促進“元素觀”發展的教學設計*——以“金屬礦物的開發利用”為例

高修庫（北京市第二中學　北京　100010）

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促進“元素觀”發展的教學設計*——以“金屬礦物的開發利用”為例

高修庫
（北京市第二中學北京100010）

摘要：以人教版必修2（化學）中“金屬礦物的開發利用”為例，深入挖掘化學知識的內涵，設計了一系列具有思考價值的問題，引導學生進行思考、探究、體驗，從而確保化學知識的教學始終朝著增進學生理解力的方向推進，促進學生元素觀的形成和發展。

關鍵詞：金屬冶煉；氧化還原；化學觀念；能力發展

*本文系北京市級學科帶頭人及骨干教師“促進學生化學觀念發展的課堂教學研究”工作室研修成果。

德國著名物理學家、諾貝爾獎獲得者馮·勞厄（M.vonlaue）曾經說過：“教育所給予人們的無非是當一切已學過的東西都忘記后所剩下來的東西”。新課程標準反復強調高中化學教育的目的之一是提高學生未來發展所需的科學素養。那么什么是科學素養呢？簡單地說，就是學生通過化學知識的學習所形成的從化學視角認識事物、解決問題的思想、方法和觀點，即根植于學生頭腦中的化學觀念。如果學生通過參與課堂，體會到這種化學觀念，那我們的教學就是“授之以漁”，就是高效的教學。最近，筆者參加北京教育學院組織的骨干教師研修項目，對于化學觀念教學有了一些了解和體會。體會到我們的教學必須通過具體知識的教學將客觀存在的知識形態的化學觀念轉化為學生個人形態的化學觀念。把這一體會和教學實際結合，有了本節課的教學設計。

一、教學背景分析

1.本節內容的地位和功能

本課題選自人教版化學2第四章《化學與自然資源的開發利用》第一節（第一課時）的內容，以金屬的冶煉為目的，全面地關注金屬礦物的開發利用。根據課程標準，本章（化學與自然資源的開發利用）主題是化學與可持續發展，主要包括兩個方面：①運用化學知識和原理，解決資源開發利用中的問題，學以致用。②在開發自然資源的過程中，必須保護周圍環境、維護生態平衡，建立可持續發展的觀念。而本節課的教學就是學以致用的典范，也是關注人與自然可持續發展的典范。

從學科知識的角度看，本節課的教學有利于學生將前面所學過的無機物的知識和技能進行必要的梳理、歸納和拓展。從科學、技術和社會相互作用背景的角度看，本節課的教學有利于學生加深體會化學在綜合利用自然資源中的作用，學會辯證地看待人類和自然協調發展中可能會遇到的問題，并培養學生做出明智決策的意識和能力。

2.對教學內容的分析

本課時的教學內容，主要圍繞著金屬的冶煉方法進行。金屬元素在周期表中的分布非常廣泛，在自然界的存在主要是化合態，而金屬單質以及合金在工農業和日常的生活中的用途很廣。教材重在闡述金屬的冶煉方法，并且千方百計地讓學生尋找、體會不同金屬在冶煉方法方面的規律，并能和必修1的知識結合，試圖去解釋這些規律。這樣的安排，不但可以復習必修1的元素化合物知識，而且對于周期律、化學鍵、物質的分類、化學實驗的手段等都是全面的復習和提升；必修1中學生學習了大量的元素化合物知識，必修2中學習了元素周期律，所以本節課的學習也是學生提升和運用元素觀解決實際問題的體現。

3.對學生學習背景的分析

學生在初中對于金屬及合金有所了解。在必修1的學習中，對于Na、Al、Fe、Cu四種重點金屬元素的單質和化合物進行了深入和細致的研究。在必修2的學習中，已經掌握和體會了元素周期律中蘊含的科學本質。結合化學鍵和物質分類的學習，利用結構決定性質的思想和同類物質的相似性，能夠解決并通過實驗的手段探究簡單未知物的性質。

當然，由于必修1學習課時緊張，而且時間長了有遺忘的現象，對于有些化學反應方程式不能正確書寫。還有，高一化學的學習畢竟停留在必修階段，學生自我梳理知識、獨自設計實驗方案的能力、感悟科學本質的“悟性”都有待通過教師有效的組織教學進行加強。

二、教學目標

基于對教材結構和內容的深刻理解，結合高中化學課程標準的說明，確定了三維教學目標。

1.知識與技能目標：知道根據金屬的活動性不同，可分別采用加熱、電解、還原等方法冶煉金屬，并能從能量的角度選擇金屬的冶煉方法。能夠正確地書寫有關化學方程式。

2.過程與方法目標：讓學生用所學化學基礎知識解釋或分析資源開發利用中遇到的問題，認識和體會化學在自然資源開發利用中的意義和作用。體會金屬冶煉中蘊含的化學觀念。

3.情感態度與價值觀目標：意識到科學的本質在于不斷創新和探究，意識到開源、節流和可持續發展的重要性。

三、教學重難點

基于對本課題價值的認識和我校學生的學習實際，將本節課的教學重點設定為：應用氧化還原反應的規律理解金屬冶煉的本質；教學的難點設定為：基于金屬還原性的差異認識金屬冶煉方法的差異，基于金屬冶煉知識建構和發展化學元素觀。

四、教學過程詳解

環節1：關注引言，引出話題。

［學生閱讀］請同學閱讀教材86頁的章引言，思考：化學在自然資源的開發和利用方面，能夠發揮哪些重要的作用？

［學生活動］學生閱讀教材，整理出化學在自然資源開發和利用方面的4個作用。

［教師總結］根據剛才同學的分析，通過化學反應，利用化學資源可以合成自然界原本沒有的物質，今天我們就重點討論利用自然資源如何冶煉金屬。

（設計意圖：人教社的教材有一點做得非常好，就是每一章都有一個章引言，提綱挈領地告訴學生本章要學習的主要內容。如果在教學中我們能夠抓住這一點，充分地利用教材，讓學生對本章內容有個大概的了解，學生就會思考哪些地方他比較熟悉，哪些地方特別陌生，這樣便于學生抓住重點，便于學生的學習。）

環節2：復習舊知，創設情境

［思考交流］1.元素周期表中的金屬元素大概有多少種？它們在自然界的存在形態如何？

2.西漢古籍《淮南萬畢術》上就有“曾青（青為藍色之意）得鐵，則化為銅”的記載。請寫出相關的化學反應方程式。葛洪在《抱樸子內篇》中說“丹砂（丹砂是硫化汞）燒之成水銀，積變又還成丹砂”。這是古代煉丹家對該可逆反應的簡單概括。請寫出相關的化學反應方程式。

［學生活動］學生討論，思考問題。同時請一位同學在黑板上書寫第2題的兩個方程式。

［教師總結］元素周期表是我們學習元素化合物知識的重要工具，元素周期表中共有112種元素，其中非金屬元素22種，金屬元素大概90種。金屬元素在化學反應中容易失電子，自然界除了金和鉑，金屬元素大都以化合態存在。中國古代就有煉丹術，在這個過程中，古人積累了金屬冶煉的兩個方法，其一是濕法，其二是火法。而且，同學們可以看到，我們中國人在很早以前就對可逆反應有認識，這應該令我們感到驕傲。

（設計意圖：金屬的冶煉涉及到元素化合物知識，金屬冶煉的原理與氧化還原反應有關。而元素周期表對于元素的金屬性、非金屬性進行了很好的梳理。通過以前的學習，學生應該初步建立了從元素的角度看物質的基本觀點。所以，在這里復習、回憶周期表的知識，對于學生后面分析金屬的冶煉方法應該有很好的幫助，對于學生的元素觀也是一種建構和發展。設計古人冶煉金屬的情景，目的是激發學生的學習興趣，梳理金屬冶煉的方法，讓學生體會實踐出真知的觀念。而且丹砂燒之成水銀，積變又還成丹砂屬于可逆反應，以此為契機可以對學生進行愛國主義教育。這樣的設計，讓學生始終在復習舊知識，讓學生體會到能夠用所學的知識解決金屬冶煉的問題，使學生有“學以致用”的感覺。）

環節3：分析反應，感悟本質

［設問］結合必修1中有關化學反應，請同學梳理我們已經學習了哪些金屬冶煉的方法，并用化學方程式表示。

［學生活動］同學們在筆記本上書寫學習過的有關金屬冶煉的反應方程式，一個同學在黑板上書寫。在書寫的過程中，大部分同學注意到分類的思想。例如：有一個同學寫出了用H2、CO、Al分別還原Fe2O3制金屬鐵，然后又寫了用Fe與CuSO4溶液反應制取金屬銅等；還寫了電解熔融的氧化鋁制取金屬鋁的反應（必修1講過）。

［設問］請同學從氧化還原的角度分析金屬冶煉的實質？總結常見的金屬冶煉的方法？

［教師引導］金屬的冶煉都是從化合態變為游離態，所以屬于還原的過程。而要把金屬元素從其化合物中還原出來，用什么方法，同學需要考慮金屬的活動性順序。

（設計意圖：這樣的設計還是希望學生能夠回憶復習以前所學的知識，特別是必修1的有關知識，而且能夠利用所學的氧化還原的知識，總結金屬冶煉的規律和方法。這樣的思考站位高，屬于從上往下看，關注了知識之間的前后聯系、能夠起到升華思維的目的，能夠發展學生以前建立的元素觀。而且，學生在分析問題的過程中，能夠感受到一些化學觀念（周期律、氧化還原的規律）對自己思維的影響。）

環節4：實驗引領，重點分析

在金屬的冶煉方法中，熱還原法最為普遍。而高中化學所學習的熱還原法，重點應該是鋁熱反應。對于鋁熱反應我采取了教師演示實驗，學生觀察現象、寫化學方程式的教學方式。

［學生閱讀］請同學們閱讀教材P98實驗4-1的內容，用自己的語言告訴大家如何做鋁熱反應的實驗。并請一位同學幫助老師折疊濾紙。（這里有一個細節，兩個班的兩位同學，在疊濾紙的過程中，由于需要把兩張濾紙疊加在一起，結果學生疊加后的濾紙一邊6層，一邊2層，正常應該是兩邊都是4層。我有意設計了這么一個環節，我們的學生觀察能力和動手能力確實需要加強，這就需要我們放手，多讓學生自己做實驗，多實踐。）

［演示實驗］教師根據學生的敘述，一步一步地完成鋁熱反應的實驗，并不時地糾正學生的錯誤表述，同時分析每一步操作的目的。

［學生活動］學生描述實驗現象，書寫化學方程式。

［設問］鋁熱反應是吸熱反應還是放熱反應？Al能否與所有的金屬氧化物發生類似的反應？若不能，請說明哪些金屬氧化物可與Al發生此反應。

［教師引導］鋁熱反應雖然需要高溫的反應條件，但是它仍然為放熱反應（因為生成的鐵為熔融物）。鋁熱反應的實質是用較活潑的鋁，把活潑性相對弱的金屬從其氧化物中還原出來，符合氧化還原反應中“強制弱”的規律。

［學生活動］學生討論鋁熱反應的用途。

（設計意圖：鋁熱反應是一類反應，體現了氧化還原反應中強還原劑制取弱的還原產物的規律。對于這一規律，在溶液中金屬單質相互置換學生見過很多，但是固體與固體在高溫下的置換學生是第一次見，所以有必要讓學生觀察實驗。由于是教師演示實驗，怎么體現學生的參與性呢？我采取了學生閱讀教材，用自己的語言描述實驗操作過程的方法，這種方式比教師直接演示的效果好，學生在閱讀的過程中必然會有思考，為什么用氯酸鉀，為什么用鎂條引燃反應？為什么觀察現象時眼睛不能直視？從學生描述實驗現象就可以看出，學生的描述詳細全面，可見采取這種教學效果好。）

環節5：小題大做，追尋本質

對于電解法冶煉金屬，由于在必修2階段，學生對于電解的原理還沒有學習，所以主要落實化學反應方程式即可。但是，我還是想小題大做，以此為切入點，復習提升以前所學習的知識，所以在學生寫完電解NaCl、MgCl2、Al2O3的化學方程式后，設計了這樣的問題。

［設問］已知AlCl3的熔點為190℃，Al2O3的熔點為2045℃，為什么用電解Al2O3的方法制取金屬鋁，而不用電解AlCl3的方法呢？根據制取金屬鎂的方法，推測MgO和MgCl2哪個物質的熔點高？

［設問］對于電解法制取Na、Mg、Al三個反應，從反應物和生成物能量的角度思考，為什么用電解作為反應條件？什么樣的金屬“迫不得已”才使用電解的方法進行冶煉？

（設計意圖：對于金屬冶煉的教學，它有一個很重要的功能就是復習、總結以前所學習的知識，發展學生的元素觀。上面的兩個設問復習了化學鍵的知識、離子化合物和共價化合物的區別；對于電解這個反應條件，初中接觸過電解水。從能量分析角度分析，需要通電才能發生的反應，肯定是反應物的能量低、生成物的能量高，這樣學生就能很好地體會“電解是最強有力的還原手段”這句話了。這兩個問題應該說難度較大，是對學生化學綜合素質、化學觀念的很好考查。）

環節6：回顧反思，總結歸納

［學生活動］根據以上分析，結合金屬活動性順序表，總結金屬的活動性與金屬冶煉方法的關系。

［教師總結］金屬的活動性順序表，反應了金屬與水或者酸反應時，還原性的強弱。結合氧化還原的規律，金屬單質的還原性越強，其對應的陽離子的氧化性越弱，我們就可以總結出金屬活動性與金屬冶煉方法的關系。

（設計意圖：本節課的金屬冶煉，學生在教師的引導下，一步一步的思考，體驗了金屬冶煉的方法和規律，發展了學生的化學觀念。這樣的設計能夠從氧化還原的角度，加深學生對金屬冶煉方法的理解，從而掌握金屬的冶煉。）

五、教學反思

化學基本觀念客觀存在于具體的化學知識當中，這就使得通過知識教學來促進學生化學觀念的建構成為可能。促進“觀念建構”的化學教學策略，要求教師在教學的過程中，所采取的每項策略都要指向于是否有利于增進學生對化學學科特征和本質規律的認識，是否有利于激發學生高水平思維活動，確保化學知識教學始終朝著增進學生理解力的方向推進。

對于金屬礦物的開發利用，本節課的定位是讓學生用自己所學的知識、結合自己目前的能力，解決金屬冶煉這個工業生產中的問題。還有本節課的教學內容是必修最后一本書的最后一章的內容，那么必然有復習、總結、提升的目的。所以本節課的設計完全是從學生目前的學習情況和能力出發，學生自己去梳理知識，在梳理的過程中，落實、加深理解過去所學習的概念和原理，從而達到提升能力的目的，這就是對化學觀念的發展。

本節課的教學設計，沒有將重點放在如何記憶金屬冶煉的化學反應方程式上，而是潛移默化的關注學生化學觀念的建構和發展。高中化學有許多化學反應方程式，一個一個的記憶將會加重學生的學習負擔。如果我們能夠讓學生體會到一種方法，學習到一種解決問題的方法，比如“如何從金屬化合物中得到金屬單質？需要加入還原劑，需要什么樣的還原劑？還原劑的還原性強到什么程度，如果沒有更強的還原劑又怎么辦呢？這就是化學元素觀的建構和發展，就是解決問題思路的梳理，就是能力的提升。

任何一個概念或者原理，必然有其產生、發展、形成的過程，我們的教學就是要展示這樣的一個過程，學生在感悟概念和原理的發展形成過程中就會形成自己的化學觀念，利用這樣的化學觀念，就會指導學生從不同的視角去認識問題。

參考文獻

［1］宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書·化學必修2.北京：人民教育出版社，2007

［2］畢華林，辛本春.促進“觀念建構”的化學教學策略［J］.中學化學教學參考，2011，（7）

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.025

文章編號：1008-0546（2016）03-0068-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B