“黃沙身價的提升之路”學案設計與教學實踐

摘要：介紹了“黃沙身份的提升之路”的教學設計思想、教學過程及課后反思，討論了背景知識融入學案設計與實踐的優勢。作者認為：融入背景知識的學案具備良好的“悅讀”性，能激發學生的學習興趣；將學習任務拋錨于真實的背景環境中，能激發學生真實的學習體驗，維系持續的學習動機；精心設計探究任務鏈，剝絲抽繭的探究性問題有利于激活和提升學生的思維；要有效地幫助學生明確學習任務，制訂學習方案；要多環節進行學習成果整合，不斷提升和優化學生的認知結構。

關鍵詞：主動性學案；背景知識；育人價值；含硅礦物

文章編號：1005-6629(2012)8-0040-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

結合背景知識的教學往往會讓課堂更加輕松有趣，讓科學知識、科學方法、科學價值等內容在教學活動中有效滲透，學生會表現出更好的主動性。所謂背景知識，是指學習內容形成或存在的自然或社會環境背景、歷史背景、價值背景、領域層次屬性、總體和邏輯背景(學科背景)，以及教學背景等方面的知識。鑒于教科書編寫時受到篇幅等限制，內容的趣味性，實用性，容量都不能完全滿足學生的學習需求，學案的編制則能很好地彌補教科書的不足，而且還能在學習的個性化、校本化上得以突破。融入背景知識的學案在提高知能教學效率的同時，還能使育人目標得以實現，有著“潤物細無聲”的效果。本文以蘇教版化學必修教材中“含硅礦物與信息材料”為例，將多個背景知識帶入到教學設計中。

1 設計思想

蘇教版高中化學必修1“含硅礦物與信息材料”這一單元需要2課時。“黃沙身價的提升之路”是本單元的第一課時，對教材進行了補充和重構。設計過程中重點考慮了以下因素：

1.1 融入背景知識的文本具備良好的“悅讀”性，能激發學生的學習興趣

學案文本是供學生自主閱讀的，因此它的設計不僅要關注科學性、嚴謹性，還需要汲取優秀科普讀物的優點——“悅讀”性，而融入背景知識的學案設計能全面提升文本的“悅讀”性。在本單元的學案文本中，筆者不僅在導言、對應教科書的補充材料、拓展性閱讀材料等部分充分考慮了可讀性，還將背景知識融入探究性問題、基礎性練習和拓展性練習的編制中。融入背景知識的導言在明確學習任務、說明學習背景和學習定向上起到良好的作用，增強了學生的學習興趣和動機。從使用者反饋信息來看，雖然本單元學案文本容量較大，但閱讀用時不多，感覺文本既親切，又不失科學性。如在導入環節，講述了英國科學家提出的“沙漠太陽能孵化項目”設想：即利用沙漠中豐富的沙子制造高純硅，再用硅制造太陽能電池板，實現電能外輸，為人類提供“綠色能源”。

1.2 將學習任務置于真實的背景環境中，能激發學生的學習動機

本單元設計將“沙漠太陽能孵化項目”與“青海省2011-2020發展規劃綱要”中的“柴達木光伏產業建設”聯系起來，將硅及二氧化硅的性質，硅的制取等學習任務拋錨于背景環境中，構建“類真實性任務”。這種新穎和真實的任務加強了學習情境與知識、技能與應用的實際情境相聯系的程度，激發學生學習的動機及興趣。而“類真實性務”可以整合多種知識和技能，有助于學習者用“真實”的方式應用知識，同時也有助于學生意識到所學知識和技能是與自身生活緊密相關的，這是維持學習動機的非常重要的因素，也可以解決知識遷移的問題。學生只有在真實的社會文化背景下，借助于社會性交互作用，利用必要的學習資源，才能積極有效地建構知識。

本單元學案還特別設置了【課外活動參考選題】，該欄目列出了納米二氧化硅的制備、自制水中花園、對硅和二氧化硅以及硅酸鹽相關產業或硅材料回收市場進行調查研究、硅膠的制備與性質、硅膠的制備與性質、硅肥等參考選題，這些選題涉及的內容也是單元學習的重要部分，有利于培養學生的動手能力、聯系社會關注社會的習慣、科學創新精神和創新能力等，也為學生進行研究性學習乃至科技創新活動提供指導。

1.3 精心設計探究任務鏈，剝絲抽繭的探究性問題邀思維共舞

本課時學習的主要任務鏈為“從沙漠太陽能孵化項目”的設想到“圍繞沙漠開發的規劃”設計任務，其中設計了“沙漠太陽能孵化項目”設想得以實現的關鍵問題、支架式知識積累自學任務(硅和二氧化硅的性質等內容)、黃沙精加工工藝(提取較純的二氧化硅和單質硅)過程的具體問題，等等。關于這些任務鍵又分別設計了_一系列探究性問題，能較好地提升學生的思維水平。如關于黃沙精加工藝問題上提出了4個探究性問題，一系列的探究性問題將硅的制取工藝剝絲抽繭，層層深入地揭示出硅制取的本質原理。

1.4 有效地幫助學生明確學習任務，制訂學習方案

本課題的單元學習目標對應的《普通高中化學課程標準》相關內容只是簡單地提出：“了解硅及其重要化合物的主要性質，認識它們在生產、生活和當代高新科技中的應用”。目前不少教師編寫的學案文本往往將“學習目標”欄目中的“知識與技能”、“過程與方法”和“情感態度價值觀”逐項呈現。實際上，學生常常會跳過部分甚至全部的三維目標說明而直接進入后續的學習中，因此筆者認為學案文本中無需逐一羅列“三維”目標，而且目標宜“粗”不宜“細”，將三維目標中的核心知識和技能目標重點突出即可，具體的“過程與方法”、“情感態度價值觀”應融入在課題的各個任務環節中予以體現。鑒于這一考慮，本單元學案的學習目標中只呈現了知識與技能目標，而其它的學習目標融入在隨后的“學習方式建議”中。這一處理能較好地幫助學生理解單元的學習目標，并參照“學習方式建議”中的具體說明制訂個性化的學習方案，在各任務的完成過程中達成“過程與方法”、“情感態度價值觀”目標。

1.5 多環節進行學習成果整合，不斷提升和優化學生的認知結構

學習成果的整合不能完全依靠課后練習，需重視每一個學習環節的整合，比如自學環節、教師精講環節和小組合作學習環節等。本單元實施過程中，要求學生完成【小組討論1】、【課堂練習】等進行學習成果的整合。【小組討論31則是一個總括性的整合任務，該任務要求學生將氯堿工業、沙子的精加工等聯合起來，以沙漠為中心，充分利用周邊資源進行規劃“沙漠產業園區”。這樣的學習任務不僅對本課時的學習進行整合，還拓展至前面的鹵族元素、堿金屬等單元知識，實現學生多單元知識的認知結構的整合。由于學習任務的綜合性，能很好地將學生已有知識和新學知識融合起來，讓學生感覺自己所學知識的價值和用途。另外，在本單元的第二課時還設計了“參照【小組討論3】的規劃全面整理歸納提升黃沙身價的途徑和方法”，實現本單元的全面整合。

2 課堂教學實錄

2.1 引入：黃沙的身價和沙漠的治理開發

師：黃沙是一種常見之物，主要成分是什么?

生：二氧化硅。

師：黃沙可以用來做什么?

生：(爭先恐后列舉)建筑材料、水泥、玻璃、陶瓷、混泥土、沙包、工藝品、計算機芯片，等等。

師：要想制備計算機芯片，則需要將黃沙轉化成什么?

生：硅單質。

師：黃沙的價格低廉，要想更好地提高其身價，可以考慮將其制成你們說的沙包還是計算機芯片，或是別的物質?

生：高科技產品，如計算機芯片。

師：顯然要想提高黃沙的身價，可以考慮將其制成各種含硅的產品。請大家看我國沙漠分布圖，將近有五分之一的國土面積是沙化的，其中有70萬平方公里為沙漠，沙漠中的黃沙不僅影響著周邊人們的生活，還以什么形式來到我們揚州?

生：(齊聲)沙塵暴。

師：多年來，我國政府和民間通過植樹造林、防風固沙等方法治理沙漠，但收效甚微。最近科學家提出了一個治理沙漠的好設想——“沙漠太陽能孵化項目”，請大家看學案導言第二段(見后文)，我們一起大聲朗讀該設想。

師：要想實現這一設想的關鍵首先是什么?

生：將黃沙轉化成高純硅。

2.2 明確學習任務，開展自學和小組合作學習，小結、鞏固有關知識

師：這個設想像是一個窮人撿到一顆雞蛋，夢想蛋生雞、雞生蛋，從而實現發財的夢想。其實“沙漠太陽能孵化項目”離我們很近，目前我國已經在多個沙漠中建立了多座沙漠電站。要想了解其中的緣由，我們需要了解硅及其重要化合物的性質，以及它們在生活、生產和高新技術產業中的應用。請大家看學案中的“學習方法建議”，我們本節課主要學習硅和二氧化硅的性質，以及理解將黃沙轉化成高純硅的工藝路線。接下來請大家自學教材第75－76頁和學案的相關內容，初步完成學案補充材料中的討論任務和課堂練習(學案內容如下)。

學案文本節選

【導言】我國的沙化土地面積有170多萬平方公里，占國土面積的18％以上，其中70萬平方公里以上覆蓋著漫漫黃沙。有一首歌這樣唱道：“漫漫的黃沙，像無邊的苦海……”，以二氧化硅為主要成分的黃沙就這樣幣怕、這樣一文不名嗎?

據英國《新科學家》雜志網站報道，一些科學家提出了“沙漠太陽能孵化項目”設想：利用沙漠中豐富的沙子制造高純硅，再用硅制造太陽能電池板，提供生產高純硅所需要的能量，如此循環往復，就能建設更多的硅廠制造出更多的太陽能電池板，生產更多的電能，最終實現電能外輸，讓沉寂千年的沙漠成為光伏發電中心，為人類提供“綠色能源”，有效地解決人類的能源危機，并且大大減少化石燃料發電引起的環境污染。

按照這個設想，如果我國拿出2％的沙漠面積安裝太陽能光伏發電系統，發電能力可以達到1000 GW!目前，我國已經在新疆、內蒙古、青海、寧夏等地的沙漠中建立了多處太陽能發電站，開始了打造“沙漠光谷，’的嘗試。不過規模和開發深度都還不夠。

沙子不但可以用于制造太陽能電池板，還可以用于制造現代高新科技中的光導纖維、集成電路，用于制造廣泛使用的水泥、玻璃、陶瓷產品和各種新材料等等，乃至于有人驚嘆“人類進入了新的‘硅器’時代”。化學是黃沙身價發生巨大變化的功臣，要了解其中的緣由，就要從了解硅及其化合物的化學開始。

【學習目標】

了解硅及其重要化合物的主要性質，認識它們在生產、生活和當代高新科技中的應用。

【學習方式建議】

利用課本73-76頁和補充材料(1－2)，自學硅和二氧化硅的性質；在完成【補充材料2】后的【課堂練習】之后，思考和嘗試解答小組討論題。注意記下自己的疑問。

小組討論：(1)分析利用黃沙制取較純凈的二氧化硅的方法原理。

(2)分析利用黃沙制取高純硅的方法原理。

(3)完成【補充材料】中的【小組討論1-3】。

通過學習課本79-81頁和選讀【拓展性閱讀材料】，交流、討論硅和二氧化硅晶體特點，硅和二氧化硅的重要加工產品，硅酸鹽的性質、用途和硅酸鹽工業，以及現代硅酸鹽材料的新發展等內容。并參照【小組討論3】的規劃全面整理歸納提升黃沙身價的途徑和方法。

課后完成【基礎性練習】；選做【拓展性練習】，小組合作嘗試完成部分【課外活動參考選題】。

【補充材料】

1.硅和二氧化硅的化學性質

常溫下單質硅的化學性質不活潑，但在高溫條件下能和96種穩定元素中的64種元素形成化合物。

【小組討論1】

1.硅易與氧元素結成二氧化硅，二氧化硅的穩定性如何?請說出你做出判斷的證據是什么?

2.常溫下單質硅的性質與氯氣、金屬鈉有明顯差別，原因是什么?

純凈的SiO₂晶體無色透明不溶于水化學性質很穩定。氫氟酸是唯一可使二氧化硅溶解的酸，它能與二氧化硅反應生成四氟化硅(常溫下為氣態)。正是因為這個原因，可以用氫氟酸來蝕刻玻璃器具和工藝品。

SiO₂+4HF=SiF₄↑+2H₂O

二氧化硅能跟熱的強堿溶液或熔化的堿反應生成硅酸鹽和水。高溫下二氧化硅還可以跟某些鹽、金屬氧化物反應生成硅酸鹽二氧化硅可用于制造石英玻璃光學儀器、化學器皿、普通玻璃、耐火材料、光導纖維等。

2.從沙子獲取純硅

沙子和計算機芯片，前者卑微渺小，后者光輝耀眼，可它們卻擁有相同的“血統”——都是硅家族的成員。普通的石英砂除主要成分二氧化硅外，還含有氧化鐵、粘土、云母和有機雜質等。通過擦洗脫泥、磁選(除去石英砂中的磁性礦物)、浮選(除去石英砂中的長石和云母等)、酸浸等步驟，可以獲得較為純凈的二氧化硅。

工業上，通常是先在電爐中由焦炭還原二氧化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硫、磷等雜質)。為了得到純硅，目前通用的方法是：控制溫度450-500℃，使粗硅跟氯氣反應，生成由四氯化硅和少量鐵、鋁、硫、磷等元素的氯化物等組成的液態物質，然后分餾提純四氯化硅，再用氫氣還原，即可制得純硅。(提示：有關反應方程式參見教材75頁)

【課堂練習】請歸納二氧化硅的主要化學性質，并依次寫出利用石英砂制取純硅主要反應的化學方程式。

【小組討論2】

1.以二氧化硅為原料提取純硅的生產方法中，為什么要將粗硅轉化成四氯化硅，而不是轉化成別的鹵化硅?

2.在加熱下，硅與鹵素反應生成四鹵化硅。為什么要選擇氯氣與粗硅反應轉化成四氯化硅，而不是選擇別的鹵素單質?

3.根據下表中的信息分析，從包含四氯化硅和雜質的液態物質中分離出四氯化硅需要控制的溫度范圍是多少?

4.最后一步中，為什么要用氫氣做還原劑，而沒有選擇焦炭做還原劑?

(學生小組自學；教師巡視，不斷回答學生提出的問題，并在學生基本完成自學等任務后，組織學生匯報【思考與討論1】

師：黃沙的主要成分是二氧化硅，二氧化硅的化學性質有哪些呢?

生：二氧化硅的穩定性很好，可以通過二氧化硅的結構來說明硅原子與氧原子通過共價鍵形成空間網狀結構，十分穩定。

師：非常好，二氧化硅的穩定性好是否可以通過自然界中沙子的性質予以確定呢?

生：黃沙難溶于水和酸，性質穩定。

師：很好。要將黃沙轉化成高純度的硅，那我們先來了解--T硅的化學性質。常溫下單質硅的性質與氯氣、金屬鈉有明顯差別，原因是什么?

生：氯氣和金屬鈉十分活潑，而硅單質不活潑。原因是氯原子最外層電子為7個，易得1個電子；鈉原子最外層電子有1個，易失1個電子；而硅原子核外最外層有4個電子，不易失去也不易得到4個電子，故其性質穩定。

師：很好。接下來，我們一起交流【課堂練習】。歸納二氧化硅的主要化學性質，并通過具體化學反應予以說明。

師：二氧化硅能和堿性氧化物、強堿反應，說明它是什么類型的氧化物?

生：酸性氧化物。

師：高溫下，二氧化硅還能與焦炭反應。這一反應的實際意義是什么?

生：這一反應可以用作從黃沙中提取單質硅。

2.3 理解有關生產硅的化學工藝，為后續任務建立支架

師：請逐一寫出黃沙轉化成高純硅的工藝過程中相關反應方程式。

生：對照課本或補充材料的相關描述進行書寫。

師：為什么二氧化硅與焦炭反應得到的單質硅還需要經過進一步處理才能得到高純硅?

生：因為二氧化硅不純，與焦炭反應得到的單質硅中有雜質。

師：請根據補充材料中表1、表2分析【小組討論2】中的各個問題。

(對于問題1學生感到很難，教師引導他們分析NaCl中混有I₂或I₂中混有NaCl時的除雜方法，從而得出結論。)

生1：為了除去單質硅中的雜質，當雜質不能轉化成氣體，就讓目標物質轉化成氣體，從而實現分離出雜質的目的。

生2：(針對問題2)主要考慮可能是成本因素。

師：很好，工業生產十分重視成本，除了這一原因之外還考慮什么呢?

生3：活潑性，氟單質太活潑，不易制得，且反應設備要求很苛刻；而溴、碘單質的活潑性不足。

生4：根據表1可知，化學家可能還要考慮與雜質更易分離。

師：很好，鑒于幾個小組同學分析的原因，故綜合考慮使用氯氣。

生5：(針對問題3)根據表2可知，可以先將液態混合物升溫至12.8℃以上，讓BCl₃全部逸出，然后升溫到57.7℃以上，但不超過162℃，得到的氣態物質就是純凈的SiCl₄。

師：非常棒。

生6：(針對問題4)會引入碳雜質。

師生小結黃沙轉化成二氧化硅可用于制備光導纖維，二氧化硅轉化成高純硅可以用來制成計算機芯片等高科技產品，從而實現了黃沙身價的巨大提升。

2.4 嘗試規劃任務，提升學生思維能力，整合學習成果

師生共同活動：分析《青海省2011-2020年發展規劃綱要》有關柴達木地區建設規劃任務，了解柴達木地區的主要資源，如沙漠、鹽堿湖和煤田等(學案內容見下文)，分析這些資源能為建立太陽能光伏產業鏈提供的具體物質。明確小組合作學習任務，開展規劃設計。量超過10億噸。小組共同設計一個圍繞沙漠開發，結合利用鹽堿湖和煤田等資源的產業規劃。建議用方框圖方式表明主要生產環節的能源、原料及其來源。

小組展示規劃圖，介紹所在小組的研究成果，并組間比較和組內討論完善。

師：通過以上學習了解到提高黃沙身價的途徑，各小組在規劃圖中均明確提出以沙漠中的沙子和陽光為中心，利用氯堿工業的產品(氯氣、氫氣、氫氧化鈉、鹽酸等)和煤炭資源等，將黃沙轉化成高純硅，高純硅制成太陽能電池用以發電，產業園區的能源和物質實現了循環利用，最終實現了電能外輸的設想，從而實現了“沙漠太陽能孵化項目”的設想。

2.5 拓展學習與課后作業

師生共同分析：圍繞二氧化硅和高純硅建立相關的產品加工廠，實現產品的多樣化，拓展相關產品的應用面。如：光導纖維在醫學上的應用，如胃鏡；太陽能電池的應用，如人造衛星、新能源汽車、手機充電器、通訊基站、太陽能路燈、太陽能建筑等。

師：介紹我國科技新進展，太陽爐冶煉高純硅，并指出該法的重要意義，能大幅度降低冶煉硅的碳排放量。

展望：自我復制機器人吞噬沙漠。

布置全體同學完成【基礎性練習】，選做【拓展性練習】，選讀【拓展閱讀材料】等。

(相關學案內容略)

3 課后反思

整節課較為順利地完成了預設目標，融入背景知識的設計激發了學生使用學案學習的積極性，以至于上來展示的三位同學中，有兩位是平時化學學習的困難生，展示的作品內容的結構合理、拓展度寬、綜合度高等特點很好地反映出她們積極思考、主動探究的學習表現。并且，在下課后不少同學還在討論本節課的研究內容，多位同學向教師表述自己也做得很好，只是因為時間有限，未能上講臺展示小組的研究成果。

本節課的實施過程也存在不足，部分問題未能很好地展開討論。原因是筆者對學生的學情估計不足，以至于部分探究性問題設計時臺階過高，學生表現出知識儲備不足，如不知道氟、溴和碘單質的性質，而導致學生難以回答相關問題。由于規劃任務的綜合度很高，而課堂教學時間有限，未能充分展開討論分析，甚為遺憾。部分專家和教師指出學案文本內容過多，但從學生反饋信息來看，他們還是愿意去讀、也希望有更多機會閱讀這樣的文本。只要學生“悅讀”，相信學習用時還是在可接受的范圍內。

參考文獻：

【1】吳俊明，駱紅山.“學案”的意義、基本任務、編制及其他【J】化學教學，2011，(1)：6～8

【2】吳俊明.化學新課程課堂教學的發展走向【J】化學教學。2011.(4)：7-10