基于模型认知和社会责任感培育的化学教学

解慕宗 罗娟 何丽

摘要： 以“金属矿物的开发利用”教学为例，围绕化学学科核心素养的发展，探讨融入模型认知和社会责任感培育的化学教学。以“赏宝、寻宝、炼宝、用宝”为教学主线，基于真实情境，用逻辑严密的问题链串联教学;通过“炼石成铜、点石成铁、变石成铝”等教学活动实现模型的建构、运用与完善;通过化学史料等素材的学习实现社会责任感的培育。提出教学中应讲好中国化学故事，促进历史认同;展现化学独有魅力，增强学科认同。

关键词： 素养为本; 模型认知; 社会责任感; 金属冶炼

文章编号： 1005-6629（2021）03-0038-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出： 应以发展化学学科核心素养为主旨，立足于学生适应现代社会和未来发展的需要，充分发挥化学课程的整体育人功能。倡导真实问题情境的创设，重视开展素养为本的教学[1]。化学学科核心素养中，重视“模型认知”将有利于学生形成化学学科特有的学科观念和思想方法，社会责任感的培育更能体现化学学习高层次的价值追求。本文以“金属矿物的开发利用”为例，探讨如何在化学教学中基于真实的问题情境，建构、运用并完善认识模型，培育学生的社会责任感，落实立德树人的根本任务。

2  内容分析

“金属矿物的开发利用”是人教版高中化学必修教材内容[2]，该节内容将学生的目光从实验室的瓶瓶罐罐转移到真实的工业生产中，揭示了如何从自然界（矿石）中获取化工原料（金属单质），具有丰富的素养内涵和育人功能。传统的授课流程是： 分析金属在自然界中的存在形态，揭示金属冶炼的实质，再结合金属活动性顺序表，举例说明常见金属的冶炼方法并罗列相关反应的化学方程式。教学中的平铺直叙，往往缺乏“工艺味”和“技术味”，让学生感觉索然无味。分析金属矿物的开发史，发现其中留下了无数先贤尤其是中国古人探索未知、崇尚真理的脚印，体现了化学对社会进步的重大贡献，而冶炼工艺的改进史则有助于强化节约资源、保护环境的可持续发展意识[3]。为此，本文尝试探讨融入模型认知和社会责任感培育的化学教学。

基于内容分析，结合具体学情，将教学目标确定为： （1）通过化学史料了解金属冶炼的过程，分析金属冶炼的本质，体会氧化还原反应在实际生产中的具体应用;（2）通过分析铁、铜、铝的冶炼，建构金属冶炼的认知模型，并在模型的应用和完善中提升高阶思维能力;（3）通过了解我国古代在金属冶炼方面的成就，结合稀土材料的应用，增强民族自信，培育国家认同感和社会责任感。

3  设计思路

为达成教学目标，本节课设计“赏宝”“寻宝”“炼宝”“用宝”四大学习任务，用丰富而真实的情境、完整而严密的问题链贯穿教学过程。具体设计思路如图1所示。

4  教学过程

4.1  任务一： 赏宝——倾听历史的声音

[情境1]赏大国重器（阅读材料并观看视频）。

材料1： 3000多年前的商朝，工匠们正在赶制一件青铜器，该青铜器高133cm、口长110cm、口宽79cm，重达832.84kg，它便是鼎中的王者——后母戊鼎，封印着权力的镇国之宝。后母戊鼎是商王祖庚为祭祀其母戊所制，制作工艺极其精巧、复杂，该鼎见证了我国悠久的历史和璀璨的文化。

材料2： 越王勾践剑，春秋晚期青铜器，历史文化价值极高，被誉为“天下第一剑”。因剑身镀铬而千年不锈，历经2400余年仍然寒气逼人、纹饰清晰。该剑长55.7cm，宽4.6cm，柄长8.4cm，重875g，同时锋利无比，可轻松划破16层白纸。

[问题1]从材料和视频中，你品出了哪些“化学味”？

[学生]后母戊鼎和越王勾践剑的主要成分均为铜，说明了铜容易冶炼。

[问题2]两件文物均为青铜器时代的杰作，代表了当时的最高制造水平。人类历史在某种意义上也是一部金属冶炼史，人类冶炼金属的历史年代数据如图2所示，你发现了什么规律？

[学生]越不活泼的金属越容易冶炼，出现的年代越早。

[问题3]越不活泼的金属一定越早出现吗？继续读图，讨论规律背后的反常之处。

[学生]铜比金活泼，钠比铝活泼，但人类使用金的时间晚于铜，冶炼铝的时间晚于钠。

[过渡]出现这一规律及反常现象的原因是什么？让我们继续探讨。

设计意图： 通过《国家宝藏》中的相关视频及文字材料介绍后母戊鼎和越王勾践剑，培养学生的历史认同感，激发民族自豪感。赏宝，倾听历史的声音，从后母戊鼎中听出鼎力东方的强者之音，从越王勾践剑中听出王朝更迭的兴衰荣辱。欣赏大国重器，不仅可以品出历史沉淀的厚重，更能读出金属冶炼的智慧。接着很自然地引出人类冶炼金属的年代顺序，學生读图找规律，为后续学习埋下了伏笔。

4.2  任务二： 寻宝——探索内在的奥秘

[情境2]古人“寻宝”记。

材料3： 取之无禁，用之不竭，是造物者之无尽藏也——苏轼《赤壁赋》。

材料4： 日照澄洲江雾开，淘金女伴满江隈。美人首饰侯王印，尽是沙中浪底来——刘禹锡《浪淘沙》。

材料5： 丹砂烧之成水银，积变又还成丹砂——葛洪《抱朴子》。

[问题4]阅读古诗文，联系金属的冶炼，你有什么收获？

[学生甲]材料3说明大自然为我们提供了无穷无尽的宝藏。通过金属冶炼可以在大自然中“寻宝”。

[学生乙]材料4描述了“沙里淘金”的场景。金以游离态存在于自然界中，可以利用密度的差异淘金。

[学生丙]材料5中“丹砂烧之成水银”指的是HgS受热分解变为Hg单质。

[小结]Au和Pt还原性很弱，可通过物理方法从自然界中获取;Ag和Hg则可通过热分解法冶炼。

[问题5]结合上述材料，从氧化还原的角度分析Au比Hg容易冶炼的原因，归纳金属冶炼的实质。

[学生]金属单质的还原性越强，对应金属阳离子的氧化性越弱，越不容易得电子，所以Au比Hg容易冶炼。金属冶炼的实质是金属阳离子得电子变为金属单质的过程。

[问题6]为什么人类最早使用的金属是Cu而非Au？

[学生]金属的首次使用时间不只取决于金属冶炼的难易程度，也与储量、开采的难易程度等因素有关。

材料6： 金、铜元素在地壳中的丰度分别约为两亿分之一、两万分之一，可见自然界中铜的含量远高于金。除此之外，铜矿颜色鲜艳，易于被发现。在冶炼铜之前，古人已经学会了烧制陶瓷，为铜的冶炼奠定了基础。

[问题7]除了极少数不活泼金属（金、银、铂）和陨铁外，绝大多数金属均以化合态存在于矿石中，从矿石中可“寻宝”。以铜为例，化合态的铜在自然界中的主要存在形式如图3所示，若你是厂长，你会选择哪种矿石进行冶炼？

蓝铜矿（CuS）

赤铜矿（Cu2O）

辉铜矿（Cu2S）

孔雀石[Cu2（OH）2CO3]

[学生甲]选择赤铜矿，因为赤铜矿中铜元素的质量分数最高。

[学生乙]还要考虑矿石中有效成分的含量、矿石的储量等因素。

[小结]在自然界中“淘宝”，欲追求高“性价比”，需要权衡的因素有很多，例如： 矿石的储量与分布情况、矿石的开采难度、矿石的品味（元素的质量分数）等。

设计意图： 赏古诗文典籍，看古人“寻宝”记。从极具画面感的古文名句中获取Au、 Hg等不活泼金属的冶炼方法，从氧化还原的角度分析金属冶炼的实质，从工业生产的实际出发选择矿石。古文名句与真实情境相交融，穿插分析、评价等高阶思维活动，促使学生深度思考。

4.3  任务三： 炼宝——追寻先贤的足迹

4.3.1  模型建构之炼石成铜

[过渡]假设你真的“淘”到了心仪的“宝贝”，怎样炼宝也是一门学问。

[情境3]炼铜的智慧。

材料7： 信州铅山县有苦泉，流以为涧，挹其水熬之，则成胆矾，熬胆矾铁釜，久之亦化为铜——北宋·沈括《梦溪笔谈》。

材料8： 用矿（硫化矿，主要成分为Cu2S）二百五十箩……入大旋风炉，连烹（灼烧）三日三夜，方见成铜——明·陆容《菽园杂记》。

材料9： 炼矿曰扯铜，其法矿千斤（氧化矿，灼烧得CuO）用炭七八百斤不等，炉如夹墙，底作圆窠，铺以炭末，始加矿炭……而铜沉于低，有流碣，即铜成之候矣——清·张泓《滇南新语》。

[问题8]以上材料中均涉及金属铜的冶炼，写出相关化学方程式。

[学生]材料7： Fe+CuSO4FeSO4+Cu;材料8： Cu2S+O2高温2Cu+SO2;材料9： 2CuO+C△2Cu+CO2↑。

[问题9]材料7涉及湿法炼铜工艺，材料8、9涉及火法炼铜工艺（前者为有氧焙烧，后者为无氧焙烧）。若你是炼铜厂的厂长，你会选择哪种方案？

[学生甲]选择湿法炼铜工艺，因为该工艺环境友好，且生成物FeSO4用途广泛。

[学生乙]选择有氧焙烧方案，因为原料O2的成本相对低廉。

[学生丙]选择无氧焙烧方案，因为焦炭易得且污染小。

[小结]三种炼铜方案的比较，见表1。

[问题10]我国有着悠久的青铜文化，追寻先贤的足迹，欲与古人试比高。请设计实验从孔雀石[主要成分为Cu2（OH）2CO3]中提取铜。

[学生甲]采用火法炼铜的方式，高温灼烧孔雀石，使之完全分解，再用碳还原氧化铜制备铜。

[学生乙]可以火法与湿法相结合，高温灼烧后酸浸，再加入铁粉从硫酸铜中置换出铜。

[学生丙]也可以采用湿法，加入过量的硫酸酸浸，充分反应后再加入铁粉置换出铜。

[小结]早在四千年之前，古人就学会了火法炼铜，现代工业铜的电解精炼已经可以制备纯度高达99.98%的精铜，可见技术的革新不断推动着社会的发展。炼铜工艺的发展史如图4所示。

[问题11]从金属矿物中提取金属需要经历哪些步骤？

[学生]梳理从矿石到金属需要经历的步骤，建构认知模型（见图5）。

4.3.2  模型运用之点石成铁

[情境4]炼铁的记忆。

材料10： 公元前约600年，古人将富铁砂矿和木炭混合装入炉中，点火加热并通风，铁矿石被木炭还原而形成海绵状铁块，该方法称作“块炼铁”。由于炉温仅1000℃左右，远低于铁的熔點（1538℃），“块炼铁”所得到的铁质地疏松，杂质多，实用价值不大。

材料11： 古人采用锻焊的方法，将铁块烧红锻打，排出大部分杂质，使其致密，制成所需的工具或兵器。在此基础上，古人逐渐学会了块炼铁渗碳成钢，发明了炼钢的淬火工艺，产品的机械性能不断提升。经过漫长而艰辛的探索后，铸铁工艺日趋成熟。

[问题12]我国早在西汉初年就掌握了高温冶炼生铁的技术，足足领先西方国家1000多年，但依然比铜的冶炼晚了五千年以上，为什么？

[学生]炼铁对炉温有很高的要求，提高炉温、分离提纯等过程均凝结着人类长时间的探索。

[问题13]常见的含铁矿石有赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）、菱铁矿（FeCO3）、黄铁矿（FeS2）等，运用金属冶炼流程的认知模型，预测冶炼铁的基本过程。

[学生]从矿石中提取铁的过程如图6所示。

[问题14]還原剂除了常见的H2、 CO和C外，也可以用金属Al。Al在高温下还原金属氧化物制备金属的反应称为铝热反应（演示该实验）。铝热反应可用于定点爆破、焊接钢轨、冶炼高熔点金属等，为什么工业上很少用铝热反应冶炼铁？

[学生]铝的冶炼成本高于铁，用铝制备铁得不偿失;钒、铬、锰等高熔点的金属价格远高于铝。

4.3.3  模型完善之变石为铝

[情境5]炼铝的足迹。

材料12： 有人说，如果时光可以倒流，他最想做的事情是背上行囊，装满铝，回到拿破仑时代换回许多金子。

材料13： 1827年，德国化学家维勒将金属钾和无水氯化铝共热，冷却后投入水中，得到银灰色的金属铝粉末。30年后，法国化学家德维尔用金属钠还原氯化铝，使铝成为工业产品。但当时金属钠价格昂贵，导致铝比黄金还要贵好几倍。

材料14： 1886年，美国化学家霍尔通过电解冰晶石-氧化铝熔融盐的方法成功制得铝。从此冶炼铝的成本大大降低，铝制品这一曾经的奢侈品走进了千家万户，可谓“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。

[问题15]阅读材料和表2，回答： 为什么冶炼Na、 Mg都是电解其熔融氯化物，而冶炼Al却电解其熔融氧化物？电解铝时加入冰晶石的作用是什么？

[学生甲]Na、 Mg、 Al的氧化物熔点均远高于其氯化物，考虑到成本等因素，通过电解熔融NaCl、 MgCl2制备Na和Mg。AlCl3共价性较强，熔融状态下很难电离出Al3+，所以只能通过电解熔融Al2O3制备Al，而Al2O3的熔点很高，冰晶石可能作为助熔剂。

[学生乙]（顿悟）Al2O3的熔点特别高，Al很难冶炼，所以尽管Na比Al活泼，但Al的成功冶炼比Na晚。

[小结]总结不同金属的冶炼方法，完善认知模型（见图7）。

设计意图： 本环节围绕着铜、铁、铝的冶炼，沿着历史的长河，继续追寻先贤的足迹。教学过程中不罗列金属冶炼的方法，而是通过“炼石成铜、点石成铁、变石为铝”等活动让学生体验模型的建构、运用和完善过程，将认识方法内化为学生的元认知[4]。回溯无数仁人志士让化学欲火重生的艰辛历程，用科学家们的探索历程串联学习活动，让学生感受到化学知识不再是冷冰冰的文字与符号，而是一幅浓缩大千世界的广阔画卷。

4.4  任务四： 用宝——见证大国的崛起

[情境6]稀土很神奇。

材料15： 中东有石油，中国有稀土。中国的稀土资源很丰富，其地位可媲美中东的石油，战略意义非比寻常，一定要办好稀土的事情——邓小平1992年南巡讲话。

材料16： 稀土金属在生产生活、国防军工等领域均发挥着不可或缺的作用。工业上，稀土是“维生素”，在光纤通信、贮氢能源、超导材料等领域应用广泛;军事上，稀土是“大心脏”，几乎所有高科技武器的核心部位都需要稀土材料;生活上，稀土是“陪伴者”，数码相机、LED屏幕、电脑中稀土材料如影随形。

[问题16]有人说： 金属的冶炼伴随着大量的能耗和污染，应该关停冶金厂。化学总被贴上“污染、危险”等负面标签，某化妆品甚至在广告中宣传：“我们恨化学”。结合上述材料，说说你的思考。

[学生甲]我们完全没有理由恨化学，化学一直在造福人类。正如离开稀土金属材料，生活将陷入混乱。

[学生乙]如果说环境问题困扰着人类，那我们更需要化学，化学工艺的改进可以降低能耗、减少污染。

[作业]祖国将冶炼稀土的任务交给你，请查阅资料，设计实验方案，从磷钇矿（主要成分为Y2O3、 Er2O3、 P2O5）中提取稀土金属钇（Y）和铒（Er）。

[小结]稀土很神奇，在国际竞争日趋激烈的当下，稀土金属的冶炼尤为重要，所以说金属的冶炼是大国崛起的“催化剂”。我们要用心“赏宝”，从国之重器中倾听历史的声音;懂得“寻宝”，掌握金属冶炼的原理和实质;学会“炼宝”，建构金属冶炼的认知模型;知道“用宝”，感受金属冶炼技术对人类社会发展的巨大推动作用。

设计意图： 以稀土材料为切入口，分析金属冶炼的应用，学生体验到知识从产生到应用的过程。从国家层面客观分析稀土金属材料的战略意义，将金属的冶炼与国家的崛起相关联，激发学生的使命感。以此为契机，为化学正名，变讲授为对话，从解析到建构，在潜移默化中渗透学科价值。最后布置兼具挑战性和开放性的作业，让思维风暴从课堂刮到课后，以期达到“曲终人不见，江上数峰青”的效果。

5  反思与心得

5.1  讲好中国化学故事，促进历史认同

社会责任感不是与生俱来的，社会责任感基于国家认同感，国家认同感源于历史认同感，倾听历史的声音，追寻先贤的足迹，从知史到尊史，国家认同才能内化于心，社会责任感方能外显于行。

基于上述思考，教学过程中呈现了16则材料，其中10则材料与中国古人对金属冶炼的探索有关，使学生感受到头顶星空之璀璨。空洞地讲历史会冲淡化学的“原味”，所以教学中呈现材料的同时要求学生用化学语言进行文本解读，16则材料与16个环环相扣的问题水乳交融，在真实问题情境的创设中实现知识的功能化和素养化。围绕金属的冶炼，从赏宝、寻宝、炼宝到用宝，用史料激活学生的情感，以任务驱动学生的思考，学生通过模型认知建立统摄性认识，形成分析和解决陌生问题的思路。

5.2  展现化学独有魅力，增强学科认同

化学在食品、医药、材料等领域做出了不可磨灭的贡献，然而化学总被误解。究其原因，学生感觉化学学科碎片化知识过多，化学学习缺乏科学的事实依据和严谨的逻辑推理。故教学时应努力从多维度展现化学独有的学科魅力，用真实情境促使学生身临其境、深度思考。例如讲解铜的冶炼，学生需要建立“从各类铜矿石中提取铜”的完整认识，包括矿石的选择、提取工艺的设计等，学习任务既饱含“烟火气”又充满智趣，避免化学学习沦为乏味的文字游戏和符号解码。

参考文献：

[1][3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]宋心琦主编. 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， 2004： 88～89.

[4]陈进前. “模型认知”是重要思维方式[J]. 化学教学， 2020， （5）： 9～15.