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

叢高

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

叢高

（如東縣教師發展中心江蘇如東226400）

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

實驗探究；變化守恒；宏微結合；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“開發利用金屬礦物和海水資源（第1課時）”。本次活動以“培養學科核心素養”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金屬的教學內容后，設計了兩條主線，一明一暗。明線：即以人類發展史中重要金屬材料的發現和使用為主線，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，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），進而結合金屬活動性，通過歸納、分類和整理各種金屬的工業冶煉方法，加深對氧化還原反應的理解。暗線：寓學科核心素養的培養于學生思維品質的優化中，通過精心設計的問題，結合適當的學法指導，從“實驗探究”“變化守恒”“宏微結合”“分類表征”“綠色運用”等多個方面培養學生的學科素養。整節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展中的關鍵作用。

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！游戲規則是對人類歷史發展代表性時期和對應的標志性技術或人物進行連線，如圖2。

圖2　連連看

［師］今天我們一起來走進人類歷史發展中的重要金屬材料。石器時代“火”的發現和利用為銅、鐵的冶煉奠定了基礎，包括工業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：人類很早就發現，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——從化合態還原為游離態。

視野開拓：介紹湖北博物館的鎮館之寶“編鐘”（圖片）的高超鑄造技術：運用合金比例（圖片）控制音色！（錫偏低，鐘聲單調而尖銳，過高鐘體韌性下降易被擊破，而適當的含鉛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了解）

設計意圖：激發學生的興趣，也為后面介紹煉鋼中通過調節硅、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構的差異，從而初步感受“性構相依”。而對于“神奇的音樂性能”現場不講，僅留提示，必定會激發學生學習的熱情，兼有激發學生熱愛藝術的設想。

（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、陽兩極現象，結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。可通過加液后在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，減少了其對環境的污染，本身就體現了綠色化學思想。

［師］視野開拓：簡單介紹現代煉銅技術——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側澆鑄成坩堝狀，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皿。用坩堝鉗將燃燒的鎂條插入反應物引發反應，……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，現象十分明顯，火焰集中在小范圍內垂直向上噴射，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，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。

［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］根據反應的宏觀現象，從微觀角度加以分析。

問題1：根據反應的宏觀現象，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域上的突破）。有興趣的同學兩年后可以考慮填報“催化工業”專業，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”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“宏微結合”，進而完成從“物質轉化與能量變化”雙重角度認識物質世界！并且進一步激發學生對化學的興趣，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代高爐煉鐵

結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在南海的美國現役主戰航母——“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量的要求之高；第二，聯系時下區域政治熱點，激發學生的愛國熱情，并自發轉化為一種民族的使命感、責任感。

［視頻播放］結合“氧氣頂吹轉爐煉鋼”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、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：

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

圖6　板書設計

［師］金屬材料發展的歷史演變是材料發展的歷史演變中的重要組成部分，見圖7。從人類歷史發展的幾個重大時期看，材料歷經了天然材料→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，人類進步的關鍵”。

課后拓展：上網查閱、走訪、調查了解海水金屬資源的利用現狀和展望。

圖7　化學與材料發展史

五、教學反思

1.對立與統一

整合和發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：“化學既是關于自然的科學，又是關于人的科學。在當代科學的發展趨勢中，它們正在走向統一。因此，現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。”

2.實驗探究與創新

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，很好地發揮了實驗的不可替代功效。實驗結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，這個動態的過程相比教材中靜態的過程而言，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整和鋼材所呈現的特性等的關聯，培養學生“性構相依”的學科思想。通過由表及里、層層推進的三個問題：根據鋁熱反應的宏觀現象，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“物質轉化與能量變化”雙重角度認識物質世界！

比較遺憾的是，學生活動三這個環節略顯倉促，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，談談本市礦產資源合理開發的舉措……由于我看錯時間（結果下來發現提前了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。