基于化學(xué)工業(yè)邏輯的“鋁的冶煉”教學(xué)設(shè)計(jì)

陳輝國(guó)

摘? ?要：基于工業(yè)思想，以“鋁的冶煉”為例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工業(yè)和化學(xué)思想分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，逐步形成化學(xué)工業(yè)邏輯思維。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)的能力。深度挖掘在化學(xué)工業(yè)發(fā)展歷程中的科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：鋁的冶煉;工業(yè)思想;教學(xué)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以人教版選修2—《化學(xué)與技術(shù)》第三單元化學(xué)與材料的發(fā)展，第二節(jié)金屬材料“鋁的冶煉”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，在實(shí)踐中幫助學(xué)生體會(huì)化學(xué)工業(yè)思維。該課堂教學(xué)實(shí)踐獲得2014年全國(guó)優(yōu)質(zhì)課比賽暨觀摩活動(dòng)特等獎(jiǎng)。

1? ? 教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1? 課堂引入—把握時(shí)代發(fā)展的差異，體驗(yàn)化學(xué)工業(yè)發(fā)展意義

[教師引入]元素周期表是偉大的俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫發(fā)現(xiàn)的，為此，1857年，沙皇獎(jiǎng)勵(lì)了門(mén)捷列夫先生一個(gè)在當(dāng)時(shí)極其珍貴的、價(jià)比黃金的鋁制獎(jiǎng)杯。大家一定很好奇，是什么原因使鋁從貴金屬變成了當(dāng)今生活中處處可見(jiàn)的常規(guī)金屬。

1.2? 亮出教學(xué)思路—抓住工業(yè)邏輯，解決工業(yè)問(wèn)題

[老師]要認(rèn)識(shí)鋁這種典型金屬的冶煉方法，需要從哪些角度進(jìn)行分析呢？一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程通常包括“篩選原料—探尋原理—剖析產(chǎn)技術(shù)”3個(gè)方面。

1.3? 篩選原料—利用新邏輯，分析舊知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題

[老師]冶煉鋁可以用什么作原料？工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)原料最重要的考慮因素是原料的來(lái)源和成本等問(wèn)題。據(jù)我們所知，鋁元素在自然界的含量很高，是含量最高的金屬。鋁元素以什么形態(tài)存在？具體為哪些化合物呢？

[學(xué)生]三氧化二鋁。

[老師]工業(yè)上把含有豐富三氧化二鋁的礦石稱(chēng)之為鋁土礦，因此，我們初步選擇鋁土礦作為冶煉鋁的原料。

1.4? 探尋原理—緊扣冶煉的科學(xué)史事，凸顯發(fā)展歷程

[老師]用什么原理來(lái)冶煉鋁呢？首先我們學(xué)過(guò)哪些冶煉金屬的一般方法？

[學(xué)生]熱還原法、熱分解法、電解法、富集法。

[老師]用哪一種方法呢？我們?cè)僖黄鹂纯礆v史上科學(xué)家們的足跡。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)視頻解說(shuō)，回答學(xué)案上的3個(gè)問(wèn)題。

[視頻解說(shuō)詞]1746年，法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫證實(shí)不能用碳等還原劑還原氧化鋁;1825年，丹麥奧斯特利用金屬鉀還原氯化鋁獲得少量的鋁;1854，法國(guó)的德維爾利用金屬鈉還原NaAlCl4得到了一定量的鋁;1886年，美國(guó)的化學(xué)系學(xué)生霍爾和法國(guó)的埃魯分別發(fā)現(xiàn)了冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法獲得金屬鋁。

[問(wèn)題]（1）科學(xué)家們?cè)谔剿髦胁捎昧四男┮睙捊饘俚囊话惴椒ǎ?/p>

（2）門(mén)捷列夫在1857年獲得的鋁制獎(jiǎng)杯是哪位科學(xué)家的研究成果？你認(rèn)為鋁價(jià)比黃金的原因是？

（3）比較這些方法，你認(rèn)為最合理的方法是哪一種？為什么？

[學(xué)生]歷史上，科學(xué)家們探索了熱還原法，選擇了CO、鉀等作為還原劑，最合理的方法是電解法。門(mén)捷列夫的鋁質(zhì)獎(jiǎng)杯應(yīng)該是利用了德維爾的金屬鈉還原法，因?yàn)樵想y得，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量小。電解法冶煉鋁最合理，因?yàn)樵弦椎茫杀镜停a(chǎn)量加大。

[老師]通過(guò)以上分析再一次確定，冶煉鋁的原料最好選擇鋁土礦。也找到了冶煉鋁的原理是電解法，把它稱(chēng)為“霍爾—埃魯鋁電解法”，在利用這種原理時(shí)使用了一種特殊的材料—冰晶石。

[展示]百度百科中有關(guān)冰晶石的資料。

[老師]根據(jù)資料閱讀，回答冰晶石的作用。

[學(xué)生]助熔劑。

[老師]正是這種助熔劑的存在，使氧化鋁融化的溫度由2 050 ℃，降低到1 000 ℃左右，大大地降低了成本，這也是霍爾—埃魯電解法最成功之處。接下來(lái)，請(qǐng)各位寫(xiě)出電解法制鋁原理的總反應(yīng)方程式和電極反應(yīng)式。

1.5? 剖析技術(shù)—自主探究，質(zhì)疑求證，突破重點(diǎn)技術(shù)

[老師]工業(yè)上如何實(shí)現(xiàn)該原理呢？需要對(duì)生產(chǎn)的工藝技術(shù)進(jìn)行剖析。工業(yè)生產(chǎn)用了這樣的生產(chǎn)車(chē)間大量冶煉鋁，具體的電解槽裝置請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材61頁(yè)最后一個(gè)自然段，同時(shí)思考以下問(wèn)題。

（1）電解裝置中的電極材料是？電解液是什么？

（2）電解冶煉鋁需要哪些原料？

[學(xué)生]氧化鋁、冰晶石、碳。

[老師]原料中最重要的毫無(wú)疑問(wèn)是氧化鋁，從哪里來(lái)？可以直接使用么？

[學(xué)生]從鋁土礦中來(lái)，需要對(duì)鋁土礦進(jìn)行提純。

[展示]據(jù)資料查閱，鋁土礦中除50%～70%氧化鋁，還有氧化鐵，二氧化硅等雜質(zhì)。

[老師]鋁土礦的提純需要突破重要技術(shù)。對(duì)鋁土礦的提純需要運(yùn)用這3種氧化物的不同性質(zhì)，據(jù)我們所知，三氧化二鋁是兩性氧化物，二氧化硅是酸性氧化物，三氧化二鐵是堿性氧化物，請(qǐng)同學(xué)們利用性質(zhì)的區(qū)別，分小組討論并設(shè)計(jì)鋁土礦的提純方案。過(guò)程中請(qǐng)參考混合物提純方案的一般書(shū)寫(xiě)方法。

[老師]根據(jù)大家的設(shè)計(jì)，有酸溶礦和堿溶礦兩種方式，工業(yè)生產(chǎn)中到底采用的是哪一種方式呢？請(qǐng)閱讀教材61頁(yè)。

[學(xué)生]工業(yè)上采用的是堿溶法。

[老師]工業(yè)堿溶法的步驟與你剛剛的設(shè)計(jì)相同嗎？

[學(xué)生]不一樣，書(shū)上步驟中沒(méi)有加過(guò)量鹽酸除去二氧化硅的步驟。

[展示教材方案]

[老師]你更愿意相信誰(shuí)？

[學(xué)生]實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

[老師]是的，實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。接下來(lái)就讓我們實(shí)踐吧，要確認(rèn)教材的處理方法是不是會(huì)留下二氧化硅雜質(zhì)，只需要確定加入過(guò)量二氧化碳后獲得的沉淀中是否有硅酸，而用氫氧化鈉溶礦的由于需要較長(zhǎng)的時(shí)間，已由老師替大家完成了，所以，大家需要模擬的是這一步。接下來(lái)請(qǐng)同學(xué)們利用實(shí)驗(yàn)盤(pán)中的藥品，有用氫氧化鈉溶解鋁土礦的燒杯，請(qǐng)直接用塑料滴管取上層清液，裝有大理石的大試管（制備CO2用），鹽酸溶液，氫氧化鈉溶液。

[學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)]向鋁土礦的堿浸取液中通入CO2觀察到白色沉淀。

[老師追問(wèn)]可以如何確定這種白色絮狀沉淀是氫氧化鋁還是硅酸，或者兩者都有？

[學(xué)生]稀鹽酸，若沉淀溶解完全，則說(shuō)明僅含有氫氧化鋁，反之則有硅酸。

[老師]請(qǐng)你帶領(lǐng)大家一起完成實(shí)驗(yàn)。

[學(xué)生]看到白色沉淀幾乎溶解完全，說(shuō)明是氫氧化鋁，含有二氧化硅非常少。

[老師]從實(shí)踐我們得出，教材給出的方案最終沒(méi)有大量的二氧化硅雜質(zhì)。原因在哪里？根據(jù)老師資料查閱，這是因?yàn)樵谟脡A溶礦時(shí)，發(fā)生了較復(fù)雜的反應(yīng)，生成了叫作鋁硅酸鈉的難溶物，同時(shí)除去了二氧化硅。當(dāng)然，也希望有興趣的同學(xué)下去更多地了解。這也是奧地利化學(xué)家拜耳發(fā)明用堿溶法提純氧化鋁的重要意義。正是此發(fā)明實(shí)現(xiàn)了冶煉鋁的大規(guī)模生產(chǎn)，成為產(chǎn)量第二的金屬材料，使鋁從貴金屬真正變成了常規(guī)金屬。

1.6? 前景—關(guān)注產(chǎn)業(yè)前景，提升課堂立意

[老師]在老師備課過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)冶煉鋁的前景不容樂(lè)觀。首先，電解鋁產(chǎn)業(yè)陷入虧損，其次國(guó)家對(duì)此行業(yè)有限制。你認(rèn)為這是為什么？

[學(xué)生]電解需要電，耗能高。

[老師]確實(shí)，由于冶煉原理帶來(lái)的能耗是很高的，高能耗將帶來(lái)許多環(huán)境問(wèn)題。尤其是在習(xí)總書(shū)記提出“建設(shè)美麗中國(guó)，狠抓節(jié)能減排”的方針下，電解鋁可以有哪些發(fā)展方向值得思考。

[學(xué)生]開(kāi)發(fā)新能源，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，回收廢舊鋁材。

[老師]開(kāi)發(fā)新能源以及改進(jìn)生產(chǎn)工藝是科學(xué)家正在做的工作，也是同學(xué)們以后努力的方向。現(xiàn)在的我們，回收廢舊鋁材是可行的。以回收身邊的易拉罐為例。資料顯示：回收易拉罐煉鋁的能耗僅為利用鋁土礦煉鋁的3%，節(jié)約能耗97%。

[老師]本節(jié)課的內(nèi)容已經(jīng)結(jié)束了，今天我們利用已學(xué)的化學(xué)知識(shí)解決了鋁冶煉過(guò)程中的各種問(wèn)題，體驗(yàn)了科學(xué)家使鋁從貴金屬變成常規(guī)金屬的研究過(guò)程，也明白科學(xué)家對(duì)此還需要深入研究。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。正如門(mén)捷列夫告訴我們的一樣：科學(xué)不但能給青年人以知識(shí)，給老年人以快樂(lè)，能為人民創(chuàng)造真正的精神財(cái)富和物質(zhì)財(cái)富，能創(chuàng)造出沒(méi)有它就不能獲得的東西。這就是科學(xué)的魅力。

2? ? 教學(xué)反思

對(duì)于高二年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，“鋁的冶煉”教材上呈現(xiàn)的每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式都是已學(xué)的。新知識(shí)量少且需要識(shí)記的知識(shí)居多。這也是選修2教材的普遍特點(diǎn)。本教學(xué)設(shè)計(jì)充分挖掘教材內(nèi)容中的化學(xué)工業(yè)邏輯、工業(yè)與人、社會(huì)的關(guān)系等，讓學(xué)生獲得化學(xué)工業(yè)邏輯和情感的深度體驗(yàn)。

2.1? 基于工業(yè)邏輯，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工業(yè)和化學(xué)思想分析問(wèn)題，解決問(wèn)題

培養(yǎng)學(xué)生“將與化學(xué)相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題分解，綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)和科學(xué)方法，解決生產(chǎn)、生活實(shí)際和科學(xué)研究中的簡(jiǎn)單化學(xué)問(wèn)題的能力”。教學(xué)沿著工業(yè)生產(chǎn)分析一般途徑的邏輯展開(kāi)，筆者沿著“原料—原理—技術(shù)”的邏輯設(shè)計(jì)教學(xué)，幫助學(xué)生體會(huì)工業(yè)生產(chǎn)的一般方法。教會(huì)學(xué)生通過(guò)從存在、原理、成本等多角度分析比較篩選原料的工業(yè)邏輯。通過(guò)比較和分析歷史上冶煉鋁的發(fā)展過(guò)程，學(xué)生體會(huì)工藝發(fā)展的長(zhǎng)期性。

2.2? 最大限度培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的能力

培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力是課程改革的首要目標(biāo)。《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，樂(lè)于探究，勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)生搜索、處理信息的能力以及交流知識(shí)的能力、分析解決問(wèn)題的能力以及交流與合作的能力。筆者設(shè)計(jì)學(xué)生觀看視頻，分析歷史上各類(lèi)冶煉鋁的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn);閱讀教材，分析和認(rèn)識(shí)電解鋁裝置;查閱冰晶石和鋁土礦的相關(guān)信息;閱讀教材中鋁土礦提純方案，發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)等都有助于培養(yǎng)學(xué)生搜索、處理信息的能力。鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)鋁土礦的提純方案，學(xué)生補(bǔ)充說(shuō)明;小組合作，動(dòng)手模擬實(shí)驗(yàn)，提出檢驗(yàn)方法;探討電解鋁發(fā)展方向等均有助于培養(yǎng)學(xué)生參與探究，動(dòng)手實(shí)踐以及交流合作的能力。以學(xué)生為主體，在工業(yè)邏輯的帶動(dòng)下，讓學(xué)生閱讀、思考、實(shí)踐、質(zhì)疑，使學(xué)生的思維持續(xù)處于興奮狀態(tài)，充分體會(huì)自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)過(guò)程的樂(lè)趣。

2.3? 深度挖掘教學(xué)中的科學(xué)精神

筆者從“是什么使得鋁從貴金屬成為常規(guī)金屬？”的問(wèn)題引入，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)工業(yè)對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要貢獻(xiàn)，感受科學(xué)的重要社會(huì)價(jià)值。利用科學(xué)史話(huà)重現(xiàn)冶煉鋁的發(fā)展歷程，有利于學(xué)生體會(huì)科學(xué)發(fā)展的艱辛與漫長(zhǎng)。設(shè)計(jì)鋁土礦提純理論與實(shí)踐的沖突，鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑，小心求證，有助于學(xué)生體會(huì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。引導(dǎo)學(xué)生思考“電解鋁面臨的問(wèn)題”、探討“電解鋁發(fā)展方向”、分析“回收廢舊鋁材的可行性”以及門(mén)捷列夫的話(huà)作為結(jié)束語(yǔ)，鼓勵(lì)學(xué)生關(guān)注社會(huì)，幫助“了解 20 世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的基本特征和 21 世紀(jì)化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)”，“認(rèn)識(shí)和欣賞化學(xué)科學(xué)對(duì)提高人類(lèi)生活質(zhì)量和促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的重要作用”-[1]，有助于學(xué)生社會(huì)責(zé)任感的提升，鼓勵(lì)學(xué)生樹(shù)立科學(xué)是社會(huì)進(jìn)步第一生產(chǎn)力的觀念。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2004.