利用化學史發(fā)展核心素養(yǎng)的教學設計

卞海燕

摘要：文章分析了“從鋁土礦中提取鋁”的教材內(nèi)容，針對實際教學中學生存在的問題，提出在教學中利用化學史，幫助學生深入理解鋁的制備，同時發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的教學設計。

關鍵詞：化學史;核心素養(yǎng);從鋁土礦中提取鋁

文章編號：1008-0546（2020）11-0034-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.009

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。高中化學學科核心素養(yǎng)是高中學生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”5個方面。

一、教學內(nèi)容分析

“從鋁土礦中提取鋁”位于蘇教版必修1專題3，學生已經(jīng)學習了金屬鈉、鎂、鐵、銅的制備，金屬鈉、鎂、鋁、氧化鋁、氫氧化鋁的性質(zhì)等化學知識，初步了解結構決定性質(zhì)、活潑金屬的通性等化學學科觀念以及思維方式。這對“從鋁土礦中提取鋁”的學習打下了知識和思維基礎。

學生的思維困惑是：鋁的制備，為什么一定要用熔點這么高的氧化鋁呢？難道就沒有其他辦法了嗎？金屬的制備怎么一會是活潑金屬置換，一會電解氯化物，一會又電解氧化物呢？電解氧化鋁制備金屬鋁，有沒有其必然性？

二、基于化學史發(fā)展核心素養(yǎng)的教學設計

1.發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)，為什么要引入化學史？

正如有位中學化學教師所說：邏輯嚴密的教材給學生的感覺是“科學家總是循著正確的、合乎邏輯的思維方式，依靠自己的天賦，自然而然地創(chuàng)立了化學科學。這樣，科學發(fā)現(xiàn)的艱難歷程被過濾掉了，邏輯思維的矛盾沖突沒有了，人類探索自然奧秘、沖破自身思想禁錮的勇氣未曾展現(xiàn)出來，應有的豐富教育意義也喪失了。”融人化學史，追溯當時的學術背景和科學家們的思考歷程，可以幫助學生了解我們所知道的化學知識是如何形成的，科學家們面對問題時是如何思考、如何探究、如何解決的。

化學史融入化學教學，可以分為三個層次：一是可以使學生了解一段史實;二是可以使學生理解對相關問題認識的起點和解決的過程;三是可以使學生在歷史的回顧中發(fā)現(xiàn)在偶然性中蘊含的必然規(guī)律。

本教學設計中用化學史的不同呈現(xiàn)方式和層次貫穿整個教學：

用化學史上名人用鋁的“花式炫富”和地殼中金屬最豐富的含量的極致對比，激發(fā)學生主動提出問題，“金屬鋁的制備難在哪里？”

教師提供化學史上相關金屬的時間軸，讓時光穿越到1807年，學生利用已有的制備方法和物質(zhì)推導鋁的制備原理，發(fā)現(xiàn)金屬鋁的制備難點，結合相關化學史，感受科學家們在鋁的制備中的思維過程和艱難歷程。

呈現(xiàn)主要科學家的照片，時間在繼續(xù)往前，從相關素材中發(fā)現(xiàn)當今鋁的制備中的相關問題，作為歷史中的一員，我們應該如何解決問題，推動社會不斷往前。

2.具體教學設計

根據(jù)上述對教學內(nèi)容以及相關化學史的分析，本節(jié)課的教學目標為：

（1）通過金屬鈉、鎂、鐵、銅的制備方法，類比推導鋁的制備原理，結合相關數(shù)據(jù)、原理對推測證實或證偽，并初步形成對金屬制備的系統(tǒng)認識。

（2）通過對鋁及其化合物的認識，構建鋁及其化合物的轉(zhuǎn)化關系。

（3）通過對明天鋁的制備的展望，認同化學、社會、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的平衡，初步形成節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識。

本節(jié)課圍繞“從鋁土礦中提取鋁”，將整個學習過程分為3個階段：“鋁的制備”“從鋁土礦中提取氧化鋁”“展望明天鋁的制備”，按照圖1教學流程展開。

[課堂引入]鋁元素是地殼中含量最豐富的金屬元素，遠遠超過鐵元素和銅元素，然而在19世紀中葉，拿破侖三世的鋁制餐具、泰國國王的鋁制王冠、門捷列夫的鋁杯等案例紛紛說明鋁“祖上闊過”，是當時最貴重的金屬。

設計意圖：將金屬鋁的制備放在廣闊的歷史長河中，讓學生感受含量最高卻最貴之間的強烈的沖突，從而主動地提出問題，鋁的制備難在哪里？

[環(huán)節(jié)一]鋁的制備原理

素材1：（圖2）

1.人類經(jīng)歷了青銅時代、鐵器時代，在地殼中含量最高的金屬鋁卻為何姍姍來遲？

2.金屬的制備與哪些因素相關？

學生1：因為AL2O3的熔點太高了

學生2：金屬的活潑性、熔點以及冶煉方法等相關

設計意圖：呈現(xiàn)金屬制備的時間軸，引導學生通過類比鈉、鎂、鐵、銅的制備方法推測金屬鋁可能的制備原理，結合氯化鋁、氧化鋁、氧化鐵、氧化銅等熔、沸點的數(shù)據(jù)證據(jù)，通過分析推理對相應的推測進行證實或者證偽，發(fā)展學生“證據(jù)推理”的化學學科核心素養(yǎng)。

把人類制備金屬的順序和學生學習認知的已有知識統(tǒng)一聯(lián)系在一起，讓學生模擬當時科學家尋找制備金屬鋁的化合物以及相關原理的過程，認識金屬鋁制備的困難點。感受科學家在面臨問題時，解決問題的思路、永不言棄的執(zhí)著精神、富有創(chuàng)造力的思維過程，也切身體會用氧化鋁制備鋁的歷史必然性。

結構化是實現(xiàn)知識向素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的有效途徑，“結構化”水平直接決定著素養(yǎng)發(fā)展水平。教學中，對比已經(jīng)學過的鈉、鎂、鐵、銅的制備方法，依托金屬鋁的制備，從原來零散的、孤立的知識上升到對金屬制備的系統(tǒng)認識。

[環(huán)節(jié)2]從鋁土礦到氧化鋁

教師：已知鋁土礦中主要成分是Al2o3，還有Fe2O3等其他不溶于水的雜質(zhì)，如何從鋁土礦中提取AL2O3？請畫出流程圖。學生：（圖3）、（圖4）

設計意圖：讓學生構建鋁及其化合物的轉(zhuǎn)化，使知識結構化，書寫化學方程式進一步鞏固夯實化學基礎知識。

[環(huán)節(jié)3]展望金屬鋁制備的明天

素材5：到20世紀50年代，鋁的產(chǎn)量已經(jīng)超過銅而居有色金屬第一位，產(chǎn)量僅次于鋼鐵，而冰晶石一氧化鋁熔融電解依然是目前工業(yè)生產(chǎn)鋁的唯一方法，每生產(chǎn)1噸鋁要消耗2噸氧化鋁，綜合能耗為9.6噸標準煤，排放二氧化碳21.8噸、碳5.8噸。

教師：環(huán)顧今天我們的生活，已經(jīng)離不開鋁制品，而金屬鋁的工業(yè)制備依舊是高能耗、高排放，你能展望一下鋁的制備明天會走向哪里？

學生：減少能耗，減少排放

素材6：如果從廢舊材料中回收鋁所需的能量，僅為鋁土礦重新提煉加工所需能量的7%。回收25個易拉罐所節(jié)省的能量，相當于燃燒3.785L汽油所釋放的能量。

設計意圖：從鋁土礦中提取鋁，在需求與環(huán)境中，盡量做到整個生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，提升學生“科學態(tài)度與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。同時，作為歷史的一員，面對未來，如何推動社會的繼續(xù)前進。

總結提升：（圖6）

設計意圖：透過時間長軸，希望學生在歷史的回顧中感受事物的發(fā)展方向，看到化學家們?yōu)榱恕皬匿X土礦中提取鋁”，不畏困難、鍥而不舍、勇敢求索的蹤跡，學習18年如一日執(zhí)著研究的維勒，向有夢想，有行動的青年大學生霍爾和埃羅以及在鋁的發(fā)現(xiàn)和走向工業(yè)生產(chǎn)中為之奮斗的所有化學家們致敬！

三、教學反思

學習科學人物和科學史有助于學生了解科學發(fā)展中人們是如何通過系統(tǒng)地收集數(shù)據(jù)和運用實際的證據(jù)來發(fā)現(xiàn)可信知識的。

本節(jié)課精心選擇了與學生認知、教學內(nèi)容相匹配的化學史融入教學中，以化學史為素材進行情景設置，運用類比推理等方法推導相關結論，與化學史相佐證。不僅促進了學生對“從鋁土礦中提取鋁”制備的理解，注重相關知識和認識思路的結構化，還發(fā)展學生證據(jù)推理、科學態(tài)度與社會責任的化學學科核心素養(yǎng)。

在教學中，學習的難點主要出現(xiàn)在調(diào)動已有方法和知識、結合相關信息，用類比推理的方法推導鋁的制備的原理，以及推測其可行性。說明學生前面知識很多都是零散的平面堆積，沒有建立內(nèi)在的邏輯關聯(lián)。在后續(xù)的教學中，教師要更注意內(nèi)容的結構化，以及利用化學史展開對知識的尋根溯源，落實化學學科核心素養(yǎng)。