基于真實(shí)情境的項(xiàng)目式教學(xué)

韓曉 江合佩 王朝暉

摘要：以“粗硅的提純及其原理”為項(xiàng)目，通過“粗硅提純的主體流程設(shè)計(jì)”“氯硅烷的分離提純”“分離硼和磷等化合物雜質(zhì)的原因和方法”等三個(gè)任務(wù)，體會(huì)改良西門子法在工業(yè)生產(chǎn)中的作用，注重運(yùn)用學(xué)科綜合視角解決生產(chǎn)生活實(shí)踐中的問題，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的視角從簡單理想的情境走向復(fù)雜真實(shí)的情境。

關(guān)鍵詞：粗硅提純;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);真實(shí)情境;改良西門子法

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，“真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)，也為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)”[1]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)通過真實(shí)的和具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，使學(xué)生逐步習(xí)得知識(shí)、技能和關(guān)鍵品格。通過知識(shí)的運(yùn)用，形成穩(wěn)定的解決復(fù)雜問題的思路和方法。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在問題解決的過程中彰顯化學(xué)知識(shí)的功能價(jià)值，使化學(xué)核心知識(shí)結(jié)構(gòu)化，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展[2]。

“粗硅的提純及其原理”項(xiàng)目依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，選取芯片所需硅材料純化這一社會(huì)性熱點(diǎn)問題，教學(xué)建議2課時(shí)，適用于高二完成化學(xué)反應(yīng)原理學(xué)習(xí)后的復(fù)習(xí)課教學(xué)。項(xiàng)目以粗硅提純?yōu)檩d體，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案，將分離提純方法、氧化還原反應(yīng)等核心知識(shí)與粗硅提純的真實(shí)情境結(jié)合，注重認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化和外顯化，形成解決問題的思路和模型。

1 教學(xué)目標(biāo)和項(xiàng)目流程

學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展需要精選學(xué)科知識(shí)并置于真實(shí)的學(xué)習(xí)情境中，通過學(xué)生

的自主學(xué)習(xí)活動(dòng)，在持續(xù)建構(gòu)和螺旋式上升中形成和發(fā)展。設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)時(shí)，可以從課題顯性知識(shí)所蘊(yùn)含的學(xué)科觀念、方法及價(jià)值，與學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)聯(lián)角度來設(shè)計(jì)[3]。據(jù)此，本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)為：（1）能根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)和相關(guān)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)以及氧化還原反應(yīng)、化學(xué)平衡等理論，分析推理從固體混合物中提取硅和從SiHCl3（三氯硅烷，TCS）等氣體混合物中得到硅的方法。（2）能和同伴合作利用綠色化學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等技術(shù)思想對改良西門子法的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，形成解決工業(yè)流程設(shè)計(jì)的一般思路和方法。（3）能夠與別人交流分享硅材料的應(yīng)用領(lǐng)域，弘揚(yáng)化學(xué)學(xué)科價(jià)值。

項(xiàng)目具體學(xué)習(xí)流程如圖1所示[4]。

2 教學(xué)過程

2.1 任務(wù)1：粗硅提純的主體流程設(shè)計(jì)

[情境]2019年9月6日，華為推出全球首款5G芯片麒麟990，芯片的主要材料由單晶硅制作，硅的純度高達(dá)99.9999999%以上。工業(yè)上利用焦炭還原得到的粗硅純度為98%到99%，故需要對粗硅進(jìn)行提純。

[問題]從工業(yè)制備粗硅的方法中，可否推測粗硅中的主要物質(zhì)是什么？如何分離？

[學(xué)生活動(dòng)1]分析猜想：粗硅中主要含有Si、 C、 SiO2等，常用的分離固體和固體的物理方法如重結(jié)晶法等已不適用，需要選擇化學(xué)方法。

[學(xué)生活動(dòng)2]從NaOH溶液、HF和HCl氣體中選擇合適的試劑。小組討論分析得出Si和SiO2同NaOH溶液、HF等均反應(yīng)，無法將SiO2和C同時(shí)除去，應(yīng)選用HCl將Si從體系中提取出來。

[學(xué)生活動(dòng)3]書寫300℃時(shí)，Si和HCl反應(yīng)的化學(xué)方程式。根據(jù)表1中各物質(zhì)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)分析選擇HCl的原因。通過討論，分析該方法利用300℃時(shí)SiHCl3為氣體，雜質(zhì)C和SiO2是固體，將含有硅的物質(zhì)從固體體系中脫離出來。

[教師追問]如何把SiHCl3轉(zhuǎn)變成硅？

[學(xué)生]根據(jù)氧化還原反應(yīng)化合價(jià)升降規(guī)律，可加入還原劑H2。

[教師]分析SiHCl3和H2反應(yīng)溫度為1000℃，將含有硅的物質(zhì)從氣體體系中脫離出來，展示圖2。

[學(xué)生活動(dòng)4]討論Si與HCl反應(yīng)方向改變的原因。反應(yīng)自發(fā)向右進(jìn)行，推出反應(yīng)在低溫下自發(fā)進(jìn)行，高溫下逆向進(jìn)行。得出改良西門子法利用反應(yīng)熱力學(xué)特征，實(shí)現(xiàn)從Si到SiHCl3，再從SiHCl3到Si的變化。

[學(xué)生活動(dòng)5]根據(jù)圖3設(shè)計(jì)從石英砂到多晶硅的工藝流程圖，小組交流討論，各組展示本組設(shè)計(jì)，講述設(shè)計(jì)原理和思路，根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行評價(jià)，并予以糾正，設(shè)計(jì)如圖4的流程圖，分析得出可循環(huán)利用的物質(zhì)有HCl和H2。

[教師]組織學(xué)生交流、互評、總結(jié)評價(jià)。

2.2 任務(wù)2：氯硅烷的分離提純

[情境]任務(wù)1設(shè)計(jì)的工藝流程圖是粗硅提純的主流方法——改良西門子法，占全球總產(chǎn)能的80%以上。生產(chǎn)過程中，SiHCl3會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，如表2所示，產(chǎn)生氯硅烷等雜質(zhì)，需要進(jìn)行分離純化。

[問題]表2中的反應(yīng)化合價(jià)沒有變化，為什么稱為歧化反應(yīng)？根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，分析300℃時(shí)氯硅烷中各物質(zhì)的狀態(tài)，思考如何從混合物中提取SiHCl3？

[學(xué)生活動(dòng)1]分析猜想：SiHCl3三步歧化反應(yīng)在形式上和無機(jī)反應(yīng)中的歧化反應(yīng)一樣，一種含硅的物質(zhì)變?yōu)閮煞N含硅的物質(zhì)。300℃時(shí)，5種物質(zhì)都是氣態(tài)，需要降溫冷凝進(jìn)行分離。

[教師追問]SiH3Cl和SiH4體系中含量較少，降溫到多少度，易于分離？此時(shí)各物質(zhì)什么狀態(tài)？如何從混合物中分離得到SiHCl3？

[學(xué)生]從節(jié)約生產(chǎn)成本的角度分析，降溫到6℃左右，SiH3Cl和SiH4是氣態(tài)，SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCl4是液態(tài)，使得氣液分離，根據(jù)表3的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)，推測采用蒸餾的方法進(jìn)行分離。

[資料卡]2SiHCl3（g）SiH2Cl2（g）+SiCl4（g） ΔH=48kJ·mol-1

[學(xué)生活動(dòng)2]討論如何將SiH2Cl2和SiCl4分別轉(zhuǎn)化為SiHCl3。將SiCl4轉(zhuǎn)化為SiHCl3可以加氫氣，根據(jù)氧化還原反應(yīng)化合價(jià)升降規(guī)律，猜想另一個(gè)產(chǎn)物為HCl。根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，分析可采用降溫或抽走SiHCl3的方法使

歧化反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。

[教師]工業(yè)上把SiH2Cl2和SiCl4生成SiHCl3的方法稱為反歧化。展示優(yōu)化后的改良西門子法工藝流程，如圖5所示。

[學(xué)生活動(dòng)3]分析改良西門子法的優(yōu)化流程。根據(jù)SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCl4三者通過蒸餾的方法得到，推測步驟①為蒸餾。因氣體2和H2反應(yīng)得到SiHCl3，得出氣體2為SiCl4，則氣體1為SiH2Cl2，步驟②為反歧化。經(jīng)過小組交流，分析得出混合氣體為SiH3Cl和SiH4。

[學(xué)生活動(dòng)4]討論得出可以循環(huán)利用的物質(zhì)有HCl、 H2、 SiH2Cl2和SiCl4。分析推理得出，流程中含硅物質(zhì)存在固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)→固態(tài)的相變過程。

[教師]封閉式循環(huán)利用物質(zhì)是改良西門子法的特點(diǎn)之一。4種氯硅烷的沸點(diǎn)（見表3）很接近，普通蒸餾的方法常無法分離，實(shí)驗(yàn)室采用分餾的方法，而工業(yè)生產(chǎn)中步驟①采用的是精餾。展示實(shí)驗(yàn)室蒸餾和分餾裝置、分餾柱，以及工業(yè)上精餾塔的圖片和相關(guān)資料。

[學(xué)生活動(dòng)5]從相變角度比較蒸餾和分餾的區(qū)別，得出蒸餾過程中相變?yōu)橐簯B(tài)→氣態(tài)→液態(tài)，用于分離沸點(diǎn)差別較大的物質(zhì)。而分餾過程中物質(zhì)在進(jìn)行液態(tài)和氣態(tài)反復(fù)相變，低沸點(diǎn)的物質(zhì)越積累越多，先分離出來。工業(yè)上利用精餾塔進(jìn)行分離，原理和分餾相似。

2.3 任務(wù)3：分離硼和磷等化合物雜質(zhì)的原因和方法

[情境]實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，由粗硅制得的氯硅烷中含有B、 P組成的氯化物和氫化物。若由含雜質(zhì)的氯硅烷制備晶體硅，B、 P會(huì)嵌入晶體硅的內(nèi)部，影響半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。

[問題]思考硅作為半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電性能有哪些特點(diǎn)？

[學(xué)生活動(dòng)1]利用所學(xué)物理知識(shí)，分析得出半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間，導(dǎo)電性能可以調(diào)控。

[教師]展示硅半導(dǎo)體微觀示意圖（見圖6），引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)B和P最外層電子數(shù)目，解釋B、 P雜質(zhì)對硅導(dǎo)電能力的影響。

[學(xué)生]根據(jù)最外層電子數(shù)目，P比Si多一個(gè)電子，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，摻入B，導(dǎo)電能力也增強(qiáng)，因?yàn)橛锌盏奈恢?，如圖7所示，因?yàn)橛懈嗫臻g，電子移動(dòng)更自由。

[教師追問]導(dǎo)電能力增強(qiáng)了，有什么不好？

[學(xué)生]因雜質(zhì)的量不可控制，無法調(diào)控。

[學(xué)生活動(dòng)2]根據(jù)表4的物質(zhì)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析得出除去B、 P的氯化物和氫化物等雜質(zhì)的方法為精餾。

[教師補(bǔ)充]有些物質(zhì)的沸點(diǎn)非常接近，工業(yè)上常采用多塔精餾的方式。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中多塔精餾裝置見圖8。

3 教學(xué)反思

3.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，促進(jìn)學(xué)生深入思考

以貼近學(xué)生知識(shí)背景的手機(jī)芯片為項(xiàng)目，讓學(xué)生在真實(shí)的情境中分析問題，深入思考和交流。項(xiàng)目實(shí)施過程中，創(chuàng)設(shè)粗硅中含有B、 P的化合物等雜質(zhì)的真實(shí)情境，學(xué)生在探討B(tài)對硅導(dǎo)電能力影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)與他們的預(yù)期有所不同，從而激發(fā)探究興趣，引發(fā)他們在溝通交流過程中深入思考，使他們思考問題的角度從宏觀走向微觀，培養(yǎng)宏微結(jié)合的能力。

3.2 構(gòu)建理想模型，不斷優(yōu)化完善模型

在對改良西門子法的工藝流程優(yōu)化過程中，運(yùn)用氧化還原反應(yīng)的化合價(jià)升降規(guī)律對物質(zhì)的轉(zhuǎn)化進(jìn)行設(shè)計(jì)，對實(shí)驗(yàn)室蒸餾、分餾和工業(yè)精餾等方法加以區(qū)別。項(xiàng)目通過理想模型改良西門子法主體流程的建立，到實(shí)際工藝流程中模型的修正和優(yōu)化，再到工業(yè)實(shí)際模型的完善，學(xué)生作為流程圖設(shè)計(jì)的主體，通過小組合作和交流自行設(shè)計(jì)并完成項(xiàng)目，對知識(shí)進(jìn)行梳理和整合，形成解決工業(yè)流程設(shè)計(jì)的思路和方法。

3.3 利用學(xué)科大概念，綜合多個(gè)視角解決問題

項(xiàng)目通過三個(gè)層層遞進(jìn)的任務(wù)展開，將物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化、分離提純、氧化還原反應(yīng)的化合價(jià)升降規(guī)律、物質(zhì)沸點(diǎn)高低判斷、熱力學(xué)等核心知識(shí)的綜合運(yùn)用，從轉(zhuǎn)化、分離、工業(yè)實(shí)際等多個(gè)視角引導(dǎo)學(xué)生分析解決真實(shí)且復(fù)雜的問題，學(xué)生表示喜歡促進(jìn)其深度思維和綜合利用知識(shí)解決問題的項(xiàng)目式教學(xué)。教學(xué)中，先讓學(xué)生分組查找有關(guān)粗硅提純的資料，熟悉氯硅烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，有利于項(xiàng)目的推進(jìn)和完成。在項(xiàng)目式教學(xué)中綜合利用中學(xué)化學(xué)的核心大概念，將孤立、碎片化的知識(shí)在真實(shí)復(fù)雜的情境下進(jìn)行重整，幫助學(xué)生形成一個(gè)認(rèn)知的有機(jī)整體，從而提升邏輯思維能力以及在真實(shí)復(fù)雜的情境中解決問題的能力。

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