(zhì)特征”，圖式中的知識是組塊出現(xiàn)的，是關(guān)于某個客體或事件的整體認(rèn)知。一旦發(fā)展了某個認(rèn)知的圖式，也就形成了對于某一實(shí)物或事件或過程或操作的認(rèn)知模型?；瘜W(xué)建模教學(xué)是圖式理論在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展。

2.1化學(xué)模型

模型是通過主觀意識借助實(shí)體或者虛擬表現(xiàn)構(gòu)成客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種表達(dá)目的的物件。它是一種結(jié)構(gòu)，是原型的替代物，是對原型信息的簡縮、提煉，是對原型的形象化或模擬與抽象。其關(guān)系如圖1所示。

化學(xué)模型可分為物質(zhì)形式的模型和思維形式的模型。物質(zhì)形式的模型，如甲烷的比例模型和球棍模型、煉鐵高爐模型或是陽離子交換膜電解槽模型，而思維形式的模型，包括抽象概念的形象描述，如電子云模型，理論表達(dá)如蓋斯定律、理想氣體狀態(tài)方程等，圖像與符號模型如化學(xué)方程式，還包括解決某一問題的一系列行為，這些行為存在一定的先后順序。如陌生氧化還原反應(yīng)方程式的書寫包括：①確定反應(yīng)物和生成物，②根據(jù)得失電子守恒配平氧化劑和還原劑，氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物，③根據(jù)質(zhì)量守恒定律配平其余物質(zhì)等，這個順序一旦混淆，將給問題的解決帶來障礙。

2.2化學(xué)建模教學(xué)

學(xué)生在課堂上透過既有想法進(jìn)行師生、生生問的互動，從而建構(gòu)內(nèi)在心智表征與外顯模型，一旦形成某個知識的認(rèn)知模型，那么在遇到類似的問題時，學(xué)生將會自覺地運(yùn)用已有的認(rèn)知模型去分析和解決問題，即“借助建構(gòu)出來的模型進(jìn)行學(xué)習(xí)與遷移”。同時，隨著新問題的不斷出現(xiàn)，原有的認(rèn)知模型或強(qiáng)化或修正，將已建立起來的認(rèn)知模型從簡略的模型發(fā)展成較完整的基本模型，其歷程見圖2。

化學(xué)建模教學(xué)包含兩方面的含義：一是在日常教學(xué)活動中滲透化學(xué)建模的思想，將化學(xué)建模和教學(xué)內(nèi)容有效整合，側(cè)重于知識和方法的概括，并將零碎的知識點(diǎn)或方法融合形成有機(jī)的整體，形成化學(xué)思維模型，即“建模”的過程；二是在學(xué)生有了大量的化學(xué)思維模型儲備后，在遇到化學(xué)問題時，能在有限的思維過程后找到與當(dāng)前問題相匹配的模型而進(jìn)行問題解決，即“用?！钡倪^程。

3化學(xué)工藝建模的嘗試

3.1認(rèn)識化學(xué)工藝流程

化學(xué)工藝流程由一系列單元操作設(shè)備通過管道組合成復(fù)雜系統(tǒng)，通過對原材料進(jìn)行混合、分離、粉碎、加熱等物理或化學(xué)方法，制備目標(biāo)產(chǎn)品，使原材料增值。流程包含預(yù)處理、核心反應(yīng)和產(chǎn)品精制，一般有如下兩種表達(dá)方式，見圖3和圖4：

在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生通過已有的工藝流程實(shí)例體會工藝流程的一般模式，為后續(xù)的仿寫工藝流程打好基礎(chǔ)。

例：鹵塊的主要成分是MgCl₂，此外還含F(xiàn)e³⁺、Fe²⁺和Mn²⁺等離子。若以它為原料按圖5所示工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，可制得輕質(zhì)氧化鎂。

問題：以上展示的是鹵塊制氧化鎂的工藝流程，請?jiān)陂喿x流程的基礎(chǔ)上說明每一步流程的目的。

設(shè)計(jì)意圖：由實(shí)驗(yàn)?zāi)康目梢钥闯鲈摴に嚵鞒绦枰u塊中的雜質(zhì)金屬離子后，最終制得輕質(zhì)氧化鎂。該過程旨在幫助學(xué)生明確工藝流程的形式，劃分工藝流程的結(jié)構(gòu)，以指導(dǎo)學(xué)生更有效地明確流程的目的。endprint

3.2仿寫化學(xué)工藝流程

化學(xué)工藝流程從認(rèn)識階段過渡到仿寫階段，讓學(xué)生將對化學(xué)工藝流程的認(rèn)知表達(dá)出來，作為工藝流程的模型的雛形。在仿寫工藝流程時，通常可選擇如粗鹽的提純等難度較小或?qū)W生已熟悉的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改編。

案例（2013江蘇高考第19題改編）：某研究性學(xué)習(xí)小組欲從硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃）出發(fā)，制備綠礬（FeSO₄·7H₂O）。表1列出了相關(guān)金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH（開始沉淀的pH按金屬離子濃度為1.0mol·L^-1計(jì)算）。

問題1：請結(jié)合圖6的綠礬溶解度曲線，完成由硫鐵礦燒渣制備FeSO₄·7H₂O晶體的工藝流程方案（參看圖7，可選用的試劑：鐵粉、稀硫酸和NaOH溶液）。字生回答2：見圖9。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生熟悉的高考題入手，通過學(xué)生自己畫出工藝流程，能夠更熟悉工藝流程的表達(dá)形式和更深刻地理解工藝流程的結(jié)構(gòu)，能夠從工藝流程結(jié)構(gòu)的角度實(shí)現(xiàn)流程讀取上的初步建模。

3.3建立化學(xué)工藝流程模型

學(xué)生對化學(xué)工藝流程模型的認(rèn)知包括：①工藝流程的讀取程序模型，如先關(guān)注化學(xué)變化，后分析物理變化；②對化學(xué)工藝的認(rèn)知模型，如控制pH除去雜質(zhì)金屬離子，加快反應(yīng)速率的一般措施等；③工藝流程設(shè)計(jì)的一般原則，如經(jīng)濟(jì)性、簡約性以及綠色化等。在建立化學(xué)工藝流程模型時，需要在課堂中將以上幾個方面的模型不斷滲透，以幫助學(xué)生建立模型。

追問1：答案1的流程中包含多個物理和化學(xué)變化過程，你能找出其中的化學(xué)變化，并寫出其離子方程式嗎？

學(xué)生回答：酸溶：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O Al₂O₃+6H⁼=2Al³⁺+3H₂O；還原：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺；除鋁：Al³⁺+3OH=Al（OH）₃↓

設(shè)計(jì)意圖：通過問題的形式幫助學(xué)生建立閱讀化學(xué)工藝流程的方法，即首先關(guān)注化學(xué)變化的部分并理解化學(xué)反應(yīng)以明確流程的基本框架。

追問2：能否將上述答案1中的“除鋁”和“還原”兩步驟交換？

學(xué)生回答：不能，因?yàn)镕e³⁺比Al³⁺先沉淀。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生體會將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺，不僅滿足了生成Fe²⁺的需要，還達(dá)到了除去鋁元素的目的，初步建立通過控制pH而達(dá)到沉淀某些金屬離子的模型。

追問3：以上兩種流程均可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化目的，哪一種方案更好，為什么？（提示：評價實(shí)驗(yàn)方案一般從以下幾個方面進(jìn)行分析：①是否符合實(shí)驗(yàn)原理，能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；②操作是否簡單易行；③試劑、原料的用量及成本；④是否有利于環(huán)境保護(hù)；⑤是否安全可靠）

學(xué)生回答：第一種方案更好，因?yàn)樵撨^程步驟少，操作簡單，與第二種方案相比，稀硫酸和NaOH溶液的用量均較少，成本較低。

設(shè)計(jì)意圖：人們在不斷地分析、總結(jié)的過程中，總能將自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行抽象，逐漸形成認(rèn)知模型。為了把握這一自然趨勢，通過設(shè)計(jì)化學(xué)工藝的評價來提高學(xué)生形成和應(yīng)用認(rèn)知模型的有效性。隨著學(xué)生越來越熟練地從流程本身出發(fā)去考慮問題，在從流程的目的出發(fā)對工藝進(jìn)行的評價，實(shí)現(xiàn)從認(rèn)識流程到理解流程再到評價流程這一過程中，學(xué)生需要不斷主動思考，強(qiáng)化認(rèn)知模型，而非走馬觀花、浮于形式。

問題2：為了使答案1方案更快更好地完成轉(zhuǎn)化，你可采取哪些措施？

學(xué)生回答：為加快酸溶的速度，可采取以下措施：①粉碎硫鐵礦燒渣，增大接觸面積；②適當(dāng)增大稀硫酸的濃度；③適當(dāng)加熱。為提高還原的效率，可加人過量鐵粉充分?jǐn)嚢?，既可加快反?yīng)速率又可提高Fe³⁺的轉(zhuǎn)化率。為提高除鋁的效率，可控制溶液的pH，使Al³⁺完全沉淀又不使Fe²⁺沉淀下來。為了減小FeSO₄·7H₂O晶體的溶解損失，可采取以下措施：①加熱濃縮得到60%的飽和溶液再冷卻至0℃結(jié)晶；②冰水洗滌或乙醇洗滌；③在冷卻后的溶液中加人適量乙醇，以降低FeSO₄·7H₂O晶體的溶解度。為了防止FeSO₄·7H₂O晶體失去結(jié)晶水，可采取以下措施：①低溫干燥；②利用乙醇洗滌晶體后帶走水分而達(dá)到干燥的目的。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)工藝方面進(jìn)行建模，從提高轉(zhuǎn)化率、提高產(chǎn)率等多方面進(jìn)行建模。

3.4運(yùn)用和發(fā)展化學(xué)工藝流程模型

在運(yùn)用和發(fā)展化學(xué)工藝流程階段，一般可通過指導(dǎo)學(xué)生確定相似操作的不同目的來確定已有化學(xué)工藝模型的不同應(yīng)用范圍，消除既有模型帶來的應(yīng)用誤區(qū)。

問題3：乙醇在化學(xué)工藝流程中有廣泛的應(yīng)用，你能說出乙醇在以下工藝流程中的作用嗎？

①從海帶中提取碘的部分工藝流程（見圖10）中用適量酒精潤濕海帶。

②已知MnSO₄的溶解度如圖11所示，用乙醇洗滌從溶液中過濾出的MnSO₄·H₂O固體。

③用乙醇洗滌從CuCl固體（已知CuCl微溶于水，不溶于稀酸，可溶于Cl^-濃度較大的體系，在潮濕空氣中易水解氧化）。endprint

④實(shí)驗(yàn)室得到[Cu（NH₃）₄]SO₄·H₂O時，在深藍(lán)色溶液中加人極性較小的溶劑乙醇后，析出深藍(lán)色晶體[Cu（NH₃）₄]SO₄·H₂O。

學(xué)生回答：①用酒精潤濕海帶有助于海帶灼燒充分，完全灰化。

②減小MnSO₄·H₂O的溶解損失、迅速除去晶體表面的水防止其因溫度降低而與表面的水形成MnSO₄·5H₂O。

③迅速除去晶體表面的水，防止CuCl水解氧化。

④降低[Cu（NH₃）₄]SO₄·H₂O的溶解度，促進(jìn)其結(jié)晶析出。

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合幾個乙醇在工藝中的應(yīng)用實(shí)例，將乙醇的作用歸納為以下幾點(diǎn)：①洗去晶體表面的雜質(zhì)；②減少溶解損失；③快速干燥；④除去水，防止與水發(fā)生反應(yīng)。

這樣，在已有的洗滌模型基礎(chǔ)上，可加以對比和整合，形成不同模型的應(yīng)用范圍，見圖12。可見，溶解性小的物質(zhì)，乙醇降低溶解度的作用就不大，而穩(wěn)定性差的物質(zhì)，乙醇的除水功能就尤為重要，體現(xiàn)在水本身與待洗滌物發(fā)生反應(yīng)及干燥過程中導(dǎo)致結(jié)晶水的脫水等不利的影響。

上述幾個工藝中都用到乙醇，然而所起的作用不同，無論是工藝目的的分析還是合適工藝的選用，其核心都是從工藝自身的矛盾出發(fā)去分析問題，見圖13。

同樣，在化學(xué)工藝流程中，無論是預(yù)處理、核心反應(yīng)還是產(chǎn)品精制環(huán)節(jié)，都包含了工藝的選擇和試劑的選擇兩方面，而這些工藝在不同的環(huán)節(jié)的不同作用可作以下歸納，見圖14。

在建模教學(xué)中，要注意引導(dǎo)學(xué)生形成從物質(zhì)或流程本身出發(fā)去分析問題的思維模式，切不可脫離實(shí)際問題談模型，一切原料、生產(chǎn)方法、設(shè)備或操作條件的選擇都是基于具體問題的分析，即所有模型的建立都是有條件的。這樣，一旦建立了某一工藝流程的模型，就把流程中涉及的物質(zhì)的性質(zhì)、設(shè)備或裝置的使用以及副產(chǎn)物的分離利用、資源的回收等問題有機(jī)地結(jié)合起來，各部分知識交互運(yùn)作，避免知識的遺忘和模型的錯誤匹配，形成知識的“螯合效應(yīng)”。

4思考

模型可協(xié)助學(xué)生記憶與解釋，讓學(xué)生思考視覺化。模型一旦形成就具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，因此，在幫助學(xué)生建模時必須充分考慮模型的科學(xué)性和適用性，不可錯建、錯用或?yàn)E用；一旦匹配了模型，就可引起新信息的加工，如理解熔融態(tài)水（即液態(tài)水）可溶解固態(tài)的NaCl就能理解熔融態(tài)的冰晶石可溶解固態(tài)的氧化鋁，一旦意識到熔融的冰晶石溶解氧化鋁和液態(tài)水溶解氯化鈉是類似的，則必然會在原有助熔劑的基礎(chǔ)上形成新的理解，并將原有分散的知識連成網(wǎng)絡(luò)、形成系統(tǒng)。類似地，電解CuCl₂溶液時，水也可看作CuCl₂的助熔劑；在建模時需要遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，一般先建立事實(shí)性的模型，再建立解釋性模型，如電解飽和食鹽水問題中，先建立陽離子交換膜電解槽模型，再建立用飽和的食鹽水以及陰極區(qū)通入稀氫氧化鈉等化學(xué)工藝的意圖。

教學(xué)的目的是幫助學(xué)習(xí)，我們所提出的化學(xué)建模教學(xué)，將建模素材按照由簡單到復(fù)雜，考慮的因素按由一元到多元的順序逐漸展現(xiàn)在學(xué)生面前，使得學(xué)生在逐步解決問題的過程中，形成解決問題的一般模式，以促進(jìn)有目的的學(xué)習(xí)和縮短達(dá)成建模教學(xué)目標(biāo)所需要的時問。endprint