基于“證據推理與模型認知”的硅及其化合物教學設計

蔡晴 黃昊文

［摘 要］文章基于元素周期表與元素周期律，探討硅及其化合物的性質。通過實驗證實，構建觀點、結論和證據之間的邏輯關系；從材料的角度引導學生建立原子結構、元素位置、元素性質、物質性質、物質用途之間的關聯，培養學生的“證據推理與模型認知”核心素養。

［關鍵詞］硅及其化合物；證據推理；模型認知；教學設計

［中圖分類號］??? G633.8??????? ［文獻標識碼］??? A??????? ［文章編號］??? 1674-6058（2024）14-0077-04

高中化學教學的目標之一是培養學生的核心素養，其中“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養的重要組成部分，強調學生應具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設［1］。這也是化學思維的特點之一。硅作為元素周期表中第三周期第ⅣA族的元素，位于金屬元素和非金屬元素的分界線上，既具有一般性質，也有著自身的特性［2］。硅、鋁位于同周期，金屬與非金屬的交界處，性質具有一定的相似之處，基于位置分析進行類比，由此得出硅可能具有的化學性質［3］。本文以硅及其化合物為例，結合元素周期表和元素周期律，運用學生已學的元素化合物知識和方法，引導學生進行預測、尋找證據，基于證據加以分析推理，并逐步建立認知模型，從而提高學生的“證據推理與模型認知”核心素養。

一、學情分析

學生已經學習了鈉、氯、鐵、硫、氮等元素的單質及其化合物的性質，掌握了原子結構的知識；知道元素周期表和元素周期律。因此，可基于元素周期律對硅及其化合物的性質進行預測，再通過實驗進行驗證。硅作為無機非金屬材料的關鍵元素，在社會發展中具有重要地位。因此，可通過建立“位置—結構—性質”“結構—性質—用途”之間的關聯，幫助學生建構元素化合物的認知模型［4］。

二、教學目標與教學思路

（一）教學目標

依據課標對“無機非金屬材料”這一主題的學業要求，制訂以下教學目標：

1.通過閱讀討論，了解身邊的含硅材料；通過已有知識搭建解決陌生問題的橋梁，類比碳、預測硅，形成元素化合物知識的學習思路。

2.通過二氧化硅與氫氧化鈉的實驗以及玻璃片與氫氧化鈉反應的具體操作，培養動手能力和實驗觀察能力。

3.通過三維認知模型的建構，對所學知識進行再梳理，同時逐級建構“結構—性質—用途”模型，發展“證據推理與模型認知”核心素養。

4.結合身邊實例，感受化學就在身邊并且正不斷幫助人們解決問題，提高學習化學的自信心和民族自豪感。

（二）教學思路

“硅及其化合物”的具體教學思路如圖1所示。

圖1??? “硅及其化合物”的教學思路

三、教學實踐過程

（一）情境引入

【引入】日常生活中，我們身邊幾乎都有硅的存在。比如石頭、沙灘、磚頭、道路等，這些都是二氧化硅的衍生物，通常被稱為無機硅酸鹽。在地殼中，硅元素的含量僅次于氧元素，約占27%。可以說，我們生活的世界基本上是由硅元素和氧元素構成的。請大家想一想，除了上述例子，還有哪些含硅的材料？請同學們分組合作，收集資料并以圖片形式展示。

設計意圖：通過收集資料和展示圖片，使學生認識到從不同的角度看待相同的物品會帶來不同的體驗；通過預先查閱相關資料和整理信息，培養學生的信息處理能力，并讓他們認識到化學對我們的生活和社會發展起到重要的作用，從而增強他們的社會責任感，激發他們的學習熱情。

（二）類比預測

【教師活動】請學生寫出硅元素在元素周期表中的位置，并預測硅元素可能具有的價態和性質。

【學生活動】寫出硅元素的位置，并預測其可能存在的價態與性質（如圖2）。

圖2 硅元素的價態與性質

【教師引導】我們知道同主族、同周期元素之間存在一定的規律。如果讓你來預測硅元素可能具有的性質，你會類比哪種元素？試著預測硅元素的化學性質，并解釋預測依據。

【學生活動】思考并進行預測。

設計意圖：結合課標要求“能利用元素在元素周期表中的位置和原子結構，分析、預測、比較元素及其化合物的性質”［5］，設計漸進性問題，使學生能夠根據所學知識和已有證據預測硅的性質，進一步讓學生把握元素化合物的認知模型。

（三）實驗驗證

1.制備硅酸鈉溶液

【PPT展示】展示自然界中的二氧化硅。結晶：石英、水晶、瑪瑙、沙子；無定形：硅藻土。

【教師活動】引導學生從物質類別、價態、結構角度預測二氧化硅的性質。提問：二氧化硅的微觀結構會是怎樣的？

【學生活動】思考分析，猜測二氧化硅的微觀結構。

【教師活動】展示二氧化硅的微觀結構。提問：二氧化硅的硅氧四面體結構與金剛石的立體網狀空間結構相似，這種硅氧四面體結構決定了二氧化硅具有哪些性質？

【學生活動】思考得出：二氧化硅具有性質穩定、硬度大、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等性質（如圖3）。

圖3 二氧化硅的性質

【過渡】新鞋子的包裝盒里常會放有一小包硅膠干燥劑。

【教師活動】硅酸通過處理能成為硅膠，那如何制備硅酸呢？

【學生活動】基于預測內容，提出方案。

【學生1】二氧化硅和水反應生成硅酸。

【學生2】先利用二氧化硅和氫氧化鈉反應生成硅酸鈉，再利用硅酸鈉和鹽酸反應生成硅酸。

【教師活動】補充信息，評估學生方案的可行性。引導學生從實驗中獲取證據。提問：根據大家的預測，二氧化硅屬于酸性氧化物，可與堿反應生成鹽和水。如何證明SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O反應的發生？

【學生活動】思考并回答。

【學生1】從生成物角度看是否有硅酸鈉生成。

【學生2】從反應物角度看二氧化硅是否溶解。

【學生3】從反應物角度看氫氧化鈉是否被消耗。

【教師活動】進行實驗演示，讓學生觀察實驗結果。

設計意圖：從生成物生成與反應物被消耗兩個角度引導學生思考證明化學反應發生的方法，并歸納總結，建構證明反應發生的認知模型。

【教師活動】展示裝有鹽酸的玻璃瓶與裝有氫氧化鈉溶液的玻璃瓶。提問：為什么氫氧化鈉溶液可以用玻璃瓶盛放卻不能用玻璃塞？

【學生活動】觀察到裝有氫氧化鈉溶液的玻璃瓶用的是橡膠塞，而裝鹽酸的玻璃瓶用的是玻璃塞。思考并回答可能的原因。

【教師活動】實驗演示：將兩塊涂有氫氧化鈉溶液的玻璃片合在一起。

【學生活動】發現要分開玻璃片有些困難。

【教師活動】提問：說明新生成的硅酸鈉具有什么性質？

【學生活動】思考得出：硅酸鈉具有粘性。

設計意圖：以實驗驗證的方式，從不同觀察角度幫助學生掌握二氧化硅的化學性質，提高學生的實驗能力。同時，通過具體操作，加深學生對不同物質之間的相互作用的理解，并進一步認識到二氧化硅的具體應用。

2.制備硅酸

【展示資料】

①強酸可以制備弱酸（強弱是相對關系）。

②同濃度酸性強弱：HCl>H2CO3>H2SiO3。

【教師活動】請學生根據已有資料設計實驗方案，利用硅酸鈉制備硅酸。

【學生活動】設計實驗方案：往硅酸鈉溶液中通二氧化碳或者加入鹽酸來制備硅酸。

【教師活動】演示實驗：在充滿CO2的礦泉水瓶中注入少量飽和硅酸鈉溶液，擰緊瓶蓋并振蕩，觀察現象。

設計意圖：根據資料設計實驗方案，培養學生的信息閱讀、方案設計、信息內化的能力，引導學生逐步掌握強酸制弱酸的方法。

3.探究二氧化硅的特性

【展示】用塑料瓶裝氫氟酸。

【教師活動】提問：為什么不用玻璃瓶裝氫氟酸？

【學生活動】根據前面已有的經驗，能夠快速得出：氫氟酸會與玻璃反應，而且反應進行得很快。

【教師活動】板書：SiO2+4HF＝SiF4+2H2O，因此我們可以用氫氟酸來刻蝕玻璃。

設計意圖：通過探索，讓學生明白碳與硅因為原子結構相似，存在著很多通性，但每個物質均存在自己的特性。通過實例展示氫氟酸不能用玻璃瓶裝，讓學生明白物質性質決定用途，用途反映性質。

4.制備高純硅

【過渡】我們知道硅在自然界中以硅酸鹽、氧化物的形式存在。自然界中為什么沒有硅單質存在呢？請分析硅在元素周期表中的位置，推測硅可能具有的性質以及用途。

【學生活動】思考得出：硅是一種親氧元素，位于金屬與非金屬的交界處，導電性介于導體和絕緣體之間，可用作半導體、芯片、太陽能電池板等（如圖4）。

圖4 硅的用途

【過渡】2023年8月29日，華為Mate 60 Pro突然發售，大家知道這意味著什么嗎？意味著中國半導體行業反擊的開始，手機、服務器、顯卡、芯片等全面國產化。芯片的制作過程大致分為三個步驟：沙子制備高純硅、高純硅制備硅晶圓、硅晶圓刻錄成芯片。

【教師活動】沙子制備高純硅，也就是從+4價的二氧化硅到0價的硅單質，怎么實現？選擇哪種還原劑？反應條件是什么？

【學生活動】不斷思考，逐步得出：根據二氧化硅的價態變化，推出需加入具有還原性的物質，如焦炭、一氧化碳、氫氣、氨氣、活潑金屬等。從經濟效益的角度，會選擇焦炭，而二氧化硅的結構為立體網狀結構，比較穩定，因此要在高溫條件下進行。

【過渡】此時獲得的硅并不純凈，里面還含有鐵、鋁、碳等雜質，我們把它稱為粗硅，硅含量為98%左右，但制備芯片的硅含量要求為99.99999999%，甚至更高。那么如何提純呢？

【學生活動】回憶除雜原理、方法，展開討論。

【教師活動】提示：當遇到雜質很難除的時候，我們可以逆向思維，先把目標物質提取出來，即讓硅和氯化氫氣體在300 ℃下反應生成三氯硅烷和氫氣，再把三氯硅烷中的硅還原為硅單質。你會選擇哪種還原劑？為什么？

【學生活動】思考不同還原劑之間的區別：如果使用焦炭，會引入新的雜質，而使用氫氣則無影響。

【教師活動】將高純硅直拉得到硅棒，硅棒經過切割變成硅晶圓，硅晶圓想變成芯片還需要進行光刻等操作，而這是我們國家一直被“卡脖子”的領域。華為Mate 60 Pro的發售意味著這一問題的解決，這對中國半導體產業來說，有著重要的里程碑意義。

設計意圖：緊跟時事——芯片國產化的實現，極大地增強學生的民族自豪感，讓學生明白化學與工業生產、生活息息相關。從沙子到高純硅，用的是轉化目標物質的方法對固體物質進行提純，有助于拓寬學生物質提純的思路。

（四）課堂小結

【過渡】請同學們用價-類二維圖小結知識，建立“位置—結構—性質”“結構—性質—用途”之間的關聯，從而建構元素化合物的認知模型［6］。

設計意圖：引導學生進一步完善“位置—結構—性質”模型，加深學生對硅及其化合物知識的認識，同時激發學生的學習興趣，培養學生的化學學科核心素養。

四、教學反思

本教學設計旨在基于元素周期表和元素周期律，引導學生進行證據推理和建立認知模型，以提升學生的化學學科核心素養。通過類比思維和實驗驗證，學生不僅掌握了硅及其化合物的性質，還培養了“證據推理與模型認知”核心素養。此外，本教學設計還緊跟時事，引出了中國半導體產業的重要發展，增強了學生的民族自豪感。通過本課程的學習，學生能夠更深入地理解硅及其化合物，同時提高自身的科學素養和綜合能力。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻?? ］

［1］［5］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 葉躍娟，林海斌.高中化學新教材中鋁和硅元素的知識編排及教學邏輯［J］.化學教學，2021（4）：87-92.

［3］? 胡俊洲.“硫、氮和硅元素及其化合物”的“位、構、性”教學模型［J］.中學化學教學參考，2023（2）：8-11.

［4］［6］? 王磊，陳光巨，曹居東.普通高中教科書化學必修第二冊教師用書［M］.濟南：山東科學技術出版社，2019.

（責任編輯??? 羅??? 艷）