基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的硅及其化合物教學(xué)設(shè)計(jì)

蔡晴 黃昊文

［摘 要］文章基于元素周期表與元素周期律，探討硅及其化合物的性質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，構(gòu)建觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系；從材料的角度引導(dǎo)學(xué)生建立原子結(jié)構(gòu)、元素位置、元素性質(zhì)、物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)用途之間的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］硅及其化合物；證據(jù)推理；模型認(rèn)知；教學(xué)設(shè)計(jì)

［中圖分類(lèi)號(hào)］??? G633.8??????? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］??? A??????? ［文章編號(hào)］??? 1674-6058（2024）14-0077-04

高中化學(xué)教學(xué)的目標(biāo)之一是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，其中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)［1］。這也是化學(xué)思維的特點(diǎn)之一。硅作為元素周期表中第三周期第ⅣA族的元素，位于金屬元素和非金屬元素的分界線上，既具有一般性質(zhì)，也有著自身的特性［2］。硅、鋁位于同周期，金屬與非金屬的交界處，性質(zhì)具有一定的相似之處，基于位置分析進(jìn)行類(lèi)比，由此得出硅可能具有的化學(xué)性質(zhì)［3］。本文以硅及其化合物為例，結(jié)合元素周期表和元素周期律，運(yùn)用學(xué)生已學(xué)的元素化合物知識(shí)和方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)測(cè)、尋找證據(jù)，基于證據(jù)加以分析推理，并逐步建立認(rèn)知模型，從而提高學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。

一、學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了鈉、氯、鐵、硫、氮等元素的單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)，掌握了原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)；知道元素周期表和元素周期律。因此，可基于元素周期律對(duì)硅及其化合物的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。硅作為無(wú)機(jī)非金屬材料的關(guān)鍵元素，在社會(huì)發(fā)展中具有重要地位。因此，可通過(guò)建立“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”之間的關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生建構(gòu)元素化合物的認(rèn)知模型［4］。

二、教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)思路

（一）教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課標(biāo)對(duì)“無(wú)機(jī)非金屬材料”這一主題的學(xué)業(yè)要求，制訂以下教學(xué)目標(biāo)：

1.通過(guò)閱讀討論，了解身邊的含硅材料；通過(guò)已有知識(shí)搭建解決陌生問(wèn)題的橋梁，類(lèi)比碳、預(yù)測(cè)硅，形成元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)思路。

2.通過(guò)二氧化硅與氫氧化鈉的實(shí)驗(yàn)以及玻璃片與氫氧化鈉反應(yīng)的具體操作，培養(yǎng)動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)觀察能力。

3.通過(guò)三維認(rèn)知模型的建構(gòu)，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行再梳理，同時(shí)逐級(jí)建構(gòu)“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”模型，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。

4.結(jié)合身邊實(shí)例，感受化學(xué)就在身邊并且正不斷幫助人們解決問(wèn)題，提高學(xué)習(xí)化學(xué)的自信心和民族自豪感。

（二）教學(xué)思路

“硅及其化合物”的具體教學(xué)思路如圖1所示。

圖1??? “硅及其化合物”的教學(xué)思路

三、教學(xué)實(shí)踐過(guò)程

（一）情境引入

【引入】日常生活中，我們身邊幾乎都有硅的存在。比如石頭、沙灘、磚頭、道路等，這些都是二氧化硅的衍生物，通常被稱(chēng)為無(wú)機(jī)硅酸鹽。在地殼中，硅元素的含量?jī)H次于氧元素，約占27%?？梢哉f(shuō)，我們生活的世界基本上是由硅元素和氧元素構(gòu)成的。請(qǐng)大家想一想，除了上述例子，還有哪些含硅的材料？請(qǐng)同學(xué)們分組合作，收集資料并以圖片形式展示。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)收集資料和展示圖片，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到從不同的角度看待相同的物品會(huì)帶來(lái)不同的體驗(yàn)；通過(guò)預(yù)先查閱相關(guān)資料和整理信息，培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力，并讓他們認(rèn)識(shí)到化學(xué)對(duì)我們的生活和社會(huì)發(fā)展起到重要的作用，從而增強(qiáng)他們的社會(huì)責(zé)任感，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

（二）類(lèi)比預(yù)測(cè)

【教師活動(dòng)】請(qǐng)學(xué)生寫(xiě)出硅元素在元素周期表中的位置，并預(yù)測(cè)硅元素可能具有的價(jià)態(tài)和性質(zhì)。

【學(xué)生活動(dòng)】寫(xiě)出硅元素的位置，并預(yù)測(cè)其可能存在的價(jià)態(tài)與性質(zhì)（如圖2）。

圖2 硅元素的價(jià)態(tài)與性質(zhì)

【教師引導(dǎo)】我們知道同主族、同周期元素之間存在一定的規(guī)律。如果讓你來(lái)預(yù)測(cè)硅元素可能具有的性質(zhì)，你會(huì)類(lèi)比哪種元素？試著預(yù)測(cè)硅元素的化學(xué)性質(zhì)，并解釋預(yù)測(cè)依據(jù)。

【學(xué)生活動(dòng)】思考并進(jìn)行預(yù)測(cè)。

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合課標(biāo)要求“能利用元素在元素周期表中的位置和原子結(jié)構(gòu)，分析、預(yù)測(cè)、比較元素及其化合物的性質(zhì)”［5］，設(shè)計(jì)漸進(jìn)性問(wèn)題，使學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)知識(shí)和已有證據(jù)預(yù)測(cè)硅的性質(zhì)，進(jìn)一步讓學(xué)生把握元素化合物的認(rèn)知模型。

（三）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.制備硅酸鈉溶液

【PPT展示】展示自然界中的二氧化硅。結(jié)晶：石英、水晶、瑪瑙、沙子；無(wú)定形：硅藻土。

【教師活動(dòng)】引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類(lèi)別、價(jià)態(tài)、結(jié)構(gòu)角度預(yù)測(cè)二氧化硅的性質(zhì)。提問(wèn)：二氧化硅的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)是怎樣的？

【學(xué)生活動(dòng)】思考分析，猜測(cè)二氧化硅的微觀結(jié)構(gòu)。

【教師活動(dòng)】展示二氧化硅的微觀結(jié)構(gòu)。提問(wèn)：二氧化硅的硅氧四面體結(jié)構(gòu)與金剛石的立體網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)相似，這種硅氧四面體結(jié)構(gòu)決定了二氧化硅具有哪些性質(zhì)？

【學(xué)生活動(dòng)】思考得出：二氧化硅具有性質(zhì)穩(wěn)定、硬度大、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等性質(zhì)（如圖3）。

圖3 二氧化硅的性質(zhì)

【過(guò)渡】新鞋子的包裝盒里常會(huì)放有一小包硅膠干燥劑。

【教師活動(dòng)】硅酸通過(guò)處理能成為硅膠，那如何制備硅酸呢？

【學(xué)生活動(dòng)】基于預(yù)測(cè)內(nèi)容，提出方案。

【學(xué)生1】二氧化硅和水反應(yīng)生成硅酸。

【學(xué)生2】先利用二氧化硅和氫氧化鈉反應(yīng)生成硅酸鈉，再利用硅酸鈉和鹽酸反應(yīng)生成硅酸。

【教師活動(dòng)】補(bǔ)充信息，評(píng)估學(xué)生方案的可行性。引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中獲取證據(jù)。提問(wèn)：根據(jù)大家的預(yù)測(cè)，二氧化硅屬于酸性氧化物，可與堿反應(yīng)生成鹽和水。如何證明SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O反應(yīng)的發(fā)生？

【學(xué)生活動(dòng)】思考并回答。

【學(xué)生1】從生成物角度看是否有硅酸鈉生成。

【學(xué)生2】從反應(yīng)物角度看二氧化硅是否溶解。

【學(xué)生3】從反應(yīng)物角度看氫氧化鈉是否被消耗。

【教師活動(dòng)】進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：從生成物生成與反應(yīng)物被消耗兩個(gè)角度引導(dǎo)學(xué)生思考證明化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的方法，并歸納總結(jié)，建構(gòu)證明反應(yīng)發(fā)生的認(rèn)知模型。

【教師活動(dòng)】展示裝有鹽酸的玻璃瓶與裝有氫氧化鈉溶液的玻璃瓶。提問(wèn)：為什么氫氧化鈉溶液可以用玻璃瓶盛放卻不能用玻璃塞？

【學(xué)生活動(dòng)】觀察到裝有氫氧化鈉溶液的玻璃瓶用的是橡膠塞，而裝鹽酸的玻璃瓶用的是玻璃塞。思考并回答可能的原因。

【教師活動(dòng)】實(shí)驗(yàn)演示：將兩塊涂有氫氧化鈉溶液的玻璃片合在一起。

【學(xué)生活動(dòng)】發(fā)現(xiàn)要分開(kāi)玻璃片有些困難。

【教師活動(dòng)】提問(wèn)：說(shuō)明新生成的硅酸鈉具有什么性質(zhì)？

【學(xué)生活動(dòng)】思考得出：硅酸鈉具有粘性。

設(shè)計(jì)意圖：以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，從不同觀察角度幫助學(xué)生掌握二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。同時(shí)，通過(guò)具體操作，加深學(xué)生對(duì)不同物質(zhì)之間的相互作用的理解，并進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到二氧化硅的具體應(yīng)用。

2.制備硅酸

【展示資料】

①?gòu)?qiáng)酸可以制備弱酸（強(qiáng)弱是相對(duì)關(guān)系）。

②同濃度酸性強(qiáng)弱：HCl>H2CO3>H2SiO3。

【教師活動(dòng)】請(qǐng)學(xué)生根據(jù)已有資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用硅酸鈉制備硅酸。

【學(xué)生活動(dòng)】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：往硅酸鈉溶液中通二氧化碳或者加入鹽酸來(lái)制備硅酸。

【教師活動(dòng)】演示實(shí)驗(yàn)：在充滿CO2的礦泉水瓶中注入少量飽和硅酸鈉溶液，擰緊瓶蓋并振蕩，觀察現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生的信息閱讀、方案設(shè)計(jì)、信息內(nèi)化的能力，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握強(qiáng)酸制弱酸的方法。

3.探究二氧化硅的特性

【展示】用塑料瓶裝氫氟酸。

【教師活動(dòng)】提問(wèn)：為什么不用玻璃瓶裝氫氟酸？

【學(xué)生活動(dòng)】根據(jù)前面已有的經(jīng)驗(yàn)，能夠快速得出：氫氟酸會(huì)與玻璃反應(yīng)，而且反應(yīng)進(jìn)行得很快。

【教師活動(dòng)】板書(shū)：SiO2+4HF＝SiF4+2H2O，因此我們可以用氫氟酸來(lái)刻蝕玻璃。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)探索，讓學(xué)生明白碳與硅因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)相似，存在著很多通性，但每個(gè)物質(zhì)均存在自己的特性。通過(guò)實(shí)例展示氫氟酸不能用玻璃瓶裝，讓學(xué)生明白物質(zhì)性質(zhì)決定用途，用途反映性質(zhì)。

4.制備高純硅

【過(guò)渡】我們知道硅在自然界中以硅酸鹽、氧化物的形式存在。自然界中為什么沒(méi)有硅單質(zhì)存在呢？請(qǐng)分析硅在元素周期表中的位置，推測(cè)硅可能具有的性質(zhì)以及用途。

【學(xué)生活動(dòng)】思考得出：硅是一種親氧元素，位于金屬與非金屬的交界處，導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，可用作半導(dǎo)體、芯片、太陽(yáng)能電池板等（如圖4）。

圖4 硅的用途

【過(guò)渡】2023年8月29日，華為Mate 60 Pro突然發(fā)售，大家知道這意味著什么嗎？意味著中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)反擊的開(kāi)始，手機(jī)、服務(wù)器、顯卡、芯片等全面國(guó)產(chǎn)化。芯片的制作過(guò)程大致分為三個(gè)步驟：沙子制備高純硅、高純硅制備硅晶圓、硅晶圓刻錄成芯片。

【教師活動(dòng)】沙子制備高純硅，也就是從+4價(jià)的二氧化硅到0價(jià)的硅單質(zhì)，怎么實(shí)現(xiàn)？選擇哪種還原劑？反應(yīng)條件是什么？

【學(xué)生活動(dòng)】不斷思考，逐步得出：根據(jù)二氧化硅的價(jià)態(tài)變化，推出需加入具有還原性的物質(zhì)，如焦炭、一氧化碳、氫氣、氨氣、活潑金屬等。從經(jīng)濟(jì)效益的角度，會(huì)選擇焦炭，而二氧化硅的結(jié)構(gòu)為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，比較穩(wěn)定，因此要在高溫條件下進(jìn)行。

【過(guò)渡】此時(shí)獲得的硅并不純凈，里面還含有鐵、鋁、碳等雜質(zhì)，我們把它稱(chēng)為粗硅，硅含量為98%左右，但制備芯片的硅含量要求為99.99999999%，甚至更高。那么如何提純呢？

【學(xué)生活動(dòng)】回憶除雜原理、方法，展開(kāi)討論。

【教師活動(dòng)】提示：當(dāng)遇到雜質(zhì)很難除的時(shí)候，我們可以逆向思維，先把目標(biāo)物質(zhì)提取出來(lái)，即讓硅和氯化氫氣體在300 ℃下反應(yīng)生成三氯硅烷和氫氣，再把三氯硅烷中的硅還原為硅單質(zhì)。你會(huì)選擇哪種還原劑？為什么？

【學(xué)生活動(dòng)】思考不同還原劑之間的區(qū)別：如果使用焦炭，會(huì)引入新的雜質(zhì)，而使用氫氣則無(wú)影響。

【教師活動(dòng)】將高純硅直拉得到硅棒，硅棒經(jīng)過(guò)切割變成硅晶圓，硅晶圓想變成芯片還需要進(jìn)行光刻等操作，而這是我們國(guó)家一直被“卡脖子”的領(lǐng)域。華為Mate 60 Pro的發(fā)售意味著這一問(wèn)題的解決，這對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，有著重要的里程碑意義。

設(shè)計(jì)意圖：緊跟時(shí)事——芯片國(guó)產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)，極大地增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，讓學(xué)生明白化學(xué)與工業(yè)生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。從沙子到高純硅，用的是轉(zhuǎn)化目標(biāo)物質(zhì)的方法對(duì)固體物質(zhì)進(jìn)行提純，有助于拓寬學(xué)生物質(zhì)提純的思路。

（四）課堂小結(jié)

【過(guò)渡】請(qǐng)同學(xué)們用價(jià)-類(lèi)二維圖小結(jié)知識(shí)，建立“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”之間的關(guān)聯(lián)，從而建構(gòu)元素化合物的認(rèn)知模型［6］。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步完善“位置—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)”模型，加深學(xué)生對(duì)硅及其化合物知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、教學(xué)反思

本教學(xué)設(shè)計(jì)旨在基于元素周期表和元素周期律，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行證據(jù)推理和建立認(rèn)知模型，以提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。通過(guò)類(lèi)比思維和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生不僅掌握了硅及其化合物的性質(zhì)，還培養(yǎng)了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。此外，本教學(xué)設(shè)計(jì)還緊跟時(shí)事，引出了中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展，增強(qiáng)了學(xué)生的民族自豪感。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠更深入地理解硅及其化合物，同時(shí)提高自身的科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻(xiàn)?? ］

［1］［5］? 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 葉躍娟，林海斌.高中化學(xué)新教材中鋁和硅元素的知識(shí)編排及教學(xué)邏輯［J］.化學(xué)教學(xué)，2021（4）：87-92.

［3］? 胡俊洲.“硫、氮和硅元素及其化合物”的“位、構(gòu)、性”教學(xué)模型［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2023（2）：8-11.

［4］［6］? 王磊，陳光巨，曹居?xùn)|.普通高中教科書(shū)化學(xué)必修第二冊(cè)教師用書(shū)［M］.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

（責(zé)任編輯??? 羅??? 艷）