創(chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)性化學(xué)問題，培育學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)
——以“鐵的冶煉”的教學(xué)為例

曹晶晶 張彩玲

（1.南京市金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部 江蘇 南京 210046；2.南京市棲霞區(qū)教師發(fā)展中心 江蘇 南京 210046）

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：義務(wù)教育階段化學(xué)課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)包括化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。課程理念中要求重視開展核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)，注重啟發(fā)式、互動(dòng)式、探究式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多樣化探究活動(dòng)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境。課程目標(biāo)中核心素養(yǎng)內(nèi)涵的科學(xué)思維主要包括：在解決化學(xué)問題中所運(yùn)用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學(xué)方法，基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測物質(zhì)及其變化的思維能力，在解決與化學(xué)相關(guān)的真實(shí)問題中形成的質(zhì)疑能力、批判能力和創(chuàng)新意識。［1］

“鐵的冶煉”一課題貼近生產(chǎn)，筆者通過精心設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題讓學(xué)生認(rèn)識實(shí)驗(yàn)室模擬煉鐵和工業(yè)煉鐵的過程，并以驅(qū)動(dòng)性問題貫穿整個(gè)教學(xué)過程，在分析和解決問題的過程中獲得知識和技能，逐漸培育科學(xué)思維。

“鐵的冶煉”這一課的知識網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，教學(xué)流程如圖2所示。

圖1 知識網(wǎng)絡(luò)

圖2 教學(xué)流程

一、教學(xué)目標(biāo)

1.知道一些常見金屬礦物（鐵礦、鋁礦等）的主要化學(xué)成分。

2.知道從鐵礦石中將鐵還原出來的方法，了解實(shí)驗(yàn)室將氧化鐵還原成鐵的原理。

3.通過對實(shí)驗(yàn)室將氧化鐵轉(zhuǎn)化成鐵原理的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)研究化學(xué)物質(zhì)和創(chuàng)造化學(xué)物質(zhì)的好奇心和探究欲望。

二、教學(xué)過程：

1.問題情境，設(shè)疑導(dǎo)入

南京博物院是我國四大博物館之一，里面豐富的文物展示了中國古代南方精神文化和物質(zhì)文化的多樣性。從古代到現(xiàn)代，金屬制品已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于我們生活和生產(chǎn)的方方面面（展示生活和生產(chǎn)中常見的金屬制品的圖片）。通過問題引入新課（見表1）。

表1 來自生產(chǎn)中的驅(qū)動(dòng)性問題

設(shè)計(jì)意圖：利用身邊真實(shí)的素材，形成驅(qū)動(dòng)性問題。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題時(shí)，需要考慮驅(qū)動(dòng)性問題與課堂教學(xué)的結(jié)合，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)性問題的教學(xué)化設(shè)計(jì)，使驅(qū)動(dòng)性問題更好地應(yīng)用于課堂教學(xué)實(shí)踐。［2］在上課開始時(shí)創(chuàng)設(shè)問題情境，使學(xué)生能對所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生疑問和思考，使他們進(jìn)入良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

【過渡】工業(yè)上從含有金屬元素并有開采價(jià)值的礦石中提煉金屬，大自然向人類提供了豐富的金屬礦物資源，人類每年從礦產(chǎn)中提取數(shù)億噸金屬用于生產(chǎn)領(lǐng)域，其中，提取量最大的是鐵，今天我們一起來學(xué)習(xí)鐵的冶煉。

2.設(shè)計(jì)問題鏈，引發(fā)深度思維

【活動(dòng)探究一】實(shí)驗(yàn)室模擬煉鐵。

通過問題鏈讓學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)室煉鐵的還原劑，確定反應(yīng)物及反應(yīng)條件（見表2）。

表2 來自探究實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)性問題

設(shè)計(jì)意圖：煉鐵的原理是較為復(fù)雜問題，教師在教學(xué)中把這個(gè)復(fù)雜問題拆分成有內(nèi)在聯(lián)系的3個(gè)小問題，從鐵礦石—氧化鐵—鐵，通過一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)問題的解決，最終引導(dǎo)學(xué)生得出煉鐵的原理：用一氧化碳還原氧化鐵，這樣的問題鏈，降低了學(xué)生的思維難度，有助于使學(xué)生循序漸進(jìn)地解決問題。

通過問題鏈引導(dǎo)學(xué)生確定反應(yīng)原理，選擇合適的實(shí)驗(yàn)裝置，并組裝出合適的實(shí)驗(yàn)裝置（見表3）。

表3 來自探究實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)性問題

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生已有認(rèn)識是碳還原氧化銅的裝置，在碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)來設(shè)計(jì)一氧化碳還原氧化鐵的裝置。通過一氧化碳的性質(zhì)推測尾氣處理的裝置。實(shí)驗(yàn)室模擬煉鐵是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，通過一系列“子問題”的解決，完成問題的求解過程。［3］

【演示實(shí)驗(yàn)】將課本中的實(shí)驗(yàn)改為微型實(shí)驗(yàn)。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】固體由紅棕色變成黑色，澄清石灰水變渾濁。

圖3 一氧化碳還原氧化鐵微型實(shí)驗(yàn)

【討論】石灰水變渾濁說明有二氧化碳生成，如何證明黑色的粉末中有鐵生成？

【學(xué)生】用磁鐵吸引。

教師請學(xué)生上臺用磁鐵吸引右管中的生成物。

【教師】這個(gè)方法只能說明生成了有磁性的物質(zhì)，可能是Fe，也可能是Fe3O4。更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)說明確實(shí)有鐵生成。

【得出結(jié)論】一氧化碳與氧化鐵在高溫條件下反應(yīng)，生成鐵和二氧化碳。

通過驅(qū)動(dòng)性問題，認(rèn)識從實(shí)驗(yàn)室煉鐵到工業(yè)煉鐵；認(rèn)識從古至今煉鐵的演變（見表4）。

表4 來自古代生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)性問題

設(shè)計(jì)意圖：春秋晚期煉鐵土窯中鋪一層鐵礦石再鋪一層木炭，是為了在反應(yīng)中增大反應(yīng)物的接觸面積從而使反應(yīng)更加充分。通過鐵的冶煉的原理，將實(shí)驗(yàn)室模擬煉鐵自然過渡到工業(yè)煉鐵。能夠使課堂的結(jié)構(gòu)性、整體性和統(tǒng)一性更強(qiáng)。

【活動(dòng)探究二】工業(yè)煉鐵。

通過三個(gè)問題認(rèn)識工業(yè)煉鐵的過程。讓學(xué)生帶著問題看視頻（見表5）。

表5 來自工業(yè)生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)性問題

設(shè)計(jì)意圖：在工業(yè)煉鐵中需要學(xué)生掌握高爐煉鐵的原理，因?yàn)闊掕F的原料中有焦炭，一部分同學(xué)會誤以為工業(yè)煉鐵的還原劑是碳，其實(shí)在高爐煉鐵的過程中焦炭的作用是提供熱量和提供還原劑一氧化碳。最終得出工業(yè)煉鐵的原理是：在高溫下，利用一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來。

3.聯(lián)系生產(chǎn)、學(xué)以致用

在實(shí)際生產(chǎn)中所用的原料或產(chǎn)物一般都含有雜質(zhì)，在計(jì)算用量或產(chǎn)量時(shí)應(yīng)考慮到雜質(zhì)的問題。

【例題】我國遼寧鞍山鋼鐵廠用1000噸含80%氧化鐵的赤鐵礦石煉鐵，所得到的生鐵中最多含鐵的質(zhì)量是多少?理論上可以煉出含鐵96%的生鐵的質(zhì)量是多少？

設(shè)計(jì)意圖：討論這一類計(jì)算題的解法時(shí)，需要學(xué)生清楚高爐煉鐵的原理，要把含雜質(zhì)物質(zhì)的質(zhì)量換算成純凈物的質(zhì)量才能利用化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算，或者根據(jù)鐵元素的守恒關(guān)系求含鐵量。

【結(jié)束語】從礦石到鐵的過程，凝結(jié)了從古至今勞動(dòng)人民的智慧，從礦石到鐵到再到制造各種金屬材料，化學(xué)知識在社會發(fā)展的過程中起到了非常重要的作用。金屬材料的廣泛使用，不僅改善了人們的生活，更促進(jìn)了社會的發(fā)展，是社會進(jìn)步的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代文明的脊梁（展示古今煉鐵的兩幅圖片和中國高鐵、神舟五號的圖片）。

三、教學(xué)反思

1.讓學(xué)生形成物質(zhì)可以分為不同類別和化學(xué)變化可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的觀念

用博物館中金屬文物的保存情況讓學(xué)生回憶金屬的化學(xué)性質(zhì)，從而讓學(xué)生知道金屬在自然界中有不同的存在形式。讓學(xué)生知道可以通過化學(xué)變化實(shí)現(xiàn)從氧化鐵到鐵的轉(zhuǎn)化。

2.讓學(xué)生形成科學(xué)的思維，在解決化學(xué)問題中運(yùn)用比較、分析、綜合、歸納等科學(xué)方法

筆者設(shè)計(jì)了三個(gè)驅(qū)動(dòng)性問題鏈。問題鏈一從氧化鐵到鐵的轉(zhuǎn)化，大部分學(xué)生能夠通過之前學(xué)習(xí)的碳和一氧化碳具有還原性，想到用這兩種物質(zhì)作為還原劑。學(xué)生對整個(gè)學(xué)習(xí)過程很感興趣或者比較感興趣，證明了驅(qū)動(dòng)性問題鏈一具有一定的激發(fā)作用。

問題鏈二中的“實(shí)驗(yàn)中有哪些注意事項(xiàng)？”問題比較難，需要學(xué)生仔細(xì)思考和討論才能回答。這個(gè)問題的驅(qū)動(dòng)性不強(qiáng)，導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)性問題鏈難度增大，給學(xué)生造成了困擾。教學(xué)過程中需要教師幫助學(xué)生共同討論，適當(dāng)給出提示才能較好地解決這一問題。

問題鏈三的設(shè)計(jì)取得的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果良好。學(xué)生經(jīng)過仔細(xì)思考和討論后可以回答出來。問題鏈的每一個(gè)問題都是針對上一個(gè)問題的結(jié)論所提出的新的問題，對于促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)識發(fā)展具有激發(fā)和促進(jìn)作用。

本節(jié)課問題鏈的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，一是教師在課堂中按照內(nèi)在的邏輯關(guān)系形成有邏輯順序的問題鏈，如：活動(dòng)探究一“實(shí)驗(yàn)室模擬煉鐵的實(shí)驗(yàn)裝置的選擇”；活動(dòng)探究二“從工業(yè)煉鐵的設(shè)備到原料到產(chǎn)品的討論”。問題鏈?zhǔn)拐n堂的結(jié)構(gòu)性、整體性和統(tǒng)一性更強(qiáng)。二是教師將實(shí)驗(yàn)室模擬煉鐵這樣一個(gè)較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)探究問題拆分成有內(nèi)在聯(lián)系的問題鏈，通過鏈條中一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)問題的解決，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的解決。這樣的問題鏈，給學(xué)生的思維過程搭建了腳手架，降低了學(xué)生的思維難度，有助于使學(xué)生循序漸進(jìn)地解決問題，得到了較好的教學(xué)效果。［3］