探索宇宙和地球 提升學科核心素養

鄒璐檑

摘要：人類在對宇宙和地球的不斷認識中，推動著科學的前進。本課題以科學家通過對石頭的研究，了解宇宙和地球形成的奧秘為線索，創設了“天降隕石中鐵元素存在形式探究”“喜馬拉雅山脈沉積巖主要成分探究”“海中浮石火山巖探究”三個主題情景。學生在地質勘探的初體驗中，認識地球和宇宙的奧秘，復習、強化酸的化學性質，體會酸用途，培養化學學科核心素養。

關鍵詞：化學學科核心素養;酸的化學性質;隕石;地殼運動

文章編號：1008-0546（2022）03-0076-04???? 中圖分類號：G632.41???? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.017

上至九天攬月，下至五洋捉鱉，天宮空間站的成功發射，再次震撼人心。人類對宇宙和地球的探索從未停止，在對宇宙的不斷認識中，科學也得到了一次次的進步和飛躍。仰望星空，牛頓在“為什么天上的月亮不會掉下來，而蘋果會落地呢？”的追問中發現了萬有引力定律;凝視宇宙，伽利略為論證日心說，發明了望遠鏡，開啟了宇宙探索新紀元。類比太陽系，盧瑟福提出原子“太陽系模型”，促進了原子和原子核物理的發展。在中學化學教學中能否將化學知識與對宇宙和地球的探索相結合，既能激發學生的學習興趣，提升學科價值，促進學科素養的提升，更重要的是讓學生認識到未知世界無限浩瀚，并踏上一生追求真理的科學夢想之路。

一、教學背景

酸在生產生活中應用廣泛，酸的化學性質是初中化學的重點和難點，也是初高中化學知識的重要銜接點。課程標準對本課題的要求是“認識常見酸的主要性質和用途”，教學過程中，要重視培養學生的創新精神和實踐能力，提升學生運用知識主動探究未知的能力[1]。本課為復習課，學生已有酸的基本知識基礎。但是在遇到與酸有關的除雜、工業流程、試劑選擇、酸的檢驗、溶質成分分析等問題時依舊比較迷茫，即對知識的理解和應用的能力較差。本課從真實的情景出發，讓學生在探究中理解酸的性質和用途[2];在自己設計的流程線路中，感受流程圖的基本模型;在對比實驗中，比較檢驗方法的優劣，突破課時的難點，提升能力。

二、教學流程

本課以科學家跟著石頭看世界為基本線索，設計三個關于石頭的實驗探究任務“天降神石-隕石”“山巔圣石-沉積巖”“海上浮石-火山巖”。主要又分為了5個問題活動：①天降隕石中鐵元素主要存在形式的探究②如何回收鐵元素并中和酸性廢液③喜馬拉雅山脈沉積巖成分探究④如何檢驗反應后溶質成分⑤破解海上浮石的秘密，教學流程見圖1。

三、教學實錄

【課程導入】中國人素來愛石，奇石、玉石、寶石價值不菲，而那些平凡普通的石頭，亦是獨具靈性。在宇宙誕生之初，他們或許就已經出現，見證了地球的形成、物種的更迭、歷史的變遷。地質學界有句老話“偵探跟著金錢走，而地質學家跟著石頭走。”究竟研究石頭能知道些什么呢？請大家搶答。

【學生回答】周圍的礦產、地球的生命歷史、推演地質演變、氣候變遷等。

活動一：隕石中鐵元素的成分探究

【引入新課】今天我們來做個地質學家，帶著化學知識上路，解析石頭物語，洞察宇宙奧秘。平靜的夜，一顆火球突然劃過天際，點亮了星空，引起巨大的顫動。宇宙的信使乘風而來，它就是隕石。鐵隕石是隕石中的一種重要類型，其中富含鐵元素，請大家結合所學知識和圖片分析鐵元素可能的存在形式。

【討論回答】主要以氧化物的形式存在，可能有氧化鐵、四氧化三鐵等。

【提出問題】在自然界中鐵元素多以氧化物的形式存在，請同學觀察隕鐵的切面圖片，見圖2，是否有一些不同的想法？

【討論回答】隕鐵切面呈銀白色、有金屬光澤具有

【提出問題】隕石的主要成分究竟是氧化物、還是單質鐵呢？用實驗探究，請同學們在所提供的實驗用品中選擇合適儀器和藥品來驗證你的猜想。

【設計實驗】有同學選擇用磁鐵來驗證其主要成分，但是通過信息可知Fe2O3也能被磁鐵吸引，因此不能用磁鐵驗證。當然也可以根據隕石密度進行成分分析。根據之前的學習，同學們最終能選出用稀硫酸來驗證鐵元素的存在形式，見表1。

四氧化三鐵可看作Fe3O4可以看成FeO · Fe2O3，四氧化三鐵具有磁性也能被磁鐵吸收

【學生實驗】取一藥匙鐵隕石碎片于小燒杯，并逐漸加入過量稀硫酸至固體不再減少，保證固體充分反應，實驗結果見表2。

【小組討論】回收鐵元素并中和酸性廢液，完善實驗流程，見圖3。

Fe（OH）2為絮狀沉淀不易分離，常常鼓入空氣轉化為Fe（OH）3除去。

【提出問題】實驗中提供藥品氫氧化鈉與硫酸反應無明顯現象，如何證明酸堿發生了化學反應呢，并調節pH接近7？

【討論回答】可以在原溶液中加入指示劑判斷。加入石蕊溶液當紅色恰好變為紫色，溶液接近中性。當然也可以在酸中加入無色酚酞，當無色酚酞恰好從無色變為紅時接近中性。

【教師講授】地球中的鐵元素主要以氧化物形式存在，而宇宙中主要以單質鐵的形式存在。人類最早使用的鐵器就由隕鐵鑄造。鐵隕石是行星經過核幔分裂后的核產物，記載著行星早期分餾及后期演化[3]。以此推斷，科學發現雖然地殼中幾乎沒有單質鐵，但在地球地幔的組成中有大量的熔融鐵，隕石對研究地球內核及太陽系起源和演化有重要意義。

活動二 喜馬拉雅山脈沉積巖主要成分探究

【提出問題】來自天上的石頭，能告訴我們宇宙的秘密;喜馬拉雅山脈的沉積巖，又能告訴我們哪些陸地的故事呢？同學們拿起模擬考古挖掘工具見圖4，開始清理發掘。你發現什么化石？借此又想到了什么呢？

【實驗回答】清理出貝殼、魚骨、海螺等化石，學生推測喜馬拉雅山脈曾是一片汪洋。

【教師講授】高山之中怎么會有海生動物的痕跡，難道該地區曾有人類活動以貝殼作為錢幣。或如同學們所想，這個地區曾是一片海洋。海相沉積巖是古海洋環境的一種標志，它是由沉淀物所生成的巖石，通常由海中微生物和珊瑚的遺骸形成，并有海中特有的貝類化石，化學成分主要為碳酸鈣。我們可以對喜馬拉雅山的巖石進行實驗，驗證猜想。

【學生實驗】通過討論同學們選擇用稀鹽酸和澄清石灰水驗證沉積巖的主要成分為碳酸鈣，結果見表3。

【小組討論】反應后溶質成分分析，并驗證其組成。

【討論回答】反應后一定存在 CaCl2，但實驗中沒確定酸的用量，溶質中可能剩余 HCl。要證明有無鹽酸剩余需要進一步實驗驗證。

【學生活動】請同學們在本組KT板中選出與酸反應的物質類別和實驗現象，一一對應貼在小黑板上。并由老師指點檢驗H+、除去H+的試劑選擇方法，見圖5。

【提出問題】能否用硝酸銀溶液檢驗鹽酸過量？用化學方程式解釋原因。若溶液中溶質為硫酸銅（呈酸性）和硫酸，能否用石蕊證明硫酸的存在？

【討論回答】不能，CaCl2+2AgNO3=2AgCl ↓+Ca （NO3）2。再含有呈酸性的鹽（CuSO4）和酸的混合溶液中，不能用石蕊檢驗酸的存在;同理在含有堿性的鹽（Na2CO3）和堿的混合溶液中，也不能用酚酞檢驗堿的存在。對于這類混合溶液中酸堿的檢驗，應先除去會產生干擾的鹽，再檢驗酸或堿的存在。

【教師講授】貝殼的發現和海相沉積巖的論證，都證明喜馬拉雅山脈曾是汪洋大海，幾十億年來地殼板塊不斷相互撞擊、相互擠壓，地質學中稱之為板塊運動，導致山脈隆起，時至今日喜馬拉雅山脈還在繼續上升。當然科學研究遠不止于此，科學家還利用古碳酸鈣中穩定同位素13C、18O進行古高程的研究[4]，進一步破解喜馬拉雅山隆起之謎。地質學家把地球分外部分為：巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈。從化學元素的角度金屬元素多存在巖石圈，大氣圈主要為非金屬元素。含金屬元素的物質多能與酸反應，工業流程中若遇石性物質（含金屬元素、難溶物）多用酸處理。

活動三 破解海上浮石的秘密

【課后延伸】天降隕石、地隆巖石、海生浮石。最后展示神奇的海上浮石，它曾經是地球三大怪象之一。如今人們逐漸認識了這種火山巖石，它搖身一變成了網紅，可入藥、可洗臉、可搓澡按摩、可養魚養花。據說它能調節 pH、能通過吸附凈水、能殺菌抑菌，好處多多。課下請同學們通過多種方式去了解火山巖的形成、組成、性質，破解浮石之謎，辨別廣告真偽。

四、教學反思

興趣是最好的老師，人類探索自然的愿望似乎又是與生俱來的。隕石、地球形成、板塊運動都能引起學生濃烈的好奇心，大大提升學科興趣，促進學生完成自我知識的構建。而真實的情景體驗、實驗探究、問題引導是培養學生探究精神與創新意識的關鍵。實驗過程中的污染處理、資源的回收利用，時時刻刻都體現出綠色化學的思想，培養學生科學精神和社會責任。利用化學知識去辨別火山巖廣告真偽，提升學科價值、培養科學態度，真正的課堂不是要將水灌滿，而是要將學生點燃。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[3] 張翰林，李艷，王時麒.風化作用對鐵隕石礦物學特征影響的探討[J].巖石礦物學雜質，2014，33（2）.

[4] 王成善，戴緊根.西藏高原與喜馬拉雅的隆升歷史和研究方法：回顧與進展[J].地學前緣，2019，16（3）.

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