基于模型認知和社會責任感培育的化學教學

解慕宗 羅娟 何麗

摘要： 以“金屬礦物的開發(fā)利用”教學為例，圍繞化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，探討融入模型認知和社會責任感培育的化學教學。以“賞寶、尋寶、煉寶、用寶”為教學主線，基于真實情境，用邏輯嚴密的問題鏈串聯(lián)教學;通過“煉石成銅、點石成鐵、變石成鋁”等教學活動實現(xiàn)模型的建構、運用與完善;通過化學史料等素材的學習實現(xiàn)社會責任感的培育。提出教學中應講好中國化學故事，促進歷史認同;展現(xiàn)化學獨有魅力，增強學科認同。

關鍵詞： 素養(yǎng)為本; 模型認知; 社會責任感; 金屬冶煉

文章編號： 1005-6629（2021）03-0038-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出： 應以發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)為主旨，立足于學生適應現(xiàn)代社會和未來發(fā)展的需要，充分發(fā)揮化學課程的整體育人功能。倡導真實問題情境的創(chuàng)設，重視開展素養(yǎng)為本的教學[1]?；瘜W學科核心素養(yǎng)中，重視“模型認知”將有利于學生形成化學學科特有的學科觀念和思想方法，社會責任感的培育更能體現(xiàn)化學學習高層次的價值追求。本文以“金屬礦物的開發(fā)利用”為例，探討如何在化學教學中基于真實的問題情境，建構、運用并完善認識模型，培育學生的社會責任感，落實立德樹人的根本任務。

2? 內(nèi)容分析

“金屬礦物的開發(fā)利用”是人教版高中化學必修教材內(nèi)容[2]，該節(jié)內(nèi)容將學生的目光從實驗室的瓶瓶罐罐轉(zhuǎn)移到真實的工業(yè)生產(chǎn)中，揭示了如何從自然界（礦石）中獲取化工原料（金屬單質(zhì)），具有豐富的素養(yǎng)內(nèi)涵和育人功能。傳統(tǒng)的授課流程是： 分析金屬在自然界中的存在形態(tài)，揭示金屬冶煉的實質(zhì)，再結(jié)合金屬活動性順序表，舉例說明常見金屬的冶煉方法并羅列相關反應的化學方程式。教學中的平鋪直敘，往往缺乏“工藝味”和“技術味”，讓學生感覺索然無味。分析金屬礦物的開發(fā)史，發(fā)現(xiàn)其中留下了無數(shù)先賢尤其是中國古人探索未知、崇尚真理的腳印，體現(xiàn)了化學對社會進步的重大貢獻，而冶煉工藝的改進史則有助于強化節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識[3]。為此，本文嘗試探討融入模型認知和社會責任感培育的化學教學。

基于內(nèi)容分析，結(jié)合具體學情，將教學目標確定為： （1）通過化學史料了解金屬冶煉的過程，分析金屬冶煉的本質(zhì)，體會氧化還原反應在實際生產(chǎn)中的具體應用;（2）通過分析鐵、銅、鋁的冶煉，建構金屬冶煉的認知模型，并在模型的應用和完善中提升高階思維能力;（3）通過了解我國古代在金屬冶煉方面的成就，結(jié)合稀土材料的應用，增強民族自信，培育國家認同感和社會責任感。

3? 設計思路

為達成教學目標，本節(jié)課設計“賞寶”“尋寶”“煉寶”“用寶”四大學習任務，用豐富而真實的情境、完整而嚴密的問題鏈貫穿教學過程。具體設計思路如圖1所示。

4? 教學過程

4.1? 任務一： 賞寶——傾聽歷史的聲音

[情境1]賞大國重器（閱讀材料并觀看視頻）。

材料1： 3000多年前的商朝，工匠們正在趕制一件青銅器，該青銅器高133cm、口長110cm、口寬79cm，重達832.84kg，它便是鼎中的王者——后母戊鼎，封印著權力的鎮(zhèn)國之寶。后母戊鼎是商王祖庚為祭祀其母戊所制，制作工藝極其精巧、復雜，該鼎見證了我國悠久的歷史和璀璨的文化。

材料2： 越王勾踐劍，春秋晚期青銅器，歷史文化價值極高，被譽為“天下第一劍”。因劍身鍍鉻而千年不銹，歷經(jīng)2400余年仍然寒氣逼人、紋飾清晰。該劍長55.7cm，寬4.6cm，柄長8.4cm，重875g，同時鋒利無比，可輕松劃破16層白紙。

[問題1]從材料和視頻中，你品出了哪些“化學味”？

[學生]后母戊鼎和越王勾踐劍的主要成分均為銅，說明了銅容易冶煉。

[問題2]兩件文物均為青銅器時代的杰作，代表了當時的最高制造水平。人類歷史在某種意義上也是一部金屬冶煉史，人類冶煉金屬的歷史年代數(shù)據(jù)如圖2所示，你發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？

[學生]越不活潑的金屬越容易冶煉，出現(xiàn)的年代越早。

[問題3]越不活潑的金屬一定越早出現(xiàn)嗎？繼續(xù)讀圖，討論規(guī)律背后的反常之處。

[學生]銅比金活潑，鈉比鋁活潑，但人類使用金的時間晚于銅，冶煉鋁的時間晚于鈉。

[過渡]出現(xiàn)這一規(guī)律及反?，F(xiàn)象的原因是什么？讓我們繼續(xù)探討。

設計意圖： 通過《國家寶藏》中的相關視頻及文字材料介紹后母戊鼎和越王勾踐劍，培養(yǎng)學生的歷史認同感，激發(fā)民族自豪感。賞寶，傾聽歷史的聲音，從后母戊鼎中聽出鼎力東方的強者之音，從越王勾踐劍中聽出王朝更迭的興衰榮辱。欣賞大國重器，不僅可以品出歷史沉淀的厚重，更能讀出金屬冶煉的智慧。接著很自然地引出人類冶煉金屬的年代順序，學生讀圖找規(guī)律，為后續(xù)學習埋下了伏筆。

4.2? 任務二： 尋寶——探索內(nèi)在的奧秘

[情境2]古人“尋寶”記。

材料3： 取之無禁，用之不竭，是造物者之無盡藏也——蘇軾《赤壁賦》。

材料4： 日照澄洲江霧開，淘金女伴滿江隈。美人首飾侯王印，盡是沙中浪底來——劉禹錫《浪淘沙》。

材料5： 丹砂燒之成水銀，積變又還成丹砂——葛洪《抱樸子》。

[問題4]閱讀古詩文，聯(lián)系金屬的冶煉，你有什么收獲？

[學生甲]材料3說明大自然為我們提供了無窮無盡的寶藏。通過金屬冶煉可以在大自然中“尋寶”。

[學生乙]材料4描述了“沙里淘金”的場景。金以游離態(tài)存在于自然界中，可以利用密度的差異淘金。

[學生丙]材料5中“丹砂燒之成水銀”指的是HgS受熱分解變?yōu)镠g單質(zhì)。

[小結(jié)]Au和Pt還原性很弱，可通過物理方法從自然界中獲取;Ag和Hg則可通過熱分解法冶煉。

[問題5]結(jié)合上述材料，從氧化還原的角度分析Au比Hg容易冶煉的原因，歸納金屬冶煉的實質(zhì)。

[學生]金屬單質(zhì)的還原性越強，對應金屬陽離子的氧化性越弱，越不容易得電子，所以Au比Hg容易冶煉。金屬冶煉的實質(zhì)是金屬陽離子得電子變?yōu)榻饘賳钨|(zhì)的過程。

[問題6]為什么人類最早使用的金屬是Cu而非Au？

[學生]金屬的首次使用時間不只取決于金屬冶煉的難易程度，也與儲量、開采的難易程度等因素有關。

材料6： 金、銅元素在地殼中的豐度分別約為兩億分之一、兩萬分之一，可見自然界中銅的含量遠高于金。除此之外，銅礦顏色鮮艷，易于被發(fā)現(xiàn)。在冶煉銅之前，古人已經(jīng)學會了燒制陶瓷，為銅的冶煉奠定了基礎。

[問題7]除了極少數(shù)不活潑金屬（金、銀、鉑）和隕鐵外，絕大多數(shù)金屬均以化合態(tài)存在于礦石中，從礦石中可“尋寶”。以銅為例，化合態(tài)的銅在自然界中的主要存在形式如圖3所示，若你是廠長，你會選擇哪種礦石進行冶煉？

藍銅礦（CuS）

赤銅礦（Cu2O）

輝銅礦（Cu2S）

孔雀石[Cu2（OH）2CO3]

[學生甲]選擇赤銅礦，因為赤銅礦中銅元素的質(zhì)量分數(shù)最高。

[學生乙]還要考慮礦石中有效成分的含量、礦石的儲量等因素。

[小結(jié)]在自然界中“淘寶”，欲追求高“性價比”，需要權衡的因素有很多，例如： 礦石的儲量與分布情況、礦石的開采難度、礦石的品味（元素的質(zhì)量分數(shù)）等。

設計意圖： 賞古詩文典籍，看古人“尋寶”記。從極具畫面感的古文名句中獲取Au、 Hg等不活潑金屬的冶煉方法，從氧化還原的角度分析金屬冶煉的實質(zhì)，從工業(yè)生產(chǎn)的實際出發(fā)選擇礦石。古文名句與真實情境相交融，穿插分析、評價等高階思維活動，促使學生深度思考。

4.3? 任務三： 煉寶——追尋先賢的足跡

4.3.1? 模型建構之煉石成銅

[過渡]假設你真的“淘”到了心儀的“寶貝”，怎樣煉寶也是一門學問。

[情境3]煉銅的智慧。

材料7： 信州鉛山縣有苦泉，流以為澗，挹其水熬之，則成膽礬，熬膽礬鐵釜，久之亦化為銅——北宋·沈括《夢溪筆談》。

材料8： 用礦（硫化礦，主要成分為Cu2S）二百五十籮……入大旋風爐，連烹（灼燒）三日三夜，方見成銅——明·陸容《菽園雜記》。

材料9： 煉礦曰扯銅，其法礦千斤（氧化礦，灼燒得CuO）用炭七八百斤不等，爐如夾墻，底作圓窠，鋪以炭末，始加礦炭……而銅沉于低，有流碣，即銅成之候矣——清·張泓《滇南新語》。

[問題8]以上材料中均涉及金屬銅的冶煉，寫出相關化學方程式。

[學生]材料7： Fe+CuSO4FeSO4+Cu;材料8： Cu2S+O2高溫2Cu+SO2;材料9： 2CuO+C△2Cu+CO2↑。

[問題9]材料7涉及濕法煉銅工藝，材料8、9涉及火法煉銅工藝（前者為有氧焙燒，后者為無氧焙燒）。若你是煉銅廠的廠長，你會選擇哪種方案？

[學生甲]選擇濕法煉銅工藝，因為該工藝環(huán)境友好，且生成物FeSO4用途廣泛。

[學生乙]選擇有氧焙燒方案，因為原料O2的成本相對低廉。

[學生丙]選擇無氧焙燒方案，因為焦炭易得且污染小。

[小結(jié)]三種煉銅方案的比較，見表1。

[問題10]我國有著悠久的青銅文化，追尋先賢的足跡，欲與古人試比高。請設計實驗從孔雀石[主要成分為Cu2（OH）2CO3]中提取銅。

[學生甲]采用火法煉銅的方式，高溫灼燒孔雀石，使之完全分解，再用碳還原氧化銅制備銅。

[學生乙]可以火法與濕法相結(jié)合，高溫灼燒后酸浸，再加入鐵粉從硫酸銅中置換出銅。

[學生丙]也可以采用濕法，加入過量的硫酸酸浸，充分反應后再加入鐵粉置換出銅。

[小結(jié)]早在四千年之前，古人就學會了火法煉銅，現(xiàn)代工業(yè)銅的電解精煉已經(jīng)可以制備純度高達99.98%的精銅，可見技術的革新不斷推動著社會的發(fā)展。煉銅工藝的發(fā)展史如圖4所示。

[問題11]從金屬礦物中提取金屬需要經(jīng)歷哪些步驟？

[學生]梳理從礦石到金屬需要經(jīng)歷的步驟，建構認知模型（見圖5）。

4.3.2? 模型運用之點石成鐵

[情境4]煉鐵的記憶。

材料10： 公元前約600年，古人將富鐵砂礦和木炭混合裝入爐中，點火加熱并通風，鐵礦石被木炭還原而形成海綿狀鐵塊，該方法稱作“塊煉鐵”。由于爐溫僅1000℃左右，遠低于鐵的熔點（1538℃），“塊煉鐵”所得到的鐵質(zhì)地疏松，雜質(zhì)多，實用價值不大。

材料11： 古人采用鍛焊的方法，將鐵塊燒紅鍛打，排出大部分雜質(zhì)，使其致密，制成所需的工具或兵器。在此基礎上，古人逐漸學會了塊煉鐵滲碳成鋼，發(fā)明了煉鋼的淬火工藝，產(chǎn)品的機械性能不斷提升。經(jīng)過漫長而艱辛的探索后，鑄鐵工藝日趨成熟。

[問題12]我國早在西漢初年就掌握了高溫冶煉生鐵的技術，足足領先西方國家1000多年，但依然比銅的冶煉晚了五千年以上，為什么？

[學生]煉鐵對爐溫有很高的要求，提高爐溫、分離提純等過程均凝結(jié)著人類長時間的探索。

[問題13]常見的含鐵礦石有赤鐵礦（Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）、菱鐵礦（FeCO3）、黃鐵礦（FeS2）等，運用金屬冶煉流程的認知模型，預測冶煉鐵的基本過程。

[學生]從礦石中提取鐵的過程如圖6所示。

[問題14]還原劑除了常見的H2、 CO和C外，也可以用金屬Al。Al在高溫下還原金屬氧化物制備金屬的反應稱為鋁熱反應（演示該實驗）。鋁熱反應可用于定點爆破、焊接鋼軌、冶煉高熔點金屬等，為什么工業(yè)上很少用鋁熱反應冶煉鐵？

[學生]鋁的冶煉成本高于鐵，用鋁制備鐵得不償失;釩、鉻、錳等高熔點的金屬價格遠高于鋁。

4.3.3? 模型完善之變石為鋁

[情境5]煉鋁的足跡。

材料12： 有人說，如果時光可以倒流，他最想做的事情是背上行囊，裝滿鋁，回到拿破侖時代換回許多金子。

材料13： 1827年，德國化學家維勒將金屬鉀和無水氯化鋁共熱，冷卻后投入水中，得到銀灰色的金屬鋁粉末。30年后，法國化學家德維爾用金屬鈉還原氯化鋁，使鋁成為工業(yè)產(chǎn)品。但當時金屬鈉價格昂貴，導致鋁比黃金還要貴好幾倍。

材料14： 1886年，美國化學家霍爾通過電解冰晶石-氧化鋁熔融鹽的方法成功制得鋁。從此冶煉鋁的成本大大降低，鋁制品這一曾經(jīng)的奢侈品走進了千家萬戶，可謂“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。

[問題15]閱讀材料和表2，回答： 為什么冶煉Na、 Mg都是電解其熔融氯化物，而冶煉Al卻電解其熔融氧化物？電解鋁時加入冰晶石的作用是什么？

[學生甲]Na、 Mg、 Al的氧化物熔點均遠高于其氯化物，考慮到成本等因素，通過電解熔融NaCl、 MgCl2制備Na和Mg。AlCl3共價性較強，熔融狀態(tài)下很難電離出Al3+，所以只能通過電解熔融Al2O3制備Al，而Al2O3的熔點很高，冰晶石可能作為助熔劑。

[學生乙]（頓悟）Al2O3的熔點特別高，Al很難冶煉，所以盡管Na比Al活潑，但Al的成功冶煉比Na晚。

[小結(jié)]總結(jié)不同金屬的冶煉方法，完善認知模型（見圖7）。

設計意圖： 本環(huán)節(jié)圍繞著銅、鐵、鋁的冶煉，沿著歷史的長河，繼續(xù)追尋先賢的足跡。教學過程中不羅列金屬冶煉的方法，而是通過“煉石成銅、點石成鐵、變石為鋁”等活動讓學生體驗模型的建構、運用和完善過程，將認識方法內(nèi)化為學生的元認知[4]?；厮轃o數(shù)仁人志士讓化學欲火重生的艱辛歷程，用科學家們的探索歷程串聯(lián)學習活動，讓學生感受到化學知識不再是冷冰冰的文字與符號，而是一幅濃縮大千世界的廣闊畫卷。

4.4? 任務四： 用寶——見證大國的崛起

[情境6]稀土很神奇。

材料15： 中東有石油，中國有稀土。中國的稀土資源很豐富，其地位可媲美中東的石油，戰(zhàn)略意義非比尋常，一定要辦好稀土的事情——鄧小平1992年南巡講話。

材料16： 稀土金屬在生產(chǎn)生活、國防軍工等領域均發(fā)揮著不可或缺的作用。工業(yè)上，稀土是“維生素”，在光纖通信、貯氫能源、超導材料等領域應用廣泛;軍事上，稀土是“大心臟”，幾乎所有高科技武器的核心部位都需要稀土材料;生活上，稀土是“陪伴者”，數(shù)碼相機、LED屏幕、電腦中稀土材料如影隨形。

[問題16]有人說： 金屬的冶煉伴隨著大量的能耗和污染，應該關停冶金廠?；瘜W總被貼上“污染、危險”等負面標簽，某化妝品甚至在廣告中宣傳：“我們恨化學”。結(jié)合上述材料，說說你的思考。

[學生甲]我們完全沒有理由恨化學，化學一直在造福人類。正如離開稀土金屬材料，生活將陷入混亂。

[學生乙]如果說環(huán)境問題困擾著人類，那我們更需要化學，化學工藝的改進可以降低能耗、減少污染。

[作業(yè)]祖國將冶煉稀土的任務交給你，請查閱資料，設計實驗方案，從磷釔礦（主要成分為Y2O3、 Er2O3、 P2O5）中提取稀土金屬釔（Y）和鉺（Er）。

[小結(jié)]稀土很神奇，在國際競爭日趨激烈的當下，稀土金屬的冶煉尤為重要，所以說金屬的冶煉是大國崛起的“催化劑”。我們要用心“賞寶”，從國之重器中傾聽歷史的聲音;懂得“尋寶”，掌握金屬冶煉的原理和實質(zhì);學會“煉寶”，建構金屬冶煉的認知模型;知道“用寶”，感受金屬冶煉技術對人類社會發(fā)展的巨大推動作用。

設計意圖： 以稀土材料為切入口，分析金屬冶煉的應用，學生體驗到知識從產(chǎn)生到應用的過程。從國家層面客觀分析稀土金屬材料的戰(zhàn)略意義，將金屬的冶煉與國家的崛起相關聯(lián)，激發(fā)學生的使命感。以此為契機，為化學正名，變講授為對話，從解析到建構，在潛移默化中滲透學科價值。最后布置兼具挑戰(zhàn)性和開放性的作業(yè)，讓思維風暴從課堂刮到課后，以期達到“曲終人不見，江上數(shù)峰青”的效果。

5? 反思與心得

5.1? 講好中國化學故事，促進歷史認同

社會責任感不是與生俱來的，社會責任感基于國家認同感，國家認同感源于歷史認同感，傾聽歷史的聲音，追尋先賢的足跡，從知史到尊史，國家認同才能內(nèi)化于心，社會責任感方能外顯于行。

基于上述思考，教學過程中呈現(xiàn)了16則材料，其中10則材料與中國古人對金屬冶煉的探索有關，使學生感受到頭頂星空之璀璨。空洞地講歷史會沖淡化學的“原味”，所以教學中呈現(xiàn)材料的同時要求學生用化學語言進行文本解讀，16則材料與16個環(huán)環(huán)相扣的問題水乳交融，在真實問題情境的創(chuàng)設中實現(xiàn)知識的功能化和素養(yǎng)化。圍繞金屬的冶煉，從賞寶、尋寶、煉寶到用寶，用史料激活學生的情感，以任務驅(qū)動學生的思考，學生通過模型認知建立統(tǒng)攝性認識，形成分析和解決陌生問題的思路。

5.2? 展現(xiàn)化學獨有魅力，增強學科認同

化學在食品、醫(yī)藥、材料等領域做出了不可磨滅的貢獻，然而化學總被誤解。究其原因，學生感覺化學學科碎片化知識過多，化學學習缺乏科學的事實依據(jù)和嚴謹?shù)倪壿嬐评?。故教學時應努力從多維度展現(xiàn)化學獨有的學科魅力，用真實情境促使學生身臨其境、深度思考。例如講解銅的冶煉，學生需要建立“從各類銅礦石中提取銅”的完整認識，包括礦石的選擇、提取工藝的設計等，學習任務既飽含“煙火氣”又充滿智趣，避免化學學習淪為乏味的文字游戲和符號解碼。

參考文獻：

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