葉蕓蕓 任雪明

摘要：在平時的教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)高一學(xué)生在學(xué)習(xí)硅和二氧化硅的性質(zhì)時存在混淆現(xiàn)象，為解決這一困惑，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)生核心素養(yǎng)，選擇將知識情境化，引入項目式的學(xué)習(xí)模式，通過探究單晶硅的制備來設(shè)計4個不同的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在真實情境中解決問題，在實踐探究和小組合作中學(xué)習(xí)相關(guān)知識，使學(xué)生的知識技能與學(xué)科素養(yǎng)均得到較大的提升。

關(guān)鍵詞：真實情境；項目式學(xué)習(xí)；硅；二氧化硅

文章編號：1008-0546（2023）10-0044-04

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.010

一、問題的提出

硅在高中教材元素化合物中涉及的內(nèi)容不多，對比蘇教版和新人教版發(fā)現(xiàn)，新人教版中硅所占的篇幅更少，被安排在必修二第五章第三節(jié)無機非金屬材料中，主要要求學(xué)生掌握硅酸鹽產(chǎn)品、了解硅和二氧化硅的性質(zhì)和認識碳化硅等新型無機非金屬材料。在教學(xué)實踐中我們發(fā)現(xiàn)，對于硅和二氧化硅的性質(zhì)，部分高一學(xué)生會出現(xiàn)混淆的現(xiàn)象，繼而對它們的應(yīng)用也產(chǎn)生模糊認知，因此在新課教學(xué)時要避免教師的“滔滔不絕”。在新課學(xué)習(xí)中應(yīng)用項目式學(xué)習(xí)手段嘗試讓學(xué)生成為新知識的發(fā)現(xiàn)者，在真實情境中解決實際問題，促進學(xué)生在理解前提下的深度掌握。將有利于學(xué)生在任務(wù)不斷破解中逐步提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

項目式學(xué)習(xí)是通過設(shè)置一個真實情境化的任務(wù)，學(xué)生作為項目學(xué)習(xí)的主體在完成項目任務(wù)的過程中與教師不斷對話來診斷其學(xué)習(xí)障礙點，發(fā)展其核心素養(yǎng)，同時解決問題的綜合能力得到提升。[1]與傳統(tǒng)教學(xué)相比，項目式學(xué)習(xí)是“做中學(xué)、玩中學(xué)、研中學(xué)”，是基于“學(xué)得好”層面上的教學(xué)實踐活動，它引導(dǎo)學(xué)生如何學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性，發(fā)揮成員間的合作性，更傾向于在實踐活動中的體悟，實現(xiàn)情境的學(xué)習(xí)力和遷移力，順應(yīng)時代發(fā)展的需求，可有效促進深度學(xué)習(xí)的達成。項目式學(xué)習(xí)是學(xué)生綜合運用多學(xué)科學(xué)習(xí)成果進行自主學(xué)習(xí)的一種綜合、活動性的教育實踐形態(tài)。[2]

本文以“制備單晶硅”為例，借助項目式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，設(shè)計出四個不同的人物角色，引導(dǎo)學(xué)生以特定的角色去思考問題，驅(qū)動學(xué)生投入到問題的解決中去，在創(chuàng)設(shè)的“以任務(wù)為驅(qū)動，以問題為導(dǎo)向”的真實情境中收獲新知識，提升學(xué)科能力，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)。

二、設(shè)計與實施

1．項目設(shè)計意圖

本節(jié)內(nèi)容選擇“制備單晶硅”作為項目主題，以硅和二氧化硅的核心知識為主要載體，從原料的采購一材料的管理一工藝流程的設(shè)計一成品的質(zhì)量檢測這四個項目任務(wù)出發(fā)，通過賦予角色，增加學(xué)生的主動性；通過情境創(chuàng)設(shè)，激發(fā)學(xué)生的積極性；通過查閱資料，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力；通過探究體驗，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2．項目學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）通過從微觀角度學(xué)習(xí)硅的原子結(jié)構(gòu)和二氧化硅的結(jié)構(gòu)，認識硅的原子結(jié)構(gòu)特點和二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)性質(zhì)。

（2）通過角色扮演從不同的認知角度分析單晶硅的制備工藝，了解工藝制備的原理和方法，體驗實際生產(chǎn)要素的復(fù)雜性，深刻體會基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用的相關(guān)性。

（3）通過學(xué)習(xí)高純硅的工業(yè)制法和新型無機非金屬材料的性能和用途，感受無機非金屬材料的多樣性以及對社會發(fā)展的重要性，提高學(xué)生努力學(xué)習(xí)化學(xué)、投身國家建設(shè)的社會責(zé)任感。

3．項目流程設(shè)計

具體內(nèi)容如表1所示。

4．項目實施過程

情境引入：化石能源是當(dāng)前的主要能源，但它是不可再生的，而且會造成對環(huán)境的不良影響，所以新能源的開發(fā)與利用是科學(xué)家們研究的主要方向。太陽能是一個取之不盡用之不竭的清潔能源，硅太陽能電池是我們中國的一個名片，在晶硅電池的生產(chǎn)和應(yīng)用方面，我國目前處于國際領(lǐng)先水平。那么為什么我們會采用硅材料制備太陽能電池呢？硅材料的優(yōu)勢是什么？

PPT展示：見圖1。

教師：晶體硅材料非常好地符合了高效率太陽能電池對光電轉(zhuǎn)換材料的要求，首先晶體硅的光學(xué)特性和電學(xué)特性都適合用于光伏器件，其次可以通過制備晶片和摻雜等方法對晶體硅材料進行可控加工，另外，晶體硅材料的帶隙與太陽光光譜比較匹配，理論上可以得到近30%的光電轉(zhuǎn)化效率。所以制備晶體硅材料是開發(fā)新能源的重點之一，今天，我們一起來探尋一下如何去制備單晶硅。為了讓同學(xué)們充分體驗制備過程，老師創(chuàng)設(shè)了四個角色，我們分為四個小組，每組一個角色，請大家積極開動腦筋，一起來完成你所對應(yīng)的角色的任務(wù)。

任務(wù)一：采購員

學(xué)生活動：閱讀資料1，小組討論選擇最佳原料。

教師：第一小組，你們小組討論結(jié)果是？

學(xué)生：從制備的原理來看，選擇氧化物會比硅酸鹽更合適，從成本和儲量來看，選擇沙子最合適。

教師：果然是一名優(yōu)秀的采購員，綜合以上因素考慮，我們發(fā)現(xiàn)，沙子是最佳選擇，實際生產(chǎn)中確實也是這么做的，可以這么說，所有的芯片都來源于沙子。

設(shè)計意圖：通過代入特定角色，從第一視角去認識元素硅的存在形式，結(jié)合資料1的信息，小組合作完成原料的選擇，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，學(xué)會提取有效信息并進行加工處理，提升分析推理能力。

任務(wù)二：倉庫管理員

學(xué)生活動：作為一名優(yōu)秀的倉庫管理者，要熟知材料的性質(zhì)，明確儲存要求。請你根據(jù)所學(xué)知識和提示信息，二氧化硅在儲存時應(yīng)注意什么？體現(xiàn)了哪些性質(zhì)？

教師：我們請第二小組的代表來說一說你們討論的結(jié)果。

學(xué)生：從資料2和資料3中可以看出二氧化硅的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，不溶于水說明在潮濕環(huán)境下也能穩(wěn)定存在，因此不必過于強調(diào)干燥環(huán)境；同時資料3也告訴我們二氧化硅化學(xué)性質(zhì)不活潑，很穩(wěn)定，通常情況下不與水、酸發(fā)生反應(yīng)，但氫氟酸除外，材料4表明二氧化硅和氫氟酸能發(fā)生反應(yīng)，且是唯一與之反應(yīng)的酸，所以在儲存時不要碰到氫氟酸即可。

追問：太棒啦。那你能在黑板上把它們的反應(yīng)方程式寫出來嗎？

學(xué)生代表在黑板上書寫化學(xué)方程式，其他學(xué)生在草稿紙上書寫。

板書：SiO2+4HF=SiF4+2H2O

教師：非常好，二氧化硅可以和氫氟酸反應(yīng)生成四氟化硅和水，不過同學(xué)們要注意，四氟化硅是氣體，我們要把氣體符號加上去。

演示修改：SiO2+4HF=SiF4↑+ 2H2O

教師：還有沒有同學(xué)有其他的發(fā)現(xiàn)？我們可以一起討論一下。

學(xué)生：資料3中提到二氧化硅是酸性氧化物，所以酸性氧化物的性質(zhì)它都有。

追問：那你能舉例說明酸性氧化物的性質(zhì)嗎？

學(xué)生：與堿反應(yīng)生成鹽和水，

比女口：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

與堿性氧化物反應(yīng)生成鹽，

比如：SiO2+CaO=高溫=CaSiO3

補充：是的，除此以外，二氧化硅還可以和某些鹽反應(yīng)。

板書：SiO2+Na2CO3=高溫=Na2SiO3+CO2↑

小結(jié)：綜上所述，二氧化硅的性質(zhì)如下：

（1）穩(wěn)定性：化學(xué)性質(zhì)不活潑，一般隋況下不反應(yīng)；

（2）酸性氧化物的通性：

a．一堿反應(yīng)生成鹽和水：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

b．與堿性氧化物反應(yīng)生成鹽：

SiO2+CaO=高溫=CaSiO3

（3）與某些鹽反應(yīng)：Si02+Na2CO3=高溫=Na2SiO3+CO2↑

（4）特性（與氫氟酸反應(yīng)）：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

設(shè)計意圖：話題繼續(xù)延伸，利用課內(nèi)課外信息開展討論，在教師創(chuàng)設(shè)的問題情境中感受二氧化硅的性質(zhì)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的理解和分析能力。

任務(wù)三：工程師

思考：1．將二氧化硅轉(zhuǎn)化為硅單質(zhì)，你能想到哪些方法？選擇最優(yōu)方案。

2．這樣制取的硅單質(zhì)純度怎么樣？

3．如何提純粗硅？

（提示：二氧化硅與一氧化碳不反應(yīng)；硅在300℃下能和氯化氫反應(yīng)生成SiHCi3，SiHCi3在1000℃時被氫氣還原。）

學(xué)生活動：思考并討論完成高純硅的制備。

教師：第三小組的同學(xué)們，你們想到了什么方法？來和大家分享一下。

學(xué)生：從二氧化硅得到硅，肯定要通過加還原劑還原的方法。我們所知道的常見還原劑有一氧化碳、氫氣和碳等。但是提示信息說二氧化硅和一氧化碳不反應(yīng)，所以可以通過氫氣或者焦炭去還原。

板書：SiO2+2C=高溫=Si+ 2CO；

SiO2+2H2=高溫=Si+ 2H2O

教師：那么你覺得哪一種方法更好呢？為什么？

學(xué)生：用焦炭更好，因為用氫氣一是成本高，二是不安全，氫氣是一種易燃易爆氣體。

教師：確實，我們工業(yè)上采用焦炭還原二氧化硅，那這樣制備出來的硅是我們想要的高純硅嗎？

學(xué)生：不是，因為焦炭過量，所以產(chǎn)物中有焦炭。

教師：根據(jù)提示信息，我們可以怎么做把粗硅制成精硅？

學(xué)生：Si+ 3HCI=300℃=SiHC13+H2；

SiHCl3+H2=1100℃=Si+ 3HCl

教師：非常好，這樣制出來的就是高純硅了。

小結(jié)：高純硅的工藝流程：

SiO2+2C=高溫=Si+ 2CO↑

Si+3HCI=高溫=SiHC13+H2

SiHC13+H2=高溫=Si+ 3HCI

設(shè)計意圖：綜合應(yīng)用化學(xué)學(xué)科知識與方法解決陌生情境問題，是學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的綜合體現(xiàn)。通過問題的驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生進行思考、分析、總結(jié)，得出制備高純硅的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的學(xué)科素養(yǎng)。

任務(wù)四：質(zhì)檢員

教師：同學(xué)們，我們制取了單晶硅，那么是不是也需要去檢測成品的質(zhì)量？現(xiàn)在你就是質(zhì)檢員，你會選擇什么方法進行純度測定呢？從中可以看出硅的哪些性質(zhì)？

學(xué)生活動：根據(jù)課內(nèi)課外資料，思考并討論選出最優(yōu)方案。

教師：我們請第四小組的代表來說—說他們的方案。

學(xué)生：從資料中可以看出，常溫下，除與氫氟酸、強堿溶液反應(yīng)外，硅不與其他物質(zhì)反應(yīng)。在加熱時，硅能與C12、C、02等發(fā)生化合反應(yīng)。涉及到的化學(xué)方程式主要有：

①Si+4HF=SiF4↑+2H2↑

②Si+2NaOH +H2O=Na2SiO3+2H2↑

③Si+ O2=△=SiO2

④Si+ 2Cl2=△=SiCl4

⑤Si+ 2Mg=高溫=Mg2Si

除了第五個反應(yīng)條件過高不適合，其余四個反應(yīng)均可進行，如果要選最佳方案的話，我們認為和氫氧化鈉溶液反應(yīng)去測氫氣體積比較好，一是條件簡單，常溫下即可進行，節(jié)能；二是操作方便，可行性強；三是綠色環(huán)保無污染，符合綠色化學(xué)原則。

教師：分析得很到位，給你們點贊。當(dāng)然實際上測高純硅純度的真實方案不是這個，在我們現(xiàn)有的知識儲備下，同學(xué)們分析的方案已是最佳。

設(shè)計意圖：通過學(xué)生自己分析討論測定單質(zhì)硅純度的最佳方案，既學(xué)習(xí)并了解硅的化學(xué)性質(zhì)，又鍛煉了分析問題的能力，在學(xué)生梳理匯報時，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)共同體的作用，利用課堂生成性資源，提高學(xué)生的語言表達能力。

三、實踐反思

從本項目實施情況和學(xué)生課堂上的表現(xiàn)來看，學(xué)生的成就感和參與感明顯提升。本節(jié)課自始至終都在一個真實的情境中，學(xué)生擔(dān)任不同的角色去發(fā)現(xiàn)并思考解決問題。在項目式教學(xué)中學(xué)生需要具備查閱資料、資料加工、分工合作、交流表達等過程技能。教師在這個過程中需要時刻關(guān)注學(xué)生，適時地引導(dǎo)學(xué)生，通過環(huán)環(huán)相扣的驅(qū)動型問題激發(fā)他們下一步探究的興趣，學(xué)會用已學(xué)知識去解決困惑，在一個個真實問題的解決過程中收獲知識，提升能力，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)。從實施的過程來看，本節(jié)課貫徹了“以學(xué)生為主體”的教育理念，小組合作開展活動，在合作中學(xué)以致用，在互動中深化概念，相信學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，充分體現(xiàn)了“以學(xué)定教，先學(xué)后教”的教學(xué)策略。從實施的效果來看，在課堂中創(chuàng)設(shè)真實教學(xué)情境，學(xué)生在真實的情境中獲取知識顯然比常規(guī)的教學(xué)手段更有效果，更深層次地感受到化學(xué)知識的應(yīng)用與價值。因此教師在備課時多注重發(fā)掘真實情境素材，將生活融入教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生關(guān)注日常生活、了解工業(yè)生產(chǎn)的意識，同時也可增加不同職業(yè)信息的滲入，增進學(xué)生對不同職業(yè)領(lǐng)域的了解，挖掘出自己的職業(yè)興趣。

參考文獻

[1] 江合佩，促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的項目式學(xué)習(xí)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．

[2] 郭華．項目學(xué)習(xí)的教育學(xué)意義[J].教育教學(xué)研究，201 8（1）：25-31．