初中化學(xué)“金屬與能源”整合教學(xué)實(shí)踐探索

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，化學(xué)是自然科學(xué)的重要組成部分，與物理學(xué)共同構(gòu)成物質(zhì)科學(xué)的基礎(chǔ)，是材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)和航空航天工程等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。從仰望星空到遨游蒼穹，在中國人逐夢九天的歷程中，長征系列運(yùn)載火箭承載著中國人的航天夢想，不斷開拓著中國人遠(yuǎn)征太空的道路?；诖吮尘?，筆者以“探究火箭的能源與材料”為課題，開展了初中化學(xué)“金屬與能源”整合教學(xué)，目的是讓學(xué)生形成關(guān)于物質(zhì)及其變化等的基本化學(xué)觀念，發(fā)展科學(xué)思維、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感，為終身發(fā)展奠基。

一、教學(xué)目標(biāo)

1. 通過對長征五號運(yùn)載火箭推進(jìn)劑中液氧、液氫作用的探究，理解燃燒的原理；通過對火箭外殼鋁合金材料性質(zhì)的探究，知道常見金屬的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及合金的性質(zhì)；通過對火箭外層涂料的探究，認(rèn)識(shí)材料的科學(xué)利用與新材料的開發(fā)。

2. 通過比較不同型號火箭所用燃料的成本、熱值高低、燃燒產(chǎn)物對環(huán)境的影響，分析以液氫為主要能源的優(yōu)點(diǎn)和面臨的困難，從物質(zhì)變化、能量變化等視角認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)；通過比較鋁和鐵、銅等常見金屬性質(zhì)的差異，以及鋁和鋁合金性質(zhì)的差異，建立基于物質(zhì)性質(zhì)對物質(zhì)應(yīng)用進(jìn)行分析的模型，促進(jìn)“性質(zhì)決定用途”觀念的形成。

3. 通過課堂討論等方式鍛煉學(xué)生的交流與表達(dá)能力；了解新型材料、新型能源在我國航天科技領(lǐng)域中的應(yīng)用，厚植愛國主義情懷。

二、設(shè)計(jì)思路

三、教學(xué)實(shí)錄

師（引入）： 2022年7月，長征五號運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場將問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射到太空，這對中國空間站的建設(shè)有重要意義。下面，我們來重溫一下當(dāng)時(shí)的場面。

（播放視頻：長征五號運(yùn)載火箭升空。）

師：長征五號運(yùn)載火箭是我國迄今為止運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。因?yàn)閭€(gè)頭比較大，人們給了它一個(gè)昵稱——“胖五”。今天這節(jié)課，我們來認(rèn)識(shí)“胖五”，了解“胖五”，探究“胖五”火箭中的化學(xué)秘密。

【設(shè)計(jì)意圖】長征五號運(yùn)載火箭升空的震撼場面激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和民族自豪感，“胖五”這一昵稱的提出活躍了課堂氣氛，也為本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容作了鋪墊。

活動(dòng)1：探究火箭的推進(jìn)劑

屏顯：

師：“胖五”的名片中哪些信息可以反映出“胖五”很“胖”？

生：“胖五”身高約57米，有20層樓高；箭體直徑5米；起飛重量約870噸。

師：把火箭做得“胖”，只是為了讓它看起來更可愛嗎？

生：火箭容積大，可以攜帶更多的燃料，運(yùn)載能力強(qiáng)。

師：“胖五”使用了哪種燃料？

生：液氫。

師：使用氫能源有什么優(yōu)點(diǎn)？

生：氫氣燃燒生成水，綠色環(huán)保；氫氣熱值高，來源廣。

師：除了液氫，火箭中還會(huì)用到偏二甲肼、煤油等作為推進(jìn)劑。現(xiàn)役火箭常采用四氧化二氮、偏二甲肼作為推進(jìn)劑。四氧化二氮會(huì)分解為紅棕色二氧化氮，二氧化氮再與空氣及燃燒產(chǎn)生的水汽混合，會(huì)呈現(xiàn)出棕黃色的煙霧，對環(huán)境造成污染。為什么不大規(guī)模使用液氫作為推進(jìn)劑呢？

生：氫氣沸點(diǎn)低，難液化，液化成本高。

【設(shè)計(jì)意圖】用擬人化的方式設(shè)計(jì)“胖五”的名片，生動(dòng)、簡潔地呈現(xiàn)“胖五”火箭的特點(diǎn)。精心設(shè)計(jì)問題串，層層遞進(jìn)，引發(fā)學(xué)生思考選擇火箭燃料時(shí)要考慮哪些因素。

活動(dòng)2：探究火箭的外殼材料

師：根據(jù)名片可知“胖五”外殼的主體材料是什么？生活中熟悉的金屬材料有哪些？

生：“胖五”外殼的主體材料是鋁。生活中常見的金屬有銅、鐵、金等。

師：“胖五”外殼所用金屬90%為鋁，為什么選擇鋁而不是鐵或銅來造火箭呢？結(jié)合已學(xué)知識(shí)，觀察、比較鋁、鐵、銅物理性質(zhì)的相似之處和不同之處。

生：它們常溫下都為固體，有金屬光澤，有延展性，有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。但顏色、密度大小有差異，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性強(qiáng)弱不同。

師：從物理性質(zhì)角度看，選擇鋁而不選擇鐵或銅的主要原因是什么？

生：鋁的密度比鐵、銅小。

師：（展示“胖五”的“薄臉皮”，圖略）“胖五”外殼鋁合金厚度不足2mm，最薄的地方不足0.3mm，體現(xiàn)了鋁的什么物理性質(zhì)？

生：鋁的延展性優(yōu)于銅和鐵。

師：推廣到所有金屬，它們共有的物理性質(zhì)是什么？

總結(jié)：常溫下大部分金屬是固體，有金屬光澤，有延展性，有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。

【設(shè)計(jì)意圖】從“胖五”外殼的主體材料——鋁的物理性質(zhì)說起，拓展到鐵、銅、金等生活中常見的金屬，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出金屬具有一些共同的物理性質(zhì)。

師：為什么說金屬在常溫下是固體時(shí)，要加一個(gè)限定詞——大部分？

生：常溫下汞是液體。

師：為什么汞在常溫下是液體？

生：汞的熔點(diǎn)低于室溫。

實(shí)驗(yàn)：將金屬鎵制成的“愛心”放在50℃的熱水中（實(shí)驗(yàn)圖片略）。

師：為什么鎵在熱水中會(huì)熔化？

生：鎵的熔點(diǎn)低于50℃。

【設(shè)計(jì)意圖】金屬鎵在熱水中熔化的實(shí)驗(yàn)使抽象的熔化過程形象化，加深了學(xué)生的印象。

師：下面，我們從化學(xué)性質(zhì)的角度來比較鋁、鐵、銅三種金屬。

師：常溫下，鐵制品很容易生銹，鐵生銹需要什么條件？銅會(huì)生銹嗎？鋁呢？

師：（展示用了30年的鋁勺）為什么鐵勺不能用30年，而鋁勺可以？

生：鐵銹結(jié)構(gòu)疏松，鐵一旦生銹會(huì)吸收水蒸氣和氧氣，越銹越厲害。氧化鋁結(jié)構(gòu)致密，能起到保護(hù)作用。

師：加熱的條件下，鐵和銅能否和氧氣反應(yīng)？鋁呢？

實(shí)驗(yàn)：加熱鋁片（實(shí)驗(yàn)圖片略）。

（學(xué)生描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析熔化但不滴落的原因；總結(jié)鋁、鐵、銅在常溫和加熱條件下與氧氣反應(yīng)的情況。）

師：從化學(xué)性質(zhì)角度看，制造火箭選擇鋁而不是鐵或銅的主要原因是什么？

生：鋁在常溫下與氧氣反應(yīng)生成致密的氧化膜，不易生銹。加熱生成的氧化鋁熔點(diǎn)高。

總結(jié)：推廣到大部分金屬，金屬在常溫、加熱條件下能否與氧氣反應(yīng)，反應(yīng)的劇烈程度與金屬的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

【設(shè)計(jì)意圖】通過實(shí)驗(yàn)探究，比較鋁、鐵、銅在常溫和加熱兩種條件下與氧氣的反應(yīng)，使學(xué)生從物質(zhì)類別的視角認(rèn)識(shí)常見金屬的主要化學(xué)性質(zhì)，形成研究一類物質(zhì)性質(zhì)的方法，同時(shí)加深了對“物質(zhì)的性質(zhì)決定用途”這一觀念的認(rèn)識(shí)。

師：制造火箭常用鋁鋰合金、鋁鎂合金。為什么用鋁合金，而不是鋁？

師：結(jié)合鋁鋰合金、鋁鎂合金的組成，思考什么是合金？

生：合金是由一種金屬和其他金屬或非金屬熔合形成的具體金屬特性的物質(zhì)。

師：從物質(zhì)組成角度來分類，合金屬于什么類別？

生：合金屬于混合物。

師：合金有哪些性質(zhì)呢？

實(shí)驗(yàn)：刻畫法比較鋁和硬鋁的硬度（實(shí)驗(yàn)圖片略）。

生：合金的硬度一般大于各成分金屬。

師：合金的某些性能優(yōu)于各成分金屬。

實(shí)驗(yàn)：形狀記憶合金在熱水中復(fù)原（實(shí)驗(yàn)圖片略）。

師：火箭外殼用了大量的鋁鎂合金、鋁鋰合金，利用了這些合金的哪些性質(zhì)？

生：密度小、機(jī)械強(qiáng)度高。

總結(jié)：一般來說，合金的硬度大于各組成金屬，熔點(diǎn)低于各成分金屬，性能比純金屬更優(yōu)越。

【設(shè)計(jì)意圖】刻畫法比較鋁和硬鋁的硬度，操作簡單，現(xiàn)象明顯；形狀記憶合金在熱水中回彈的一瞬間，學(xué)生都不由自主地發(fā)出了驚呼。通過以上兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生直觀地感受到了合金的優(yōu)異性能。

活動(dòng)3：探究火箭的外殼涂料

師：合金的熔點(diǎn)一般會(huì)低于各成分金屬?；鸺諘r(shí)燃料燃燒溫度達(dá)3000℃，火箭高速穿越大氣層時(shí)，外殼與大氣摩擦也會(huì)導(dǎo)致高溫，火箭為什么沒有熔化呢？因?yàn)橹圃鞎r(shí)火箭外殼涂了一層白色的涂料。你們能推測涂料的性質(zhì)嗎？

生：涂層耐高溫，有良好的隔熱性能。

師：將涂料噴涂在火箭的外殼上，形成保護(hù)層。當(dāng)火箭在大氣中高速飛行時(shí)，涂層中的升華物質(zhì)會(huì)因?yàn)槭軣岫鴵]發(fā)，帶走部分熱量，耐高溫有機(jī)樹脂則形成微孔的碳化層，像一道隔熱的樊籬，把外界大部分熱量與火箭外殼隔開，直到火箭沖出大氣層或完成飛行任務(wù)為止。

【設(shè)計(jì)意圖】通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道了金屬有導(dǎo)熱性，自然就會(huì)產(chǎn)生“火箭升空時(shí)的高溫為什么沒有將火箭熔化”的疑問?；诖?，讓學(xué)生思考火箭外層涂料應(yīng)該具備哪些性質(zhì)，了解新型材料的開發(fā)應(yīng)用，感受化學(xué)是有用的。

師總結(jié)：火箭的制造蘊(yùn)藏著豐富的化學(xué)知識(shí)，今天所揭示的只是冰山一角。我們來回顧一下“胖五”的工作經(jīng)歷：2021年4月29日，發(fā)射“天和”核心艙；2022年7月24日，發(fā)射“問天”實(shí)驗(yàn)艙；2022年10月31日，發(fā)射“夢天”實(shí)驗(yàn)艙。最后，讓我們一起回顧中國航天的發(fā)展史，致敬航天人！逐夢九天，未來有你！

（播放視頻：中國航天發(fā)展史。）

四、教學(xué)反思

1.以解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)使用教材

義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)課堂教學(xué)要基于真實(shí)情境展開，要在問題解決的過程中培育學(xué)生的必備品格和關(guān)鍵能力?；鸺猩婕暗幕瘜W(xué)知識(shí)非常復(fù)雜，不可能局限于一章一節(jié)的內(nèi)容。因此，筆者將教材內(nèi)容進(jìn)行重組，將能源與材料結(jié)合，同時(shí)將金屬化學(xué)性質(zhì)中金屬和稀鹽酸、稀硫酸反應(yīng)的內(nèi)容延后，將合金的內(nèi)容提前，使教材變成學(xué)生解決問題的學(xué)習(xí)資源，真正實(shí)現(xiàn)“用教材”。

2.以精心設(shè)計(jì)的明線暗線發(fā)展素養(yǎng)

本課以“胖五”的“輕浮氣”、“胖五”的“保護(hù)傘”、“胖五”的“硬外殼”為情境線，以燃燒的原理，金屬的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，合金的性質(zhì)等為知識(shí)線，以能源的選擇、金屬材料的選擇、外殼涂層的選擇為能力線，讓學(xué)生體會(huì)到認(rèn)識(shí)物質(zhì)的過程，物質(zhì)是結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途；而解決問題的過程卻是相反的：從需求、用途聯(lián)想到性質(zhì)，根據(jù)性質(zhì)改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

3.以層層遞進(jìn)的問題激發(fā)思考力

筆者圍繞教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)主問題，再在每個(gè)活動(dòng)中設(shè)計(jì)大問題，在每個(gè)大問題下再設(shè)計(jì)小問題，用相互關(guān)聯(lián)的問題串，引發(fā)學(xué)生深度思考。以探究火箭的外殼材料為例，設(shè)計(jì)了三個(gè)大問題：“胖五”外殼的主體材料是什么，生活中熟悉的金屬材料有哪些？“胖五”外殼所用金屬90%為鋁，為什么選擇鋁而不是鐵或銅來造火箭呢？制造火箭常用鋁鋰合金、鋁鎂合金，為什么用鋁合金，而不是鋁？第一問讓學(xué)生思維發(fā)散，關(guān)注身邊的金屬；第二問將學(xué)生的思維引到鋁、鐵、銅這三種常見金屬的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的比較上，并遷移到對大部分金屬物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的總結(jié)；第三個(gè)問題讓學(xué)生比較純金屬和合金性質(zhì)，從性質(zhì)、性能的角度考慮使用合金的原因，再遷移到合金性質(zhì)、性能的總結(jié)。

此外，本課還設(shè)計(jì)了形狀記憶合金復(fù)原、金屬鎵熔化等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，在回形針回彈、“愛心”熔化的瞬間學(xué)生非常激動(dòng)。這些實(shí)驗(yàn)不僅操作簡單，而且可以彰顯化學(xué)學(xué)科的魅力。最后，回顧中國航天發(fā)展史視頻的播放培養(yǎng)了學(xué)生的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，勉勵(lì)學(xué)生爭做有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)?shù)臅r(shí)代新人，落實(shí)了立德樹人根本任務(wù)。

（作者單位：江蘇省蘇州市景范中學(xué)）