基于真实情境的任务驱动式学习设计

李学玲 杨玉琴

摘要：以“高铁建设中金属材料的选择”为真实情境，通过选择铁路轨道金属、选择高铁轨道合金、选择高铁车体合金、设想未来高铁材料、为学校设计自行车车棚五个学习任务，理解金属材料、合金等学科概念，培养结构决定性质、性质决定用途等学科观念，发展实验探究、证据推理、社会责任等学科核心素养。

关键词：真实情境; 任务驱动式学习; 高铁建设; 金属材料; 学科核心素养

文章编号：10056629（2021）11005406

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

基于真实情境的任务驱动式学习将学生置于与生活、社会实际有密切联系的情境中，将教学内容隐含在一个或几个具有代表性的学习任务中，学生在完成学习任务的动机驱动下，在教师的指导、帮助下，通过对学习资源的主动应用，在自主探索和互动合作的过程中，不断提出问题和解决问题，从而完成学习任务并实现学科知识建构与素养的发展。

“金属材料”课题选自人教版九年级化学下册第八章，是初中化学“身边的化学物质”重要内容之一。金属材料不仅在生产、生活及现代科技中有广泛的应用，也是发展学生科学探究、证据推理和社会责任等学科核心素养的重要载体。在“金属材料”常态教学中，教师往往从金属在日常生产生活中的应用实例出发，佐证或解释金属的某些重要性质，讨论金属材料选择时需考虑的因素。这固然能强化性质决定用途的观念，也能让学生认识到化学知识的社会应用价值。但因实例往往由教师或教材给出，结论也较显而易见，学生未能经历真实问题的深度探究过程，使这一课题应有的素养培养功能未能得到充分发挥。我们以“高铁建设中金属材料的选择”为学习主题，将学生置于真实的任务情境中，与时代发展的命题密切相关，既能引发学生浓厚的探究兴趣，又能整合知识、方法及学科价值等，实现该主题的教学功能最大化。

1 教学目标

（1）能够描述金属的主要物理性质，会用物理特性区别不同的金属，并能将金属的性质与其用途联系起来。

（2） 能够辨识纯金属与合金的性质差异，形成元素组成不同合金性质也不同的观念，且能举例说明合金在生产生活中的应用。

（3） 能够利用多种数据或实验证据，综合多种因素分析具体任务中金属材料的选择，进一步领会化学对生产生活的重要价值。

2 教學流程

教学流程见图1。

3 教学实施

3.1 创设情境，引入任务主题

[播放视频]央视新闻直播间2020年8月14日新闻视频“到2035年，中国铁路什么样”[1]：

截至2020年7月底，我国铁路营业里程已达14.14万公里，居世界第二;高铁营运里程3.6万公里，居世界第一。到2025年我国铁路网将达到17.5万公里，其中高铁3.8万公里。到2035年，我国铁路网将达到20万公里左右，其中高铁约7万公里。到2050年，全面建成更高水平的现代化铁路强国。

[师]中国高铁创造的中国速度令世界瞩目，高铁的未来建设一定有同学们的参与！结合今天的学习主题，关于高铁建设你认为需要解决什么主要问题？

[生]高铁建设要建轨道，还要造列车，金属材料必不可少，怎么选择金属材料？

[师]同学们都有发现问题的眼光，本节课我们就一起来完成高铁建设中金属材料的选择这一学习任务。

设计意图： 通过中国高铁建设成就既激发学生民族自豪感，也自然引出问题，培养学生的社会责任感。

3.2 学习任务1： 选择铁路轨道金属

[问题1]作为轨道建设的金属有哪些要求？如何选择金属？

[生]金属材料要求不易变形，能承受巨大压力，耐磨，韧性好，不易腐蚀。

[衍生问题1.1]即金属的用途是由其性质所决定的。选择金属需要先了解金属的物理性质，那么金属具有哪些物理性质呢？

[探究1]常见金属的物理性质探究。

[分组讨论]列举生活中常见的金属制品，说说它们主要利用了金属的哪些物理性质。

[讨论结果]见表1。

[分组讨论]有些金属因其特殊的物理性质有其特殊用途，请举例说明。

[讨论结果]见表2。

[引导归纳]金属的一般物理性质和一些特殊物理性质。

[衍生问题1.2]是不是根据性质，就可以根据特定用途选择材料了呢？

[探究2]决定物质用途的因素探究。

[分组讨论]如果你是一名高铁设计者，请根据“资料1”（见图2、图3、表3），选出作为轨道材料的金属。

资料1：

[提示]耐磨性和硬度有直接关系，硬度越大，越耐磨。

[学生交流]

小组1： 可用铁，因为铁价格最便宜，硬度较大，地壳中含量也较多。

小组2： 可用铁，转弯处也可以用铬，因为铬硬度最大，最耐磨，虽然价格有点高，但质量第一，这样转弯处的轨道就不容易磨坏。

小组3： 可以用铁，也可以用铬，还可以用铜。铁硬度不是最大，但地壳中含量大，价格便宜，铬硬度最大，铜硬度也较大，还美观。

[评估分析]选择金属材料，不能仅考虑单一因素。从硬度看，铬、铁硬度较大;从地壳资源看，铝、铁含量高;从价格看，铁价格低，铬价格高。综合多种因素，铁最合适用作轨道材料。

[引导归纳]物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，但不是唯一的决定因素，还需要考虑资源、价格、是否美观、使用是否便利，以及废料是否易于回收和对环境的影响等多种因素。

设计意图： 从学生熟悉的金属制品出发，建立性质与用途之间的辩证关系。通过资料分析、交流评估，培养综合多种因素解决问题的能力。

3.3 学习任务2： 选择高铁轨道合金

[问题2]通过综合考量，我们已选择了铁作为高铁轨道所用材料。那么，这里用的铁是高炉炼铁中所获得的生铁，还是进一步精炼而成的纯铁或钢呢？

[分组讨论]阅读教材，完成表4。

[讨论结果]见表4。

[引导归纳]从性能角度分析，显然铁和生铁不能用做高铁轨道材料。生铁和钢实际上是两种含碳量不同的铁合金。

[衍生问题2.1]合金是怎样形成的？如何定义合金？

[探究3]合金的形成探究。

[分组讨论]资料2： 工业采用熔合法制合金，根据铁和其他3种金属的熔沸点（见表5），猜猜下面四种金属能形成几组合金？有什么规律？

[讨论结果]见表6。

[评估分析]合金的形成需先熔化，金属必须都是液态才能制成合金，也称为共熔。一种液态、一种气态，也就是两种金属不能共熔，不能转化成合金。判断的方式是： 两种或两种以上金属形成合金，则沸点较低的金属的沸点要高于熔点较高的金属的熔点。一种金属可以和另一种金属或者多种金属形成合金。

[引导归纳]合金是由一种金属跟其他金属（或非金属）熔合形成的有金属特性的物质。合金的性能与组成它们的纯金属不同，决定了它们的广泛用途。

[生]阅读教材表82，深入体会合金组成与其性能、用途之间的关系。

[衍生问题2.2]从表82可知，钢有不同的种类，选择哪一种钢作为高铁轨道材料呢？

[分组讨论]阅读资料3，思考高锰钢和钒钢硬度比铁的硬度大的原因。

资料3： 哈德菲尔德（1858～1940），英国冶金学家。他很早就对改进钢的质量问题感兴趣，当时人们的研究结果是锰加入钢中会使钢变脆。1882年，他试着将以往冶金学家认为的含锰量增加，制造出含锰量12%～14%的高锰耐磨钢。由普通钢制造的铁轨，每9个月更换一次，高锰钢铁轨可以连续使用22年。

铁的硬度一般为5～10HRC（洛氏硬度），铁路轨道使用的高锰钢硬度为52HRC。其实高铁钢轨的选用，除了要考虑强度、耐磨性外，还要考虑抗拉强度，目前时速200km/h以上的客运高铁使用的钢轨牌号为U71MnG，其抗拉强度≥880MPa，时速200～250km/h客货运高铁使用的钢轨牌号为U75VG（钢中添加了钒元素），其抗拉强度≥980MPa。化学成分如表7所示[2]。

[讨论结果]现在高鐵轨道用的是高锰钢和钒钢。合金的组成成分及其含量不同，性能都会发生相应改变。

[衍生问题2.3]合金的硬度比纯金属大。那为什么不用铝合金作高铁轨道呢？

[探究4]铝、铝合金、高锰钢硬度探究。

[分组实验讨论]将铝和铝合金、铝合金和锰钢相互刻划，比较它们的硬度大小（见表8）。

[引导归纳]合金的硬度比纯金属大，高锰钢的硬度比铝合金大。铝资源虽然丰富，但相对来说铝合金质软，不耐磨，不能作为轨道材料。

设计意图： 利用系列问题，不断引发学生的认知冲突，通过多种形式的探究活动，学生在数据比较分析、实验对比分析中不仅自主建立起合金的概念，形成组成结构决定性质的学科观念，培养证据推理的核心素养。同时，通过铝合金未作为高铁轨道材料的原因探析，为选择车体金属材料埋下伏笔。

3.4 学习任务3： 选择高铁车体合金

[问题3]不仅轨道，制作高铁车体也需要用到合金，那么，哪种合金适合做高铁车体？主要考虑的因素是什么？

[学生交流]

小组1： 用铝合金，因为质量轻，硬度大，可塑性强，美观。

小组2： 用铁合金，因为铁合金来源广，硬度大，价格便宜。

小组3： 用钛合金，密度小，耐腐蚀、容易加工，美观大方。

[评估分析]通过铁轨材料的选择，我们已经知道决定物质用途的因素是多方面的。质量不是物理性质，描述铝合金不能说质量轻，应该说密度小。铁合金来源广，虽然可以做普通火车的车体，但密度相对较大，不适合做高铁的车体。钛合金密度小、强度大，美观，是理想材料，但目前看价格太高，也不适合做车体。铝合金密度小，耐腐蚀，硬度大，来源广，易加工，易焊接，是高铁车体的理想材料。目前，一个高铁的车厢使用铝合金大约10吨，比全部使用钢材减轻30%～50%。

[探究5]铁合金、铝合金、铜合金的性能比较。

[活动1]分组实验： 将等体积的铝合金和铁合金放在天平上称量，比较它们的密度大小。

[活动2]查阅资料。

资料4： 中华第一鼎——后母戊鼎，青铜（主要是铜锡）制作;天下第一剑——越王勾践剑，青铜制作。

资料5： 铜合金广泛应用在高铁传输系统中。铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大，每公里的架空导线需要2吨以上的异形铜线，列车上电机、整流器以及控制、制动、电气和信号系统等都依靠铜和铜合金来工作。

[活动3]结合教材表82，归纳小结三种合金材料的主要性能和主要用途（见表9）。

[引导小结]综合考虑，高铁车体材料选择铝合金、电传输材料选择铜合金。

[衍生问题3.1]高铁电子组件连接需要焊接，焊料又如何选择？

资料6： 焊料熔点比被焊接金属低，焊料熔化时，在被焊接金属不熔化的条件下能润湿被焊金属的表面，并在接触面处形成合金层与被焊金属连接到一起，高铁电子组件中焊料不可或缺。

[探究6]焊锡、武德合金和组分金属熔点探究。

[活动4]分组实验： 将绿豆大的焊锡、锡和铅放置在铁片上，加热铁片的中心部分，观察，比较焊锡、锡、铅的熔化顺序。

[活动5]分组讨论： 下表（见表10）是焊锡和武德合金及其组分金属的熔点，分析数据，你能得出哪些结论？

[讨论结果]现象： 焊锡最先熔化，锡次之，铅最后熔化。结论： 合金比组成它的纯金属熔点低。伍德合金可以实现连接，但使用温度不能超过70℃。焊锡是常用焊料，武德合金常用作保险丝。

[引导小结]金属材料包括纯金属和合金，生活中用得最多的是合金，常见合金有铁合金、铝合金、铜合金、锡合金等。合金的硬度比组分金属大，耐腐蚀性强，光泽鲜艳;多数情况下，合金的熔点比组分金属低。从元素周期表可以看出，目前纯金属只有90余种，合金已达几千种，随着科技发展的需要，新的合金会不断出现。

设计意图： 通过锰钢、钒钢、铝合金在高铁钢轨及车体上的应用、铜合金在传输系统上的应用等补充材料的学习，使学生进一步认识合金性质与其应用之间的关系，感受化学与生产的关系，增强化学学科价值认同和社会责任感。通过实验探究、数据分析，自主获得合金具有的金属性质和优于纯金属的特性等知识。

3.5 学习任务4： 设想未来高铁材料

[问题4]未来的高铁会用到哪些性能的材料？

資料7： 钛和钛合金、形状记忆合金。

资料8： [视频]未来高铁的材料——碳纤维[3]。

[探究7]探索未来高铁材料的研发方向。

[师生归纳]未来高铁材料要求更轻、更快、更耐用、更便宜。

设计意图： 让学生感知未来高铁材料的研究方向，激励学生学好化学，勇于探索，敢于创新。

3.6 归纳总结

知识结构图见图4。

3.7 学习任务5： 学校自行车车棚设计（课后完成）

[探究8]自主选择材料为学校设计自行车车棚。

4 教学反思

课堂观察中发现，学生兴趣浓厚，思维积极活跃。课后学生说：“还没注意过高铁上这些金属材料，下次一定好好看看”“今天才知道金属材料有这么多的用途”“化学对国家的建设作用很大”等等。学生完成课后学习任务——设计自行车车棚的作业结果（见表11）显示，学生能将所学知识、方法等迁移到新情境中。从选材看，大部分学生选择棚顶用铝合金，骨架用不锈钢、锰钢;少数学生棚顶和骨架都用了铝合金;还有学生棚顶选用质量轻、强度高、耐腐蚀、色泽丰富的彩钢瓦，出乎教师设计预想。此外，学生还设计了用青铜、黄铜、铬、硬铝等制作车位锁锁环以及铝合金垃圾桶、铝合金灯箱、铜导线、黄铜螺母、钛合金门铃等，学生思维被真正打开，显现了情境学习的优势。当然，个别学生未能建立起综合多种因素选材的视角，车棚骨架采用黄铜、青铜和铬，1名学生棚顶用了塑料，1名学生骨架用了木材。因此，该教学设计的进一步改进可强化多角度综合思维，并适当增加金属材料与非金属材料的比较。

参考文献：

[1]新时代交通强国铁路先行规划纲要： 到2035年铁路网将达到20万公里（2020～08～19）[2021～05～08]. https：//haokan.baidu.com/v？vid=5594955726432851680&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video.

[2]周清跃， 张银花， 陈朝阳， 刘丰收. 我国铁路钢轨钢的研究及选用[J]. 中国铁路， 2011， （11）： 47～51.

[3]央视网. [走遍中国]未来高铁的材料： 碳纤维. （2017～07～07）[2021～05～08]. http：//tv.cctv.com/2017/07/07/VIDEDwn6ClzzqRv8Yj9fVuLk170707.shtml.