“銅的冶煉”復(fù)習(xí)課的跨學(xué)科教學(xué)

錢婧

摘要：以“銅的冶煉”為主題，探討化學(xué)、歷史的跨學(xué)科教學(xué)。對銅及其化合物的知識進(jìn)行有效整合，幫助學(xué)生對化學(xué)、技術(shù)、社會的關(guān)系進(jìn)行跨學(xué)科理解。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科教學(xué);銅及其化合物;銅的冶煉

文章編號：1008-0546（2022）10x-0075-03中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

一、跨學(xué)科教學(xué)的內(nèi)涵及特征

傳統(tǒng)的分科式教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的縱向邏輯結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生對復(fù)雜關(guān)系、知識體系部分到整體的把握和理解，因此，在學(xué)校教育中，跨學(xué)科教學(xué)成為新的選擇。

“跨學(xué)科教學(xué)”是以一門學(xué)科為中心，選取一個(gè)中心問題，運(yùn)用不同學(xué)科的知識，開展對研究問題的討論和解決的教學(xué)活動，旨在促進(jìn)學(xué)生對中心問題的理解或解決，這是單一學(xué)科無法做到的。[1]這種新的教學(xué)形式應(yīng)具有以下特征：①具有明確的統(tǒng)整目的，真實(shí)的問題往往較復(fù)雜，大部分情況下我們無法用單一的學(xué)科觀點(diǎn)來理解或解決，需要運(yùn)用兩個(gè)或更多的學(xué)科知識，以一種全新的視角才能探測其內(nèi)部的奧秘，所以跨學(xué)科教學(xué)是在整合其他學(xué)科的過程中幫助學(xué)生增強(qiáng)理解能力的一種手段。②學(xué)科間有機(jī)整合，跨學(xué)科教學(xué)中各學(xué)科不是簡單地出現(xiàn)在同一個(gè)主題中，而是要通過問題、活動等形式使各學(xué)科有機(jī)地聯(lián)系在一起，幫助學(xué)生對正在學(xué)習(xí)的內(nèi)容產(chǎn)生更深入細(xì)致的理解。③凸顯學(xué)科的本質(zhì)性理解，跨學(xué)科教學(xué)以有意義和相互關(guān)聯(lián)的方式選取各學(xué)科的目標(biāo)并對它們加以組織，所以學(xué)科學(xué)習(xí)仍是教學(xué)重點(diǎn)，忽視學(xué)科學(xué)習(xí)的課程整合對任何學(xué)科都無意義。[2]

二、跨學(xué)科教學(xué)主題的確定及教學(xué)目標(biāo)

銅及其化合物的知識是蘇州市中考必考的內(nèi)容，在近三年的蘇州市中考卷中主要以選擇題中“判斷指定反應(yīng)的化學(xué)方程式的書寫是否正確”“給定條件下的物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化能否實(shí)現(xiàn)”“鑒別、除雜、檢驗(yàn)方面的實(shí)驗(yàn)操作是否正確”等形式出現(xiàn)，考查學(xué)生對銅及其化合物的化學(xué)性質(zhì)的掌握。銅及其化合物知識在滬教版教材中分布很散，在銅及其化合物的復(fù)習(xí)課中如何將這些知識串聯(lián)在一起？羅列銅及其化合物（Cu2（OH）2CO3、CuO、Cu、CuSO4）后發(fā)現(xiàn)，古代火法煉銅和濕法煉銅這兩種技術(shù)可包含這些物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，聯(lián)系初三化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中有“了解化學(xué)、技術(shù)、社會的相互關(guān)系，并能以此分析有關(guān)的簡單問題”這一課程目標(biāo)，[3]即需要讓學(xué)生了解化學(xué)與技術(shù)的關(guān)系、技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)與社會發(fā)展的關(guān)系。由此確立將“銅及其化合物復(fù)習(xí)”以“銅的冶煉”為主題展開跨學(xué)科教學(xué)：圍繞不同歷史時(shí)期銅的冶煉工藝的不同，將銅及大部分銅的化合物的化學(xué)性質(zhì)整合成一張相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系圖，通過實(shí)驗(yàn)、資料分析等手段對不同歷史階段的銅的冶煉工藝進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，使學(xué)生運(yùn)用證據(jù)推理、宏觀辨識與微觀探析等化學(xué)特有的思維方式對化學(xué)、技術(shù)、社會的相互關(guān)系進(jìn)行跨學(xué)科理解，促進(jìn)學(xué)生贊賞我國傳統(tǒng)技術(shù)中飽含的古人智慧，把家國情懷融入學(xué)習(xí)中。

三、教學(xué)流程

以不同歷史時(shí)期銅的冶煉技術(shù)為情境，通過問題、活動將化學(xué)、歷史有機(jī)結(jié)合。學(xué)生在活動中建構(gòu)銅及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系并對化學(xué)、技術(shù)、社會的關(guān)系進(jìn)行跨學(xué)科理解，具體教學(xué)流程見圖1。

四、教學(xué)實(shí)施

視頻引入：銅在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用。銅可用于制電線、電纜、家用電器中電機(jī)的線圈。拆除一個(gè)空調(diào)壓縮機(jī)可獲得多少銅。

從與學(xué)生密切相關(guān)的物品中引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)銅是與人類關(guān)系非常密切的有色金屬。

環(huán)節(jié)1：青銅時(shí)代─火法煉銅

講述：中國使用銅的歷史久遠(yuǎn)，在幾千多年前的夏、商、西周和春秋四個(gè)朝代，人類已經(jīng)能以銅的合金為主要材料制造生活用具、武器、用于祭祀的禮器，可見銅合金在當(dāng)時(shí)人們的生產(chǎn)、生活中已經(jīng)占據(jù)了重要的地位，歷史上稱那個(gè)時(shí)代為青銅時(shí)代。

思考：商代著名的后母戊鼎，重832.84千克，它主要由銅、錫、鉛三種金屬熔合而成，其中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了84.77%，可見鑄造這只鼎至少需要消耗705千克的銅，這么多的銅古人是如何獲得的？

呈現(xiàn)資料：自然界中有銅單質(zhì)存在，但很少，主要存在于紅銅礦石中，也叫自然銅，大多數(shù)銅以化合物的形式存在于銅礦石中。圖片展示孔雀石、黃銅礦、石青。

小結(jié)：古代青銅器中的銅是通過冶煉含銅化合物的礦石獲得的。

思考：在科學(xué)技術(shù)并不發(fā)達(dá)的古代，銅是如何從銅礦石中冶煉出來的？

展示古代火法煉銅的圖片。

講述：青銅時(shí)代的冶銅工藝主要是火法煉銅，把銅礦石（主要是孔雀石）粉碎，然后與木炭一起投入陶窯（用陶土做的窯）中燒制出銅。把礦石粉碎的目的是什么？

學(xué)生：增大孔雀石與木炭的接觸面積，加快反應(yīng)，使反應(yīng)充分。

學(xué)生活動1（實(shí)驗(yàn)1）：在燃燒匙內(nèi)加熱孔雀石粉和炭粉的混合物。

提問：你觀察到了什么？

學(xué)生：有較多紅色的物質(zhì)。

思考：這些紅色物質(zhì)中有銅，請根據(jù)實(shí)驗(yàn)中含銅化合物的性質(zhì)寫出獲得銅的原理，用學(xué)過的化學(xué)方程式表示。

學(xué)生：Cu2（OH）2CO3=2CuO+H2O+CO2↑，2CuO+C=2Cu+CO2↑

思考：為什么加熱完成之后要冷卻1分鐘再將燃燒匙內(nèi)的物質(zhì)倒出？

學(xué)生：防止生成的銅重新被氧化。

思考：你們獲得的銅為什么是粉末狀的，為什么沒有熔成銅塊？這主要與什么有關(guān)？

學(xué)生：與燃燒匙內(nèi)的溫度有關(guān)。

追問：說明燃燒匙內(nèi)的溫度在什么范圍內(nèi)（與銅的熔點(diǎn)相比）？

學(xué)生：燃燒匙內(nèi)的溫度低于銅的熔點(diǎn)。

追問：你認(rèn)為在這樣的溫度下我們可否在燃燒匙里進(jìn)一步冶煉出青銅？

學(xué)生：不行，因?yàn)槿紵變?nèi)的溫度未能達(dá)到銅的熔點(diǎn)，也就無法與其他金屬熔合在一起。

過渡：當(dāng)時(shí)古人能用火法成功煉出銅，并進(jìn)一步制得青銅，說明當(dāng)時(shí)的古人已經(jīng)能將火的溫度控制在銅的熔點(diǎn)以上，即1084℃以上，而這一溫度的達(dá)到與古人制陶工藝的發(fā)展是密切相關(guān)的。

資料呈現(xiàn)：①古代陶器窯爐結(jié)構(gòu)的改變;②制陶燃料的改變：從木材→木炭。

思考：古人制陶工藝的發(fā)展是如何為火法煉銅提供高溫的？

學(xué)生：制陶窯爐從敞開到封閉，防止熱量散失，將木材改為木炭提高了燃料的熱值。

追問：從燃燒角度分析，制陶工藝中的2項(xiàng)改變除了獲得高溫，還能為火法煉銅提供什么關(guān)鍵要素？

學(xué)生：制陶窯爐從敞口到封閉，為氧化銅還原成銅提供了還原劑。

小結(jié)：制陶工藝的發(fā)展使古人在陶窯中獲得了高溫和還原氣氛，由此催生了火法煉銅，從而推動人類從石器時(shí)代邁向青銅時(shí)代。

思考：陶窯中的還原劑是什么？它是如何還原CuO，獲得Cu的？用化學(xué)方程式表示。

學(xué)生：CuO+COCu+CO2

環(huán)節(jié)2：鐵器時(shí)代─濕法煉銅

講述：到了春秋戰(zhàn)國時(shí)代，隨著鐵器的逐漸出現(xiàn)，青銅制造逐漸沒落，進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代：鐵器時(shí)代。在西漢時(shí)又出現(xiàn)了一種新的煉銅方法，濕法煉銅，并且這一煉銅方法在宋代達(dá)到了一定的規(guī)模。

呈現(xiàn)資料：①《宋史·食貨志》：浸銅之法，以生鐵鍛成薄片，排置膽水槽中，浸漬數(shù)日，鐵片為膽水所薄，上生赤煤，取括赤煤，入爐三煉成銅。②《本草經(jīng)集注》：雞屎礬投苦酒中涂鐵，皆作銅色，即不純的堿式硫酸銅或堿式碳酸銅，置于酸溶液中，將鐵放置其中，鐵片上出現(xiàn)了銅。

學(xué)生活動2（實(shí)驗(yàn)2）：①將鐵絲浸入硫酸銅溶液中;②在孔雀石粉中加入稀硫酸，再將鐵絲浸入。

思考：請依據(jù)實(shí)驗(yàn)中銅的化合物的性質(zhì)，用化學(xué)方程式表示獲得銅的原理。

學(xué)生：Fe+CuSO4==Cu+FeSO4

Cu2（OH）2CO3+2H2SO4==2CuSO4+3H2O+CO2↑

Fe+CuSO4==Cu+FeSO4

思考：從微觀角度思考，古人這兩種獲得銅的方式有何相似之處？

學(xué)生：都是將溶液中的銅離子通過鐵置換出來。講述：我國的這一技術(shù)比西方國家早了600多年。思考：為什么濕法煉銅在火法煉銅之后？

學(xué)生：因?yàn)闈穹掋~需要鐵，而鐵是在火法煉銅之后出現(xiàn)的。

小結(jié)1：火法煉鐵工藝的出現(xiàn)才使古人有了用鐵置換溶液中銅離子的經(jīng)驗(yàn)。

追問：為什么火法煉鐵工藝在火法煉銅工藝之后？學(xué)生：鐵比銅的活動性大，難冶煉。

資料呈現(xiàn)：鐵、銅的熔點(diǎn)。

小結(jié)2：由于鐵的熔點(diǎn)、活動性比銅大，更難冶煉，所以火法煉鐵是在火法煉銅之后出現(xiàn)的工藝。古人基于火法煉銅的經(jīng)驗(yàn)，通過再次改變陶窯的結(jié)構(gòu)（使用豎爐）和使用煤炭獲得了更高的溫度，才出現(xiàn)了火法煉鐵，從而推動人類從青銅時(shí)代邁向鐵器時(shí)代。

環(huán)節(jié)3：現(xiàn)代煉銅

教師介紹現(xiàn)代火法煉銅和濕法煉銅。

思考：你認(rèn)為現(xiàn)代這兩種煉銅工藝與古代的兩種煉銅工藝有何相似之處？對此，你有什么啟發(fā)？

學(xué)生：現(xiàn)代火法煉銅仍是高溫下將氧化銅還原成銅，現(xiàn)代濕法煉銅仍是將溶液中的銅離子通過一定的方式轉(zhuǎn)變?yōu)殂~。

小結(jié)：古人在煉銅前并不知道為什么孔雀石和木炭可以煉銅，也不知道在膽水中浸入鐵片得到銅的原理，后人在不斷研究中總結(jié)前人煉銅的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展出了現(xiàn)代煉銅工藝。因此在現(xiàn)代的冶銅工藝中，我們或多或少能看到古人冶銅技藝的影子，任何一項(xiàng)工藝從無到有，從來不是一蹴而就的，我們的現(xiàn)代文明一定是在古人不斷地摸索、頑強(qiáng)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，我們應(yīng)當(dāng)珍愛古人的智慧，并在此基礎(chǔ)上開創(chuàng)出更加美好的未來。

學(xué)生活動3：整理這節(jié)課中涉及的含銅物質(zhì)，畫出這些物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖，并觀察還有哪些學(xué)過的銅的化合物未涉及，補(bǔ)充物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系（見圖2）。

五、教學(xué)反思

實(shí)踐證明，在“銅及其化合物復(fù)習(xí)”課中以“銅的冶煉”為主題進(jìn)行化學(xué)、歷史的跨學(xué)科整合，有利于學(xué)生積極建構(gòu)銅及其化合物相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系圖，在實(shí)驗(yàn)、證據(jù)推理、宏觀辨識與微觀探析等手段的支持下，學(xué)生能深入細(xì)致地體會技術(shù)發(fā)展的邏輯性，更容易理解化學(xué)、技術(shù)、社會的關(guān)系，從而體驗(yàn)到古代化學(xué)技術(shù)的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]杜慧潔.德國跨學(xué)科教學(xué)理念與教學(xué)設(shè)計(jì)分析[J].全球教育展望，2005（8）：28-32.

[2]夏雪梅.項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2021.

[3]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年 版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.