转化“认知冲突” 促进知识内化

彭英邦+陈迪妹

摘要：以“从铝土矿中提取铝”为例，分析工艺流程中涉及的反应原理和操作方法，通过创设问题情境，转化认知冲突，在师生交互过程中生成教学环节，加深知识的理解和内化，从而构建铝及其化合物的知识体系。

关键词：认知冲突；教学设计；铝及其化合物

文章编号：1008-0546（2017）01-0038-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.013

一、 问题提出

著名教育心理学家奥苏贝尔有过一段经典论述“影响学习的唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么，要探明这一点，并据此教学。”[1]建构主义理论认为学习不是学习者简单地接受与储存信息，而是主动地将原有经验和新信息进行分析与重建知识结构的过程。

学生在学习某一学科前形成的前概念，有些与科学概念一致，也有一些偏离科学现象本质或背离科学概念的理解与认识。这是学生凭感性认识构建起来的，是由于缺乏感知经验的概念，或认知上的局限导致的。如学生观察铁丝在氧气中剧烈燃烧，有火星四溅的现象，认为铝片在燃烧时也会有这样的现象，忽略了铝表面形成的氧化铝熔点极高，不易被融化。又如，金属钠与金属镁可分别由电解其熔融状态的氯化物制得，便认为铝也能用电解熔融氯化铝的方法获得，没有认识到熔融氯化铝不产生自由移动的离子。学生在学习新知识时的认知冲突影响，需要适时转化，才能顺利完成新知识的内化。

二、 设计思路

“从铝土矿中提取铝”为苏教版必修《化学1》专题3第二单元第3节的内容，学生已掌握了Al、 Al2O3及Al（OH）3的性质，通过本节内容学习，了解从铝土矿中提取铝的工艺流程，体会工业生产与学科知识的紧密联系，体验科学发展对人类发展的影响，并进一步认识铝及其化合物之间的相互转化，从而构建铝及其化合物的知识体系。

教学目标：（1）知识与技能。了解地壳中铝的含量及存在方式，知道从铝土矿中提取铝的工艺流程，会正确写出相关物质转化的化学方程式；（2） 过程与方法。通过分析铝的制备工艺流程，提高发现问题、分析问题和解决问题能力，进一步理解铝及其化合物之间相互转化的关系；（3）情感态度与价值观。了解铝的发现史，从铝的制备方法中体验化学学科与工业生产之间的联系，增强学科学习兴趣。

教学重点：从铝土矿中提取铝的工艺流程及相关反应；教学难点：铝及其化合物之间的相互转化关系。

教学思路：本课由化学史实引入，以“铝的制备”问题为主线，回顾金属冶炼的方法，联系工业生产铝的工艺流程，通过创设问题情境、讨论交流，将知识融入猜想、实证、归纳中，合理转化学生的认知冲突。在教学过程中注意学生思维认知的障碍点的突破，生成有效的教学环节的学生活动，并逐步提升知识深度，在讨论和交流中，引导学生归纳总结，最后形成铝及其化合物的知识体系。

教学流程如下所示：

三、 教学过程

环节1 化学史实，激趣设疑——铝的发现史

【投影】（1） 一些金属元素在地壳中的含量对比图；（2）生活常见的铝制品。

【师】铝及铝合金在日常生活中应用广泛，铝是地壳中的含量最高的金属元素，铝性质活泼在自然界中主要以化合态形式存在于铝土矿中。时光回溯到两百多年前，当时铝价格比黄金还昂贵。我们通过两则铝的化学趣话来了解一下。

【投影】“铝的趣话”

（1）在国宴上，拿破仑三世使用的是一套珍藏的铝制餐具，而大臣们使用的是银制餐具。

（2）门捷列夫创建了元素周期表，英国皇家学会为了表彰他，奖励他一只铝制奖杯。

【问题情境】铝是地壳中含量最多的金属元素，在我们生活中也有很多的铝制品，铝的价值并不昂贵，但为何在两百多年前，铝比黄金还贵？

【生】（1） 铝在自然界中以稳定的化合态形式存在，铝单质很少。

（2）铝的冶炼工艺决定了铝单质的产量，在当时的条件下，铝的获取较为困难。

【师】 这两位同学解释了两百多年前铝价值昂贵的缘由，一方面铝在自然界中主要以铝土矿的形式存在，铝单质在自然界较少；另一方面铝金属性较强，在当时的条件下获得铝很困难，因此，直到1827年铝才被德国科学家沃勒发现。在当时，铝的价值甚至超过了黄金。

【设计意图】导课是教学的重要环节，是一堂课的开端。通过对比金属元素在地壳中含量，生活中应用广泛的铝制品，引出本课主题：铝。新课改倡导要重视学科背景知识，化学史实是化学学科的重要组成部分。通过铝的化学趣话，创设问题情境，让学生了解早期铝的获取较为困难的事实，鼓励学生讨论，并调动学生积极思考。

【過渡】那么，在本节课中，我们一起来学习“从铝土矿中提取铝”，认识工业上制备铝的方法，进一步巩固铝及其化合物的性质。

环节2 认知冲突，巧妙转化——铝的冶炼方法选择

【回顾】 请同学们回顾一下工业制备金属钠和金属镁的流程及方法。

【师】 金属的制备，要从几个方面考虑：原料来源——工艺流程——反应原理。

【交流与讨论】 从工业制备金属钠和金属镁的工艺流程上，你能获得哪些信息？

【生】金属钠和金属镁采用电解熔融状态的氯化物获得，电解前的氯化物需要精制。

【师】总结得很好，请根据钠和镁的制备方法，综合考虑原料来源、工艺流程和方法选择，思考铝的制备方法。

【设计意图】学会分析、对比，寻找几种金属通性、差异和制备的方法，形成新旧知识间的联系。从原料来源、工艺流程及冶炼方法等方面考虑制备方法，进而推测金属铝的获取方式。

【阅读】阅读教材上关于从铝土矿中提取铝的工艺流程。

【投影】知识拓展：（1）较活泼的金属如钠、镁、铝等通常采用电解法制备；（2）由铝土矿生产铝，首先需制取 Al2O3，然后再电解Al2O3制取铝；（3）铝土矿是不纯的一水铝石或三水铝石，含 Al2O3（45%-65%），主要杂质是氧化硅和Fe2O3，氧化硅含量可达12%，Fe2O3含量可达25%，还有少量氧化钛等，含量约为3%，结晶水含量为14%-36%。

【思考】（1）从铝土矿中提取铝的工艺流程可以分为几个阶段？（2）能否采用电解熔融AlCl3的方法制备铝？（提示：熔融氯化铝不导电）

【生】（1）从铝土矿中提取铝可以分为两个阶段：第一阶段是获得纯净 Al2O3，第二阶段是电解 Al2O3获得铝单质；（2）不能采用电解熔融AlCl3的方法，因为熔融状态的AlCl3中不存在自由移动的离子，因此不导电。

【问题情境】根据教材上提供的工艺流程图，思考下列问题：

（1）向铝土矿中加入NaOH溶液的目的？通入过量CO2的目的？能否采用稀盐酸酸化？

（2）工艺流程中出现两次过滤其目的分别是什么？

（3）电解熔融 Al2O3时，冰晶石起什么作用？

【生】（1）加入NaOH溶液是把铝土矿中的Al2O3溶解，通入过量CO2目的是将偏铝酸钠转变为Al（OH）3，不能用稀盐酸去酸化，因为Al（OH）3是两性氢氧化物。

（2）第一次过滤是去除铝土矿中的杂质，第二次过滤是为获得Al（OH）3沉淀。

（3）由于氧化铝的熔点很高，直接加热使其熔化需要消耗很大的能量。冰晶石的作用使氧化铝的熔融温度降低，从而减少能量消耗。

【设计意图】针对“从铝土矿中提取铝的工艺流程”，创设相关的问题情境，让学生深入认识相关流程涉及的化学反应、操作方法及目的。聚焦学生思维，帮助学生领会重点。

【总结】从铝土矿中提取铝的流程及相关反应：

环节3 开放情境，学以致用——工业制备铝方案的改进

【师】铝土矿中主要成分是 Al2O3，不同铝土矿中氧化硅和氧化铁等杂质的含量有差异。

说明：SiO2一般与酸不反应（HF除外）；（2）向铝土矿中加入NaOH溶液后所得的母液应该脱除赤泥（不溶残渣，含有氧化铁、二氧化钛和铝硅酸钠复盐。铝硅酸钠的生成量与铝土矿中氧化硅的含量有关），采用这种方法一般只适合处理氧化硅含量小于8%的铝土矿。

【问题情境】结合上述信息，思考从铝土矿中提取铝的工艺存在哪些不足？

【生】铝土矿中的杂质氧化硅会与NaOH溶液反应，这样得到的偏铝酸钠溶液中混有杂质。而且当铝土矿中含有氧化硅含量较高时，赤泥中含有较多的铝硅酸钠，氧化铝损失较多。

【问题情境】对于氧化硅含量较高的铝土矿，采用上述方法会有较多的氧化铝损失。那么根据氧化硅与盐酸不反应，若向铝土矿中加入盐酸，再过滤除去氧化硅的方案可行吗？

【生】如果向铝土矿中加入盐酸，铝土矿中的氧化铁杂质也会与盐酸反应，这样铝离子和铁离子混合在溶液中。

【师】如何分离这两种离子？

【生】加入足量NaOH溶液！使得铁离子转化为氢氧化铁沉淀，而铝离子转化为偏铝酸盐。

【交流与讨论】若采用“用盐酸溶解铝土矿（除去硅），再加入过量NaOH溶液（除去铁），通入CO2，灼烧沉淀”的工艺流程，与目前工业上采用的流程相比较，有何优缺点？

【生】优点：去除氧化硅，降低铝的损失；

缺点：工艺流程复杂，成本高。

【设计意图】高中化学课程要求培养学生可持续发展的思想，科学观点是不断完善的过程。鼓励学生发问质疑的精神，对学生发散性思维的培养起着重要作用。提供相关信息，并创设问题情境，引导学生思考目前工业上制备铝的方法存在的不足，抓住学生认知冲突，适时转化相异构想。同时联系社会生产的实际，培养学生灵活应用学科知识解决问题的能力。

【总结】教材上提供的“从铝土矿中提取铝”工艺流程适合处理氧化硅含量小于8%的铝土矿，对于氧化硅含量为超过8%的铝土矿需要采用其他改良法处理。因此，目前工业上制备铝还是采用“碱法”，但同时要考虑铝土矿中杂质的含量。

环节4 总结深化，构建体系——铝及其化合物的相互转化

【师】从铝土矿中提取铝的工艺流程，涉及铝的化合物之间的转化。根据我们所学的知识，表示铝及其化合物之间的相互联系。

【总结】铝及其化合物之间的转化。

【练习】写出上述框图中铝及其化合物相互转化的化学方程式或离子方程式。

【总结】从铝土矿中提取铝的工艺流程，归纳相关反应原理，巩固铝及其化合物的转化。

【设计意图】突出重点，从社会生产回归学科知识。通过练习铝及其化合物之间转化的化学方程式，梳理相关知识，让学生自主构建铝及其化合物的知识体系。

四、 教学反思

课堂教学过程中一些转变认知冲突的细节值得回味，如提出“有没有其他方法分离氧化硅杂质？”有学生根据氧化硅不与稀盐酸反应，提出用稀盐酸溶解铝土矿，但也有同学提出会把铝土矿中存在的氧化铁杂质反应，这时教师顺势提出，“如何分离铁离子和铝离子？”这一问题激发了同学们的兴趣，有同学提出加入NaOH溶液的方法，老师追问：“两者都转变为沉淀，如何进一步分离？”有同学激動地答道：“可以加入过量的NaOH溶液，这样使Al（OH）3溶解而氢氧化铁不溶解，用过滤方法实现两种离子的分离。”博得了同学们的掌声。教学后回顾本课，有以下体会：

1. 师生协同互动，生成性教学活动

教学过程是师生协作的过程。俗话说：“教学有法，教无定法。”教学需要预设，但更重要的是在动态中生成。教学过程中要鼓励学生思考，有疑问是求知的第一步。不愤不启，不悱不发，要合理把握学生的“愤”“悱”状态，师生协作完成教与学的活动。

2. 利用学生已有知识，转化认知冲突

教学设计应当分析学生原有的观念和思维方式，弄清其对学习和理解新知识会造成的障碍与影响[2]。在教学过程中创设能引起学生产生认知冲突的教学情境，并通过分析、比较、归纳、推理等科学的思维方法，帮助学生进行认知顺应，实现认知冲突的转化。

3. 创设开放问题情境，学科知识联系生产生活实际

应用学科知识解决生产生活中的相关问题，如工业上制备铝要考虑到原料铝土矿中氧化硅的含量，进而选择相应的方法；电解氧化铝过程中需要加入冰晶石等，为学生的思维打开一扇窗，体现学科知识与工业生产的紧密联系，深化知识结构，培养学以致用的学习品质。

参考文献

[1] 水菊芳. 基于以学论教的高中数学课堂“教师的导”浅谈[J]. 数学通报，2015，03：20-22

[2] 严业安. 化学教学中的“相异构想”初探[J]. 化学教学，2005，07-08：28-30