基于培养学科核心素养的教学实践和反思*——以“开发利用金属矿物和海水资源”为例

丛高

基于培养学科核心素养的教学实践和反思*——以“开发利用金属矿物和海水资源”为例

丛高

（如东县教师发展中心江苏如东226400）

以人类发展史中重要金属材料的开发利用为主线，选取具有代表性的“炼铁”和“炼铜”，结合金属活动性，通过归纳、分类和整理各种金属的工业冶炼方法，加深对氧化还原反应的理解，同时寓学科相关核心素养的培养于学生思维品质的优化中。

实验探究；变化守恒；宏微结合；分类表征；绿色运用

2016年5月19日，南通市高中化学（使用人教版教材）优秀课评比在江苏省海门中学举行，我有幸参加课堂展示，在高一（7）班借班上了一堂新授课“开发利用金属矿物和海水资源（第1课时）”。本次活动以“培养学科核心素养”为主题，下面就这堂课的教学设计作一介绍。

一、设计理念

鉴于人教版《化学2》［1］中本节课的“承前启后”：既是对《化学1》中钠、铝、铁等金属及其重要化合物知识和氧化还原反应的进一步归纳、梳理和运用，同时又为《选修2》第三单元“化学与材料的发展”课题2“金属材料”中深入学习铁、铝的冶炼做好准备。在综合比较了人教版和苏教版中有关金属的教学内容后，设计了两条主线，一明一暗。明线：即以人类发展史中重要金属材料的发现和使用为主线，着重讨论青铜时期铜的冶炼（因为人教版《化学1》对铜的教学相对不如钠、铝、铁系统，而苏教版《化学1》［2］编有“铜的获取和运用”）和铁器时期的炼铁、炼钢（考虑到钢铁仍是目前使用量最大的金属材料），进而结合金属活动性，通过归纳、分类和整理各种金属的工业冶炼方法，加深对氧化还原反应的理解。暗线：寓学科核心素养的培养于学生思维品质的优化中，通过精心设计的问题，结合适当的学法指导，从“实验探究”“变化守恒”“宏微结合”“分类表征”“绿色运用”等多个方面培养学生的学科素养。整节课的教学思维导图可表示为图1：

图1　教学思维导图

二、教学目标

1.了解铜、铁等金属的冶炼史，认识冶炼金属的一般原理，初步学会分析、比较和归纳不同金属的冶炼方法。

2.深化氧化还原反应的理解和运用，感悟其在金属材料发展中的关键作用。

3.铭记历史，进一步增强民族自豪感、责任感和使命感。

三、教学流程

四、教学过程

1.情境导入

［师］先来做个游戏——连连看！游戏规则是对人类历史发展代表性时期和对应的标志性技术或人物进行连线，如图2。

图2　连连看

［师］今天我们一起来走进人类历史发展中的重要金属材料。石器时代“火”的发现和利用为铜、铁的冶炼奠定了基础，包括工业革命时期大量使用有色金属材料。所以说人类文明史就是世界材料发展史。

设计意图：第一，寓教于乐；第二，明确本堂课的明线——不同历史时期典型金属冶炼及金属材料的运用，初步体验分类表征；第三，利用交互式电子白板的“幕布”功能，使得游戏与评价变得简便可行。

2.活动一：了解铜的冶炼历史

［图片展示］介绍两件珍贵文物：司母戊鼎和铜虎头。

设计意图：兼有培养学生民族自豪感和铭记历史教训的用意。从某种意义上来讲，铜虎头已经超越了一件普通文物的意义，唤醒我们同学：中国至今还有上百万件珍贵文物流失海外。

（1）从铜的化合物中还原出铜

问题：人类很早就发现，孔雀石［主要成分是Cu2（OH）2CO3］在熊熊燃烧的树木中灼烧，树木余烬里会有一种红色光亮的金属凝固出来，试用化学方程式表示所发生的反应：（1）_______；（2）________。

早期湿法炼铜有“曾青得铁则化为铜”的记载，其原理为__________。

［生］讨论概括出上述两种方法制铜的本质——从化合态还原为游离态。

视野开拓：介绍湖北博物馆的镇馆之宝“编钟”（图片）的高超铸造技术：运用合金比例（图片）控制音色！（锡偏低，钟声单调而尖锐，过高钟体韧性下降易被击破，而适当的含铅量则有利于声音的衰减，改善音色）。它的神奇还不仅于此……（有兴趣的课后可上网了解）

设计意图：激发学生的兴趣，也为后面介绍炼钢中通过调节硅、锰等合金元素来得到用途不同的钢材埋下伏笔。由组成的不同而导致结构的差异，从而初步感受“性构相依”。而对于“神奇的音乐性能”现场不讲，仅留提示，必定会激发学生学习的热情，兼有激发学生热爱艺术的设想。

（2）分组实验——“电解氯化铜溶液”

【实验说明】

［师］J形管［3］高端碳棒与电源负极相连（阴极），J形管低端碳棒与电源正极相连（阳极），注射器内装有湿润的淀粉碘化钾试纸，通电（24V）3分钟，注意观察阴、阳两极现象，结束实验后向上少许提拉注射器活塞（注意不要吸进溶液），观察试纸颜色，并完成化学方程式。

图3　电解氯化铜溶液装置图

设计效果：从实验的角度丰富了制备铜的方法，也为《选修4》中电解精炼铜开一扇窗。可通过加液后在J形管两端自然形成的液面高度差判断装置的气密性，另外装置在密闭体系中检验Cl2，减少了其对环境的污染，本身就体现了绿色化学思想。

［师］视野开拓：简单介绍现代炼铜技术——火法炼铜和生物炼铜。

3.活动二：认识炼铁（钢）的原理

（1）实验探究——“铝热反应”

装置改进如图4：用水泥和沙子在铁皮罐内侧浇铸成坩埚状，底部开孔，将纸漏斗放入，填上铝热剂，表面铺一层氯酸钾，三脚架下面预先放好盛有细沙的蒸发皿。用坩埚钳将燃烧的镁条插入反应物引发反应，……夹出红热物，用磁铁靠近。

图4　铝热反应改进装置图

设计效果：当给铝热反应重新按了这个家后，用5gFe2O3和2gAl粉演示，现象十分明显，火焰集中在小范围内垂直向上喷射，底部高温熔融物相对集中落下，并能在细沙中保持相对较长时间（约10秒）的“红热”状态，给学生对反应放热留下深刻印象，稍冷，能被磁铁轻松吸引。十分适合当场演示，在药品预先加好的前提下，整个实验用时在4分钟以内。

［师］请完成该反应的方程式（并点评）。鉴于铁、铝都是用途极为广泛的金属，这个反应不具有大规模炼铁意义，但是这个反应由于放出大量的热，因此可以用来焊接铁轨（称之为铝热焊）、冶炼高熔点金属（如锰、铬和钨等）、甚至用于定向爆破。

［师］根据反应的宏观现象，从微观角度加以分析。

问题1：根据反应的宏观现象，从微观角度绘出铝热反应过程中的能量变化，见图5。

［生］利用白板的拖拉功能将反应物、生成物拖到相应位置，并连接成曲线①。

问题2：反应物能像乘“滑滑梯”一样自然而流畅地转化为生成物吗［4］？

［生］小组讨论，修正曲线①为曲线②。

问题3：能不能降低反应的“坎儿”（如曲线③）？

［生］使用催化剂。

［师］寻找合适的催化剂！而金属及其化合物是这个领域研究的热点，可谓方兴未艾（2007年度诺贝尔化学奖授予德国科学家格哈德·埃特尔在表面化学研究领域上的突破）。有兴趣的同学两年后可以考虑填报“催化工业”专业，今天你们站在海门市基础教育的制高点，相信假以时日，你们也一定能登上世界“催化工业”的巅峰。

图5　铝热反应过程中的能量变化

设计意图：利用电子交互白板能轻松展示上述层层递进的三个问题解决的过程！较好地落实了“宏微结合”，进而完成从“物质转化与能量变化”双重角度认识物质世界！并且进一步激发学生对化学的兴趣，再次点燃学生学习激情（学生不由自主的热烈掌声也给予我极大的鼓励）。

（2）看图比较古代炼铁和现代高炉炼铁

结合屏幕上的古代炼铁图片和高炉炼铁示意图，进行比较并完成下表：

表1　比较古代炼铁和高炉炼铁

设计意图：比较是一种高效、深刻的学习方法。

［图片展示］泰坦尼克号沉没的图片以及最近出现在南海的美国现役主战航母——“斯坦尼斯号”图片。

设计意图：第一，说明作为轮船或航母甲板对钢材质量的要求之高；第二，联系时下区域政治热点，激发学生的爱国热情，并自发转化为一种民族的使命感、责任感。

［视频播放］结合“氧气顶吹转炉炼钢”的模型观看相应视频，理解炼钢的目的及反应原理。

4.活动三：整理金属冶炼的本质、方法、过程和金属资源的有效使用途径

（1）简单表示金属冶炼的本质：

（2）结合金属活动性顺序表，讨论不同金属冶炼方法的选择。

（3）金属冶炼的一般过程包括____、____、______。

（4）列举合理开发利用金属矿产资源的几种途径。设计意图：学生自主建构，同时形成本堂课的主板书设计，见图6。

图6　板书设计

［师］金属材料发展的历史演变是材料发展的历史演变中的重要组成部分，见图7。从人类历史发展的几个重大时期看，材料历经了天然材料→陶瓷→青铜→铁→钢→有色金属→高分子材料→新型材料，这正验证了美国科学家西博格的一句话“化学，人类进步的关键”。

课后拓展：上网查阅、走访、调查了解海水金属资源的利用现状和展望。

图7　化学与材料发展史

五、教学反思

1.对立与统一

整合和发挥素材在教学中的辩证性：如两种青铜器图片的使用，既激活学生的民族自豪感，又让学生回忆了中华民族这段屈辱的历史；又如，为说明材料科技的进步是为造福人类社会，却又选择了“泰坦尼克号”海难图片，以及以“斯坦尼斯号”为代表的美国航母在南海制造紧张局势……也很好地印证了课的最后所引用的恩格斯的充满哲理的一句话：“化学既是关于自然的科学，又是关于人的科学。在当代科学的发展趋势中，它们正在走向统一。因此，现代化学不仅是认识生命过程与进化的手段，也是人类生存和获得解放的手段。”

2.实验探究与创新

J形管的运用有效地保证了两液面高度差的形成与观察，同时采用注射器保证了实验中电解氯气的绿色检验，很好地发挥了实验的不可替代功效。实验结束后将针筒中的氯气推入烧碱溶液吸收即可，而CuCl2溶液可供多个平行班级重复使用。铝热反应的反应器以及引燃方式都做了改进，改进后的装置能承受反应高温，外壁不会发烫，可用于反复演示实验而不损坏。引燃镁条时，先用坩埚钳夹住镁条中部，点燃一端迅速将另一端插入铝热剂，这个动态的过程相比教材中静态的过程而言，改善了空气和镁条的接触，反应加剧，有效解决了原来演示过程中燃着的镁条自上向下燃烧到根部会熄灭，从而导致不能引发铝热反应这个问题。

3.摆事实讲道理

通过编钟中合金成分的分析，锡、铅含量对钟声音色的影响，以及将生铁炼钢过程中各元素含量的变化与调整和钢材所呈现的特性等的关联，培养学生“性构相依”的学科思想。通过由表及里、层层推进的三个问题：根据铝热反应的宏观现象，如何从微观角度绘出反应过程的能量图？反应物会像乘“滑滑梯”一样自然而流畅地转化为生成物吗？能不能降低上述这些反应的能量障碍那道“坎儿”？进而完成从“物质转化与能量变化”双重角度认识物质世界！

比较遗憾的是，学生活动三这个环节略显仓促，本来预设了这样一个活动，让学生扮演我国西部铜城——白银市市长这一角色，谈谈本市矿产资源合理开发的举措……由于我看错时间（结果下来发现提前了3分钟下课），以为课上来不及了，忍痛割爱，失去了培养学生社会责任感、参与意识和决策能力［5］的极佳机会，行文至此仍不吐不快。

致谢：感谢江苏省如东高级中学的同仁们在准备过程中给予的大力帮助。

［1］宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·化学2［M］.北京：人民教育出版社，2008

［2］王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学2［M］.南京：江苏教育出版社，2007

［3］蒋海燕.J形管在中学化学实验中的应用探讨［J］.化学教学，2012（11）：47

［4］江敏.追寻人类思维的脉络——“化学反应进行的方向”教学实践与思考［J］.中学化学教学参考，2014（11）：5

［5］袁东霞.“金属矿物的开发利用”教学设计和反思［J］.教育实践与研究：中学版（B），2011（23）：59

1008-0546（2016）11-0052-04

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.017

*本文是江苏省中小学教学研究课题（2015JK11-L114）的研究成果之一。