叢高

基于培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的教學實踐和反思*——以“開發(fā)利用金屬礦物和海水資源”為例

叢高

（如東縣教師發(fā)展中心江蘇如東226400）

以人類發(fā)展史中重要金屬材料的開發(fā)利用為主線，選取具有代表性的“煉鐵”和“煉銅”，結(jié)合金屬活動性，通過歸納、分類和整理各種金屬的工業(yè)冶煉方法，加深對氧化還原反應的理解，同時寓學科相關(guān)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)于學生思維品質(zhì)的優(yōu)化中。

實驗探究；變化守恒；宏微結(jié)合；分類表征；綠色運用

2016年5月19日，南通市高中化學（使用人教版教材）優(yōu)秀課評比在江蘇省海門中學舉行，我有幸參加課堂展示，在高一（7）班借班上了一堂新授課“開發(fā)利用金屬礦物和海水資源（第1課時）”。本次活動以“培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)”為主題，下面就這堂課的教學設計作一介紹。

一、設計理念

鑒于人教版《化學2》［1］中本節(jié)課的“承前啟后”：既是對《化學1》中鈉、鋁、鐵等金屬及其重要化合物知識和氧化還原反應的進一步歸納、梳理和運用，同時又為《選修2》第三單元“化學與材料的發(fā)展”課題2“金屬材料”中深入學習鐵、鋁的冶煉做好準備。在綜合比較了人教版和蘇教版中有關(guān)金屬的教學內(nèi)容后，設計了兩條主線，一明一暗。明線：即以人類發(fā)展史中重要金屬材料的發(fā)現(xiàn)和使用為主線，著重討論青銅時期銅的冶煉（因為人教版《化學1》對銅的教學相對不如鈉、鋁、鐵系統(tǒng)，而蘇教版《化學1》［2］編有“銅的獲取和運用”）和鐵器時期的煉鐵、煉鋼（考慮到鋼鐵仍是目前使用量最大的金屬材料），進而結(jié)合金屬活動性，通過歸納、分類和整理各種金屬的工業(yè)冶煉方法，加深對氧化還原反應的理解。暗線：寓學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)于學生思維品質(zhì)的優(yōu)化中，通過精心設計的問題，結(jié)合適當?shù)膶W法指導，從“實驗探究”“變化守恒”“宏微結(jié)合”“分類表征”“綠色運用”等多個方面培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)。整節(jié)課的教學思維導圖可表示為圖1：

圖1　教學思維導圖

二、教學目標

1.了解銅、鐵等金屬的冶煉史，認識冶煉金屬的一般原理，初步學會分析、比較和歸納不同金屬的冶煉方法。

2.深化氧化還原反應的理解和運用，感悟其在金屬材料發(fā)展中的關(guān)鍵作用。

3.銘記歷史，進一步增強民族自豪感、責任感和使命感。

三、教學流程

四、教學過程

1.情境導入

［師］先來做個游戲——連連看！游戲規(guī)則是對人類歷史發(fā)展代表性時期和對應的標志性技術(shù)或人物進行連線，如圖2。

圖2　連連看

［師］今天我們一起來走進人類歷史發(fā)展中的重要金屬材料。石器時代“火”的發(fā)現(xiàn)和利用為銅、鐵的冶煉奠定了基礎，包括工業(yè)革命時期大量使用有色金屬材料。所以說人類文明史就是世界材料發(fā)展史。

設計意圖：第一，寓教于樂；第二，明確本堂課的明線——不同歷史時期典型金屬冶煉及金屬材料的運用，初步體驗分類表征；第三，利用交互式電子白板的“幕布”功能，使得游戲與評價變得簡便可行。

2.活動一：了解銅的冶煉歷史

［圖片展示］介紹兩件珍貴文物：司母戊鼎和銅虎頭。

設計意圖：兼有培養(yǎng)學生民族自豪感和銘記歷史教訓的用意。從某種意義上來講，銅虎頭已經(jīng)超越了一件普通文物的意義，喚醒我們同學：中國至今還有上百萬件珍貴文物流失海外。

（1）從銅的化合物中還原出銅

問題：人類很早就發(fā)現(xiàn)，孔雀石［主要成分是Cu2（OH）2CO3］在熊熊燃燒的樹木中灼燒，樹木余燼里會有一種紅色光亮的金屬凝固出來，試用化學方程式表示所發(fā)生的反應：（1）_______；（2）________。

早期濕法煉銅有“曾青得鐵則化為銅”的記載，其原理為__________。

［生］討論概括出上述兩種方法制銅的本質(zhì)——從化合態(tài)還原為游離態(tài)。

視野開拓：介紹湖北博物館的鎮(zhèn)館之寶“編鐘”（圖片）的高超鑄造技術(shù)：運用合金比例（圖片）控制音色?。ㄥa偏低，鐘聲單調(diào)而尖銳，過高鐘體韌性下降易被擊破，而適當?shù)暮U量則有利于聲音的衰減，改善音色）。它的神奇還不僅于此……（有興趣的課后可上網(wǎng)了解）

設計意圖：激發(fā)學生的興趣，也為后面介紹煉鋼中通過調(diào)節(jié)硅、錳等合金元素來得到用途不同的鋼材埋下伏筆。由組成的不同而導致結(jié)構(gòu)的差異，從而初步感受“性構(gòu)相依”。而對于“神奇的音樂性能”現(xiàn)場不講，僅留提示，必定會激發(fā)學生學習的熱情，兼有激發(fā)學生熱愛藝術(shù)的設想。

（2）分組實驗——“電解氯化銅溶液”

【實驗說明】

［師］J形管［3］高端碳棒與電源負極相連（陰極），J形管低端碳棒與電源正極相連（陽極），注射器內(nèi)裝有濕潤的淀粉碘化鉀試紙，通電（24V）3分鐘，注意觀察陰、陽兩極現(xiàn)象，結(jié)束實驗后向上少許提拉注射器活塞（注意不要吸進溶液），觀察試紙顏色，并完成化學方程式。

圖3　電解氯化銅溶液裝置圖

設計效果：從實驗的角度豐富了制備銅的方法，也為《選修4》中電解精煉銅開一扇窗?？赏ㄟ^加液后在J形管兩端自然形成的液面高度差判斷裝置的氣密性，另外裝置在密閉體系中檢驗Cl2，減少了其對環(huán)境的污染，本身就體現(xiàn)了綠色化學思想。

［師］視野開拓：簡單介紹現(xiàn)代煉銅技術(shù)——火法煉銅和生物煉銅。

3.活動二：認識煉鐵（鋼）的原理

（1）實驗探究——“鋁熱反應”

裝置改進如圖4：用水泥和沙子在鐵皮罐內(nèi)側(cè)澆鑄成坩堝狀，底部開孔，將紙漏斗放入，填上鋁熱劑，表面鋪一層氯酸鉀，三腳架下面預先放好盛有細沙的蒸發(fā)皿。用坩堝鉗將燃燒的鎂條插入反應物引發(fā)反應，……夾出紅熱物，用磁鐵靠近。

圖4　鋁熱反應改進裝置圖

設計效果：當給鋁熱反應重新按了這個家后，用5gFe2O3和2gAl粉演示，現(xiàn)象十分明顯，火焰集中在小范圍內(nèi)垂直向上噴射，底部高溫熔融物相對集中落下，并能在細沙中保持相對較長時間（約10秒）的“紅熱”狀態(tài)，給學生對反應放熱留下深刻印象，稍冷，能被磁鐵輕松吸引。十分適合當場演示，在藥品預先加好的前提下，整個實驗用時在4分鐘以內(nèi)。

［師］請完成該反應的方程式（并點評）。鑒于鐵、鋁都是用途極為廣泛的金屬，這個反應不具有大規(guī)模煉鐵意義，但是這個反應由于放出大量的熱，因此可以用來焊接鐵軌（稱之為鋁熱焊）、冶煉高熔點金屬（如錳、鉻和鎢等）、甚至用于定向爆破。

［師］根據(jù)反應的宏觀現(xiàn)象，從微觀角度加以分析。

問題1：根據(jù)反應的宏觀現(xiàn)象，從微觀角度繪出鋁熱反應過程中的能量變化，見圖5。

［生］利用白板的拖拉功能將反應物、生成物拖到相應位置，并連接成曲線①。

問題2：反應物能像乘“滑滑梯”一樣自然而流暢地轉(zhuǎn)化為生成物嗎［4］？

［生］小組討論，修正曲線①為曲線②。

問題3：能不能降低反應的“坎兒”（如曲線③）？

［生］使用催化劑。

［師］尋找合適的催化劑！而金屬及其化合物是這個領(lǐng)域研究的熱點，可謂方興未艾（2007年度諾貝爾化學獎授予德國科學家格哈德·埃特爾在表面化學研究領(lǐng)域上的突破）。有興趣的同學兩年后可以考慮填報“催化工業(yè)”專業(yè)，今天你們站在海門市基礎教育的制高點，相信假以時日，你們也一定能登上世界“催化工業(yè)”的巔峰。

圖5　鋁熱反應過程中的能量變化

設計意圖：利用電子交互白板能輕松展示上述層層遞進的三個問題解決的過程！較好地落實了“宏微結(jié)合”，進而完成從“物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量變化”雙重角度認識物質(zhì)世界！并且進一步激發(fā)學生對化學的興趣，再次點燃學生學習激情（學生不由自主的熱烈掌聲也給予我極大的鼓勵）。

（2）看圖比較古代煉鐵和現(xiàn)代高爐煉鐵

結(jié)合屏幕上的古代煉鐵圖片和高爐煉鐵示意圖，進行比較并完成下表：

表1　比較古代煉鐵和高爐煉鐵

設計意圖：比較是一種高效、深刻的學習方法。

［圖片展示］泰坦尼克號沉沒的圖片以及最近出現(xiàn)在南海的美國現(xiàn)役主戰(zhàn)航母——“斯坦尼斯號”圖片。

設計意圖：第一，說明作為輪船或航母甲板對鋼材質(zhì)量的要求之高；第二，聯(lián)系時下區(qū)域政治熱點，激發(fā)學生的愛國熱情，并自發(fā)轉(zhuǎn)化為一種民族的使命感、責任感。

［視頻播放］結(jié)合“氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼”的模型觀看相應視頻，理解煉鋼的目的及反應原理。

4.活動三：整理金屬冶煉的本質(zhì)、方法、過程和金屬資源的有效使用途徑

（1）簡單表示金屬冶煉的本質(zhì)：

（2）結(jié)合金屬活動性順序表，討論不同金屬冶煉方法的選擇。

（3）金屬冶煉的一般過程包括____、____、______。

（4）列舉合理開發(fā)利用金屬礦產(chǎn)資源的幾種途徑。設計意圖：學生自主建構(gòu)，同時形成本堂課的主板書設計，見圖6。

圖6　板書設計

［師］金屬材料發(fā)展的歷史演變是材料發(fā)展的歷史演變中的重要組成部分，見圖7。從人類歷史發(fā)展的幾個重大時期看，材料歷經(jīng)了天然材料→陶瓷→青銅→鐵→鋼→有色金屬→高分子材料→新型材料，這正驗證了美國科學家西博格的一句話“化學，人類進步的關(guān)鍵”。

課后拓展：上網(wǎng)查閱、走訪、調(diào)查了解海水金屬資源的利用現(xiàn)狀和展望。

圖7　化學與材料發(fā)展史

五、教學反思

1.對立與統(tǒng)一

整合和發(fā)揮素材在教學中的辯證性：如兩種青銅器圖片的使用，既激活學生的民族自豪感，又讓學生回憶了中華民族這段屈辱的歷史；又如，為說明材料科技的進步是為造福人類社會，卻又選擇了“泰坦尼克號”海難圖片，以及以“斯坦尼斯號”為代表的美國航母在南海制造緊張局勢……也很好地印證了課的最后所引用的恩格斯的充滿哲理的一句話：“化學既是關(guān)于自然的科學，又是關(guān)于人的科學。在當代科學的發(fā)展趨勢中，它們正在走向統(tǒng)一。因此，現(xiàn)代化學不僅是認識生命過程與進化的手段，也是人類生存和獲得解放的手段?！?/p>

2.實驗探究與創(chuàng)新

J形管的運用有效地保證了兩液面高度差的形成與觀察，同時采用注射器保證了實驗中電解氯氣的綠色檢驗，很好地發(fā)揮了實驗的不可替代功效。實驗結(jié)束后將針筒中的氯氣推入燒堿溶液吸收即可，而CuCl2溶液可供多個平行班級重復使用。鋁熱反應的反應器以及引燃方式都做了改進，改進后的裝置能承受反應高溫，外壁不會發(fā)燙，可用于反復演示實驗而不損壞。引燃鎂條時，先用坩堝鉗夾住鎂條中部，點燃一端迅速將另一端插入鋁熱劑，這個動態(tài)的過程相比教材中靜態(tài)的過程而言，改善了空氣和鎂條的接觸，反應加劇，有效解決了原來演示過程中燃著的鎂條自上向下燃燒到根部會熄滅，從而導致不能引發(fā)鋁熱反應這個問題。

3.擺事實講道理

通過編鐘中合金成分的分析，錫、鉛含量對鐘聲音色的影響，以及將生鐵煉鋼過程中各元素含量的變化與調(diào)整和鋼材所呈現(xiàn)的特性等的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學生“性構(gòu)相依”的學科思想。通過由表及里、層層推進的三個問題：根據(jù)鋁熱反應的宏觀現(xiàn)象，如何從微觀角度繪出反應過程的能量圖？反應物會像乘“滑滑梯”一樣自然而流暢地轉(zhuǎn)化為生成物嗎？能不能降低上述這些反應的能量障礙那道“坎兒”？進而完成從“物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量變化”雙重角度認識物質(zhì)世界！

比較遺憾的是，學生活動三這個環(huán)節(jié)略顯倉促，本來預設了這樣一個活動，讓學生扮演我國西部銅城——白銀市市長這一角色，談談本市礦產(chǎn)資源合理開發(fā)的舉措……由于我看錯時間（結(jié)果下來發(fā)現(xiàn)提前了3分鐘下課），以為課上來不及了，忍痛割愛，失去了培養(yǎng)學生社會責任感、參與意識和決策能力［5］的極佳機會，行文至此仍不吐不快。

致謝：感謝江蘇省如東高級中學的同仁們在準備過程中給予的大力幫助。

［1］宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書·化學2［M］.北京：人民教育出版社，2008

［2］王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書·化學2［M］.南京：江蘇教育出版社，2007

［3］蔣海燕.J形管在中學化學實驗中的應用探討［J］.化學教學，2012（11）：47

［4］江敏.追尋人類思維的脈絡——“化學反應進行的方向”教學實踐與思考［J］.中學化學教學參考，2014（11）：5

［5］袁東霞.“金屬礦物的開發(fā)利用”教學設計和反思［J］.教育實踐與研究：中學版（B），2011（23）：59

1008-0546（2016）11-0052-04

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.017

*本文是江蘇省中小學教學研究課題（2015JK11-L114）的研究成果之一。