孫玉明 楊玉琴 李學(xué)玲

摘要： 以“高鐵建設(shè)中金屬材料的獲取”為情境主題，基于承德地區(qū)礦產(chǎn)、鋼鐵廠實際生產(chǎn)過程等課程資源，設(shè)計挑選鐵礦石、選擇還原性物質(zhì)、揭秘工業(yè)煉鐵、了解銅和鋁的冶煉四個學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在分析解決實際問題過程中自主建構(gòu)金屬的冶煉相關(guān)知識，深度體驗學(xué)科價值。

關(guān)鍵詞： 地方課程資源; 任務(wù)驅(qū)動; 金屬的冶煉; 初中化學(xué); 真實情境

文章編號： 10056629（2022）07004306

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

“素養(yǎng)為本”的教學(xué)要求創(chuàng)設(shè)真實且富有價值的問題情境[1]?！罢鎸嵡腋挥袃r值”意指基于真實世界中的問題、從事任務(wù)驅(qū)動的真實學(xué)習(xí)，正是在真實的任務(wù)和真實的學(xué)習(xí)中，知識得以創(chuàng)造，素養(yǎng)獲得發(fā)展[2]。結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，巧妙開發(fā)和利用地方課程資源，創(chuàng)設(shè)真實的問題情境和驅(qū)動性學(xué)習(xí)任務(wù)，不僅讓學(xué)生體會到化學(xué)就在身邊，凸顯化學(xué)學(xué)科價值，還能有效提升學(xué)生的家國情懷，落實學(xué)科育人目標(biāo)。

學(xué)生所在的承德地區(qū)具有得天獨厚的釩鈦磁鐵礦資源，學(xué)校附近就有礦山。承鋼1954年建廠，是中國釩鈦磁鐵礦冶煉和釩提取加工技術(shù)的發(fā)祥地，擁有從采、選、運到冶、煉、軋完整的鋼鐵生產(chǎn)體系。生產(chǎn)的鋼材產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于如長江三峽、連云港核電站、黃河小浪底水利樞紐、潤揚長江大橋、上海東方明珠電視塔、中國大劇院、北京奧運場館、中央電視臺新址、港珠澳大橋等國家重點工程。2018年，承鋼含釩抗震鋼首次直供高鐵項目，開啟了產(chǎn)品應(yīng)用于高鐵建設(shè)的新時代[3]。作為當(dāng)?shù)氐拇笮椭е云髽I(yè)，很多學(xué)生的家人、親戚朋友都在承鋼或曾經(jīng)在承鋼工作過，對工廠及其產(chǎn)品具有一定的熟悉度和親切感，這為課程資源的開發(fā)及利用提供了可行基礎(chǔ)。

1 教學(xué)主題內(nèi)容與課程資源利用

“金屬和金屬材料”位于人教版九年級化學(xué)教科書第八單元，我們選擇“高鐵建設(shè)中的金屬材料”作為承載該教學(xué)單元的大情境，將單元劃分為“高鐵建設(shè)中金屬材料的選擇”“高鐵建設(shè)中金屬材料的獲取”及“高鐵建設(shè)中金屬材料的保護(hù)”三個課題。課題1主要探究選擇金屬鐵作為高鐵軌道材料、鋁作為車體材料、銅作為電傳輸材料等[4]。課題以“這些高鐵建設(shè)中所需要的金屬材料從哪兒來”為大問題設(shè)計系列驅(qū)動性學(xué)習(xí)任務(wù)，依托地方課程資源的開發(fā)，為學(xué)生提供感性認(rèn)識材料和理性分析材料的支持。學(xué)生以“企業(yè)工程師”角色分析和解決真實的工業(yè)生產(chǎn)問題，從而改變以往課題教學(xué)過分依賴教師講授、學(xué)生死記硬背生產(chǎn)原料和反應(yīng)的化學(xué)方程式的學(xué)習(xí)方式。地方課程資源的開發(fā)利用與教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)時段的關(guān)系歸納如表1所示。

2 學(xué)情分析

通過課題1的學(xué)習(xí)，學(xué)生已知高鐵建設(shè)需要鐵、銅、鋁等金屬材料，也已知氫氣、碳、一氧化碳等物質(zhì)具有還原性以及元素守恒等，但沒有將這些知識整合在一起解決生產(chǎn)實際問題的經(jīng)驗;學(xué)生熟知當(dāng)?shù)赜泻芏嗟V山，但真正見過礦石的學(xué)生不多;學(xué)生常見運送煤、鐵精粉等原料的火車開進(jìn)鋼鐵廠以及各種鋼材從工廠運出，但不能將之與所學(xué)化學(xué)學(xué)科聯(lián)系起來。本課題從高鐵建設(shè)對金屬的需求量很大這個現(xiàn)實問題出發(fā)，用地方資源組織學(xué)習(xí)活動，貼近生活，貼近學(xué)生。學(xué)生通過課堂上“鐵”的冶煉方法的探究，掌握金屬冶煉的一般思路，然后遷移到課外獨立探究“銅”和“鋁”的來源。

3 學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1） 通過尋找當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源，體悟金屬在自然界中的存在，能根據(jù)金屬含量、環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)成本等因素選擇生產(chǎn)原料。

（2） 通過分析工業(yè)煉鐵的原理，比較實驗室制法與工業(yè)生產(chǎn)的異同，發(fā)展基于證據(jù)推理解決生產(chǎn)實際問題的能力，培養(yǎng)安全生產(chǎn)、綠色化學(xué)等觀念。

（3） 會利用真實的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)解決化學(xué)反應(yīng)中所含雜質(zhì)的相關(guān)計算問題。

（4） 通過課外探究初步了解銅和鋁的冶煉方法，進(jìn)一步體驗化學(xué)知識的應(yīng)用價值。

4 教學(xué)流程

教學(xué)流程見圖1。

5 教學(xué)實錄

5.1 創(chuàng)設(shè)情境，激活舊知

[師]同學(xué)們，通過上節(jié)課的學(xué)習(xí)，你們已經(jīng)知道高鐵建設(shè)中需要用到哪些金屬材料？

[生]高鐵的鋼軌、車輪和轉(zhuǎn)向架主要材料都是鋼，車體主要是鋁合金，電傳輸系統(tǒng)主要是銅合金。

[資料展示]這些數(shù)據(jù)（見表2）你知道嗎？

[師]讀了這些數(shù)據(jù)，你有何感想？你覺得有什么問題需要解決？

[生]要建成現(xiàn)代化鐵路強國需要大量的鐵、鋁和銅等金屬。我們當(dāng)?shù)赜性S多金屬礦石，它們是怎么變成金屬的？

[師]我們學(xué)校附近的承德鋼鐵集團(tuán)所生產(chǎn)的鋼材就用于高鐵建設(shè)（展示相關(guān)新聞）。假如你是集團(tuán)的一名工程師，現(xiàn)在需要完成一批鋼材生產(chǎn)任務(wù)，你覺得有哪些主要因素需要考慮？

[生]生產(chǎn)原料、工藝、安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等。

[師]本節(jié)課我們一起來解決這些問題。

設(shè)計意圖： 從身邊的化學(xué)資源出發(fā)，設(shè)計驅(qū)動性學(xué)習(xí)任務(wù)。

5.2 學(xué)習(xí)任務(wù)1： 挑選鐵礦石

[問題1]我們當(dāng)?shù)赜心男┑V石資源？

[學(xué)生匯報課前調(diào)研結(jié)果]

（1） 黑山、大廟等山上有較大的鐵礦。黑山鐵礦主產(chǎn)磁鐵礦石、黃鐵礦石（FeS2）和黃銅礦石。大廟鐵礦表層為赤鐵礦，深層為磁鐵礦。

（2） 壽王墳銅礦主產(chǎn)黃銅礦石。

（3） 峪耳崖金礦以自然金、銀金礦和黃鐵礦為主。

（4） 興隆、寬城盛產(chǎn)富含鐵元素的“京東板栗”，是因為土壤中富含鐵元素。

[實物展示]當(dāng)?shù)氐某噼F礦石、磁鐵礦石、黃鐵礦石、黃銅礦石。

[衍生問題]這些礦石的主要成分是什么？金屬在自然界中以哪些形式存在？

[學(xué)生活動1]探尋金屬在自然界的存在形式

[分組討論]閱讀教材，結(jié)合課前調(diào)查，完成表3。

[引導(dǎo)歸納]地球上，少數(shù)很不活潑的金屬（金、鉑、銀等）以單質(zhì)形式存在，其余大多以化合物的形式存在。故要得到鐵需要冶煉礦石。

[衍生問題]作為“工程師”，你會選擇哪種鐵礦石？為什么？

[學(xué)生活動2]挑選鐵礦石

[分組討論]結(jié)果見表4，選擇磁鐵礦石或赤鐵礦石。

[引導(dǎo)歸納]同學(xué)們和煉鐵廠工程師想法一樣，都是選用磁鐵礦石或赤鐵礦石。選礦石的原則： 來源廣，金屬含量高、有害元素少。

設(shè)計意圖： 利用身邊的礦產(chǎn)資源，培養(yǎng)綜合分析能力。

5.3 學(xué)習(xí)任務(wù)2： 選擇還原性物質(zhì)

[過渡]以赤鐵礦作為生產(chǎn)原料，作為“工程師”，你接下來需要解決什么問題？

[生]選擇一個化學(xué)反應(yīng)，將Fe2O3轉(zhuǎn)化為Fe。

[問題2]從反應(yīng)前后的物質(zhì)組成分析，你認(rèn)為應(yīng)該選擇怎樣的反應(yīng)？

[生]轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵是使Fe2O3失去氧元素，也就是要找一個具有還原性的物質(zhì)。

[學(xué)生活動3]選擇還原性物質(zhì)

[分組討論]列舉學(xué)過的還原性物質(zhì)，選出一種作為生產(chǎn)原料，說出選擇理由。

[交流結(jié)果]還原性物質(zhì)： 氫氣、一氧化碳或單質(zhì)碳。

大部分學(xué)生選擇氫氣，理由產(chǎn)物是水，環(huán)保。

一部分學(xué)生選擇一氧化碳，理由是一氧化碳是氣體，反應(yīng)接觸面積大，速率快。

個別學(xué)生選擇單質(zhì)碳，理由是一氧化碳運輸存儲困難，且有毒，而氫氣生產(chǎn)成本高、存儲運輸困難。

[學(xué)生采訪工程師錄像1]工程師介紹煉鐵原料焦炭： 承鋼煉鐵選用的是焦炭。原因是工業(yè)煉鐵是大規(guī)模的生產(chǎn)活動，原料要求具有數(shù)量大、成本低、易存儲運輸、使用安全方便等特點。鐵礦石也要加工成含鐵品位高，還原性能好的球團(tuán)。實際生產(chǎn)中原料加入的是焦炭，但還原球團(tuán)中氧化鐵的是一氧化碳。

[課程資源支持]自拍視頻資源——工業(yè)煉鐵原料焦炭和球團(tuán)的加工： （1）焦炭的生產(chǎn)。焦化廠（原料煤被加工成煤粉，幾種煤在配煤槽中按比例混合后，從焦?fàn)t頂部加煤孔加入爐中干餾，再到干熄罐中熄焦得到焦炭，同時得到焦?fàn)t煤氣等多種副產(chǎn)品）。（2）球團(tuán)的生產(chǎn)。選礦廠（鐵礦石經(jīng)過破碎、磨碎、選礦等加工處理，得到含鐵成分較高的鐵精粉）→燒結(jié)廠（將鐵精粉加工成球團(tuán)）。如圖2所示。

設(shè)計意圖： 利用課前開發(fā)的工程師采訪視頻資源，增強真實性，引導(dǎo)學(xué)生對理論推理結(jié)果與實際生產(chǎn)過程進(jìn)行比較。

5.4 學(xué)習(xí)任務(wù)3： 揭秘工業(yè)煉鐵

[過渡]高爐內(nèi)還原氧化鐵的是一氧化碳，焦炭是如何轉(zhuǎn)化成一氧化碳的呢？

[問題3]工業(yè)煉鐵用了哪些原料？焦炭起到什么作用？發(fā)生了哪些化學(xué)反應(yīng)？

[學(xué)生活動4]走進(jìn)煉鐵廠

[學(xué)生采訪工程師錄像2]工程師講解承鋼高爐煉鐵視頻如圖3所示： 煉鐵廠（皮帶將焦炭、球團(tuán)等運送到高爐內(nèi)，同時風(fēng)機將熱風(fēng)爐內(nèi)的熱空氣吹入高爐，爐內(nèi)發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)）。焦炭除了生成還原性物質(zhì)CO，還是發(fā)熱劑和料柱骨架。

[分組討論]高爐煉鐵生產(chǎn)過程。

[討論結(jié)果]見表5。

[衍生問題]一氧化碳是如何將氧化鐵轉(zhuǎn)化成鐵的？

[學(xué)生活動5]觀察實驗室模擬煉鐵

[觀察分析]觀察演示實驗“一氧化碳還原氧化鐵”過程，記錄分析步驟和實驗現(xiàn)象。

[學(xué)生匯報]高溫下，一氧化碳能將氧化鐵中的鐵還原出來，得到純鐵。實驗操作要做到“一通（CO）二熱三熄四停（CO）”。

[過渡]現(xiàn)代高爐煉鐵的核心反應(yīng)是一氧化碳還原氧化鐵，但此時獲得的鐵中還含有碳（含碳量為2%～4.3%），所以稱為生鐵。

[衍生問題]高鐵建設(shè)需要的是“鋼材”，生鐵是怎樣煉成鋼的？

[學(xué)生活動6]走進(jìn)煉鋼廠

[課程資源支持]煉鋼廠氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼如圖4所示。

[學(xué)生采訪工程師錄像3]工程師解說轉(zhuǎn)爐煉鋼主要化學(xué)反應(yīng)： 轉(zhuǎn)爐煉鋼是將氧氣直接吹入紅熱的鐵水中，氣體產(chǎn)物主要是一氧化碳（轉(zhuǎn)爐煤氣）。生鐵中含碳量降低，降到一定標(biāo)準(zhǔn)就成了鋼，多次冶煉精度會更高，得到不同標(biāo)準(zhǔn)的鋼。

[師]古代人把高溫下燒紅的生鐵反復(fù)捶打“百煉成鋼”。兩種煉鋼方法都是“降碳”，那么，其中碳元素發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)是否相同？

[生]不同。轉(zhuǎn)爐煉鋼主要生成CO;捶打煉鋼主要生成CO2。

設(shè)計意圖： 學(xué)生在觀察真實的工業(yè)生產(chǎn)過程中，分析其中所蘊含的化學(xué)反應(yīng);再通過觀察演示實驗，強化認(rèn)知。利用課程資源支持，讓學(xué)生感知從“鐵”到“鋼”的變化過程，建立對工業(yè)煉鐵較為全面的認(rèn)知。

[過渡]當(dāng)?shù)劁撹F廠如何根據(jù)生產(chǎn)實際，預(yù)算投入多少礦石？

[學(xué)生活動7]含雜質(zhì)計算

[課程資源支持]承鋼目前有8座高爐，可年產(chǎn)生鐵（含鐵96%）878萬噸，計算需要含F(xiàn)e2O3 70%的赤鐵礦石多少萬噸？

方案1： 利用化學(xué)方程式計算。

方案2： 利用質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)前后鐵元素質(zhì)量相等計算。

[計算結(jié)果]1720.14萬噸。

[引導(dǎo)歸納]利用化學(xué)方程式計算時，代入和求出的質(zhì)量都是純量。

設(shè)計意圖： 緊扣地方課程資源，設(shè)計真實計算任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生像生產(chǎn)者一樣分析解決問題。

5.5 學(xué)習(xí)任務(wù)4（課后）： 了解銅和鋁的冶煉

[問題4]高鐵用到的大量銅和鋁來源于哪里？工業(yè)上是如何進(jìn)行冶煉的？你認(rèn)為化學(xué)與家鄉(xiāng)、國家的建設(shè)有什么關(guān)系？

[學(xué)生活動8]調(diào)研承德地區(qū)壽王墳銅礦，查閱并總結(jié)銅和鋁的冶煉方法（略）

6 知識建構(gòu)

圖5為主板書，銅礦石到銅和鋁礦石到鋁的轉(zhuǎn)化反應(yīng)由學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)4后補充。

7 教學(xué)效果與建議

7.1 教學(xué)效果

基于當(dāng)?shù)卣n程資源的真實情境任務(wù)驅(qū)動式學(xué)習(xí)激發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知興趣，學(xué)生積極主動參與了礦石尋找、原料選擇、反應(yīng)原理設(shè)計、關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)分析等將化學(xué)知識應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的科學(xué)之旅。作業(yè)結(jié)果顯示，較好地達(dá)成了預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

學(xué)生課外調(diào)查“銅”和“鋁”冶煉的任務(wù)具有較強的開放性，結(jié)果顯示，學(xué)生能主動遷移課堂所學(xué)“鐵的冶煉”的思路和方法，并用設(shè)備圖、流程圖等方式呈現(xiàn)調(diào)查結(jié)果，顯示了較好的信息獲取和加工能力。部分學(xué)生作品展示如圖6所示。

7.2 教學(xué)建議

（1） 需根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)開發(fā)課程資源。工業(yè)煉鐵工藝較為復(fù)雜，教師需要根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)及學(xué)生認(rèn)知水平，適當(dāng)裁剪、簡化課程資源，讓學(xué)生在真實的生產(chǎn)情境里，提取關(guān)鍵信息，經(jīng)歷分析、交流、求證等思維過程，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2） 需基于學(xué)生水平處理好探究和“告訴”的關(guān)系。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，還原性物質(zhì)的選擇是本節(jié)課的難點。雖然在九年級上冊“課題2燃料的合理利用和開發(fā)”中學(xué)過焦炭，但學(xué)習(xí)本課時，全班學(xué)生都說不出焦炭的來源。在“活動3選擇還原性物質(zhì)”中，大部分學(xué)生選用氫氣，少部分學(xué)生選用一氧化碳，個別學(xué)生排除氫氣和一氧化碳后不得已選用了碳。觀看焦炭的生產(chǎn)視頻后，學(xué)生認(rèn)同焦炭經(jīng)濟(jì)易得、便于存儲運輸，但還是顧慮兩種固體反應(yīng)物接觸面積小影響反應(yīng)速率和產(chǎn)量。此時，利用預(yù)先拍攝的工程師采訪視頻告訴學(xué)生“實際生產(chǎn)中原料加入的是焦炭，但還原球團(tuán)中氧化鐵的是一氧化碳”，讓學(xué)生帶著些許“疑惑不解”去主動尋求答案，更好地體會物質(zhì)轉(zhuǎn)化的神奇和妙用。

（3） 需處理好學(xué)生活動耗時長與課堂時間有限的矛盾。本節(jié)課學(xué)生活動較多，且有一定的開放性，課堂時間不寬裕?？筛鶕?jù)學(xué)生水平調(diào)整活動安排，比如“學(xué)生活動2挑選鐵礦石”需計算礦石鐵元素的含量，可以分配到每個小組分別計算一種物質(zhì)。另外，由于學(xué)生第一次接觸雜質(zhì)含量計算，教學(xué)中應(yīng)仍以教師的講解為主，因?qū)W生未得到充分的思考和練習(xí)，需在課后進(jìn)一步鞏固。

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