基于真實情境的項目式教學

韓曉 江合佩 王朝暉

摘要：以“粗硅的提純及其原理”為項目，通過“粗硅提純的主體流程設計”“氯硅烷的分離提純”“分離硼和磷等化合物雜質的原因和方法”等三個任務，體會改良西門子法在工業(yè)生產(chǎn)中的作用，注重運用學科綜合視角解決生產(chǎn)生活實踐中的問題，讓學生學習的視角從簡單理想的情境走向復雜真實的情境。

關鍵詞：粗硅提純;項目式學習;真實情境;改良西門子法

《普通高中化學課程標準（2017版）》（以下簡稱《課程標準》）指出，“真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，也為學生化學學科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會”[1]。項目式學習通過真實的和具有挑戰(zhàn)性的任務，使學生逐步習得知識、技能和關鍵品格。通過知識的運用，形成穩(wěn)定的解決復雜問題的思路和方法。項目式學習在問題解決的過程中彰顯化學知識的功能價值，使化學核心知識結構化，促進學生化學核心素養(yǎng)的發(fā)展[2]。

“粗硅的提純及其原理”項目依據(jù)課程標準，選取芯片所需硅材料純化這一社會性熱點問題，教學建議2課時，適用于高二完成化學反應原理學習后的復習課教學。項目以粗硅提純?yōu)檩d體，引導學生設計方案，將分離提純方法、氧化還原反應等核心知識與粗硅提純的真實情境結合，注重認識思路的結構化和外顯化，形成解決問題的思路和模型。

1 教學目標和項目流程

學科核心素養(yǎng)的發(fā)展需要精選學科知識并置于真實的學習情境中，通過學生

的自主學習活動，在持續(xù)建構和螺旋式上升中形成和發(fā)展。設計教學目標時，可以從課題顯性知識所蘊含的學科觀念、方法及價值，與學科核心素養(yǎng)的關聯(lián)角度來設計[3]。據(jù)此，本項目的教學目標為：（1）能根據(jù)物質的性質和相關沸點數(shù)據(jù)以及氧化還原反應、化學平衡等理論，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、循環(huán)經(jīng)濟等技術思想對改良西門子法的工藝流程進行優(yōu)化，形成解決工業(yè)流程設計的一般思路和方法。（3）能夠與別人交流分享硅材料的應用領域，弘揚化學學科價值。

項目具體學習流程如圖1所示[4]。

2 教學過程

2.1 任務1：粗硅提純的主體流程設計

[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是什么？如何分離？

[學生活動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晶法等已不適用，需要選擇化學方法。

[學生活動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，無法將SiO2和C同時除去，應選用HCl將Si從體系中提取出來。

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

[教師追問]如何把SiHCl3轉變成硅？

[學生]根據(jù)氧化還原反應化合價升降規(guī)律，可加入還原劑H2。

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

[學生活動4]討論Si與HCl反應方向改變的原因。反應自發(fā)向右進行，推出反應在低溫下自發(fā)進行，高溫下逆向進行。得出改良西門子法利用反應熱力學特征，實現(xiàn)從Si到SiHCl3，再從SiHCl3到Si的變化。

[學生活動5]根據(jù)圖3設計從石英砂到多晶硅的工藝流程圖，小組交流討論，各組展示本組設計，講述設計原理和思路，根據(jù)設計細節(jié)進行評價，并予以糾正，設計如圖4的流程圖，分析得出可循環(huán)利用的物質有HCl和H2。

[教師]組織學生交流、互評、總結評價。

2.2 任務2：氯硅烷的分離提純

[情境]任務1設計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會發(fā)生歧化反應，如表2所示，產(chǎn)生氯硅烷等雜質，需要進行分離純化。

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

[學生活動1]分析猜想：SiHCl3三步歧化反應在形式上和無機反應中的歧化反應一樣，一種含硅的物質變?yōu)閮煞N含硅的物質。300℃時，5種物質都是氣態(tài)，需要降溫冷凝進行分離。

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

[學生]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的沸點數(shù)據(jù)，推測采用蒸餾的方法進行分離。

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

[學生活動2]討論如何將SiH2Cl2和SiCl4分別轉化為SiHCl3。將SiCl4轉化為SiHCl3可以加氫氣，根據(jù)氧化還原反應化合價升降規(guī)律，猜想另一個產(chǎn)物為HCl。根據(jù)化學平衡移動原理，分析可采用降溫或抽走SiHCl3的方法使

歧化反應向逆反應方向移動。

[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。

[學生活動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。

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

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

[學生活動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)，用于分離沸點差別較大的物質。而分餾過程中物質在進行液態(tài)和氣態(tài)反復相變，低沸點的物質越積累越多，先分離出來。工業(yè)上利用精餾塔進行分離，原理和分餾相似。

2.3 任務3：分離硼和磷等化合物雜質的原因和方法

[情境]實際工業(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。若由含雜質的氯硅烷制備晶體硅，B、 P會嵌入晶體硅的內(nèi)部，影響半導體材料的導電性能。

[問題]思考硅作為半導體材料，導電性能有哪些特點？

[學生活動1]利用所學物理知識，分析得出半導體的導電性能介于導體和半導體之間，導電性能可以調控。

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

[學生]根據(jù)最外層電子數(shù)目，P比Si多一個電子，導電能力增強，摻入B，導電能力也增強，因為有空的位置，如圖7所示，因為有更多空間，電子移動更自由。

[教師追問]導電能力增強了，有什么不好？

[學生]因雜質的量不可控制，無法調控。

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

[教師補充]有些物質的沸點非常接近，工業(yè)上常采用多塔精餾的方式。實際工業(yè)生產(chǎn)中多塔精餾裝置見圖8。

3 教學反思

3.1 創(chuàng)設真實問題情境，促進學生深入思考

以貼近學生知識背景的手機芯片為項目，讓學生在真實的情境中分析問題，深入思考和交流。項目實施過程中，創(chuàng)設粗硅中含有B、 P的化合物等雜質的真實情境，學生在探討B(tài)對硅導電能力影響時，發(fā)現(xiàn)與他們的預期有所不同，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)宏微結合的能力。

3.2 構建理想模型，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，運用氧化還原反應的化合價升降規(guī)律對物質的轉化進行設計，對實驗室蒸餾、分餾和工業(yè)精餾等方法加以區(qū)別。項目通過理想模型改良西門子法主體流程的建立，到實際工藝流程中模型的修正和優(yōu)化，再到工業(yè)實際模型的完善，學生作為流程圖設計的主體，通過小組合作和交流自行設計并完成項目，對知識進行梳理和整合，形成解決工業(yè)流程設計的思路和方法。

3.3 利用學科大概念，綜合多個視角解決問題

項目通過三個層層遞進的任務展開，將物質的相互轉化、分離提純、氧化還原反應的化合價升降規(guī)律、物質沸點高低判斷、熱力學等核心知識的綜合運用，從轉化、分離、工業(yè)實際等多個視角引導學生分析解決真實且復雜的問題，學生表示喜歡促進其深度思維和綜合利用知識解決問題的項目式教學。教學中，先讓學生分組查找有關粗硅提純的資料，熟悉氯硅烷的結構和性質，有利于項目的推進和完成。在項目式教學中綜合利用中學化學的核心大概念，將孤立、碎片化的知識在真實復雜的情境下進行重整，幫助學生形成一個認知的有機整體，從而提升邏輯思維能力以及在真實復雜的情境中解決問題的能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2]曾璐，鄒映波. 人工合成肉桂酸——基于項目式學習的有機復習[J]. 化學教學，2019，（6）：57～60.

[3]楊玉琴，倪娟. 學科核心素養(yǎng)視域下的教學目標：科學研制與準確表達[J]. 化學教學，2019，（3）：3～7.

[4]江合佩. 促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的項目式學習研究與實踐——以“廢舊鋰離子電池回收利用”為例[J]. 教育與裝備研究，2019，（9）：60～67.