轉化“認知沖突” 促進知識內化

彭英邦+陳迪妹

摘要：以“從鋁土礦中提取鋁”為例，分析工藝流程中涉及的反應原理和操作方法，通過創(chuàng)設問題情境，轉化認知沖突，在師生交互過程中生成教學環(huán)節(jié)，加深知識的理解和內化，從而構建鋁及其化合物的知識體系。

關鍵詞：認知沖突；教學設計；鋁及其化合物

文章編號：1008-0546（2017）01-0038-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.013

一、 問題提出

著名教育心理學家奧蘇貝爾有過一段經(jīng)典論述“影響學習的唯一最重要的因素就是學生已經(jīng)知道了什么，要探明這一點，并據(jù)此教學?！盵1]建構主義理論認為學習不是學習者簡單地接受與儲存信息，而是主動地將原有經(jīng)驗和新信息進行分析與重建知識結構的過程。

學生在學習某一學科前形成的前概念，有些與科學概念一致，也有一些偏離科學現(xiàn)象本質或背離科學概念的理解與認識。這是學生憑感性認識構建起來的，是由于缺乏感知經(jīng)驗的概念，或認知上的局限導致的。如學生觀察鐵絲在氧氣中劇烈燃燒，有火星四濺的現(xiàn)象，認為鋁片在燃燒時也會有這樣的現(xiàn)象，忽略了鋁表面形成的氧化鋁熔點極高，不易被融化。又如，金屬鈉與金屬鎂可分別由電解其熔融狀態(tài)的氯化物制得，便認為鋁也能用電解熔融氯化鋁的方法獲得，沒有認識到熔融氯化鋁不產生自由移動的離子。學生在學習新知識時的認知沖突影響，需要適時轉化，才能順利完成新知識的內化。

二、 設計思路

“從鋁土礦中提取鋁”為蘇教版必修《化學1》專題3第二單元第3節(jié)的內容，學生已掌握了Al、 Al2O3及Al（OH）3的性質，通過本節(jié)內容學習，了解從鋁土礦中提取鋁的工藝流程，體會工業(yè)生產與學科知識的緊密聯(lián)系，體驗科學發(fā)展對人類發(fā)展的影響，并進一步認識鋁及其化合物之間的相互轉化，從而構建鋁及其化合物的知識體系。

教學目標：（1）知識與技能。了解地殼中鋁的含量及存在方式，知道從鋁土礦中提取鋁的工藝流程，會正確寫出相關物質轉化的化學方程式；（2） 過程與方法。通過分析鋁的制備工藝流程，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力，進一步理解鋁及其化合物之間相互轉化的關系；（3）情感態(tài)度與價值觀。了解鋁的發(fā)現(xiàn)史，從鋁的制備方法中體驗化學學科與工業(yè)生產之間的聯(lián)系，增強學科學習興趣。

教學重點：從鋁土礦中提取鋁的工藝流程及相關反應；教學難點：鋁及其化合物之間的相互轉化關系。

教學思路：本課由化學史實引入，以“鋁的制備”問題為主線，回顧金屬冶煉的方法，聯(lián)系工業(yè)生產鋁的工藝流程，通過創(chuàng)設問題情境、討論交流，將知識融入猜想、實證、歸納中，合理轉化學生的認知沖突。在教學過程中注意學生思維認知的障礙點的突破，生成有效的教學環(huán)節(jié)的學生活動，并逐步提升知識深度，在討論和交流中，引導學生歸納總結，最后形成鋁及其化合物的知識體系。

教學流程如下所示：

三、 教學過程

環(huán)節(jié)1 化學史實，激趣設疑——鋁的發(fā)現(xiàn)史

【投影】（1） 一些金屬元素在地殼中的含量對比圖；（2）生活常見的鋁制品。

【師】鋁及鋁合金在日常生活中應用廣泛，鋁是地殼中的含量最高的金屬元素，鋁性質活潑在自然界中主要以化合態(tài)形式存在于鋁土礦中。時光回溯到兩百多年前，當時鋁價格比黃金還昂貴。我們通過兩則鋁的化學趣話來了解一下。

【投影】“鋁的趣話”

（1）在國宴上，拿破侖三世使用的是一套珍藏的鋁制餐具，而大臣們使用的是銀制餐具。

（2）門捷列夫創(chuàng)建了元素周期表，英國皇家學會為了表彰他，獎勵他一只鋁制獎杯。

【問題情境】鋁是地殼中含量最多的金屬元素，在我們生活中也有很多的鋁制品，鋁的價值并不昂貴，但為何在兩百多年前，鋁比黃金還貴？

【生】（1） 鋁在自然界中以穩(wěn)定的化合態(tài)形式存在，鋁單質很少。

（2）鋁的冶煉工藝決定了鋁單質的產量，在當時的條件下，鋁的獲取較為困難。

【師】 這兩位同學解釋了兩百多年前鋁價值昂貴的緣由，一方面鋁在自然界中主要以鋁土礦的形式存在，鋁單質在自然界較少；另一方面鋁金屬性較強，在當時的條件下獲得鋁很困難，因此，直到1827年鋁才被德國科學家沃勒發(fā)現(xiàn)。在當時，鋁的價值甚至超過了黃金。

【設計意圖】導課是教學的重要環(huán)節(jié)，是一堂課的開端。通過對比金屬元素在地殼中含量，生活中應用廣泛的鋁制品，引出本課主題：鋁。新課改倡導要重視學科背景知識，化學史實是化學學科的重要組成部分。通過鋁的化學趣話，創(chuàng)設問題情境，讓學生了解早期鋁的獲取較為困難的事實，鼓勵學生討論，并調動學生積極思考。

【過渡】那么，在本節(jié)課中，我們一起來學習“從鋁土礦中提取鋁”，認識工業(yè)上制備鋁的方法，進一步鞏固鋁及其化合物的性質。

環(huán)節(jié)2 認知沖突，巧妙轉化——鋁的冶煉方法選擇

【回顧】 請同學們回顧一下工業(yè)制備金屬鈉和金屬鎂的流程及方法。

【師】 金屬的制備，要從幾個方面考慮：原料來源——工藝流程——反應原理。

【交流與討論】 從工業(yè)制備金屬鈉和金屬鎂的工藝流程上，你能獲得哪些信息？

【生】金屬鈉和金屬鎂采用電解熔融狀態(tài)的氯化物獲得，電解前的氯化物需要精制。

【師】總結得很好，請根據(jù)鈉和鎂的制備方法，綜合考慮原料來源、工藝流程和方法選擇，思考鋁的制備方法。

【設計意圖】學會分析、對比，尋找?guī)追N金屬通性、差異和制備的方法，形成新舊知識間的聯(lián)系。從原料來源、工藝流程及冶煉方法等方面考慮制備方法，進而推測金屬鋁的獲取方式。

【閱讀】閱讀教材上關于從鋁土礦中提取鋁的工藝流程。

【投影】知識拓展：（1）較活潑的金屬如鈉、鎂、鋁等通常采用電解法制備；（2）由鋁土礦生產鋁，首先需制取 Al2O3，然后再電解Al2O3制取鋁；（3）鋁土礦是不純的一水鋁石或三水鋁石，含 Al2O3（45%-65%），主要雜質是氧化硅和Fe2O3，氧化硅含量可達12%，F(xiàn)e2O3含量可達25%，還有少量氧化鈦等，含量約為3%，結晶水含量為14%-36%。

【思考】（1）從鋁土礦中提取鋁的工藝流程可以分為幾個階段？（2）能否采用電解熔融AlCl3的方法制備鋁？（提示：熔融氯化鋁不導電）

【生】（1）從鋁土礦中提取鋁可以分為兩個階段：第一階段是獲得純凈 Al2O3，第二階段是電解 Al2O3獲得鋁單質；（2）不能采用電解熔融AlCl3的方法，因為熔融狀態(tài)的AlCl3中不存在自由移動的離子，因此不導電。

【問題情境】根據(jù)教材上提供的工藝流程圖，思考下列問題：

（1）向鋁土礦中加入NaOH溶液的目的？通入過量CO2的目的？能否采用稀鹽酸酸化？

（2）工藝流程中出現(xiàn)兩次過濾其目的分別是什么？

（3）電解熔融 Al2O3時，冰晶石起什么作用？

【生】（1）加入NaOH溶液是把鋁土礦中的Al2O3溶解，通入過量CO2目的是將偏鋁酸鈉轉變?yōu)锳l（OH）3，不能用稀鹽酸去酸化，因為Al（OH）3是兩性氫氧化物。

（2）第一次過濾是去除鋁土礦中的雜質，第二次過濾是為獲得Al（OH）3沉淀。

（3）由于氧化鋁的熔點很高，直接加熱使其熔化需要消耗很大的能量。冰晶石的作用使氧化鋁的熔融溫度降低，從而減少能量消耗。

【設計意圖】針對“從鋁土礦中提取鋁的工藝流程”，創(chuàng)設相關的問題情境，讓學生深入認識相關流程涉及的化學反應、操作方法及目的。聚焦學生思維，幫助學生領會重點。

【總結】從鋁土礦中提取鋁的流程及相關反應：

環(huán)節(jié)3 開放情境，學以致用——工業(yè)制備鋁方案的改進

【師】鋁土礦中主要成分是 Al2O3，不同鋁土礦中氧化硅和氧化鐵等雜質的含量有差異。

說明：SiO2一般與酸不反應（HF除外）；（2）向鋁土礦中加入NaOH溶液后所得的母液應該脫除赤泥（不溶殘渣，含有氧化鐵、二氧化鈦和鋁硅酸鈉復鹽。鋁硅酸鈉的生成量與鋁土礦中氧化硅的含量有關），采用這種方法一般只適合處理氧化硅含量小于8%的鋁土礦。

【問題情境】結合上述信息，思考從鋁土礦中提取鋁的工藝存在哪些不足？

【生】鋁土礦中的雜質氧化硅會與NaOH溶液反應，這樣得到的偏鋁酸鈉溶液中混有雜質。而且當鋁土礦中含有氧化硅含量較高時，赤泥中含有較多的鋁硅酸鈉，氧化鋁損失較多。

【問題情境】對于氧化硅含量較高的鋁土礦，采用上述方法會有較多的氧化鋁損失。那么根據(jù)氧化硅與鹽酸不反應，若向鋁土礦中加入鹽酸，再過濾除去氧化硅的方案可行嗎？

【生】如果向鋁土礦中加入鹽酸，鋁土礦中的氧化鐵雜質也會與鹽酸反應，這樣鋁離子和鐵離子混合在溶液中。

【師】如何分離這兩種離子？

【生】加入足量NaOH溶液！使得鐵離子轉化為氫氧化鐵沉淀，而鋁離子轉化為偏鋁酸鹽。

【交流與討論】若采用“用鹽酸溶解鋁土礦（除去硅），再加入過量NaOH溶液（除去鐵），通入CO2，灼燒沉淀”的工藝流程，與目前工業(yè)上采用的流程相比較，有何優(yōu)缺點？

【生】優(yōu)點：去除氧化硅，降低鋁的損失；

缺點：工藝流程復雜，成本高。

【設計意圖】高中化學課程要求培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展的思想，科學觀點是不斷完善的過程。鼓勵學生發(fā)問質疑的精神，對學生發(fā)散性思維的培養(yǎng)起著重要作用。提供相關信息，并創(chuàng)設問題情境，引導學生思考目前工業(yè)上制備鋁的方法存在的不足，抓住學生認知沖突，適時轉化相異構想。同時聯(lián)系社會生產的實際，培養(yǎng)學生靈活應用學科知識解決問題的能力。

【總結】教材上提供的“從鋁土礦中提取鋁”工藝流程適合處理氧化硅含量小于8%的鋁土礦，對于氧化硅含量為超過8%的鋁土礦需要采用其他改良法處理。因此，目前工業(yè)上制備鋁還是采用“堿法”，但同時要考慮鋁土礦中雜質的含量。

環(huán)節(jié)4 總結深化，構建體系——鋁及其化合物的相互轉化

【師】從鋁土礦中提取鋁的工藝流程，涉及鋁的化合物之間的轉化。根據(jù)我們所學的知識，表示鋁及其化合物之間的相互聯(lián)系。

【總結】鋁及其化合物之間的轉化。

【練習】寫出上述框圖中鋁及其化合物相互轉化的化學方程式或離子方程式。

【總結】從鋁土礦中提取鋁的工藝流程，歸納相關反應原理，鞏固鋁及其化合物的轉化。

【設計意圖】突出重點，從社會生產回歸學科知識。通過練習鋁及其化合物之間轉化的化學方程式，梳理相關知識，讓學生自主構建鋁及其化合物的知識體系。

四、 教學反思

課堂教學過程中一些轉變認知沖突的細節(jié)值得回味，如提出“有沒有其他方法分離氧化硅雜質？”有學生根據(jù)氧化硅不與稀鹽酸反應，提出用稀鹽酸溶解鋁土礦，但也有同學提出會把鋁土礦中存在的氧化鐵雜質反應，這時教師順勢提出，“如何分離鐵離子和鋁離子？”這一問題激發(fā)了同學們的興趣，有同學提出加入NaOH溶液的方法，老師追問：“兩者都轉變?yōu)槌恋恚绾芜M一步分離？”有同學激動地答道：“可以加入過量的NaOH溶液，這樣使Al（OH）3溶解而氫氧化鐵不溶解，用過濾方法實現(xiàn)兩種離子的分離?！辈┑昧送瑢W們的掌聲。教學后回顧本課，有以下體會：

1. 師生協(xié)同互動，生成性教學活動

教學過程是師生協(xié)作的過程。俗話說：“教學有法，教無定法?！苯虒W需要預設，但更重要的是在動態(tài)中生成。教學過程中要鼓勵學生思考，有疑問是求知的第一步。不憤不啟，不悱不發(fā)，要合理把握學生的“憤”“悱”狀態(tài)，師生協(xié)作完成教與學的活動。

2. 利用學生已有知識，轉化認知沖突

教學設計應當分析學生原有的觀念和思維方式，弄清其對學習和理解新知識會造成的障礙與影響[2]。在教學過程中創(chuàng)設能引起學生產生認知沖突的教學情境，并通過分析、比較、歸納、推理等科學的思維方法，幫助學生進行認知順應，實現(xiàn)認知沖突的轉化。

3. 創(chuàng)設開放問題情境，學科知識聯(lián)系生產生活實際

應用學科知識解決生產生活中的相關問題，如工業(yè)上制備鋁要考慮到原料鋁土礦中氧化硅的含量，進而選擇相應的方法；電解氧化鋁過程中需要加入冰晶石等，為學生的思維打開一扇窗，體現(xiàn)學科知識與工業(yè)生產的緊密聯(lián)系，深化知識結構，培養(yǎng)學以致用的學習品質。

參考文獻

[1] 水菊芳. 基于以學論教的高中數(shù)學課堂“教師的導”淺談[J]. 數(shù)學通報，2015，03：20-22

[2] 嚴業(yè)安. 化學教學中的“相異構想”初探[J]. 化學教學，2005，07-08：28-30