促进“元素观”发展的教学设计*——以“金属矿物的开发利用”为例

高修库（北京市第二中学　北京　100010）



促进“元素观”发展的教学设计*——以“金属矿物的开发利用”为例

高修库
（北京市第二中学北京100010）

摘要：以人教版必修2（化学）中“金属矿物的开发利用”为例，深入挖掘化学知识的内涵，设计了一系列具有思考价值的问题，引导学生进行思考、探究、体验，从而确保化学知识的教学始终朝着增进学生理解力的方向推进，促进学生元素观的形成和发展。

关键词：金属冶炼；氧化还原；化学观念；能力发展

*本文系北京市级学科带头人及骨干教师“促进学生化学观念发展的课堂教学研究”工作室研修成果。

德国著名物理学家、诺贝尔奖获得者冯·劳厄（M.vonlaue）曾经说过：“教育所给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下来的东西”。新课程标准反复强调高中化学教育的目的之一是提高学生未来发展所需的科学素养。那么什么是科学素养呢？简单地说，就是学生通过化学知识的学习所形成的从化学视角认识事物、解决问题的思想、方法和观点，即根植于学生头脑中的化学观念。如果学生通过参与课堂，体会到这种化学观念，那我们的教学就是“授之以渔”，就是高效的教学。最近，笔者参加北京教育学院组织的骨干教师研修项目，对于化学观念教学有了一些了解和体会。体会到我们的教学必须通过具体知识的教学将客观存在的知识形态的化学观念转化为学生个人形态的化学观念。把这一体会和教学实际结合，有了本节课的教学设计。

一、教学背景分析

1.本节内容的地位和功能

本课题选自人教版化学2第四章《化学与自然资源的开发利用》第一节（第一课时）的内容，以金属的冶炼为目的，全面地关注金属矿物的开发利用。根据课程标准，本章（化学与自然资源的开发利用）主题是化学与可持续发展，主要包括两个方面：①运用化学知识和原理，解决资源开发利用中的问题，学以致用。②在开发自然资源的过程中，必须保护周围环境、维护生态平衡，建立可持续发展的观念。而本节课的教学就是学以致用的典范，也是关注人与自然可持续发展的典范。

从学科知识的角度看，本节课的教学有利于学生将前面所学过的无机物的知识和技能进行必要的梳理、归纳和拓展。从科学、技术和社会相互作用背景的角度看，本节课的教学有利于学生加深体会化学在综合利用自然资源中的作用，学会辩证地看待人类和自然协调发展中可能会遇到的问题，并培养学生做出明智决策的意识和能力。

2.对教学内容的分析

本课时的教学内容，主要围绕着金属的冶炼方法进行。金属元素在周期表中的分布非常广泛，在自然界的存在主要是化合态，而金属单质以及合金在工农业和日常的生活中的用途很广。教材重在阐述金属的冶炼方法，并且千方百计地让学生寻找、体会不同金属在冶炼方法方面的规律，并能和必修1的知识结合，试图去解释这些规律。这样的安排，不但可以复习必修1的元素化合物知识，而且对于周期律、化学键、物质的分类、化学实验的手段等都是全面的复习和提升；必修1中学生学习了大量的元素化合物知识，必修2中学习了元素周期律，所以本节课的学习也是学生提升和运用元素观解决实际问题的体现。

3.对学生学习背景的分析

学生在初中对于金属及合金有所了解。在必修1的学习中，对于Na、Al、Fe、Cu四种重点金属元素的单质和化合物进行了深入和细致的研究。在必修2的学习中，已经掌握和体会了元素周期律中蕴含的科学本质。结合化学键和物质分类的学习，利用结构决定性质的思想和同类物质的相似性，能够解决并通过实验的手段探究简单未知物的性质。

当然，由于必修1学习课时紧张，而且时间长了有遗忘的现象，对于有些化学反应方程式不能正确书写。还有，高一化学的学习毕竟停留在必修阶段，学生自我梳理知识、独自设计实验方案的能力、感悟科学本质的“悟性”都有待通过教师有效的组织教学进行加强。

二、教学目标

基于对教材结构和内容的深刻理解，结合高中化学课程标准的说明，确定了三维教学目标。

1.知识与技能目标：知道根据金属的活动性不同，可分别采用加热、电解、还原等方法冶炼金属，并能从能量的角度选择金属的冶炼方法。能够正确地书写有关化学方程式。

2.过程与方法目标：让学生用所学化学基础知识解释或分析资源开发利用中遇到的问题，认识和体会化学在自然资源开发利用中的意义和作用。体会金属冶炼中蕴含的化学观念。

3.情感态度与价值观目标：意识到科学的本质在于不断创新和探究，意识到开源、节流和可持续发展的重要性。

三、教学重难点

基于对本课题价值的认识和我校学生的学习实际，将本节课的教学重点设定为：应用氧化还原反应的规律理解金属冶炼的本质；教学的难点设定为：基于金属还原性的差异认识金属冶炼方法的差异，基于金属冶炼知识建构和发展化学元素观。

四、教学过程详解

环节1：关注引言，引出话题。

［学生阅读］请同学阅读教材86页的章引言，思考：化学在自然资源的开发和利用方面，能够发挥哪些重要的作用？

［学生活动］学生阅读教材，整理出化学在自然资源开发和利用方面的4个作用。

［教师总结］根据刚才同学的分析，通过化学反应，利用化学资源可以合成自然界原本没有的物质，今天我们就重点讨论利用自然资源如何冶炼金属。

（设计意图：人教社的教材有一点做得非常好，就是每一章都有一个章引言，提纲挈领地告诉学生本章要学习的主要内容。如果在教学中我们能够抓住这一点，充分地利用教材，让学生对本章内容有个大概的了解，学生就会思考哪些地方他比较熟悉，哪些地方特别陌生，这样便于学生抓住重点，便于学生的学习。）

环节2：复习旧知，创设情境

［思考交流］1.元素周期表中的金属元素大概有多少种？它们在自然界的存在形态如何？

2.西汉古籍《淮南万毕术》上就有“曾青（青为蓝色之意）得铁，则化为铜”的记载。请写出相关的化学反应方程式。葛洪在《抱朴子内篇》中说“丹砂（丹砂是硫化汞）烧之成水银，积变又还成丹砂”。这是古代炼丹家对该可逆反应的简单概括。请写出相关的化学反应方程式。

［学生活动］学生讨论，思考问题。同时请一位同学在黑板上书写第2题的两个方程式。

［教师总结］元素周期表是我们学习元素化合物知识的重要工具，元素周期表中共有112种元素，其中非金属元素22种，金属元素大概90种。金属元素在化学反应中容易失电子，自然界除了金和铂，金属元素大都以化合态存在。中国古代就有炼丹术，在这个过程中，古人积累了金属冶炼的两个方法，其一是湿法，其二是火法。而且，同学们可以看到，我们中国人在很早以前就对可逆反应有认识，这应该令我们感到骄傲。

（设计意图：金属的冶炼涉及到元素化合物知识，金属冶炼的原理与氧化还原反应有关。而元素周期表对于元素的金属性、非金属性进行了很好的梳理。通过以前的学习，学生应该初步建立了从元素的角度看物质的基本观点。所以，在这里复习、回忆周期表的知识，对于学生后面分析金属的冶炼方法应该有很好的帮助，对于学生的元素观也是一种建构和发展。设计古人冶炼金属的情景，目的是激发学生的学习兴趣，梳理金属冶炼的方法，让学生体会实践出真知的观念。而且丹砂烧之成水银，积变又还成丹砂属于可逆反应，以此为契机可以对学生进行爱国主义教育。这样的设计，让学生始终在复习旧知识，让学生体会到能够用所学的知识解决金属冶炼的问题，使学生有“学以致用”的感觉。）

环节3：分析反应，感悟本质

［设问］结合必修1中有关化学反应，请同学梳理我们已经学习了哪些金属冶炼的方法，并用化学方程式表示。

［学生活动］同学们在笔记本上书写学习过的有关金属冶炼的反应方程式，一个同学在黑板上书写。在书写的过程中，大部分同学注意到分类的思想。例如：有一个同学写出了用H2、CO、Al分别还原Fe2O3制金属铁，然后又写了用Fe与CuSO4溶液反应制取金属铜等；还写了电解熔融的氧化铝制取金属铝的反应（必修1讲过）。

［设问］请同学从氧化还原的角度分析金属冶炼的实质？总结常见的金属冶炼的方法？

［教师引导］金属的冶炼都是从化合态变为游离态，所以属于还原的过程。而要把金属元素从其化合物中还原出来，用什么方法，同学需要考虑金属的活动性顺序。

（设计意图：这样的设计还是希望学生能够回忆复习以前所学的知识，特别是必修1的有关知识，而且能够利用所学的氧化还原的知识，总结金属冶炼的规律和方法。这样的思考站位高，属于从上往下看，关注了知识之间的前后联系、能够起到升华思维的目的，能够发展学生以前建立的元素观。而且，学生在分析问题的过程中，能够感受到一些化学观念（周期律、氧化还原的规律）对自己思维的影响。）

环节4：实验引领，重点分析

在金属的冶炼方法中，热还原法最为普遍。而高中化学所学习的热还原法，重点应该是铝热反应。对于铝热反应我采取了教师演示实验，学生观察现象、写化学方程式的教学方式。

［学生阅读］请同学们阅读教材P98实验4-1的内容，用自己的语言告诉大家如何做铝热反应的实验。并请一位同学帮助老师折叠滤纸。（这里有一个细节，两个班的两位同学，在叠滤纸的过程中，由于需要把两张滤纸叠加在一起，结果学生叠加后的滤纸一边6层，一边2层，正常应该是两边都是4层。我有意设计了这么一个环节，我们的学生观察能力和动手能力确实需要加强，这就需要我们放手，多让学生自己做实验，多实践。）

［演示实验］教师根据学生的叙述，一步一步地完成铝热反应的实验，并不时地纠正学生的错误表述，同时分析每一步操作的目的。

［学生活动］学生描述实验现象，书写化学方程式。

［设问］铝热反应是吸热反应还是放热反应？Al能否与所有的金属氧化物发生类似的反应？若不能，请说明哪些金属氧化物可与Al发生此反应。

［教师引导］铝热反应虽然需要高温的反应条件，但是它仍然为放热反应（因为生成的铁为熔融物）。铝热反应的实质是用较活泼的铝，把活泼性相对弱的金属从其氧化物中还原出来，符合氧化还原反应中“强制弱”的规律。

［学生活动］学生讨论铝热反应的用途。

（设计意图：铝热反应是一类反应，体现了氧化还原反应中强还原剂制取弱的还原产物的规律。对于这一规律，在溶液中金属单质相互置换学生见过很多，但是固体与固体在高温下的置换学生是第一次见，所以有必要让学生观察实验。由于是教师演示实验，怎么体现学生的参与性呢？我采取了学生阅读教材，用自己的语言描述实验操作过程的方法，这种方式比教师直接演示的效果好，学生在阅读的过程中必然会有思考，为什么用氯酸钾，为什么用镁条引燃反应？为什么观察现象时眼睛不能直视？从学生描述实验现象就可以看出，学生的描述详细全面，可见采取这种教学效果好。）

环节5：小题大做，追寻本质

对于电解法冶炼金属，由于在必修2阶段，学生对于电解的原理还没有学习，所以主要落实化学反应方程式即可。但是，我还是想小题大做，以此为切入点，复习提升以前所学习的知识，所以在学生写完电解NaCl、MgCl2、Al2O3的化学方程式后，设计了这样的问题。

［设问］已知AlCl3的熔点为190℃，Al2O3的熔点为2045℃，为什么用电解Al2O3的方法制取金属铝，而不用电解AlCl3的方法呢？根据制取金属镁的方法，推测MgO和MgCl2哪个物质的熔点高？

［设问］对于电解法制取Na、Mg、Al三个反应，从反应物和生成物能量的角度思考，为什么用电解作为反应条件？什么样的金属“迫不得已”才使用电解的方法进行冶炼？

（设计意图：对于金属冶炼的教学，它有一个很重要的功能就是复习、总结以前所学习的知识，发展学生的元素观。上面的两个设问复习了化学键的知识、离子化合物和共价化合物的区别；对于电解这个反应条件，初中接触过电解水。从能量分析角度分析，需要通电才能发生的反应，肯定是反应物的能量低、生成物的能量高，这样学生就能很好地体会“电解是最强有力的还原手段”这句话了。这两个问题应该说难度较大，是对学生化学综合素质、化学观念的很好考查。）

环节6：回顾反思，总结归纳

［学生活动］根据以上分析，结合金属活动性顺序表，总结金属的活动性与金属冶炼方法的关系。

［教师总结］金属的活动性顺序表，反应了金属与水或者酸反应时，还原性的强弱。结合氧化还原的规律，金属单质的还原性越强，其对应的阳离子的氧化性越弱，我们就可以总结出金属活动性与金属冶炼方法的关系。

（设计意图：本节课的金属冶炼，学生在教师的引导下，一步一步的思考，体验了金属冶炼的方法和规律，发展了学生的化学观念。这样的设计能够从氧化还原的角度，加深学生对金属冶炼方法的理解，从而掌握金属的冶炼。）

五、教学反思

化学基本观念客观存在于具体的化学知识当中，这就使得通过知识教学来促进学生化学观念的建构成为可能。促进“观念建构”的化学教学策略，要求教师在教学的过程中，所采取的每项策略都要指向于是否有利于增进学生对化学学科特征和本质规律的认识，是否有利于激发学生高水平思维活动，确保化学知识教学始终朝着增进学生理解力的方向推进。

对于金属矿物的开发利用，本节课的定位是让学生用自己所学的知识、结合自己目前的能力，解决金属冶炼这个工业生产中的问题。还有本节课的教学内容是必修最后一本书的最后一章的内容，那么必然有复习、总结、提升的目的。所以本节课的设计完全是从学生目前的学习情况和能力出发，学生自己去梳理知识，在梳理的过程中，落实、加深理解过去所学习的概念和原理，从而达到提升能力的目的，这就是对化学观念的发展。

本节课的教学设计，没有将重点放在如何记忆金属冶炼的化学反应方程式上，而是潜移默化的关注学生化学观念的建构和发展。高中化学有许多化学反应方程式，一个一个的记忆将会加重学生的学习负担。如果我们能够让学生体会到一种方法，学习到一种解决问题的方法，比如“如何从金属化合物中得到金属单质？需要加入还原剂，需要什么样的还原剂？还原剂的还原性强到什么程度，如果没有更强的还原剂又怎么办呢？这就是化学元素观的建构和发展，就是解决问题思路的梳理，就是能力的提升。

任何一个概念或者原理，必然有其产生、发展、形成的过程，我们的教学就是要展示这样的一个过程，学生在感悟概念和原理的发展形成过程中就会形成自己的化学观念，利用这样的化学观念，就会指导学生从不同的视角去认识问题。

参考文献

［1］宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·化学必修2.北京：人民教育出版社，2007

［2］毕华林，辛本春.促进“观念建构”的化学教学策略［J］.中学化学教学参考，2011，（7）

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.025

文章编号：1008-0546（2016）03-0068-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B