鋁熱反應實驗的反思性教學

咸于莉 王茂力

摘要： 以鋁熱反應實驗為例開展基于化學學科核心素養發展的反思性教學。對鋁熱反應“驗證性”實驗

功能定位予以反思;分析原實驗試劑和裝置上的不足，結合相關文獻，提出改進方案;通過觀察實驗中認

知模型建立、鼓勵質疑生成探究資源、多角度設置鋁熱反應用途情境、對比評價傳統與創新實驗等環節組

織課堂活動，對多維化學學科核心素養發展起到了積極作用。

關鍵詞： 鋁熱反應; 核心素養; 實驗設計; 反思性教學

文章編號： 1005-6629（2019）12-0049-06? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

每一次進行鋁熱反應教學都能見證學生欣賞這個實驗時表現出來的驚訝與興奮，但總有一些想法縈繞心頭——震撼的實驗效果能帶來氣氛的熱烈、興趣的升溫，在此氛圍下知道了更完備的鋁的金屬性相關知識，這固然不錯，但該實驗的教學功能和價值僅限于此嗎？學生的那種熱切是不是僅由表面的感官刺激帶來的即時興奮，學科關鍵能力[1]有提升嗎？將該實驗定位為“驗證性”實驗能否真正觸動學生的深層思維去主動發現和剖析相關知識的各個方面？該實驗本身和擴展后的意義能否充分展現？對學生的科學態度與社會責任等更高層精神領域有無觸動？在教學中把該實驗真正用到位了嗎？幾次教學下來總還有膚淺的感覺。

筆者以新課標對化學學科核心素養發展的要求為指向，結合諸多同行對鋁熱反應提出的改進，設計并實施了鋁熱反應的反思性教學。

1? 實驗試劑和裝置應然而變

鋁熱反應本身是一個放熱量非常大的反應，一旦發生后不用持續供熱，就能自發進行，但是引發該反應所需能量也較大，以至于用酒精燈也引發不了，這是改用鎂條引燃的原因之一。鎂條引燃的確可使學生認識到化學變化需要一定的條件，而且有創新意識體現，但是實施起來有一個不足： 鎂條燃燒本身過于明亮，對鋁熱反應現象有較大干擾。所以對引燃方式[2]做出如下改變： 將高錳酸鉀和鎂粉按質量比5∶1混合，向其中滴入數滴甘油，十幾秒后開始反應，僅有少量白霧，無持續明火、強光出現且引燃順利。這種無火引燃、滴液而發的方式與學生已有經驗明顯沖突，能激起學生興趣并引發他們關于化學反應中“化學變化的條件、遵循的規律、能量的轉化、化學變化的速率，調控的手段等等”的深度思考。

教材中的實驗裝置設計很獨到： 以一張濾紙作為容器，鋁熱反應發生后，濾紙熔穿，鐵水掉落，整個過程一氣呵成。不足之處在于紅熱鐵水的生成現象被濾紙擋住不少，有時濾紙被引燃，從而對觀察實驗有干擾，而且鐵水很快熔穿濾紙，一瞬間即掉入沙中。太快的過程對學生觀察不利，激動的背后可能是低效的觀察。我們將濾紙改為直立的大試管，這樣所有的藥品及反應過程完全可視。反應的引發、鋁熱劑燃燒、紅熱鐵水緩緩向下流動、試管變紅變形都清晰可見。提供清晰的觀察資料是建立化學學科思維的必要條件。

實驗設計改變至此，能夠算是為學生提供了有效的觀察素材了嗎？觀察是為了獲取資料、驗證某一觀念或計劃、解答某一難題以及指導繼之而來的思維的方法。科學工作者從來不把積累觀察本身作為目的，而是經常把觀察作為獲取理智結論的手段。觀察本身應包含主動的探究[3]。

如果以出現紅熱鐵水作為整個實驗研究結果的最終呈現，那么該設計的核心素養培養的承載力還顯單薄。受到張旭東對“證據推理與科學探究”及“基于演繹推理的元素化合物性質教學”論述[4]的啟發，將設計思路轉移到鋁熱反應的“用途”探究上。鋁較活潑的金屬性與鋁熱反應提供的高溫賦予了其冶煉難熔金屬的用途，除此之外呢？如何通過實驗激發、暗示學生探索鋁熱反應用途的廣泛性呢？筆者借鑒了實驗手冊中的一個創新點： 將兩根鐵絲靠攏，埋在鋁熱劑當中。當紅熱鐵水漸漸冷卻，敲開試管后發現： 兩根靠攏的鐵絲被緊緊焊接在一起，而且鐵絲的長度比之前短了一截。如果能引導學生啟動理智、有效的觀察，這些現象就可以作為鋁熱反應有焊接金屬和熔斷金屬的用途的設想之暗示，教師隨后提供“焊接鐵軌”“定向爆破熔斷鋼筋”等證據分別對這些設想予以證實。過程中可以促使學生進行有效觀察，激發有實際目的、意義指向的深度思維與推理探究意識，鍛煉運用化學反應原理解決實際問題的能力，同時可讓學生深刻認識化學對創造更多物質財富和精神財富、滿足人民日益增長的美好生活需要的重大貢獻[5]。反思至此，鋁熱反應的實驗裝置完成了以下改變（所用儀器為大燒杯、硬質玻璃反應管，裝置見圖1）。

圖1? 改進后的實驗裝置示意圖

2? 學科能力活動的應然而設

合適的學習材料并不意味著核心素養的必然建立。核心素養的培養既不可能一蹴而就，也不是空中樓閣，而是建立在教師對知識的功能化理解的基礎上潛移默化地培養起來的。學科知識需要經過學習和理解、應用和實踐、遷移和創新等關鍵能力活動，才能從具體知識到認識方式的外部定向、獨立操作和自覺內化，從而形成學科核心素養。反思之前的鋁熱反應教學，教師講述的比重過大，缺乏有效的學科能力活動來引發學生深度思考從而達到認識方式的提升，更缺乏對知識的應用實踐、遷移創新。因此，基于素養的教學資源的挖掘固然重要，而能否利用這些資源在課堂建立有效的學科能力活動則是決定核心素養培養成敗的關鍵。

2.1? 帶著目的去觀察，建立實驗觀察中的認知模型

為了提高觀察的效率和實現觀察的意義，促進學科思維進而發展素養，觀察實驗時需要帶有一定的目標指向。達成該目標往往需要超越現象觀察的本身，需要對反應的本質和應用作出探索，對實驗的細節進行敏銳的審視，并且需要有一定的探究性思維。

觀察目標即是一種觀察實驗的認知模型體現，該認知模型一旦形成，實驗觀察中的思維層次就會有一個提升——從表象的關注升華至對本質（內）和應用（外）的探索。鋁熱反應屬于鋁的性質實驗，其觀察認知模型可按圖2所示建立。

圖2? 觀察實驗認知模型

向學生詳細說明實驗裝置和藥品后，用PPT明確提出實驗觀察目標要求：“何種現象說明鋁和氧化鐵能反應？該反應的條件是什么，如何提供？產物是什么？體現了鋁的何種性質？該反應的熱效應如何？該反應的用途？實驗中鎂粉、高錳酸鉀和甘油的作用？作出以上判斷的依據？還有何疑問？”接著開始滴液引發反應。實驗完成后，敲開試管，學生觀察到兩段鐵絲被焊接在一起，之后開始相互交流，討論。各組主要發言記錄如下：

火花四射、有紅熱液體慢慢向下流動，說明鋁和氧化鐵發生反應;

反應的條件是需要供熱，因為不加熱時不反應;

鎂粉、高錳酸鉀和甘油混合后應該是能起到供熱的作用;

產物有鐵單質，因為鐵絲被冷卻的鐵水固定在一起，體現了鋁的還原性;

肯定是放熱反應，鐵都變成鐵水了，試管也變形了;

可以用該反應煉鐵、焊接金屬;

……

交流中，大部分要求掌握的知識點在學生口中逐漸呈現，教師擇其要點，板書加以確定、強調以及補充。

2.2? 課堂質疑懸而不答，鼓勵深入思考，促進“科學探究與創新意識”的培養

質疑過程中，學生提出的部分問題如下：

為何不用酒精燈直接加熱鋁和氧化鐵引發反應？

把鐵絲焊接在一起的一定是冷卻后的鐵水嗎？如何確定生成了鐵？

鎂比鋁更活潑啊，該反應會不會是鎂粉把氧化鐵還原了？

如果是鋁和氧化鐵反應是放熱反應，為何還要用上層粉末反應后去引發？

鋁比鐵貴，為何消耗鋁來冶煉鐵？

除了氧化鐵可以與鋁反應，其他金屬氧化物可以嗎？

……

教師并未直接回答學生提出的所有問題，進行簡明板書記錄后，選擇某些問題作為課堂生成的探究資源，教師作為引導者、組織者、合作者，和學生一起進行深入思考、交流、評價，避免有疑立答的做法。延緩評判對發展學生“科學探究與創新意識”素養有積極作用。在此舉兩例：

[例1]

教師： 針對Z同學提出的“鎂比鋁更活潑啊，該反應會不會是鎂粉把氧化鐵還原了？”請同學們參謀一下。

A同學： 理論上鎂應該可以和氧化鐵反應，而且可能比鋁反應時還要劇烈，這是活潑性決定的。

B同學： 鎂粉和鋁粉都有，應該是鎂粉更優先于鋁粉去和氧化鐵反應。

教師： 具體情況要具體分析，有不同想法的嗎？

C同學： 你們說的情況和這個實驗有些不符合，這個實驗中的鎂粉是在鋁粉和氧化鐵混合物的上層，量少且接觸面只有一層而已，而紅熱的鐵水生成是從上往下而且逐漸增多，說明是鋁粉還原了氧化鐵。

D同學： 我同意C同學的意見，鎂粉燃燒后熱量供給了后面的反應就沒了啊，鎂粉只有一點點啊，哪兒還能還原氧化鐵？

教師： 同學們觀察得很仔細，提出的問題很有份量，分析得也有理有據，鋁熱反應中的確是鋁作主角去和氧化鐵反應了。那么如果換一個情景來思考Z同學的質疑，會不會真有“鎂熱反應”呢？反應是不是更劇烈呢？會在哪里使用“鎂熱劑”呢？請同學們課后找資料查證。

設計這個活動的主要目的是發展“科學探究與創新意識”素養，且將該素養的應用延伸至課外。要求學生運用較多的化學學科知識與基本觀念，諸如活潑性、優先反應順序、量的多少、反應接觸面積等，可以看出該素養的發展也需要依靠其他幾個維度的素養合力支撐。

[例2]

學生A： 既然鋁和氧化鐵反應是放熱反應，為何還要用上層粉末反應后去引發？

學生B： 放熱反應又不是說不要條件，也需要激發的。

教師： 能不能舉個例子？

學生B： 氫氣燃燒是放熱的，但是也要點燃才能反應。

教師： 能否從反應過程中能量變化的角度來解釋為何有的放熱反應也需要加熱？

思考一會兒后，有學生回憶起相關的反應歷程—能量關系圖，對能壘的存在與對反應條件的影響作出了說明……

可以看出，部分學生具備的化學知識、學科觀念處于比較零散和混淆的狀態。認為放熱反應是自發的，是不需要外界施加能量即可發生的反應，對反應能壘的存在常常忽略，所以始終有部分學生固執地認為“放熱反應無需加熱，吸熱反應必須加熱”。糾正這一錯誤的學科觀念已屬不易，而構建正確的認知模型并應用在實際問題中才算是真的做實了。

在一次準備實驗時出現了一個意外： 當時氣溫不到10℃，筆者將甘油滴入高錳酸鉀與鎂粉混合物后卻遲遲不能引燃反應，由于也想順便試試下層鋁熱劑的比例是否恰當就又取鎂條插入混合粉末中來引燃，當把打火機火焰靠近鎂條時，短短幾秒時間，鎂條還未來得及引燃，之前滴入的甘油卻與高錳酸鉀開始反應了，滋滋作響，白霧升騰，隨即鎂粉反應引發了鋁熱反應。筆者將這個“意外”告知了學生。

教師： 為何當時將甘油滴入高錳酸鉀與鎂粉混合物后卻遲遲不反應？為何用打火機點燃鎂條時，鎂條還沒點燃卻把之前安靜的甘油和高錳酸鉀吵醒了，這里的原因是什么？

（學生非常感興趣，并將之前的能量觀念利用起來，熱烈討論后得出結論）

學生A： 可能是當時氣溫較低，不足以引發甘油和高錳酸鉀的反應，而當打火機火焰靠近，

起到了加熱激發反應的作用。

教師追問： 針對整個實驗過程，試分析每個反應的熱效應以及反應之間的關系。

學生B： 這里所有的反應都是放熱反應，甘油和高錳酸鉀反應放熱促使鎂反應，鎂反應放熱激發鋁熱劑反應。

教師： 如只用高錳酸鉀和甘油，而不加鎂粉，鋁熱反應不能被激發，試解釋原因。

學生C： 高錳酸鉀和甘油反應放的熱不夠越過鋁熱反應過程的能壘，所以不能直接激發，但是這個熱可以使鎂粉燃燒，而鎂粉燃燒放熱更大，可以越過鋁熱反應過程的能壘。

教師： 回答非常清晰到位！

該課堂活動利用學生提出的問題，對放熱反應的激發方式展開思考與討論，發展了“變化觀念與平衡思想”素養，對提供反應的“條件”有了更深刻的認識;利用實驗中的“意外”使學生在真實情境中應用正確的認知模型進行深度思考，也使學生體會到進行科學發現與解釋的樂趣以及嚴謹求實、探索未知的科學態度的重要性，和以往情境單一且活動單調、單向的教學相比，核心素養培育的達成效果完全不同。

2.3? 多角度設置“熔斷”情境，培養“科學態度與社會責任”的核心素養

在學生交流鋁熱反應的用途時，根據實驗現象可較容易得出“焊接”與“冶煉”的假設，接著教師播放焊接鐵軌的錄像，對他們的假設進行了證實，也一并解答了之前提出的“鋁比鐵貴，為何用消耗鋁來冶煉鐵”這一質疑。

正當學生思想處于“滿足”狀態而自得時，教師將實驗前等長的鐵絲和反應后明顯短了一截的鐵絲對比，再讓學生思考鋁熱反應的更多用途，大家又開始細細思索，但一時提不出合理的設想。這時教師展示了兩段視頻： 一個是美劇《絕命毒師》中懷特先生用鋁熱反應熔化鐵鎖進入化學品倉庫偷盜制毒原料;一個是美劇《生活大爆炸》中幾位年輕科學家在野外換汽車輪胎時遭遇螺絲生銹卡死，本打算用鋁熱劑熔斷生銹螺絲，卻不料把汽車引燃的場景。

這些學生平時津津樂道的熱門美劇，當然一下子引起他們的極大興趣，立刻和剛才思路受阻的“用途”聯系上了：

學生A： 喔！鋁熱反應產生的高溫可以熔化金屬，那可以起到切斷金屬的作用！

教師： 電影中的做法的確應用了鋁熱反應的“熔斷”用途，但科學本身是把雙刃劍，對他們的做法有何想法？

學生B：“熔鎖”的動機是偷盜，這是把科學反用了;

學生C： 如果不是偷盜，用鋁熱劑“熔鎖”太巧妙了！

學生D： 熔斷生銹螺絲本身很有創意，但是忽略了這個反應的威力和具體的環境，沒有注意安全，在靠近易燃物做鋁熱反應是濫用了這個反應。

教師： 再給大家看一個將鋁熱反應熔斷正用的例子。（PPT展示定向爆破中地底鋼筋的熔斷）大家看到了多個應用鋁熱反應的實例，有何體會？

學生E： 鋁熱反應知識本身比較好懂，但是到實際生活中如何合理應用，是很需要創造力和判斷力的。

學生F： 科學本身是中性的，科學的正用、反用、濫用會帶來不同的后果……

“科學態度與社會責任”素養進一步揭示了化學學習更高層次的價值追求[6]。然而該素養培養常顯得比較蒼白無力，不知從何下手。原因就是在相關情境中未找尋到恰當的素養生長點讓學生有實感而自發，教師一味去宣講、灌輸，只能引來乏味、呆板的說教。杜威在《我們怎樣思維》一書中說到： 教師是一名向導和指導者;教師掌舵，而驅動船只前進的力量一定是來自學生的。教師愈是了解學生以往的經驗，了解其希望、理想和主要的興趣，就愈能更好地理解為使學生形成深刻思維所需要加以指導和利用的各種工作動力[7]。該課堂活動利用學生對熱門美劇的興趣，設計了“熔斷”用途的反用、濫用、正用的情境，讓他們自己評價，作出價值判斷，樹立社會責任感和科學倫理道德意識，“科學態度與社會責任”的素養培養顯得自然、真實而且有份量。

2.4? 教材實驗與創新實驗的對比評價與再設計促進化學學科核心素養發展

基于鋁熱反應教材實驗的經典性和相關考試要求，用改進實驗全盤代替顯然是不合理的。教材實驗是經過諸多教育教學專家多次認真實踐、反復論證后才編入教材，后續的改進實驗可以說是站在前人肩上而有所為，對教材實驗的尊重本身也是體現“科學精神”的一個方面，以此反思促成“教材實驗和改進實驗的對比評價”課堂活動。需要指出的是，既然是“對比評價”，必然對兩個實驗的優點、缺點都要認真挖掘——從原理、裝置、操作方便性、現象展示效果、經濟性等方面展開對比思考，這種思考屬于高階思考，需要一定的批判能力和對實驗創新點的欣賞能力，對“科學探究與創新意識”素養的發展有積極促進作用。

學生對裝置和試劑的部分評價如下：

學生A： 教材實驗要用鐵架臺等笨重的裝置，改進實驗裝置輕巧，使用方便。

學生B： 教材實驗裝置中鐵水生成沒有那么容易觀察，一下子就掉下去了，改進實驗裝置使得鐵水的生成和流動都很容易觀察。

學生C： 改進實驗中還有焊接鐵絲的展示，很有趣，教材實驗中不能做到。

教師： 注意是“評價”不是“否定”，教材實驗中的裝置沒有一點優勢嗎？

學生D： 教材實驗中用濾紙做反應容器很經濟劃算，而改進實驗會損失整個試管。

學生E： 我也覺得改進實驗更花錢，教材實驗用的藥品種類更少些。

教師： 今天的鋁熱反應改進實驗是在教材實驗基礎上繼承和發展而來，你們已經知道了兩個鋁熱反應實驗了，看看能不能在它們的基礎上設計出更優秀的鋁熱反應實驗呢？

3? 對“鋁熱反應”反思性教學的再反思

3.1? 此次鋁熱反應教學實踐中化學學科核心素養培養情況

對鋁熱反應實驗進行改進以及相關課堂活動設計都是在化學學科核心素養指向下而成，實踐中沿著“情境→知識→思維→素養”的認知邏輯順序而行。在教師的主導下，學生起到了主體的作用，新穎、熟悉、實用的情境激發了他們的興趣和注意力，在質疑和釋疑過程中充分啟用高階思維，運用各種化學學科知識、觀念和認知模型來進行深層思考，使化學學科核心素養在學習過程中得到整體發展，達到了預期的目標。

3.2? 對鋁熱反應教學的展望

化學學科核心素養的培養還可以通過引入相關的化學史來助力，借助史料，追尋學科知識演變歷程，遵循學生思維特征，設計有針對性的教學有助于提升學生的知識水平和核心素養[8]。當學生被真實史料中真理探尋之路的曲折和不易所吸引、被科學家的堅持不懈而打動、為他們巧思妙想而喝彩、在體驗他們的心路歷程中去認識科學方法和研究思想時，關鍵的化學學科思維和核心素養就同時在形成。這當然需要教師在對相關化學史的挖掘、選擇、呈現上付出一番心血，但這一定是值得的。比如網上查到如下資料：

德國化學家漢斯·歌德史密斯（Hans Goldschmidt）于1893年發明鋁熱法并于兩年后申請專利。因此該反應也被稱為“歌德史密斯法”或“歌德史密斯過程”。研究最初的目的是在不用碳熔煉的條件下制備高純度金屬，但歌德史密斯敏銳地發現鋁熱法可以用于焊接。1899年在德國埃森，鋁熱法首次商業應用于焊接鐵軌[9]。

該則史料中有哪些素養生長點？如何設計對應的有探究深度的課堂活動來促使這些素養的發展？這為教師提供了一種發展核心素養的新視角和實施途徑。

反思性教學沒有終點，追求“理想教學”“合理的教學”是沒有盡頭的，在形成關鍵學科思維、發展化學學科核心素養的指向下，不斷再研究再實踐，期待下一次的鋁熱反應教學會更精彩。

參考文獻：

[1]楊季冬， 王后雄. 高中化學關鍵能力的內涵及構成要素研究[J]. 化學教學， 2019， （4）： 3～7.

[2]楊淑君. 鋁熱反應實驗的再改進[J]. 中學化學教學參考， 2018， （7）： 58.

[3][7]（美）約翰. 杜威著. 姜文閔譯. 我們怎樣思維[M]. 北京： 人民教育出版社， 2005： 206， 38.

[4]張旭東， 楊玉琴. 淺析“證據推理”在元素化合物探究教學中的應用[J]. 化學教學， 2019， （4）： 45.

[5][6]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 2～4.

[8]張蕊， 張寧， 許燕紅. 立足化學史， 突破“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”教學難點[J]. 化學教學， 2017， （4）： 39.

[9]搜狗百科[https：//baike.sogou.com/v267446.htm？fromTitle=%E9%93%9D%E7%83%AD%E5%89%82].