基于學(xué)科知識(shí)融合能力培養(yǎng)的思維建模研究——以化工流程題為例

河南 葉 軍

1.問題提出

思維建模作為一種教學(xué)策略和幫助學(xué)生認(rèn)知的工具參與到教學(xué)過程中來，使學(xué)生的學(xué)習(xí)，教師的教學(xué)以及師生之間的交流更為有利更能把握全局和細(xì)節(jié)，更能創(chuàng)造性解決問題和發(fā)現(xiàn)問題。

思維建模的過程應(yīng)包括分析、建模和解模三個(gè)過程。

分析的過程主要是對(duì)特定的研究對(duì)象進(jìn)行抽象、概括，抓住其主要信息以及對(duì)相關(guān)對(duì)象的共性問題進(jìn)行提取。

建模的過程主要是抽象思維或非邏輯思維的應(yīng)用，通過舍棄研究對(duì)象的一些次要細(xì)節(jié)及非本質(zhì)的聯(lián)系，對(duì)研究對(duì)象的主要信息做出一些必要的簡(jiǎn)化、假設(shè)和一般化處理，并用適當(dāng)?shù)奈淖帧⒐交驅(qū)嵨锏确绞饺ピ佻F(xiàn)研究對(duì)象的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、特征、功能和聯(lián)系，以建構(gòu)相對(duì)固定的思維模型。

解模的過程主要是表現(xiàn)為邏輯的思維，運(yùn)用已經(jīng)建構(gòu)的思維模型去解釋研究對(duì)象和解決實(shí)際問題。

近些年來，由于化學(xué)工藝流程試題具有較高的融合性，備受命題人偏愛。此類試題涉及知識(shí)面廣、考查問題全面、題干信息量大，既能考查學(xué)生基本物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)和相關(guān)基本實(shí)驗(yàn)操作的掌握，還能考查基本概念、原理的學(xué)習(xí)能力。能夠充分考查學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力(見表1)。

表1 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力

鑒于此可知，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科知識(shí)的融合能力就顯得尤為重要，思維建模則是一個(gè)非常好的方法。細(xì)分析化工流程題，從考查的角度來看有兩大方面：一、學(xué)習(xí)水平——基礎(chǔ)知識(shí)的全面掌握，基礎(chǔ)知識(shí)包括元素化合物性質(zhì)及相關(guān)反應(yīng)、基本實(shí)驗(yàn)操作、化學(xué)平衡原理的應(yīng)用；二、學(xué)習(xí)能力——題給信息的現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，題給信息包括題干文字信息(原料組成、陌生物質(zhì)的物理及化學(xué)性質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù))和流程圖信息。

2.設(shè)計(jì)思路

流程圖的模型大致如下，通?？梢苑譃槿糠?見圖1)：

圖1 流程圖模型

2.1 原料預(yù)處理

利用題給混合物組成信息進(jìn)行預(yù)處理，可使用物理或化學(xué)方法，借助有關(guān)化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行。相關(guān)物理方法有攪拌、粉碎、升溫等；相關(guān)化學(xué)方法可借助組分的化學(xué)性質(zhì)選取常見的酸、堿、氧化劑等與其反應(yīng)。建模如圖2所示：

圖2 原料預(yù)處理建模

基本方法：

2.1.1 研磨：減小固體的顆粒度，增大固體與液體或氣體間的接觸面積，加快反應(yīng)速率。

2.1.2 水(酸、堿)浸：與液體接觸溶解或反應(yīng)，使可溶物與不溶物分離。

2.1.3 灼燒(煅燒)：改變?cè)辖M成的結(jié)構(gòu)或使之分解，除去可燃性雜質(zhì)或氧化變價(jià)元素。

2.2 除雜(提取過程)

分析溶液組成借助已學(xué)知識(shí)和題給信息，選取相應(yīng)試劑進(jìn)行除雜(見圖3)：

圖3 提取過程建模

除雜過程結(jié)合中學(xué)化學(xué)中元素化合物的知識(shí)、化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行知識(shí)高度融合的考查，同時(shí)還給出一定的信息，考查學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)能力。在這里對(duì)近幾年全國(guó)高考試題化學(xué)工藝流程試題的考查元素及相關(guān)主要處理方法統(tǒng)計(jì)如下(見表2)：

表2 高考流程圖試題考查元素匯總

綜合分析這些處理原理采用以下形式的原因：1.調(diào)節(jié)溶液的pH，常用于使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀。調(diào)節(jié)pH所需的物質(zhì)一般應(yīng)滿足兩點(diǎn)，能與H+反應(yīng)，使溶液pH增大；不引入新的雜質(zhì)。2.控制溫度，根據(jù)需要升溫或降溫，改變反應(yīng)速率或使平衡向需要的方向移動(dòng)(如升溫促進(jìn)水解)。

2.3 制取粗產(chǎn)品

思維建模如下(見圖4)：

圖4 制取粗產(chǎn)品建模

基本方法：

①過濾：分離難溶物和易溶物，根據(jù)特殊需要采用趁熱過濾或者抽濾等方法。

②萃取和分液：利用溶質(zhì)在互不相溶的溶劑里的溶解度不同提取、分離物質(zhì)，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。

③蒸發(fā)結(jié)晶：提取溶解度隨溫度變化不大的溶質(zhì)，如NaCl。

④冷卻結(jié)晶：提取溶解度隨溫度變化較大的溶質(zhì)、易水解的溶質(zhì)或結(jié)晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。

⑤蒸餾或分餾：分離沸點(diǎn)不同且互溶的液體混合物，如分離乙醇和甘油。

⑥冷卻法：利用氣體易液化的特點(diǎn)分離氣體，如合成氨工業(yè)采用冷卻法分離氨氣與氮?dú)?、氫氣?/p>

基于以上分析，一個(gè)復(fù)雜的流程圖被我們分解成幾個(gè)獨(dú)立但又相互關(guān)聯(lián)的思維圖，這樣學(xué)生不至于見到大型流程圖(2013·全國(guó)卷Ⅰ流程長(zhǎng)達(dá)13步)心生恐懼，出現(xiàn)畏難情緒。同時(shí)對(duì)每個(gè)小流程各自考查的內(nèi)容做出詳細(xì)分析，學(xué)生分析問題時(shí)能夠形成一定的思維模式，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科思維能力的目的。

3.答題規(guī)范

3.1 文字?jǐn)⑹鲱惖念}目要規(guī)范解答，防止出現(xiàn)因敘述不嚴(yán)謹(jǐn)導(dǎo)致的失分

例如：

①如何洗滌沉淀：往漏斗中加入蒸餾水至浸沒沉淀，待蒸餾水自然流下后，重復(fù)以上操作2～3次。

③如何從溶液中得到晶體：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥。

④在寫某一步驟是為了除雜時(shí)，應(yīng)該注明“是為了除去××雜質(zhì)”，只寫“除雜”等一類萬能式的回答是不正確的。

3.2 認(rèn)真審題，不要因?qū)忣}不細(xì)致而失分

例如：

①填“化學(xué)方程式”還是“離子方程式”。

②填“名稱”“符號(hào)”還是“代號(hào)”“序號(hào)”等。

③填“大于”還是“>”，填“增大”還是“變大”等。

④填“化學(xué)式”“分子式”“結(jié)構(gòu)式”“結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式”“最簡(jiǎn)式”還是“電子式”等。

4.解題示例

【2018年·全國(guó)卷Ⅱ·26】我國(guó)是世界上最早制得和使用金屬鋅的國(guó)家，一種以閃鋅礦(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì))為原料制備金屬鋅的流程如圖5所示：

圖5

相關(guān)金屬離子[c(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如表3：

表3

回答下列問題：

(1)焙燒過程中主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________________。

(2)濾渣1的主要成分除SiO2外還有________；氧化除雜工序中ZnO的作用是____________________，若不通入氧氣，其后果是____________________。

(3)溶液中的Cd2+可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應(yīng)的離子方程式為________________。

(4)電解硫酸鋅溶液制備單質(zhì)鋅時(shí)，陰極的電極反應(yīng)式為____________________；沉積鋅后的電解液可返回________工序繼續(xù)使用。

【解析】依據(jù)建?？蓪⒘鞒谭秩?，如圖6所示：

圖6

1.原料預(yù)處理采用焙燒的方法，以達(dá)到改變?cè)辖M成的結(jié)構(gòu)或使之分解，除去可燃性雜質(zhì)或氧化變價(jià)元素的目的。

2.除雜過程采用沉淀和氧化還原的方法，由題干可知原料中含有FeS、CdS、PbS雜質(zhì)，分析四種離子沉淀pH不難發(fā)現(xiàn)，直接調(diào)節(jié)pH不能將雜質(zhì)一次性除去。流程中有三次過濾的除雜處理，依據(jù)元素化合物知識(shí)可做出判斷，稀硫酸沉淀Pb2+；氧化除雜則是將Fe2+氧化為Fe3+從而生成Fe(OH)3除去；Cd2+沉淀的pH高于Zn2+,則應(yīng)利用氧化還原反應(yīng)除去。

3.制取產(chǎn)品采取電解的方法。

4.答題過程：兩處方程式分別要求書寫“化學(xué)方程式”和“離子方程式”，注意答題要求。

【答案】

(2)PbSO4調(diào)節(jié)溶液的pH 無法除去雜質(zhì)Fe2+