基于認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化的“金剛石、石墨和C60”項目式教學(xué)
——探秘人造鉆石

李 瓊 楊宇航 姜建文

（1.江西師范大學(xué)附屬中學(xué) 江西 南昌 330022；2.江西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 江西 南昌 330022）

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中對于“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”這一主題的教學(xué)目標(biāo)明確規(guī)定“本主題旨在幫助學(xué)生用微粒的觀念去學(xué)習(xí)化學(xué)，通過觀察、想象、類比、模型化的方法使學(xué)生初步理解化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)；從五彩繽紛的宏觀世界步入充滿神奇色彩的微觀世界，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣”［1］。因此，為了培養(yǎng)學(xué)生將化學(xué)學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為科學(xué)素養(yǎng)的能力，發(fā)展學(xué)生的多元智能，教師在進(jìn)行教學(xué)時應(yīng)該注意化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的組織，而幫助學(xué)生形成認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化則是實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。

從這一明確規(guī)定出發(fā)，以“探秘人造鉆石”為項目主題，結(jié)合人教版初中化學(xué)九年級上冊第六單元“碳和碳的氧化物”的相關(guān)內(nèi)容，［2］利用該單元中課題1“金剛石、石墨和C60”2 課時的時間，設(shè)計了基于認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化的項目式教學(xué)，學(xué)生圍繞項目主題“探秘人造鉆石”展開調(diào)研和學(xué)習(xí)活動。

一、項目主題內(nèi)容分析

“金剛石、石墨和C60”一課是人教版初中化學(xué)九年級上冊第六單元“碳和碳的氧化物”第一課時的內(nèi)容。在前幾個單元的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生已經(jīng)掌握了科學(xué)探究的方法并初步形成了從微觀角度了解物質(zhì)構(gòu)成的奧秘的意識。對“金剛石、石墨和C60”一課的學(xué)習(xí)，有利于幫助學(xué)生加深從微觀層面了解物質(zhì)構(gòu)成的意識，［3］多樣化的項目活動也可以幫助學(xué)生在完成相應(yīng)任務(wù)的過程中認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)和用途，從而提高學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，親身感受化學(xué)世界的魅力。

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容之前，剛剛學(xué)習(xí)過第五單元“化學(xué)方程式”的有關(guān)知識，這部分知識在整個初中化學(xué)知識體系中理論性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來會稍顯枯燥，［4］學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的積極性可能會有所下降，這也會影響學(xué)生對“金剛石、石墨和C60”一課有關(guān)知識的學(xué)習(xí)。此外，在日常教學(xué)中大多數(shù)教師會采取歸納總結(jié)后相互對比的方法，將本節(jié)課的有關(guān)知識生硬地灌輸給學(xué)生，并通過直接講解的方法將“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途”這一化學(xué)統(tǒng)攝性觀念強(qiáng)加給學(xué)生，學(xué)生并不能很好地從認(rèn)識思路的層面接受這一核心觀念。教材中所涉及的有關(guān)C60、碳納米管以及石墨烯等化學(xué)學(xué)科新發(fā)展方向的內(nèi)容也有可能會被教師一帶而過，從而影響學(xué)生了解化學(xué)學(xué)科前沿的發(fā)展現(xiàn)狀。而設(shè)計以“探秘人造鉆石”為項目主題的項目式教學(xué)，則旨在改變這種現(xiàn)象的發(fā)生。項目圍繞人造鉆石這一生活中的常見商品展開，整體設(shè)計六個任務(wù)，通過任務(wù)驅(qū)動的方式驅(qū)使學(xué)生自己通過實(shí)踐調(diào)研、查閱資料、科學(xué)探究和歸納總結(jié)等方法完成每項任務(wù)，在完成任務(wù)的過程中推進(jìn)課堂教學(xué)的進(jìn)行。

二、項目教學(xué)目標(biāo)

基于以上對“金剛石、石墨和C60”一課主要內(nèi)容以及認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化與“探秘人造鉆石”項目主題之間關(guān)系的分析，設(shè)計如下的具體教學(xué)目標(biāo)。

（1）通過社會調(diào)查和查閱相關(guān)資料等方法，了解金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和主要用途，初步認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途三者之間的關(guān)系。

（2）通過對石墨變金剛石這一化學(xué)變化的學(xué)習(xí)，知道不同的元素可以組成不同的物質(zhì)，同一種元素也可以組成不同的物質(zhì)，建立物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途、制取以及鑒別之間的完整的認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化模型。初步形成通過物質(zhì)的微觀構(gòu)成來探索物質(zhì)變化奧秘的觀念。

（3）通過對碳單質(zhì)相關(guān)知識的拓展，知道C60分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其主要用途，鞏固知識結(jié)構(gòu)化的化學(xué)學(xué)習(xí)思路，幫助學(xué)生提升微觀探析的能力。并對碳納米管和石墨烯有所了解，認(rèn)識到碳單質(zhì)是一種具有良好發(fā)展前景的化學(xué)物質(zhì)，從而能以發(fā)展的眼光看待化學(xué)。

（4）通過應(yīng)用本節(jié)課所學(xué)的知識來鑒別“人造鉆石”，培養(yǎng)學(xué)以致用的能力。初步了解化學(xué)、技術(shù)和社會的相互關(guān)系，并能以此分析有關(guān)的簡單問題。

三、項目任務(wù)及教學(xué)流程

探秘人造鉆石項目在實(shí)施過程中的第1課時進(jìn)行項目導(dǎo)引，主要確定項目任務(wù)與子問題，和學(xué)生共同探討解決問題的方案，并進(jìn)行任務(wù)分工。第2課時的展示需要圍繞完成包括調(diào)研人造鉆石、認(rèn)識鉆石（金剛石）、尋找人造鉆石的原料、揭秘人造鉆石工藝、拓展碳單質(zhì)知識以及鑒定人造鉆石六個任務(wù)來進(jìn)行。教師與學(xué)生通過以上六個任務(wù)的驅(qū)動完成整個項目式教學(xué)流程，滲透核心知識、核心方法、核心素養(yǎng)，從而達(dá)成本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，項目教學(xué)設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 項目教學(xué)設(shè)計框架

四、項目教學(xué)實(shí)踐過程及教學(xué)成果

1.調(diào)研人造鉆石

【課堂導(dǎo)入】相信大家都在電視上看過這樣的廣告詞“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”，由此可見鉆石具有極高的收藏價值和觀賞價值。有媒體報道，2020年11月份，上海一家珠寶店的銷售人員用定制的廉價人造鉆石調(diào)包了7顆價值700多萬的天然鉆石。調(diào)包所用的人造鉆石，即使專業(yè)的人員也需要使用儀器進(jìn)行檢測。那么天然鉆石和人造鉆石有什么區(qū)別呢？人造鉆石又是如何制取的呢？今天就讓我們一起來探秘人造鉆石。

【學(xué)生活動】調(diào)研組的學(xué)生將在當(dāng)?shù)厣虉龅闹閷毠衽_進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果制作成視頻在課堂上進(jìn)行播放，并向同學(xué)們展示人造鉆石和天然鉆石的圖片。

【教師支持】教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)人造鉆石和天然鉆石的差別，并幫助學(xué)生通過查閱資料探索人造鉆石的市場潛力等。

【學(xué)生活動】通過進(jìn)一步查閱資料發(fā)現(xiàn)，人造鉆石的成分、結(jié)構(gòu)與天然鉆石相同，都是由碳元素組成的物質(zhì)，人造鉆石在外觀上已經(jīng)可以做到與天然鉆石沒有差異，但是天然鉆石中的地質(zhì)成分是人造鉆石無法復(fù)刻的，因此，人造鉆石并沒有天然鉆石那樣美好的寓意，同樣等級的人造鉆石與天然鉆石相比價格可以低數(shù)十倍，很少用于做首飾，通常用于工業(yè)用途。

【教師支持】教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，既然人造鉆石和天然鉆石的成分和結(jié)構(gòu)相同，那么人造鉆石的原石——金剛石，到底是什么結(jié)構(gòu)呢？它又具備什么樣的性質(zhì)呢？

設(shè)計意圖：通過查閱資料和實(shí)地調(diào)研對人造鉆石和天然鉆石的異同有一個初步的了解，激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。

2.認(rèn)識鉆石（金剛石）

【學(xué)生活動】研發(fā)1組的學(xué)生通過查閱資料以及翻閱教材所給出的有關(guān)信息作出如下總結(jié)：金剛石是鉆石的原身，是一種由碳元素組成的單質(zhì)。在金剛石晶體中，每個碳原子與另外四個碳原子相連構(gòu)成正四面體，整體形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（見圖2）。接著，學(xué)生對教材中涉及到的與金剛石有關(guān)的性質(zhì)和用途進(jìn)行總結(jié)。

圖2 金剛石的結(jié)構(gòu)

【教師支持】教師對學(xué)生的工作表示肯定，并從金剛石結(jié)構(gòu)的角度幫助學(xué)生更好地理解金剛石的性質(zhì)。金剛石晶體中的碳原子通過一種特殊的方式連接構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)，這種連接方式十分牢固，難以發(fā)生改變，導(dǎo)致其具有優(yōu)良的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，因此會被用于切割玻璃或者做軸承。

3.尋找人造鉆石的原料

【學(xué)生活動】由于鉆石是含有碳元素的單質(zhì)，在查閱大量書籍和相關(guān)資料以及在學(xué)習(xí)過質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上，有學(xué)生認(rèn)為也可以用含有碳元素的物質(zhì)來制造人造鉆石。而除了金剛石以外，應(yīng)用最為廣泛的碳單質(zhì)就是石墨，利用石墨來制取人造鉆石或許可行。

【教師支持】教師對學(xué)生的猜想表示肯定，并引導(dǎo)學(xué)生想辦法驗證自己的猜想。

【學(xué)生活動】在教師的引導(dǎo)下，研發(fā)2組的學(xué)生提出通過實(shí)驗來驗證石墨和鉆石的組成元素是相同的。學(xué)生首先設(shè)計了如圖3a所示的實(shí)驗裝置，在該實(shí)驗裝置中，學(xué)生利用加熱氯酸鉀和二氧化錳混合物的方法為持續(xù)加熱的鉆石提供氧氣，經(jīng)過持續(xù)加熱的鉆石和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成二氧化碳，將二氧化碳通入澄清石灰水中，澄清石灰水將會變渾濁。如果在加熱石墨時出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，則可證明猜想正確。但在實(shí)驗過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)，使用氯酸鉀制取氧氣無法隨時添加藥品，這樣就無法保證鉆石或者石墨可以獲得持續(xù)的氧氣。此外，燃燒石墨和金剛石至少需要800℃的高溫，用酒精燈加熱效率太低。因此學(xué)生又設(shè)計了如圖3b所示的實(shí)驗裝置，該實(shí)驗裝置使用二氧化錳和過氧化氫來制取氧氣，可以隨時添加藥品，堿石灰也可以吸收實(shí)驗裝置中可能會有的水蒸氣。丁烷噴燈則用于快速提供高溫，石英玻璃管保證在實(shí)驗過程中不會被高溫所熔化。但受制于實(shí)驗原料以及實(shí)驗器材，僅僅在理論層面對實(shí)驗裝置進(jìn)行了構(gòu)思和設(shè)計，未能真正實(shí)施實(shí)驗來驗證石墨和鉆石的組成元素是 相同的。

圖3 學(xué)生設(shè)計的實(shí)驗裝置

【教師支持】教師肯定學(xué)生通過設(shè)計實(shí)驗方案來驗證猜想的思路，即使未能真正地進(jìn)行實(shí)驗，但是這種解決問題的方式是值得肯定的。教師播放英國皇家科學(xué)院2012年的圣誕講座視頻，為學(xué)生講解該學(xué)院使用的實(shí)驗裝置（見圖4）是如何驗證石墨和金剛石的組成元素是相同的。

圖4 驗證石墨和金剛石由同種元素組成的實(shí)驗裝置及現(xiàn)象

【學(xué)生活動】觀看視頻后，有學(xué)生提出質(zhì)疑，雖然老師播放的實(shí)驗視頻可以證明石墨和金剛石的組成元素相同，但無法證明石墨和金剛石都是只由碳元素組成的單質(zhì)。

【教師支持】教師肯定學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行思考的行為，同時對學(xué)生的疑問作出解答。在使用這套實(shí)驗裝置進(jìn)行實(shí)驗時，通過測量石墨和金剛石反應(yīng)前后的質(zhì)量并收集石墨和金剛石燃燒分別產(chǎn)生的二氧化碳，計算其中碳元素的質(zhì)量恰好等于各自消耗的石墨和金剛石的質(zhì)量，即可證明兩種物質(zhì)都是只由碳元素組成的單質(zhì)。

【教師支持】石墨和金剛石雖然都是由碳元素組成的單質(zhì)，那為什么石墨和金剛石屬于不同的物質(zhì)呢？為什么它們的外觀看上去差距如此之大呢？

式中直接電能Edirect的計算方式如式(1)～式(8)所示，間接能耗Eindirect的計算方式如式(9)～式(15)所示。

【學(xué)生活動】學(xué)生通過翻閱教材和查找資料發(fā)現(xiàn)，石墨和金剛石雖然都是由碳元素組成的單質(zhì)，但石墨和金剛石屬于不同物質(zhì)的原因是因為它們的結(jié)構(gòu)不同。石墨是平面層狀結(jié)構(gòu)，與金剛石的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)截然不同。

【教師支持】教師提供石墨的結(jié)構(gòu)模型（見圖5），并對石墨的結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解：石墨中每個碳原子與另外三個碳原子相連，多個碳原子之間排列形成類似于蜂巢狀的六邊形的平面層狀結(jié)構(gòu)。既然石墨和鉆石是不同的碳單質(zhì)，那么石墨和鉆石的物理性質(zhì)有何差異呢？如何探究石墨的物理性質(zhì)？

圖5 石墨的結(jié)構(gòu)

【學(xué)生活動】實(shí)驗組學(xué)生通過閱讀教材、查閱資料總結(jié)出了石墨的部分物理性質(zhì)：顏色、光澤、形狀、手感、硬度、導(dǎo)電性，并設(shè)計了如下實(shí)驗方案供全班同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗驗證：用藥匙取一小匙石墨粉放在白紙上，觀察顏色、光澤和形狀；用手捻石墨粉，體會石墨的手感；用小刀削12B鉛筆芯（主要成分為石墨）體會石墨的硬度；設(shè)計如圖6所示的兩種實(shí)驗方案驗證石墨的導(dǎo)電性。其中2.0 版實(shí)驗——“神奇的紙電路板”，是利用發(fā)光二極管、紐扣電池和12B鉛筆來驗證石墨的導(dǎo)電性。在實(shí)驗中，紐扣電池充當(dāng)電源，用鉛筆在紙板上厚涂，紙板上的石墨粉就可以起到導(dǎo)線的作用，課堂上學(xué)生用鉛筆厚涂石墨粉斷開處后發(fā)光二極管可以發(fā)光，證明石墨具有導(dǎo)電性。在實(shí)驗組同學(xué)的組織下，學(xué)生通過分組實(shí)驗最終探究出了石墨的物理性質(zhì)，并通過閱讀教材、查閱資料總結(jié)出了石墨的主要用途。

圖6 驗證石墨導(dǎo)電性的兩版實(shí)驗裝置圖

【教師支持】探究結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗組設(shè)計的2種實(shí)驗方案進(jìn)行評價。隨后，教師將學(xué)生總結(jié)的石墨和金剛石的性質(zhì)、用途列表進(jìn)行對比，并提出問題：同樣是碳單質(zhì)，為什么石墨和金剛石的物理性質(zhì)和用途存在如此大的差異呢？

【學(xué)生活動】因為石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)存在很大差異，組成相同，碳原子的排列方式不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同，決定了石墨和鉆石有截然不同的物理性質(zhì)。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下通過手壓石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)模型，感受二者結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的差異，體會到二者硬度的本質(zhì)差異。

【教師支持】此時，學(xué)生對金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及用途有了一定的了解，通過比較石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途之間的差異，教師借此幫助學(xué)生初步建立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，用途反映性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)的物質(zhì)認(rèn)識思路。

設(shè)計意圖：由金剛石過渡到石墨，通過設(shè)計實(shí)驗證明石墨和金剛石的組成元素相同、探究石墨的物理性質(zhì)，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的能力；通過與前面金剛石結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的比較學(xué)習(xí)，使學(xué)生形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途的化學(xué)核心觀念。

4.揭秘人造鉆石工藝

【學(xué)生活動】研發(fā)3組的學(xué)生在了解了金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及用途之后開始查閱資料，尋找石墨變成金剛石的常見方法。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，石墨可以在2300℃、4-5 萬個大氣壓這種模擬地幔層的高溫高壓的條件下，通過鎳、錳等催化劑的催化作用下轉(zhuǎn)變成金剛石。［5］為進(jìn)一步了解其微觀變化，學(xué)生播放視頻展示了石墨變成金剛石的微觀過程及工藝流程。

【教師支持】教師對石墨變金剛石的過程進(jìn)行講解和評價，指出其優(yōu)點(diǎn)和不足，并啟發(fā)學(xué)生思考是否還有其他更好的方法合成鉆石呢？

【學(xué)生活動】創(chuàng)新組的學(xué)生介紹人造金剛石的幾種新方法。

【教師支持】教師對學(xué)生所做的工作表示肯定，并提供資料引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)幾種不同的人造鉆石工藝在原理上的相似點(diǎn)：原料都需含有碳元素，由于金剛石的結(jié)構(gòu)十分牢固，不管用哪種方法合成金剛石，條件都比較苛刻，由于金剛石具有可燃性，在合成的過程中還要注意隔絕氧氣。此時，教師幫助學(xué)生在之前已經(jīng)建立的認(rèn)識思路的基礎(chǔ)上補(bǔ)充物質(zhì)的制法與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)之間的關(guān)系——物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也會決定物質(zhì)的制法，進(jìn)一步完善物質(zhì)的認(rèn)識思路。

設(shè)計意圖：通過對石墨變金剛石的工藝流程的學(xué)習(xí)，完善物質(zhì)的認(rèn)識思路，拓展學(xué)生的化學(xué)視野，與材料科學(xué)進(jìn)行跨學(xué)科聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

5.拓展碳單質(zhì)知識

【學(xué)生活動】在查閱人造鉆石的其他方法的資料過程中，創(chuàng)新組的學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以用C60生產(chǎn)金剛石薄膜，C60是除了石墨和金剛石之外的另一類以碳單質(zhì)形式存在的物質(zhì)。學(xué)生在課堂上展示C60的球棍模型并對其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進(jìn)行講解，每個C60分子是由60 個碳原子構(gòu)成的，其形狀與足球相似（見圖7），又名足球烯，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。C60結(jié)構(gòu)的特殊性決定了它同樣具有不同于石墨的性質(zhì)、用途，廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)、催化、材料、醫(yī)學(xué)及生物等領(lǐng)域。

圖7 C60的分子結(jié)構(gòu)與足球相似

【學(xué)生活動】學(xué)生查閱大量資料后發(fā)現(xiàn)對于碳單質(zhì)的研究一直是化學(xué)領(lǐng)域的熱門方向。除了C60之外，碳納米管以及石墨烯都相繼被發(fā)現(xiàn)（見圖8）。學(xué)生在課堂上展示教師提供的石墨烯、碳納米管的結(jié)構(gòu)模型：若把石墨的一層碳原子剝離，就可以變成單層石墨片，又稱石墨烯，它具有超強(qiáng)、超韌、超導(dǎo)電、超導(dǎo)熱、超透光的奇特性能，將成為改變世界的新材料；若將單層石墨烯卷曲起來，又可以變成直徑只有幾納米～幾十納米的碳納米管……

圖8 各種神奇的碳材料

【教師支持】教師對C60、碳納米管和石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途作簡要總結(jié)和對比，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生加深結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途，用途反映性質(zhì)、性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)的物質(zhì)認(rèn)識思路。讓學(xué)生深刻體會到，改變物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就可以合成新物質(zhì)，讓物質(zhì)具有新的性質(zhì)和新的用途，這就是材料的奧秘！未來又會發(fā)現(xiàn)什么？我們拭目以待！

設(shè)計意圖：從人造鉆石的制作工藝自然引入C60的概念以及碳單質(zhì)的其他應(yīng)用，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途的化學(xué)核心觀念。

6.鑒定人造鉆石

【學(xué)生活動】在學(xué)習(xí)了本節(jié)課的有關(guān)內(nèi)容之后，學(xué)生提出可以利用金剛石的物理性質(zhì)來檢驗一顆鉆石的真?zhèn)?。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，金剛石的硬度為10，小塊少量的金剛石通常被用于玻璃刀的刀頭來切割玻璃。學(xué)生在課堂上經(jīng)過實(shí)驗驗證（見圖9）：被玻璃刀劃過的玻璃會在表面留下明顯的劃痕，沿劃痕稍稍用力即可將玻璃掰斷，而使用鉆石進(jìn)行同樣的操作也可以得到同樣的實(shí)驗現(xiàn)象，而使用塑料仿鉆、玻璃仿鉆無法得到這樣的實(shí)驗現(xiàn)象。

圖9 玻璃刀切割玻璃

【教師支持】教師對學(xué)生學(xué)以致用的精神表示肯定，并請學(xué)生介紹珠寶柜臺的工作人員是如何在不損害鉆石的前提下對其真?zhèn)芜M(jìn)行檢測，使用這種方法或工具進(jìn)行檢測的原理又是什么？

【學(xué)生活動】學(xué)生匯報前期調(diào)研結(jié)果并介紹檢測原理。珠寶柜臺的工作人員會使用鉆石真?zhèn)螜z測儀（見圖10）來檢驗一顆鉆石的真?zhèn)?。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，鉆石真?zhèn)螜z測儀可以檢測一顆鉆石的真?zhèn)问抢勉@石的硬度和導(dǎo)熱性，真正的鉆石硬度很高，檢測儀在對其進(jìn)行檢測時小屏幕所顯示的硬度數(shù)值就會上升至10并變紅；由于鉆石的導(dǎo)熱性很好，檢測儀中檢測熱量的儀器在檢測真鉆石時會發(fā)出“嘀嘀嘀”的聲響。

圖10 鉆石真?zhèn)螜z測儀

【教師支持】教師為學(xué)生準(zhǔn)備天然鉆石、人造鉆石、塑料仿鉆、玻璃仿鉆以及鉆石檢測筆，請同學(xué)在課堂上進(jìn)行檢測，觀察實(shí)驗現(xiàn)象。

【學(xué)生活動】學(xué)生在課堂上使用鉆石檢測筆對老師準(zhǔn)備的鉆石進(jìn)行檢測。

【教師支持】教師肯定學(xué)生的動手操作能力，并為學(xué)生講解權(quán)威的鉆石檢測方法是利用其光學(xué)性質(zhì)。比如利用陰極發(fā)光（CL）技術(shù)，通過高能陰極射線激發(fā)鉆石中的雜質(zhì)或晶格缺陷造成的發(fā)光中心，由此表現(xiàn)出特定的發(fā)光圖像可以鑒別出真假鉆石。［5］

【學(xué)生活動】學(xué)生完成任務(wù)六后，在之前構(gòu)建的認(rèn)識思路中繼續(xù)補(bǔ)充物質(zhì)鑒別的部分，學(xué)生通過動手實(shí)驗發(fā)現(xiàn)鑒別某種物質(zhì)的方法也是由它的性質(zhì)決定的。至此，教師在引導(dǎo)學(xué)生完成六項任務(wù)的過程中，幫助學(xué)生逐步構(gòu)建了如圖11 所示的物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途、制取以及鑒別之間的完整的認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化模型。

圖11 認(rèn)知思路結(jié)構(gòu)化模型

設(shè)計意圖：通過學(xué)習(xí)人造鉆石的鑒別方法，建構(gòu)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途、制取以及鑒別之間的完整的認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化模型，總結(jié)升華本節(jié)課學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、樂于實(shí)踐、善于歸納總結(jié)的科學(xué)品質(zhì)。

五、項目教學(xué)反思與建議

1.項目式教學(xué)反思

項目式教學(xué)是以任務(wù)驅(qū)動作為主導(dǎo)，推動學(xué)生通過完成任務(wù)來推進(jìn)整體教學(xué)流程的一種教學(xué)方式。［6］本課程融合了物理的電學(xué)、材料學(xué)、光學(xué)等跨學(xué)科知識，可操作性較強(qiáng)，容易在課堂教學(xué)的過程中實(shí)施，課程理念也符合課程標(biāo)準(zhǔn)和項目式教學(xué)的要求。在整個項目實(shí)施的過程中，做到了“以項為由，以生為本”，項目任務(wù)來源于學(xué)生，項目解決交給學(xué)生，項目舞臺還給學(xué)生，充分尊重了學(xué)生的想法。本項目式教學(xué)課程從設(shè)計到最終完成耗時一個月左右，課堂教學(xué)則需要2個課時，同常規(guī)課相比雖然需要的時間更多，但通過課后訪談和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更喜歡在老師的帶領(lǐng)下自己動手參與課堂探究，學(xué)生參與越多、真實(shí)有趣的問題解決越多，對知識的印象越深刻；項目式教學(xué)的合理開展可以幫助不同層次的學(xué)生思維能力得到發(fā)展，使學(xué)生收獲頗豐。

2.保證項目式教學(xué)有效開展的建議

（1）教師作為整個項目式教學(xué)的設(shè)計者應(yīng)該注意教學(xué)流程的把控并盡可能地給學(xué)生提供幫助和指導(dǎo)。項目式教學(xué)雖然是利用學(xué)生完成任務(wù)來驅(qū)動整堂課的進(jìn)行，但這種教學(xué)方式會涉及到比較多的教學(xué)活動，比如科學(xué)探究、分組討論以及現(xiàn)場實(shí)驗等，教師對整個項目流程的合理把控是順利完成課堂教學(xué)的關(guān)鍵。由于本項目涉及到學(xué)生離開學(xué)校進(jìn)行社會調(diào)研，對于大部分九年級的初中生來說，社會調(diào)研是一個比較陌生的領(lǐng)域。教師也應(yīng)該及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生遇到的困難并給予相應(yīng)的支持，比如調(diào)查地點(diǎn)的選擇、調(diào)查問卷的撰寫等，且必要時陪同學(xué)生調(diào)研，從而幫助學(xué)生順利地完成所分配到的任務(wù)。除此之外，在探究石墨的性質(zhì)時，會涉及到學(xué)生之間的實(shí)驗探究合作，有些學(xué)生的實(shí)驗設(shè)計可能做不到盡善盡美，實(shí)驗現(xiàn)象同預(yù)期相比可能會出現(xiàn)偏差。教師也應(yīng)該及時有所察覺，在實(shí)驗設(shè)計和操作方面給予及時的指導(dǎo)。項目式教學(xué)往往涉及跨學(xué)科知識以及與本學(xué)科相關(guān)的前沿知識，這也需要教師在整個項目開展的前期做好充分的準(zhǔn)備，了解與教材相關(guān)的專業(yè)知識并進(jìn)行適當(dāng)拓展，在學(xué)生匯報時及時對學(xué)生匯報的內(nèi)容做出專業(yè)判斷并給出合理建議。

（2）教師在設(shè)計整個項目時應(yīng)該考慮在重要項目節(jié)點(diǎn)給出合理的評價并接受教學(xué)過程中出現(xiàn)意料之外的動態(tài)生成。學(xué)生在完成項目式教學(xué)某個任務(wù)的過程中，教師應(yīng)該注意發(fā)掘?qū)W生的設(shè)計亮點(diǎn)，在學(xué)生匯報總結(jié)的過程當(dāng)中或者結(jié)束之后即時給出評價，在學(xué)生完成任務(wù)后給予相應(yīng)的反饋，讓學(xué)生知道自己在完成任務(wù)的過程中所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢和不足。以本項目為例，學(xué)生在任務(wù)三“尋找人造鉆石的原料”中需要自行設(shè)計驗證石墨和金剛石是由同種元素組成的以及探究石墨的導(dǎo)電性兩組實(shí)驗裝置，教師應(yīng)該在學(xué)生進(jìn)行匯報之后給出即時的指導(dǎo)以及評價意見，來幫助學(xué)生調(diào)整自己的想法和設(shè)計。在整個項目式學(xué)習(xí)結(jié)束之后，教師也應(yīng)該在總結(jié)本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容時給出一個整體的終結(jié)性評價。［7］對學(xué)生所做出的全部努力表示肯定，讓學(xué)生體會到這是一次經(jīng)過大家共同努力得以完成的有意義的項目式學(xué)習(xí)活動，也會讓學(xué)生更加期待體驗更多有趣的項目式學(xué)習(xí)課程。在實(shí)施項目式教學(xué)的過程中，當(dāng)進(jìn)行“神奇的電路板”實(shí)驗時，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)在紙電路上撒一些石墨粉二極管會變得更亮。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生使用物理知識對這種現(xiàn)象進(jìn)行解釋，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識之間的融合，做到知識的跨學(xué)科遷移。教師在預(yù)設(shè)課堂教學(xué)時可能并不會考慮到這種情況的發(fā)生，當(dāng)教學(xué)沒有完全按預(yù)設(shè)軌道展開時，教師在教學(xué)時就應(yīng)該做到隨機(jī)應(yīng)變，幫助學(xué)生在認(rèn)知沖突中發(fā)展能力，［8］使學(xué)生在教師的引導(dǎo)過程中感悟知識、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造，從而使得整個教學(xué)過程在師生互動中有序展開。