基于STEAM理念的初中化學(xué)拓展研究
——以銅的化學(xué)性質(zhì)、濕法煉銅為例

黃 蓉

(廣東省廣州市育才中學(xué) 廣東 廣州 510080)

1.研究背景

STEAM代表著科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、藝術(shù)(Arthritis)、數(shù)學(xué)(Mathematics)。STEAM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科整合的綜合教育。2017年修訂的新課標(biāo)征求意見稿確立以培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，教學(xué)更要注重“素養(yǎng)為本”。2017年3月，《2017新媒體聯(lián)盟中國(guó)高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報(bào)告》明確指出：STEAM學(xué)習(xí)的興起將是短期內(nèi)我國(guó)教育技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。這說明研究STEAM教育是很有必要的[1]?；瘜W(xué)教學(xué)注重的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，化學(xué)本身就具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和創(chuàng)造性。筆者將STEAM教育理念融人化學(xué)教學(xué)中，圍繞“銅的化學(xué)性質(zhì)和濕法煉銅”這一主題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展探究，特別是通過“銅銹蝕條件的探究”、“張潛發(fā)現(xiàn)濕法煉銅”、“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：濕法煉銅”等不同的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生在活動(dòng)過程中了解科學(xué)探究的基本過程，體會(huì)比較、歸納、概括在化學(xué)學(xué)習(xí)和研究中的應(yīng)用，初步了解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的相互關(guān)系，從而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)(S)、技術(shù)素養(yǎng)(T)、工程素養(yǎng)(E)、人文素養(yǎng)(A)，提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

2.基于STEAM理念的初中化學(xué)拓展研究案例

2.1 銅銹蝕條件的探究。“鐵釘銹蝕條件的探究”是人教版化學(xué)九年級(jí)下冊(cè)第八單元課題3的重點(diǎn)內(nèi)容。通過該探究活動(dòng)，讓學(xué)生了解鐵的銹蝕和防護(hù)，了解科學(xué)探究的基本過程(S科學(xué)素養(yǎng))，體會(huì)比較、歸納、概括在化學(xué)學(xué)習(xí)和研究中的應(yīng)用，能用規(guī)范的學(xué)科語(yǔ)言描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋(T技術(shù)素養(yǎng))。在完成這個(gè)探究活動(dòng)后，根據(jù)所學(xué)知識(shí)筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了“銅銹蝕條件”的拓展探究活動(dòng)，探究過程如下：

青銅器在古時(shí)被稱為“金”或者“吉金”，剛做出來的青銅的顏色接近金色。青銅在受潮或埋入土中很多年后，生成銅綠，表面被綠色的銹跡覆蓋，從而呈現(xiàn)綠色。

銅綠的主要成分是Cu2(OH)2CO3,銅生銹跟哪些物質(zhì)有關(guān)呢？

信息：化學(xué)反應(yīng)前后，元素的種類不變。

根據(jù)銅綠的主要成分，猜想銅生銹可能是銅與______、______、______共同作用的結(jié)果。

(1)展示圖片、觀察現(xiàn)象、填寫表格：

對(duì)比A、B知：銅生銹跟______有關(guān)；對(duì)比A、C知：銅生銹跟______有關(guān)；對(duì)比A、D知：銅生銹跟______有關(guān)。

(2)得出結(jié)論：銅生銹是銅與______、______、______共同作用的結(jié)果。

(3)拓展應(yīng)用：寫出一種防止銅生銹的方法______

2.2 銅的冶煉。“Fe + CuSO4= Cu + FeSO4”是銅的化學(xué)性質(zhì)，是人教版九年級(jí)化學(xué)下冊(cè)第八單元課題2 的重點(diǎn)內(nèi)容，是濕法煉銅的主要反應(yīng)原理，是中國(guó)冶金和化學(xué)史上的一大發(fā)明。基于此，筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了以下探究活動(dòng)，探究過程如下：

(1)張潛發(fā)現(xiàn)濕法煉銅。

[資料閱讀]

張潛(1025—1105)是北宋著名的濕法煉銅家。他天資聰穎，據(jù)說小時(shí)候每天都吟誦成百上千句詩(shī)，而且廣泛地閱讀書籍。他喜歡賦詩(shī)，擅長(zhǎng)寫楷書，著有十冊(cè)《詩(shī)集》，尤其精通天文、地理、人文等學(xué)科。張潛在閱讀《神農(nóng)書》的時(shí)候，讀到書上記載用膽礬水浸泡鐵，可以讓鐵轉(zhuǎn)化為銅。這一現(xiàn)象的化學(xué)原理是：利用硫酸銅溶液浸鐵，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將銅析出。從那以后，張潛研讀了許多前人留下的濕法煉銅書籍，又親自參與濕法煉銅的實(shí)踐。年復(fù)一年的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累，讓張潛在濕法煉銅領(lǐng)域取得了重大的成就：他發(fā)現(xiàn)德興興利場(chǎng)的32泉、138溝盛產(chǎn)膽水，可以用來浸鐵取銅。他還總結(jié)出一套比較完整的膽水浸銅技術(shù)，寫成了濕法煉銅專著——《浸銅要略》，讓兒子獻(xiàn)給朝廷。朝廷認(rèn)為張潛的煉銅法花費(fèi)少而收益多，就在地方推廣了他的方法。采用這個(gè)方法以后，每年獲得的銅錢達(dá)到百萬(wàn)之多，因此張潛備受朝廷的嘉獎(jiǎng)。自此，信州鉛山場(chǎng)、德興興利場(chǎng)、韶州(今廣東韶關(guān))岑水場(chǎng)、潭州(今湖南長(zhǎng)沙)永興場(chǎng)等礦場(chǎng)，都全面推行了張潛的濕法煉銅技術(shù)。北宋時(shí)，全國(guó)膽銅產(chǎn)量每年100～170萬(wàn)斤，占當(dāng)時(shí)銅總產(chǎn)量近二成。南宋紹興年間，全國(guó)膽銅產(chǎn)量占銅總產(chǎn)量的八成多。可以說，是張潛總結(jié)的濕法煉銅技術(shù)大大促進(jìn)了宋代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

[討論區(qū)]

①請(qǐng)同學(xué)們閱讀張潛的故事，找到張潛濕法煉銅的原理是什么？(反應(yīng)物和生成物)

②張潛寫成《浸銅要略》為什么會(huì)受到朝廷嘉獎(jiǎng)？有什么貢獻(xiàn)？

(2)銅的冶煉。

現(xiàn)在銅冶煉技術(shù)分為兩大類，火法冶煉和濕法冶煉?；鸱ㄒ睙掃m合硫化銅礦石，而濕法冶煉較適合氧化銅礦石。

①火法煉銅。

②濕法煉銅。

主要反應(yīng)原理：Fe + CuSO4= Cu + FeSO4

比較火法煉銅和濕法煉銅兩種生產(chǎn)工藝，都各有利弊，選用哪種方法，應(yīng)根據(jù)礦物的特點(diǎn)、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)情況、地理?xiàng)l件等條件而定。

[討論區(qū)]從對(duì)環(huán)境友好這個(gè)角度分析，濕法煉銅和火法煉銅哪種方法較好？

2.3 實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：濕法煉銅。

濕法煉銅活動(dòng)方案

[活動(dòng)目的]

(1)了解濕法煉銅的原理，體會(huì)濕法煉銅的方法。

(2)了解銅與青銅等銅的合金的區(qū)別。

[反應(yīng)原理]

鐵 + 硫酸銅→銅 + 硫酸亞鐵

Fe + CuSO4= Cu + FeSO4

[實(shí)驗(yàn)用品]試管、鐵釘、硫酸銅溶液

[實(shí)驗(yàn)步驟]

(1)觀察并描述鐵釘和硫酸銅溶液的顏色、狀態(tài)。

(2)把一根鐵釘放入試管中。

操作：先把試管橫放，把鐵釘放在試管口，再把試管慢慢地豎立起來，使鐵釘緩緩地滑到試管底部，以免打破試管。

(3)往試管中加入適量硫酸銅溶液(硫酸銅溶液浸沒鐵釘)

操作：瓶塞倒放、標(biāo)簽朝向手心、試劑瓶口緊挨傾斜的試管口。

(4)觀察并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

鐵釘表面覆蓋一層____色的物質(zhì)

溶液從____色變____色

在上述實(shí)驗(yàn)中，你觀察到的生成的銅是什么顏色的？生成的銅就是青銅嗎？

結(jié)論：(1)青銅是銅的________

(2)上述實(shí)驗(yàn)所得到的銅____青銅(填“是”或者“不是”)

3.探究實(shí)踐反思

3.1 實(shí)施STEAM案例，發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

案例(一)，通過“銅銹蝕條件的探究”拓展探究活動(dòng)，提升了學(xué)生知識(shí)遷移能力和類推能力，還提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)(S)、技術(shù)素養(yǎng)(T)、工程素養(yǎng)(E)。在學(xué)生學(xué)完“鐵釘銹蝕條件的探究”后，引導(dǎo)學(xué)生把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到“銅銹蝕條件”的探究活動(dòng)中，小組團(tuán)結(jié)協(xié)作，體會(huì)科學(xué)探究的基本過程：提出問題、對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證、基于證據(jù)進(jìn)行分析推理、得出結(jié)論，能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行記錄并得出結(jié)論，從而培養(yǎng)學(xué)生的“實(shí)驗(yàn)探究”、“證據(jù)推理”化學(xué)核心素養(yǎng)。

案例(二)，在“銅的冶煉”探究拓展活動(dòng)中，首先，通過張潛發(fā)現(xiàn)濕法煉銅這個(gè)故事，通過這個(gè)活動(dòng)，讓學(xué)生了解“濕法煉銅”在中國(guó)冶金和化學(xué)史上的重要意義、了解北宋著名濕法煉銅家張潛的貢獻(xiàn)，提升學(xué)生的人文素養(yǎng)。接著，介紹兩種銅的冶煉方法，通過這個(gè)活動(dòng)，讓學(xué)生了解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的相互關(guān)系，關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題，認(rèn)識(shí)環(huán)境保護(hù)和資源合理開發(fā)的重要性，能運(yùn)用已有知識(shí)和方法綜合分析化工生產(chǎn)對(duì)自然可能帶來的影響，權(quán)衡利弊，具有可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念，積極參與有關(guān)化學(xué)問題的社會(huì)決策，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”化學(xué)核心素養(yǎng)。

案例(三)，“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：濕法煉銅”，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中，學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐瓿蓪?shí)驗(yàn)操作、觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并得出結(jié)論、和同學(xué)交流實(shí)驗(yàn)成果，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)(E)和“實(shí)驗(yàn)探究”化學(xué)核心素養(yǎng)。

3.2 設(shè)計(jì)STEAM案例，提高教師專業(yè)發(fā)展[1]。教師專業(yè)發(fā)展是指教師專業(yè)知識(shí)、專業(yè)能力和專業(yè)精神的發(fā)展[2]。STEM教育是跨學(xué)科融合教育，集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)于一體的綜合教育，它提出將各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)通過綜合的課程融合起來，STEAM案例的設(shè)計(jì)要求教師具有跨學(xué)科的專業(yè)知識(shí)。如何根據(jù)學(xué)生的已有知識(shí)和認(rèn)知水平，將化學(xué)知識(shí)與科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)相融合而開展教學(xué)設(shè)計(jì)并在課堂教學(xué)中實(shí)施？如何在這個(gè)過程中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)？這些均體現(xiàn)出教師的專業(yè)能力。教師基于學(xué)生的需要，不斷研究STEAM課程，這個(gè)過程體現(xiàn)了教師的專業(yè)精神。每一個(gè)STEAM案例的設(shè)計(jì)過程，也促進(jìn)了教師的專業(yè)精神的發(fā)展。將STEAM理念融入教學(xué)中，能促進(jìn)教師在工作崗位上不斷學(xué)習(xí)、不斷提升。