利用化學(xué)史發(fā)展核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

卞海燕

摘要：文章分析了“從鋁土礦中提取鋁”的教材內(nèi)容，針對(duì)實(shí)際教學(xué)中學(xué)生存在的問(wèn)題，提出在教學(xué)中利用化學(xué)史，幫助學(xué)生深入理解鋁的制備，同時(shí)發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)史;核心素養(yǎng);從鋁土礦中提取鋁

文章編號(hào)：1008-0546（2020）11-0034-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.009

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”5個(gè)方面。

一、教學(xué)內(nèi)容分析

“從鋁土礦中提取鋁”位于蘇教版必修1專題3，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了金屬鈉、鎂、鐵、銅的制備，金屬鈉、鎂、鋁、氧化鋁、氫氧化鋁的性質(zhì)等化學(xué)知識(shí)，初步了解結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、活潑金屬的通性等化學(xué)學(xué)科觀念以及思維方式。這對(duì)“從鋁土礦中提取鋁”的學(xué)習(xí)打下了知識(shí)和思維基礎(chǔ)。

學(xué)生的思維困惑是：鋁的制備，為什么一定要用熔點(diǎn)這么高的氧化鋁呢？難道就沒(méi)有其他辦法了嗎？金屬的制備怎么一會(huì)是活潑金屬置換，一會(huì)電解氯化物，一會(huì)又電解氧化物呢？電解氧化鋁制備金屬鋁，有沒(méi)有其必然性？

二、基于化學(xué)史發(fā)展核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，為什么要引入化學(xué)史？

正如有位中學(xué)化學(xué)教師所說(shuō)：邏輯嚴(yán)密的教材給學(xué)生的感覺(jué)是“科學(xué)家總是循著正確的、合乎邏輯的思維方式，依靠自己的天賦，自然而然地創(chuàng)立了化學(xué)科學(xué)。這樣，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱難歷程被過(guò)濾掉了，邏輯思維的矛盾沖突沒(méi)有了，人類探索自然奧秘、沖破自身思想禁錮的勇氣未曾展現(xiàn)出來(lái)，應(yīng)有的豐富教育意義也喪失了。”融人化學(xué)史，追溯當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)背景和科學(xué)家們的思考?xì)v程，可以幫助學(xué)生了解我們所知道的化學(xué)知識(shí)是如何形成的，科學(xué)家們面對(duì)問(wèn)題時(shí)是如何思考、如何探究、如何解決的。

化學(xué)史融入化學(xué)教學(xué)，可以分為三個(gè)層次：一是可以使學(xué)生了解一段史實(shí);二是可以使學(xué)生理解對(duì)相關(guān)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的起點(diǎn)和解決的過(guò)程;三是可以使學(xué)生在歷史的回顧中發(fā)現(xiàn)在偶然性中蘊(yùn)含的必然規(guī)律。

本教學(xué)設(shè)計(jì)中用化學(xué)史的不同呈現(xiàn)方式和層次貫穿整個(gè)教學(xué)：

用化學(xué)史上名人用鋁的“花式炫富”和地殼中金屬最豐富的含量的極致對(duì)比，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題，“金屬鋁的制備難在哪里？”

教師提供化學(xué)史上相關(guān)金屬的時(shí)間軸，讓時(shí)光穿越到1807年，學(xué)生利用已有的制備方法和物質(zhì)推導(dǎo)鋁的制備原理，發(fā)現(xiàn)金屬鋁的制備難點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)化學(xué)史，感受科學(xué)家們?cè)阡X的制備中的思維過(guò)程和艱難歷程。

呈現(xiàn)主要科學(xué)家的照片，時(shí)間在繼續(xù)往前，從相關(guān)素材中發(fā)現(xiàn)當(dāng)今鋁的制備中的相關(guān)問(wèn)題，作為歷史中的一員，我們應(yīng)該如何解決問(wèn)題，推動(dòng)社會(huì)不斷往前。

2.具體教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)教學(xué)內(nèi)容以及相關(guān)化學(xué)史的分析，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)為：

（1）通過(guò)金屬鈉、鎂、鐵、銅的制備方法，類比推導(dǎo)鋁的制備原理，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)、原理對(duì)推測(cè)證實(shí)或證偽，并初步形成對(duì)金屬制備的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

（2）通過(guò)對(duì)鋁及其化合物的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建鋁及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

（3）通過(guò)對(duì)明天鋁的制備的展望，認(rèn)同化學(xué)、社會(huì)、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的平衡，初步形成節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。

本節(jié)課圍繞“從鋁土礦中提取鋁”，將整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程分為3個(gè)階段：“鋁的制備”“從鋁土礦中提取氧化鋁”“展望明天鋁的制備”，按照?qǐng)D1教學(xué)流程展開(kāi)。

[課堂引入]鋁元素是地殼中含量最豐富的金屬元素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鐵元素和銅元素，然而在19世紀(jì)中葉，拿破侖三世的鋁制餐具、泰國(guó)國(guó)王的鋁制王冠、門(mén)捷列夫的鋁杯等案例紛紛說(shuō)明鋁“祖上闊過(guò)”，是當(dāng)時(shí)最貴重的金屬。

設(shè)計(jì)意圖：將金屬鋁的制備放在廣闊的歷史長(zhǎng)河中，讓學(xué)生感受含量最高卻最貴之間的強(qiáng)烈的沖突，從而主動(dòng)地提出問(wèn)題，鋁的制備難在哪里？

[環(huán)節(jié)一]鋁的制備原理

素材1：（圖2）

1.人類經(jīng)歷了青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代，在地殼中含量最高的金屬鋁卻為何姍姍來(lái)遲？

2.金屬的制備與哪些因素相關(guān)？

學(xué)生1：因?yàn)锳L2O3的熔點(diǎn)太高了

學(xué)生2：金屬的活潑性、熔點(diǎn)以及冶煉方法等相關(guān)

設(shè)計(jì)意圖：呈現(xiàn)金屬制備的時(shí)間軸，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)類比鈉、鎂、鐵、銅的制備方法推測(cè)金屬鋁可能的制備原理，結(jié)合氯化鋁、氧化鋁、氧化鐵、氧化銅等熔、沸點(diǎn)的數(shù)據(jù)證據(jù)，通過(guò)分析推理對(duì)相應(yīng)的推測(cè)進(jìn)行證實(shí)或者證偽，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

把人類制備金屬的順序和學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知的已有知識(shí)統(tǒng)一聯(lián)系在一起，讓學(xué)生模擬當(dāng)時(shí)科學(xué)家尋找制備金屬鋁的化合物以及相關(guān)原理的過(guò)程，認(rèn)識(shí)金屬鋁制備的困難點(diǎn)。感受科學(xué)家在面臨問(wèn)題時(shí)，解決問(wèn)題的思路、永不言棄的執(zhí)著精神、富有創(chuàng)造力的思維過(guò)程，也切身體會(huì)用氧化鋁制備鋁的歷史必然性。

結(jié)構(gòu)化是實(shí)現(xiàn)知識(shí)向素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的有效途徑，“結(jié)構(gòu)化”水平直接決定著素養(yǎng)發(fā)展水平。教學(xué)中，對(duì)比已經(jīng)學(xué)過(guò)的鈉、鎂、鐵、銅的制備方法，依托金屬鋁的制備，從原來(lái)零散的、孤立的知識(shí)上升到對(duì)金屬制備的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

[環(huán)節(jié)2]從鋁土礦到氧化鋁

教師：已知鋁土礦中主要成分是Al2o3，還有Fe2O3等其他不溶于水的雜質(zhì)，如何從鋁土礦中提取AL2O3？請(qǐng)畫(huà)出流程圖。學(xué)生：（圖3）、（圖4）

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生構(gòu)建鋁及其化合物的轉(zhuǎn)化，使知識(shí)結(jié)構(gòu)化，書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式進(jìn)一步鞏固夯實(shí)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。

[環(huán)節(jié)3]展望金屬鋁制備的明天

素材5：到20世紀(jì)50年代，鋁的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)銅而居有色金屬第一位，產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵，而冰晶石一氧化鋁熔融電解依然是目前工業(yè)生產(chǎn)鋁的唯一方法，每生產(chǎn)1噸鋁要消耗2噸氧化鋁，綜合能耗為9.6噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放二氧化碳21.8噸、碳5.8噸。

教師：環(huán)顧今天我們的生活，已經(jīng)離不開(kāi)鋁制品，而金屬鋁的工業(yè)制備依舊是高能耗、高排放，你能展望一下鋁的制備明天會(huì)走向哪里？

學(xué)生：減少能耗，減少排放

素材6：如果從廢舊材料中回收鋁所需的能量，僅為鋁土礦重新提煉加工所需能量的7%。回收25個(gè)易拉罐所節(jié)省的能量，相當(dāng)于燃燒3.785L汽油所釋放的能量。

設(shè)計(jì)意圖：從鋁土礦中提取鋁，在需求與環(huán)境中，盡量做到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，提升學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。同時(shí)，作為歷史的一員，面對(duì)未來(lái)，如何推動(dòng)社會(huì)的繼續(xù)前進(jìn)。

總結(jié)提升：（圖6）

設(shè)計(jì)意圖：透過(guò)時(shí)間長(zhǎng)軸，希望學(xué)生在歷史的回顧中感受事物的發(fā)展方向，看到化學(xué)家們?yōu)榱恕皬匿X土礦中提取鋁”，不畏困難、鍥而不舍、勇敢求索的蹤跡，學(xué)習(xí)18年如一日?qǐng)?zhí)著研究的維勒，向有夢(mèng)想，有行動(dòng)的青年大學(xué)生霍爾和埃羅以及在鋁的發(fā)現(xiàn)和走向工業(yè)生產(chǎn)中為之奮斗的所有化學(xué)家們致敬！

三、教學(xué)反思

學(xué)習(xí)科學(xué)人物和科學(xué)史有助于學(xué)生了解科學(xué)發(fā)展中人們是如何通過(guò)系統(tǒng)地收集數(shù)據(jù)和運(yùn)用實(shí)際的證據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)可信知識(shí)的。

本節(jié)課精心選擇了與學(xué)生認(rèn)知、教學(xué)內(nèi)容相匹配的化學(xué)史融入教學(xué)中，以化學(xué)史為素材進(jìn)行情景設(shè)置，運(yùn)用類比推理等方法推導(dǎo)相關(guān)結(jié)論，與化學(xué)史相佐證。不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)“從鋁土礦中提取鋁”制備的理解，注重相關(guān)知識(shí)和認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化，還發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

在教學(xué)中，學(xué)習(xí)的難點(diǎn)主要出現(xiàn)在調(diào)動(dòng)已有方法和知識(shí)、結(jié)合相關(guān)信息，用類比推理的方法推導(dǎo)鋁的制備的原理，以及推測(cè)其可行性。說(shuō)明學(xué)生前面知識(shí)很多都是零散的平面堆積，沒(méi)有建立內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián)。在后續(xù)的教學(xué)中，教師要更注意內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，以及利用化學(xué)史展開(kāi)對(duì)知識(shí)的尋根溯源，落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。