張靜

摘要：分析了“金屬礦物 鐵的冶煉”一課的教學(xué)現(xiàn)狀，提出結(jié)合化學(xué)史情境素材進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，采用古法煉鐵—現(xiàn)代工業(yè)煉鐵—實(shí)驗室模擬煉鐵的教學(xué)時空線，輔以科普閱讀的形式進(jìn)行工業(yè)煉鐵的教學(xué)。從實(shí)際教學(xué)效果看，各教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合豐富了學(xué)生的感性認(rèn)知，鍛煉了學(xué)生分析問題的能力，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)，培養(yǎng)了其科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識。關(guān)鍵詞：鐵的冶煉;化學(xué)史;科普閱讀;教學(xué)設(shè)計;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）03-0041-05???? 中圖分類號：G632.41???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.009

一、教學(xué)主題內(nèi)容及學(xué)情分析

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展?fàn)顩r是衡量國家經(jīng)濟(jì)水平和綜合國力的重要標(biāo)志，因而了解煉鐵的過程和原理是初中化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本節(jié)課選自滬教版九年級化學(xué)上冊第5章第2節(jié)“金屬礦物鐵的冶煉”，該課時的主要內(nèi)容包括：（1）了解從鐵礦石中將鐵還原出來的方法;（2）知道一些常見的金屬礦物（鐵礦等）的主要化學(xué)成分;（3）認(rèn)識工業(yè)煉鐵的主要原料及設(shè)備，重點(diǎn)了解一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)的原理，理解一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)的實(shí)驗操作具體要求[1]。

實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生主要存在的問題如下：（1）學(xué)習(xí)內(nèi)容不貼近日常生活，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不大;（2）教師通常直接給出書本上實(shí)驗室模擬煉鐵的完整裝置，學(xué)生對于突然呈現(xiàn)的一氧化碳還原氧化鐵的裝置感到陌生與不理解;（3）僅通過觀看一遍工業(yè)煉鐵的視頻，學(xué)生“走馬觀花”，難以掌握相關(guān)知識。基于此，本文結(jié)合化學(xué)史素材與科普閱讀進(jìn)行教學(xué)，并引導(dǎo)學(xué)生自主完善實(shí)驗室模擬煉鐵裝置而非直接給出完整裝置，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增進(jìn)學(xué)生對該部分內(nèi)容的理解，提升科學(xué)素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過觀看視頻，感受古法煉鐵;

（2）通過閱讀科普資料并完成相關(guān)練習(xí)，了解現(xiàn)代工業(yè)煉鐵的原理、原料、設(shè)備與大致過程;

（3）通過自主完善實(shí)驗裝置、交流與討論，能分析實(shí)驗室模擬煉鐵的實(shí)驗操作與注意事項，并能解釋原因;

（4）通過觀看視頻，認(rèn)識到發(fā)展煉鐵工業(yè)帶來的環(huán)境問題，認(rèn)識到研究環(huán)保新技術(shù)的必要性，提升社會責(zé)任感。

三、教學(xué)流程（見表1）

四、教學(xué)實(shí)錄???????????? 1.課堂引入，初識鐵的冶煉

【教師】同學(xué)們，鐵的元素符號是什么？這說明鐵在物質(zhì)類別上屬于什么？

【學(xué)生】Fe，屬于單質(zhì)。

【教師】但是人們能從自然界中獲得單質(zhì)鐵嗎？為什么？

【學(xué)生】不能，因為鐵容易與氧氣等物質(zhì)反應(yīng)。

【教師】因此，鐵在自然界中主要以什么形式存在？

【學(xué)生】化合物。

【教師】確實(shí)，鐵在自然界主要以氧化鐵等化合物的形式存在，而且這些鐵的化合物大多存在于各種礦石中。人們想要利用金屬鐵就要先將其從它們的化合物中提煉出來，這個過程就叫做鐵的冶煉。

【教師】我們以氧化鐵為例，同學(xué)們觀察 Fe2O3與 Fe之間有什么區(qū)別？

【學(xué)生】是否有氧元素。

【教師】也就是說要將金屬鐵從鐵的氧化物中提煉出來，就要讓它失去氧元素。可以通過什么方法實(shí)現(xiàn)呢？今天我們就一起來學(xué)習(xí)鐵是如何煉成的。

2.觀看視頻，感懷古法煉鐵

【教師】我國是世界上用鐵最早的國家之一，春秋戰(zhàn)國時期人們就已經(jīng)能熟練使用鐵制農(nóng)具、武器等。

【多媒體】展示春秋時期鐵制農(nóng)具、武器圖片。

【教師】古人是如何進(jìn)行煉鐵的呢？我們來觀看一個還原當(dāng)時煉鐵情景的視頻。

【多媒體】播放剪輯視頻：還原古法煉鐵（圖1）。

【教師】看完這個視頻大家有什么感受？

【學(xué)生1】這種煉鐵方法太累了……

【學(xué)生2】古人很機(jī)智。

【教師】是的，古人充滿了智慧，但是這種方法確實(shí)費(fèi)時費(fèi)力，生產(chǎn)效率低。人們?yōu)榱颂岣弋a(chǎn)量，就要強(qiáng)化鼓風(fēng)和加高爐身，爐子逐漸從這種地坑式向豎爐發(fā)展。西漢時期，煉鐵豎爐規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大;清末洋務(wù)派首領(lǐng)首次在漢陽建造了兩座日產(chǎn)100噸生鐵的高爐，邁出了我國近代煉鐵的第一步。

【多媒體】展示鄭州古滎漢代冶鐵遺址和漢陽鐵廠圖片（圖2）。

【教師】冶鐵技術(shù)的提高促進(jìn)了人類文明的發(fā)展。那么到了現(xiàn)代，人們又是如何來煉鐵呢？

3.科普閱讀，感知現(xiàn)代工業(yè)煉鐵

【教師】鐵是從鐵礦石中提煉出來的。自然界的鐵礦石種類豐富，同學(xué)們知道這些鐵礦石的主要成分是什么嗎？

【學(xué)生】赤鐵礦主要成分是氧化鐵，磁鐵礦主要成分是四氧化三鐵。

【多媒體】展示赤鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦圖片。

【教師】不同的礦石它們的含鐵量是不同的（表2）[2]。如果讓你來采礦，你傾向于選擇哪種礦石來煉鐵？

【學(xué)生】磁鐵礦、赤鐵礦，因為它們的含鐵量較高。

【教師】如果僅僅考慮將黃鐵礦用來煉鐵的話，它也是不適合的，為什么？

【學(xué)生】含有硫元素，可能產(chǎn)生 SO2，加劇環(huán)境污染。

【教師】今天我們以赤鐵礦為例，了解工業(yè)上是如何將赤鐵礦煉制成鐵的。請同學(xué)們閱讀學(xué)案上的資料（圖3），在學(xué)案上回答相應(yīng)問題。

【教師】通過閱讀，可以通過加入什么讓鐵的氧化物失去氧元素？

【學(xué)生】CO、H2、C等。

【教師】這樣主動奪取氧元素的物質(zhì)我們把它稱之為還原劑。金屬氧化物失去氧元素轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚倪^程叫做金屬氧化物的還原。下面請同學(xué)分享學(xué)案中以下問題的答案。

（1）工業(yè)煉鐵的原料是什么？

（2）工業(yè)煉鐵時焦炭的兩個作用是什么？并用方程式表示。

（3）工業(yè)上用赤鐵礦煉鐵的主要原理是什么？用方程式表示。

（4）石灰石的作用是什么？

（5）工業(yè)煉鐵的設(shè)備是什么？

（6）工業(yè)煉鐵的產(chǎn)品是什么？

（7）生鐵出口應(yīng)該高于還是低于爐渣出口？為什么？

【學(xué)生】根據(jù)科普短文找到相關(guān)信息并回答問題（略）。

【板書呈現(xiàn)】教師根據(jù)學(xué)生回答適時進(jìn)行板書（圖4）。

【教師】不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代高爐煉鐵的技術(shù)是由古代煉鐵發(fā)展、改進(jìn)而來，這種方法生產(chǎn)量大、勞動生產(chǎn)率高、能耗低，生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)量的95%以上。

4.交流討論，探知實(shí)驗室模擬煉鐵

【教師】今天我們也試著在實(shí)驗室內(nèi)利用工業(yè)煉鐵的原理來模擬煉鐵。反應(yīng)藥品我們可以直接選用Fe2O3和CO。實(shí)驗裝置該如何選擇？用這套裝置能否實(shí)現(xiàn)實(shí)驗室模擬煉鐵呢（圖5）？你是否有補(bǔ)充？

【教師】引導(dǎo)：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過一氧化碳，同學(xué)們還記得一氧化碳有哪些性質(zhì)嗎？

【學(xué)生】是有毒的氣體，具有可燃性。

【教師】因此我們在做CO相關(guān)實(shí)驗時應(yīng)該注意些什么？

【學(xué)生1】點(diǎn)燃前要驗純，要做尾氣處理。

【教師】很好，那么可以如何處理尾氣CO 呢？

【學(xué)生2】可以用氣球收集起來。

【學(xué)生3】可以就利用它的可燃性將其燒掉。

【教師】確實(shí)，同學(xué)們回答的是兩種常見的處理尾氣的方法。除此之外，我們也可以將其通回酒精噴燈點(diǎn)燃再利用（圖6）[3]。

【學(xué)生】不可以，因為反應(yīng)需要在高溫條件下進(jìn)行，所以還需要酒精噴燈加熱。

【教師】很好，由于酒精噴燈提供溫度較高，普通玻璃受熱易熔化，這里我們提供的是硬質(zhì)玻璃管。

【教師】這套裝置還有不完善的地方嗎？

【學(xué)生】疑惑。

【教師】通常，我們還需檢驗反應(yīng)產(chǎn)物CO2，因此還需要什么試劑？

【學(xué)生】澄清石灰水。

【多媒體】展示完整的實(shí)驗室模擬煉鐵裝置圖（圖7）。

【教師】確定了裝置，我們該如何操作呢？請同學(xué)們對給定的實(shí)驗步驟排序。

【多媒體】展示給定操作順序：①通入純凈的一氧化碳?xì)怏w;②點(diǎn)燃酒精噴燈加熱固體;③檢查裝置氣密性;④熄滅酒精噴燈;⑤向硬質(zhì)玻璃管中裝入氧化鐵;⑥繼續(xù)通一氧化碳直至裝置冷卻。

【學(xué)生】排序：③⑤①②④⑥。

【教師】同學(xué)們?yōu)槭裁催x擇先通CO？

【學(xué)生】因為CO具有可燃性，不純時容易爆炸，而玻璃管中原先有空氣，要先通CO將空氣排盡防止爆炸。

【教師】很好，那么為什么要先熄滅酒精燈，而要繼續(xù)通CO 呢？

【學(xué)生】如果先停止通CO，玻璃管內(nèi)氣壓減小，石灰水可能會倒吸導(dǎo)致爆炸。

【教師】非常好，還有補(bǔ)充嗎？

【學(xué)生】疑惑。

【教師】繼續(xù)通入一氧化碳還能幫助加速裝置冷卻，如果我們先停止通一氧化碳后，往往裝置還未充分冷卻就打開橡膠塞，這可能導(dǎo)致什么后果？

【學(xué)生】得到的鐵粉再次被氧化。

【教師】正是。清楚了操作注意事項后，我們來觀察一下老師在實(shí)驗室模擬煉鐵的全過程。

【多媒體】播放教師拍攝并剪輯的演示實(shí)驗視頻。

【教師】你觀察到哪些現(xiàn)象？

【學(xué)生】紅棕色粉末變黑，澄清石灰水變渾濁。

【學(xué)生】還有可能是四氧化三鐵和氧化亞鐵。

【教師】確實(shí)，你有什么方法驗證黑色粉末中是否有鐵粉嗎？

【學(xué)生】分組討論，設(shè)計實(shí)驗方案。

【學(xué)生1】可以向黑色粉末中加入足量稀鹽酸，若有氣泡生成則含有鐵粉。

【學(xué)生2】可以向黑色粉末中加入硫酸銅溶液，若有紅色固體析出則含有鐵粉。

【教師】同學(xué)們都利用金屬的性質(zhì)設(shè)計出了正確的方案。如果溫度控制得當(dāng)，我們確實(shí)可以在實(shí)驗室煉制出鐵，在實(shí)驗室中得到的鐵與工業(yè)上得到的鐵產(chǎn)品有何不同？

【學(xué)生】工業(yè)上得到的產(chǎn)品是生鐵，實(shí)驗室得到的是純鐵。

【教師】既然實(shí)驗室這樣橫向的裝置也能得到鐵，那么工業(yè)上為什么要采用縱向的高爐呢？

【學(xué)生】實(shí)驗室的裝置只有 CO在流動，而高爐中鐵礦石在下落，熱氣流同時上升，反應(yīng)更為充分。

【教師】非常好。同學(xué)們，相信通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)大家已經(jīng)初步掌握了煉鐵的原理與方法。隨著社會的發(fā)展，煉鐵工藝不斷被改進(jìn)，鐵的產(chǎn)量與質(zhì)量不斷提升，但也帶來了諸多環(huán)境問題。

5.辯證看待，感悟化學(xué)價值

【多媒體】播放視頻：霧霾之下的河北鋼鐵重鎮(zhèn)。

【教師】慶幸的是人們已經(jīng)意識到了這一點(diǎn)并在努力研發(fā)更為環(huán)保的新技術(shù)。

【多媒體】播放視頻：環(huán)保新技術(shù)煉鋼廢氣變航空燃料。

【結(jié)語】相信未來會有更多的綠色又高效的工藝被逐步研發(fā)。同學(xué)們，知難行易，行高于知，知道了事物背后的原理，行動起來相對就會容易很多，老師也希望同學(xué)們不僅僅局限于原理和知識的學(xué)習(xí)，更要將學(xué)到的知識付諸實(shí)踐，在未來為社會作出我們力所能及的貢獻(xiàn)。

五、教學(xué)效果與反思

本節(jié)課的亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）本節(jié)課挖掘新情境，融入古代煉鐵史進(jìn)行教學(xué)，以史促學(xué)，較好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我國著名化學(xué)家和教育家傅鷹教授曾經(jīng)說過：“科學(xué)只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧?！睆墓欧掕F到現(xiàn)代煉鐵工業(yè)，學(xué)生充分感受了煉鐵的發(fā)展史，學(xué)會用發(fā)展的眼光看待問題。

（2）采用科普閱讀形式進(jìn)行工業(yè)煉鐵模塊教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)閱讀文本、分析文本，相比于傳統(tǒng)的觀看一遍視頻，學(xué)生掌握知識更為扎實(shí)。

（3）區(qū)別于傳統(tǒng)的展示完整實(shí)驗室模擬煉鐵裝置，本節(jié)課只展示部分裝置，引導(dǎo)學(xué)生自主探究并完善實(shí)驗裝置，加深學(xué)生對實(shí)驗的理解，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

當(dāng)然，本節(jié)課還有很多可提升之處。例如古法煉鐵的視頻盡管已經(jīng)過剪輯，但時長仍接近3分鐘，可再進(jìn)行縮減。此外，本節(jié)課考慮到安全性與課堂時間安排，提前拍攝了實(shí)驗視頻，整堂課理論知識較多而實(shí)踐機(jī)會少，學(xué)生在后半節(jié)課興趣衰減，在今后的教學(xué)中可進(jìn)一步探索安全而高效的實(shí)驗方法，進(jìn)一步提升課堂教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.義務(wù)教育教科書：化學(xué)（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2017：123-126.

[2] 王明海.煉鐵原理與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：6.

[3] 王寶斌.核心素養(yǎng)：化學(xué)教學(xué)的應(yīng)然追求——以“金屬礦物鐵的冶煉”為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017（8）：27-30.

3323500338253