從工藝流程的解讀談化學工藝建模教學

吳種云

摘要：模型可協助學生記憶與解釋，讓學生思考視覺化，解決問題程序化?；瘜W建模教學包括幫助學生理解物質模型，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，對原有的模型進行強化或修正，從而得到較完整的認知模型的過程。以化學工藝流程的建模為例，闡述了模型的建立、強化、運用和發展的過程。

關鍵詞：模型；建模教學；化學工藝流程；模型資源開發

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

1化學工藝及學生學習情況

化學工藝，即化工技術或化學生產技術，指將原料物主要經過化學反應轉變為產品的方法和過程，以及實現這一轉變的全部措施。它是以化學方法為主，以改變物質組成與物質結構合成新物質為主的生產過程和技術?；瘜W工藝涉及的范疇很廣，一般包括原料的選擇和預處理，生產方法的選擇及方法原理，設備的作用、結構和操作，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，生產控制，產品規格和副產物的分離與利用，資源的回收利用和對不同工藝路線和流程的技術經濟評價等等…。

在教學中發現，學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，不會從流程的實際出發去分析工藝的目的，常常將頭腦中已有的常規解答教條地照搬，而出現文不對題、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文字表述不夠準確，不能從工藝自身的目的出發進行描述，如趁熱過濾的目的，將“避免溶質析出造成損失”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“稀硫酸與鐵粉反應生成氫氣”等。

2化學建模教學

“化學知識的組成包括現象觀察的結果與其蘊含的科學理論”，然而學生“通常會將情境的問題加以解構，把知識內容拆成片段來理解”，忽略了學習材料從現象到結論再上升到理論這一發展認知規律的內容編排的價值，這樣建立的知識就成了無源之水，不能有效地發展成解決問題的方法；沒有系統組織已經習得或正在習得的知識也是一盤散沙，容易出現記憶錯誤或遺忘。

圖式是人腦中已有的知識經驗的網絡，例如化學工藝流程的一般結構包括除雜、轉化和產品精制等多個環節，化學工藝流程就是這多個環節形成的網絡；圖式也是人頭腦中關于普通事件、客體與情景的一般知識結構，例如實驗室制備氣體的裝置圖式一般包含氣體的發生裝置、除雜裝置、收集裝置和尾氣處理裝置，而實驗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，進行實驗，終止實驗和拆裝置等步驟；圖式有“概括性”，通常包含“同類事物的本質特征”，圖式中的知識是組塊出現的，是關于某個客體或事件的整體認知。一旦發展了某個認知的圖式，也就形成了對于某一實物或事件或過程或操作的認知模型?；瘜W建模教學是圖式理論在化學教學中的應用和發展。

2.1化學模型

模型是通過主觀意識借助實體或者虛擬表現構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件。它是一種結構，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。其關系如圖1所示。

化學模型可分為物質形式的模型和思維形式的模型。物質形式的模型，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，理論表達如蓋斯定律、理想氣體狀態方程等，圖像與符號模型如化學方程式，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方程式的書寫包括：①確定反應物和生成物，②根據得失電子守恒配平氧化劑和還原劑，氧化產物和還原產物，③根據質量守恒定律配平其余物質等，這個順序一旦混淆，將給問題的解決帶來障礙。

2.2化學建模教學

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

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

3化學工藝建模的嘗試

3.1認識化學工藝流程

化學工藝流程由一系列單元操作設備通過管道組合成復雜系統，通過對原材料進行混合、分離、粉碎、加熱等物理或化學方法，制備目標產品，使原材料增值。流程包含預處理、核心反應和產品精制，一般有如下兩種表達方式，見圖3和圖4：

在課堂教學中，讓學生通過已有的工藝流程實例體會工藝流程的一般模式，為后續的仿寫工藝流程打好基礎。

例：鹵塊的主要成分是MgCl₂，此外還含Fe³⁺、Fe²⁺和Mn²⁺等離子。若以它為原料按圖5所示工藝流程進行生產，可制得輕質氧化鎂。

問題：以上展示的是鹵塊制氧化鎂的工藝流程，請在閱讀流程的基礎上說明每一步流程的目的。

設計意圖：由實驗目的可以看出該工藝流程需要除去鹵塊中的雜質金屬離子后，最終制得輕質氧化鎂。該過程旨在幫助學生明確工藝流程的形式，劃分工藝流程的結構，以指導學生更有效地明確流程的目的。endprint

3.2仿寫化學工藝流程

化學工藝流程從認識階段過渡到仿寫階段，讓學生將對化學工藝流程的認知表達出來，作為工藝流程的模型的雛形。在仿寫工藝流程時，通?？蛇x擇如粗鹽的提純等難度較小或學生已熟悉的實驗方案進行改編。

案例（2013江蘇高考第19題改編）：某研究性學習小組欲從硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃）出發，制備綠礬（FeSO₄·7H₂O）。表1列出了相關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計算）。

問題1：請結合圖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。

設計意圖：從學生熟悉的高考題入手，通過學生自己畫出工藝流程，能夠更熟悉工藝流程的表達形式和更深刻地理解工藝流程的結構，能夠從工藝流程結構的角度實現流程讀取上的初步建模。

3.3建立化學工藝流程模型

學生對化學工藝流程模型的認知包括：①工藝流程的讀取程序模型，如先關注化學變化，后分析物理變化；②對化學工藝的認知模型，如控制pH除去雜質金屬離子，加快反應速率的一般措施等；③工藝流程設計的一般原則，如經濟性、簡約性以及綠色化等。在建立化學工藝流程模型時，需要在課堂中將以上幾個方面的模型不斷滲透，以幫助學生建立模型。

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

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

設計意圖：通過問題的形式幫助學生建立閱讀化學工藝流程的方法，即首先關注化學變化的部分并理解化學反應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？

學生回答：不能，因為Fe³⁺比Al³⁺先沉淀。

設計意圖：讓學生體會將Fe³⁺轉化為Fe²⁺，不僅滿足了生成Fe²⁺的需要，還達到了除去鋁元素的目的，初步建立通過控制pH而達到沉淀某些金屬離子的模型。

追問3：以上兩種流程均可實現轉化目的，哪一種方案更好，為什么？（提示：評價實驗方案一般從以下幾個方面進行分析：①是否符合實驗原理，能否達到實驗目的；②操作是否簡單易行；③試劑、原料的用量及成本；④是否有利于環境保護；⑤是否安全可靠）

學生回答：第一種方案更好，因為該過程步驟少，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。

設計意圖：人們在不斷地分析、總結的過程中，總能將自己的經驗進行抽象，逐漸形成認知模型。為了把握這一自然趨勢，通過設計化學工藝的評價來提高學生形成和應用認知模型的有效性。隨著學生越來越熟練地從流程本身出發去考慮問題，在從流程的目的出發對工藝進行的評價，實現從認識流程到理解流程再到評價流程這一過程中，學生需要不斷主動思考，強化認知模型，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化，你可采取哪些措施？

學生回答：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適當增大稀硫酸的濃度；③適當加熱。為提高還原的效率，可加人過量鐵粉充分攪拌，既可加快反應速率又可提高Fe³⁺的轉化率。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到干燥的目的。

設計意圖：引導學生從化學工藝方面進行建模，從提高轉化率、提高產率等多方面進行建模。

3.4運用和發展化學工藝流程模型

在運用和發展化學工藝流程階段，一般可通過指導學生確定相似操作的不同目的來確定已有化學工藝模型的不同應用范圍，消除既有模型帶來的應用誤區。

問題3：乙醇在化學工藝流程中有廣泛的應用，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實驗室得到[Cu（NH₃）₄]SO₄·H₂O時，在深藍色溶液中加人極性較小的溶劑乙醇后，析出深藍色晶體[Cu（NH₃）₄]SO₄·H₂O。

學生回答：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，促進其結晶析出。

設計意圖：結合幾個乙醇在工藝中的應用實例，將乙醇的作用歸納為以下幾點：①洗去晶體表面的雜質；②減少溶解損失；③快速干燥；④除去水，防止與水發生反應。

這樣，在已有的洗滌模型基礎上，可加以對比和整合，形成不同模型的應用范圍，見圖12?？梢?，溶解性小的物質，乙醇降低溶解度的作用就不大，而穩定性差的物質，乙醇的除水功能就尤為重要，體現在水本身與待洗滌物發生反應及干燥過程中導致結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去分析問題，見圖13。

同樣，在化學工藝流程中，無論是預處理、核心反應還是產品精制環節，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節的不同作用可作以下歸納，見圖14。

在建模教學中，要注意引導學生形成從物質或流程本身出發去分析問題的思維模式，切不可脫離實際問題談模型，一切原料、生產方法、設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的性質、設備或裝置的使用以及副產物的分離利用、資源的回收等問題有機地結合起來，各部分知識交互運作，避免知識的遺忘和模型的錯誤匹配，形成知識的“螯合效應”。

4思考

模型可協助學生記憶與解釋，讓學生思考視覺化。模型一旦形成就具有相當的穩定性，因此，在幫助學生建模時必須充分考慮模型的科學性和適用性，不可錯建、錯用或濫用；一旦匹配了模型，就可引起新信息的加工，如理解熔融態水（即液態水）可溶解固態的NaCl就能理解熔融態的冰晶石可溶解固態的氧化鋁，一旦意識到熔融的冰晶石溶解氧化鋁和液態水溶解氯化鈉是類似的，則必然會在原有助熔劑的基礎上形成新的理解，并將原有分散的知識連成網絡、形成系統。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生的認知規律，一般先建立事實性的模型，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通入稀氫氧化鈉等化學工藝的意圖。

教學的目的是幫助學習，我們所提出的化學建模教學，將建模素材按照由簡單到復雜，考慮的因素按由一元到多元的順序逐漸展現在學生面前，使得學生在逐步解決問題的過程中，形成解決問題的一般模式，以促進有目的的學習和縮短達成建模教學目標所需要的時問。endprint