基于認識思路結構化的“金剛石、石墨和C60”項目式教學
——探秘人造鉆石

李 瓊 楊宇航 姜建文

（1.江西師范大學附屬中學 江西 南昌 330022；2.江西師范大學化學化工學院 江西 南昌 330022）

《義務教育化學課程標準（2011年版）》中對于“物質構成的奧秘”這一主題的教學目標明確規定“本主題旨在幫助學生用微粒的觀念去學習化學，通過觀察、想象、類比、模型化的方法使學生初步理解化學現象的本質；從五彩繽紛的宏觀世界步入充滿神奇色彩的微觀世界，激發學生學習化學的興趣”［1］。因此，為了培養學生將化學學科知識轉化為科學素養的能力，發展學生的多元智能，教師在進行教學時應該注意化學教學內容的組織，而幫助學生形成認識思路的結構化則是實現這種轉化的關鍵。

從這一明確規定出發，以“探秘人造鉆石”為項目主題，結合人教版初中化學九年級上冊第六單元“碳和碳的氧化物”的相關內容，［2］利用該單元中課題1“金剛石、石墨和C60”2 課時的時間，設計了基于認識思路結構化的項目式教學，學生圍繞項目主題“探秘人造鉆石”展開調研和學習活動。

一、項目主題內容分析

“金剛石、石墨和C60”一課是人教版初中化學九年級上冊第六單元“碳和碳的氧化物”第一課時的內容。在前幾個單元的學習過程中，學生已經掌握了科學探究的方法并初步形成了從微觀角度了解物質構成的奧秘的意識。對“金剛石、石墨和C60”一課的學習，有利于幫助學生加深從微觀層面了解物質構成的意識，［3］多樣化的項目活動也可以幫助學生在完成相應任務的過程中認識物質的性質和用途，從而提高學生化學學習的興趣，親身感受化學世界的魅力。

學生在學習本節課的內容之前，剛剛學習過第五單元“化學方程式”的有關知識，這部分知識在整個初中化學知識體系中理論性較強，學生學習起來會稍顯枯燥，［4］學生對化學學習的積極性可能會有所下降，這也會影響學生對“金剛石、石墨和C60”一課有關知識的學習。此外，在日常教學中大多數教師會采取歸納總結后相互對比的方法，將本節課的有關知識生硬地灌輸給學生，并通過直接講解的方法將“結構決定性質、性質決定用途”這一化學統攝性觀念強加給學生，學生并不能很好地從認識思路的層面接受這一核心觀念。教材中所涉及的有關C60、碳納米管以及石墨烯等化學學科新發展方向的內容也有可能會被教師一帶而過，從而影響學生了解化學學科前沿的發展現狀。而設計以“探秘人造鉆石”為項目主題的項目式教學，則旨在改變這種現象的發生。項目圍繞人造鉆石這一生活中的常見商品展開，整體設計六個任務，通過任務驅動的方式驅使學生自己通過實踐調研、查閱資料、科學探究和歸納總結等方法完成每項任務，在完成任務的過程中推進課堂教學的進行。

二、項目教學目標

基于以上對“金剛石、石墨和C60”一課主要內容以及認識思路結構化與“探秘人造鉆石”項目主題之間關系的分析，設計如下的具體教學目標。

（1）通過社會調查和查閱相關資料等方法，了解金剛石和石墨的結構、物理性質和主要用途，初步認識物質的結構、性質和用途三者之間的關系。

（2）通過對石墨變金剛石這一化學變化的學習，知道不同的元素可以組成不同的物質，同一種元素也可以組成不同的物質，建立物質的組成、結構、性質、用途、制取以及鑒別之間的完整的認識思路結構化模型。初步形成通過物質的微觀構成來探索物質變化奧秘的觀念。

（3）通過對碳單質相關知識的拓展，知道C60分子的結構特點及其主要用途，鞏固知識結構化的化學學習思路，幫助學生提升微觀探析的能力。并對碳納米管和石墨烯有所了解，認識到碳單質是一種具有良好發展前景的化學物質，從而能以發展的眼光看待化學。

（4）通過應用本節課所學的知識來鑒別“人造鉆石”，培養學以致用的能力。初步了解化學、技術和社會的相互關系，并能以此分析有關的簡單問題。

三、項目任務及教學流程

探秘人造鉆石項目在實施過程中的第1課時進行項目導引，主要確定項目任務與子問題，和學生共同探討解決問題的方案，并進行任務分工。第2課時的展示需要圍繞完成包括調研人造鉆石、認識鉆石（金剛石）、尋找人造鉆石的原料、揭秘人造鉆石工藝、拓展碳單質知識以及鑒定人造鉆石六個任務來進行。教師與學生通過以上六個任務的驅動完成整個項目式教學流程，滲透核心知識、核心方法、核心素養，從而達成本節課的教學目標，項目教學設計框架如圖1所示。

圖1 項目教學設計框架

四、項目教學實踐過程及教學成果

1.調研人造鉆石

【課堂導入】相信大家都在電視上看過這樣的廣告詞“鉆石恒久遠，一顆永流傳”，由此可見鉆石具有極高的收藏價值和觀賞價值。有媒體報道，2020年11月份，上海一家珠寶店的銷售人員用定制的廉價人造鉆石調包了7顆價值700多萬的天然鉆石。調包所用的人造鉆石，即使專業的人員也需要使用儀器進行檢測。那么天然鉆石和人造鉆石有什么區別呢？人造鉆石又是如何制取的呢？今天就讓我們一起來探秘人造鉆石。

【學生活動】調研組的學生將在當地商場的珠寶柜臺進行調研的結果制作成視頻在課堂上進行播放，并向同學們展示人造鉆石和天然鉆石的圖片。

【教師支持】教師引導學生總結人造鉆石和天然鉆石的差別，并幫助學生通過查閱資料探索人造鉆石的市場潛力等。

【學生活動】通過進一步查閱資料發現，人造鉆石的成分、結構與天然鉆石相同，都是由碳元素組成的物質，人造鉆石在外觀上已經可以做到與天然鉆石沒有差異，但是天然鉆石中的地質成分是人造鉆石無法復刻的，因此，人造鉆石并沒有天然鉆石那樣美好的寓意，同樣等級的人造鉆石與天然鉆石相比價格可以低數十倍，很少用于做首飾，通常用于工業用途。

【教師支持】教師引導學生進行思考，既然人造鉆石和天然鉆石的成分和結構相同，那么人造鉆石的原石——金剛石，到底是什么結構呢？它又具備什么樣的性質呢？

設計意圖：通過查閱資料和實地調研對人造鉆石和天然鉆石的異同有一個初步的了解，激發學生的化學學習興趣。

2.認識鉆石（金剛石）

【學生活動】研發1組的學生通過查閱資料以及翻閱教材所給出的有關信息作出如下總結：金剛石是鉆石的原身，是一種由碳元素組成的單質。在金剛石晶體中，每個碳原子與另外四個碳原子相連構成正四面體，整體形成空間立體網狀結構（見圖2）。接著，學生對教材中涉及到的與金剛石有關的性質和用途進行總結。

圖2 金剛石的結構

【教師支持】教師對學生的工作表示肯定，并從金剛石結構的角度幫助學生更好地理解金剛石的性質。金剛石晶體中的碳原子通過一種特殊的方式連接構成正四面體結構，這種連接方式十分牢固，難以發生改變，導致其具有優良的硬度和化學穩定性，因此會被用于切割玻璃或者做軸承。

3.尋找人造鉆石的原料

【學生活動】由于鉆石是含有碳元素的單質，在查閱大量書籍和相關資料以及在學習過質量守恒定律的基礎上，有學生認為也可以用含有碳元素的物質來制造人造鉆石。而除了金剛石以外，應用最為廣泛的碳單質就是石墨，利用石墨來制取人造鉆石或許可行。

【教師支持】教師對學生的猜想表示肯定，并引導學生想辦法驗證自己的猜想。

【學生活動】在教師的引導下，研發2組的學生提出通過實驗來驗證石墨和鉆石的組成元素是相同的。學生首先設計了如圖3a所示的實驗裝置，在該實驗裝置中，學生利用加熱氯酸鉀和二氧化錳混合物的方法為持續加熱的鉆石提供氧氣，經過持續加熱的鉆石和氧氣發生化學反應生成二氧化碳，將二氧化碳通入澄清石灰水中，澄清石灰水將會變渾濁。如果在加熱石墨時出現同樣的現象，則可證明猜想正確。但在實驗過程中學生發現，使用氯酸鉀制取氧氣無法隨時添加藥品，這樣就無法保證鉆石或者石墨可以獲得持續的氧氣。此外，燃燒石墨和金剛石至少需要800℃的高溫，用酒精燈加熱效率太低。因此學生又設計了如圖3b所示的實驗裝置，該實驗裝置使用二氧化錳和過氧化氫來制取氧氣，可以隨時添加藥品，堿石灰也可以吸收實驗裝置中可能會有的水蒸氣。丁烷噴燈則用于快速提供高溫，石英玻璃管保證在實驗過程中不會被高溫所熔化。但受制于實驗原料以及實驗器材，僅僅在理論層面對實驗裝置進行了構思和設計，未能真正實施實驗來驗證石墨和鉆石的組成元素是 相同的。

圖3 學生設計的實驗裝置

【教師支持】教師肯定學生通過設計實驗方案來驗證猜想的思路，即使未能真正地進行實驗，但是這種解決問題的方式是值得肯定的。教師播放英國皇家科學院2012年的圣誕講座視頻，為學生講解該學院使用的實驗裝置（見圖4）是如何驗證石墨和金剛石的組成元素是相同的。

圖4 驗證石墨和金剛石由同種元素組成的實驗裝置及現象

【學生活動】觀看視頻后，有學生提出質疑，雖然老師播放的實驗視頻可以證明石墨和金剛石的組成元素相同，但無法證明石墨和金剛石都是只由碳元素組成的單質。

【教師支持】教師肯定學生善于發現問題并進行思考的行為，同時對學生的疑問作出解答。在使用這套實驗裝置進行實驗時，通過測量石墨和金剛石反應前后的質量并收集石墨和金剛石燃燒分別產生的二氧化碳，計算其中碳元素的質量恰好等于各自消耗的石墨和金剛石的質量，即可證明兩種物質都是只由碳元素組成的單質。

【教師支持】石墨和金剛石雖然都是由碳元素組成的單質，那為什么石墨和金剛石屬于不同的物質呢？為什么它們的外觀看上去差距如此之大呢？

式中直接電能Edirect的計算方式如式(1)～式(8)所示，間接能耗Eindirect的計算方式如式(9)～式(15)所示。

【學生活動】學生通過翻閱教材和查找資料發現，石墨和金剛石雖然都是由碳元素組成的單質，但石墨和金剛石屬于不同物質的原因是因為它們的結構不同。石墨是平面層狀結構，與金剛石的空間立體網狀結構截然不同。

【教師支持】教師提供石墨的結構模型（見圖5），并對石墨的結構進行講解：石墨中每個碳原子與另外三個碳原子相連，多個碳原子之間排列形成類似于蜂巢狀的六邊形的平面層狀結構。既然石墨和鉆石是不同的碳單質，那么石墨和鉆石的物理性質有何差異呢？如何探究石墨的物理性質？

圖5 石墨的結構

【學生活動】實驗組學生通過閱讀教材、查閱資料總結出了石墨的部分物理性質：顏色、光澤、形狀、手感、硬度、導電性，并設計了如下實驗方案供全班同學進行實驗驗證：用藥匙取一小匙石墨粉放在白紙上，觀察顏色、光澤和形狀；用手捻石墨粉，體會石墨的手感；用小刀削12B鉛筆芯（主要成分為石墨）體會石墨的硬度；設計如圖6所示的兩種實驗方案驗證石墨的導電性。其中2.0 版實驗——“神奇的紙電路板”，是利用發光二極管、紐扣電池和12B鉛筆來驗證石墨的導電性。在實驗中，紐扣電池充當電源，用鉛筆在紙板上厚涂，紙板上的石墨粉就可以起到導線的作用，課堂上學生用鉛筆厚涂石墨粉斷開處后發光二極管可以發光，證明石墨具有導電性。在實驗組同學的組織下，學生通過分組實驗最終探究出了石墨的物理性質，并通過閱讀教材、查閱資料總結出了石墨的主要用途。

圖6 驗證石墨導電性的兩版實驗裝置圖

【教師支持】探究結束后，教師引導學生對實驗組設計的2種實驗方案進行評價。隨后，教師將學生總結的石墨和金剛石的性質、用途列表進行對比，并提出問題：同樣是碳單質，為什么石墨和金剛石的物理性質和用途存在如此大的差異呢？

【學生活動】因為石墨和金剛石的結構存在很大差異，組成相同，碳原子的排列方式不同導致結構不同，決定了石墨和鉆石有截然不同的物理性質。學生在教師的引導下通過手壓石墨和金剛石的結構模型，感受二者結構穩定性的差異，體會到二者硬度的本質差異。

【教師支持】此時，學生對金剛石和石墨的結構、性質以及用途有了一定的了解，通過比較石墨和金剛石的結構、性質和用途之間的差異，教師借此幫助學生初步建立結構決定性質，性質決定用途，用途反映性質，性質反映結構的物質認識思路。

設計意圖：由金剛石過渡到石墨，通過設計實驗證明石墨和金剛石的組成元素相同、探究石墨的物理性質，發展學生科學探究的能力；通過與前面金剛石結構和性質的比較學習，使學生形成結構決定性質、性質決定用途的化學核心觀念。

4.揭秘人造鉆石工藝

【學生活動】研發3組的學生在了解了金剛石和石墨的結構、性質以及用途之后開始查閱資料，尋找石墨變成金剛石的常見方法。經查閱資料發現，石墨可以在2300℃、4-5 萬個大氣壓這種模擬地幔層的高溫高壓的條件下，通過鎳、錳等催化劑的催化作用下轉變成金剛石。［5］為進一步了解其微觀變化，學生播放視頻展示了石墨變成金剛石的微觀過程及工藝流程。

【教師支持】教師對石墨變金剛石的過程進行講解和評價，指出其優點和不足，并啟發學生思考是否還有其他更好的方法合成鉆石呢？

【學生活動】創新組的學生介紹人造金剛石的幾種新方法。

【教師支持】教師對學生所做的工作表示肯定，并提供資料引導學生總結幾種不同的人造鉆石工藝在原理上的相似點：原料都需含有碳元素，由于金剛石的結構十分牢固，不管用哪種方法合成金剛石，條件都比較苛刻，由于金剛石具有可燃性，在合成的過程中還要注意隔絕氧氣。此時，教師幫助學生在之前已經建立的認識思路的基礎上補充物質的制法與物質的組成、結構、性質之間的關系——物質的組成、結構和性質也會決定物質的制法，進一步完善物質的認識思路。

設計意圖：通過對石墨變金剛石的工藝流程的學習，完善物質的認識思路，拓展學生的化學視野，與材料科學進行跨學科聯系，發展學生的科學素養。

5.拓展碳單質知識

【學生活動】在查閱人造鉆石的其他方法的資料過程中，創新組的學生發現可以用C60生產金剛石薄膜，C60是除了石墨和金剛石之外的另一類以碳單質形式存在的物質。學生在課堂上展示C60的球棍模型并對其結構和應用進行講解，每個C60分子是由60 個碳原子構成的，其形狀與足球相似（見圖7），又名足球烯，結構較為穩定。C60結構的特殊性決定了它同樣具有不同于石墨的性質、用途，廣泛應用于超導、催化、材料、醫學及生物等領域。

圖7 C60的分子結構與足球相似

【學生活動】學生查閱大量資料后發現對于碳單質的研究一直是化學領域的熱門方向。除了C60之外，碳納米管以及石墨烯都相繼被發現（見圖8）。學生在課堂上展示教師提供的石墨烯、碳納米管的結構模型：若把石墨的一層碳原子剝離，就可以變成單層石墨片，又稱石墨烯，它具有超強、超韌、超導電、超導熱、超透光的奇特性能，將成為改變世界的新材料；若將單層石墨烯卷曲起來，又可以變成直徑只有幾納米～幾十納米的碳納米管……

圖8 各種神奇的碳材料

【教師支持】教師對C60、碳納米管和石墨烯的結構、性質和用途作簡要總結和對比，繼續引導學生加深結構決定性質、性質決定用途，用途反映性質、性質反映結構的物質認識思路。讓學生深刻體會到，改變物質的內部結構，就可以合成新物質，讓物質具有新的性質和新的用途，這就是材料的奧秘！未來又會發現什么？我們拭目以待！

設計意圖：從人造鉆石的制作工藝自然引入C60的概念以及碳單質的其他應用，強化結構決定性質、性質決定用途的化學核心觀念。

6.鑒定人造鉆石

【學生活動】在學習了本節課的有關內容之后，學生提出可以利用金剛石的物理性質來檢驗一顆鉆石的真偽。通過查閱資料發現，金剛石的硬度為10，小塊少量的金剛石通常被用于玻璃刀的刀頭來切割玻璃。學生在課堂上經過實驗驗證（見圖9）：被玻璃刀劃過的玻璃會在表面留下明顯的劃痕，沿劃痕稍稍用力即可將玻璃掰斷，而使用鉆石進行同樣的操作也可以得到同樣的實驗現象，而使用塑料仿鉆、玻璃仿鉆無法得到這樣的實驗現象。

圖9 玻璃刀切割玻璃

【教師支持】教師對學生學以致用的精神表示肯定，并請學生介紹珠寶柜臺的工作人員是如何在不損害鉆石的前提下對其真偽進行檢測，使用這種方法或工具進行檢測的原理又是什么？

【學生活動】學生匯報前期調研結果并介紹檢測原理。珠寶柜臺的工作人員會使用鉆石真偽檢測儀（見圖10）來檢驗一顆鉆石的真偽。通過查閱資料發現，鉆石真偽檢測儀可以檢測一顆鉆石的真偽是利用鉆石的硬度和導熱性，真正的鉆石硬度很高，檢測儀在對其進行檢測時小屏幕所顯示的硬度數值就會上升至10并變紅；由于鉆石的導熱性很好，檢測儀中檢測熱量的儀器在檢測真鉆石時會發出“嘀嘀嘀”的聲響。

圖10 鉆石真偽檢測儀

【教師支持】教師為學生準備天然鉆石、人造鉆石、塑料仿鉆、玻璃仿鉆以及鉆石檢測筆，請同學在課堂上進行檢測，觀察實驗現象。

【學生活動】學生在課堂上使用鉆石檢測筆對老師準備的鉆石進行檢測。

【教師支持】教師肯定學生的動手操作能力，并為學生講解權威的鉆石檢測方法是利用其光學性質。比如利用陰極發光（CL）技術，通過高能陰極射線激發鉆石中的雜質或晶格缺陷造成的發光中心，由此表現出特定的發光圖像可以鑒別出真假鉆石。［5］

【學生活動】學生完成任務六后，在之前構建的認識思路中繼續補充物質鑒別的部分，學生通過動手實驗發現鑒別某種物質的方法也是由它的性質決定的。至此，教師在引導學生完成六項任務的過程中，幫助學生逐步構建了如圖11 所示的物質的組成、結構、性質、用途、制取以及鑒別之間的完整的認識思路結構化模型。

圖11 認知思路結構化模型

設計意圖：通過學習人造鉆石的鑒別方法，建構物質的組成、結構、性質、用途、制取以及鑒別之間的完整的認識思路結構化模型，總結升華本節課學習的主要內容，培養學生嚴謹求實、樂于實踐、善于歸納總結的科學品質。

五、項目教學反思與建議

1.項目式教學反思

項目式教學是以任務驅動作為主導，推動學生通過完成任務來推進整體教學流程的一種教學方式。［6］本課程融合了物理的電學、材料學、光學等跨學科知識，可操作性較強，容易在課堂教學的過程中實施，課程理念也符合課程標準和項目式教學的要求。在整個項目實施的過程中，做到了“以項為由，以生為本”，項目任務來源于學生，項目解決交給學生，項目舞臺還給學生，充分尊重了學生的想法。本項目式教學課程從設計到最終完成耗時一個月左右，課堂教學則需要2個課時，同常規課相比雖然需要的時間更多，但通過課后訪談和調查發現，學生更喜歡在老師的帶領下自己動手參與課堂探究，學生參與越多、真實有趣的問題解決越多，對知識的印象越深刻；項目式教學的合理開展可以幫助不同層次的學生思維能力得到發展，使學生收獲頗豐。

2.保證項目式教學有效開展的建議

（1）教師作為整個項目式教學的設計者應該注意教學流程的把控并盡可能地給學生提供幫助和指導。項目式教學雖然是利用學生完成任務來驅動整堂課的進行，但這種教學方式會涉及到比較多的教學活動，比如科學探究、分組討論以及現場實驗等，教師對整個項目流程的合理把控是順利完成課堂教學的關鍵。由于本項目涉及到學生離開學校進行社會調研，對于大部分九年級的初中生來說，社會調研是一個比較陌生的領域。教師也應該及時發現學生遇到的困難并給予相應的支持，比如調查地點的選擇、調查問卷的撰寫等，且必要時陪同學生調研，從而幫助學生順利地完成所分配到的任務。除此之外，在探究石墨的性質時，會涉及到學生之間的實驗探究合作，有些學生的實驗設計可能做不到盡善盡美，實驗現象同預期相比可能會出現偏差。教師也應該及時有所察覺，在實驗設計和操作方面給予及時的指導。項目式教學往往涉及跨學科知識以及與本學科相關的前沿知識，這也需要教師在整個項目開展的前期做好充分的準備，了解與教材相關的專業知識并進行適當拓展，在學生匯報時及時對學生匯報的內容做出專業判斷并給出合理建議。

（2）教師在設計整個項目時應該考慮在重要項目節點給出合理的評價并接受教學過程中出現意料之外的動態生成。學生在完成項目式教學某個任務的過程中，教師應該注意發掘學生的設計亮點，在學生匯報總結的過程當中或者結束之后即時給出評價，在學生完成任務后給予相應的反饋，讓學生知道自己在完成任務的過程中所表現出來的優勢和不足。以本項目為例，學生在任務三“尋找人造鉆石的原料”中需要自行設計驗證石墨和金剛石是由同種元素組成的以及探究石墨的導電性兩組實驗裝置，教師應該在學生進行匯報之后給出即時的指導以及評價意見，來幫助學生調整自己的想法和設計。在整個項目式學習結束之后，教師也應該在總結本節課所學內容時給出一個整體的終結性評價。［7］對學生所做出的全部努力表示肯定，讓學生體會到這是一次經過大家共同努力得以完成的有意義的項目式學習活動，也會讓學生更加期待體驗更多有趣的項目式學習課程。在實施項目式教學的過程中，當進行“神奇的電路板”實驗時，有學生發現在紙電路上撒一些石墨粉二極管會變得更亮。隨后，教師引導學生使用物理知識對這種現象進行解釋，幫助學生實現學科知識之間的融合，做到知識的跨學科遷移。教師在預設課堂教學時可能并不會考慮到這種情況的發生，當教學沒有完全按預設軌道展開時，教師在教學時就應該做到隨機應變，幫助學生在認知沖突中發展能力，［8］使學生在教師的引導過程中感悟知識、實現創造，從而使得整個教學過程在師生互動中有序展開。