基于化学学科观念培养的“铝”的教学 王希俭(发表在中学教学参考) （江苏苏州实验中学 江苏苏州 215011） 编辑：江苏省科学技术带头人 江苏省师德模范 江苏省特级教师 13771851856 xyswxj@163.com 摘要 关键词 一、思想和背景 “高中化学课程应有助于学生主动构建自身发展所需的化学基础常识和基本技能，进一步了解化学学科的特点，加深对物质世界的认识；有利于学生形成科学的自然观和严谨求实的科学态度，更深刻地认识科学、技术和社会之间的相互关系，逐步树立可持续发展的思想”； “认识常见的化学物质，学习重要的化学概念，形成基本的化学观念和科学探究能力，认识化学对人类生活和社会发展的重要作用及其相互影响，进一步提高学生的科学素养”。这些新课程标准要求 。 新课程进一步提高学生科学素养为宗旨，而化学科学素养的内涵是化学观念，化学观念包括化学学科思维、学科方法、学科价值观念等。化学学科观念是指运用化学观念认识和理解物质世界。化学学科方法是探索科知识题的方式来获取常识与技能、领悟化学思想观念的活动。化学价值观是通过化学与生产、社会、生活的联系，对化学科学本质和规律的认识，对化学技术、化学产品是发展人类文明的强大动力的感悟。 教材常识是基础，化学思想是灵魂。化学学科思想是化学学科的基本思想方法，是形成认识问题解决问题的教法和学法，是规律，就能提升学科素养和学科能力。化学学科思想包括元素观、微粒观、守恒观、分类观、转化观、环保观、结构观等。大家在教学时往往仅常识的传授，而忽略对学科思想的归纳，不利于培养学生的科学素养及对化学学科的完整理解。 铝是大自然赐予人类的宝物，铝元素占地壳总量的7.73%，是地壳中含量最多的金属元素，但人类对它的认识经历了较为漫长的过程。铝的广泛使用只是近几十年的事情，这是为什么？通过铝的存在、工业制法、物理性质、化学性质和用途的教学为例，使化学学科思想贯穿于教学中。 二、教学目标 1.了解铝在自然界中的存在形式和含量，通过对铝的工业制法的探究，认识工业生产流程步骤，知道获得铝的方法，学习铝的化合物的性质，培养学生转化观。 2. 通过了解铝的工业生产流程和工艺，认识化学思想中的环境思想、分类观等。通过讨论、分析、评价等活动，培养学生问题意识和解决能力。 3.了解铝的物理性质，认识铝单质在生产、生活中的广泛应用的原理，能从微观给与说明，培养学生的结构观。 4.了解铝的主要性质和应用，使学生认识守恒观、能量观等，让学生知道铝为什么成为现代文明不可缺少的物质基础。 5.通过对铝冶炼方法发展史的了解，体验化学科学发展的历程，以及化学科技发展对人类生活质量提高的贡献。 三、教学过程 问题1.通过专题二的学习，大家知道海水中含有丰富的化学物质，我国有很长的海岸线，十八大提出发展海洋强国，大家可以从海水中提取大家所需要的物质有氯化钠、镁、溴、碘，进而可以制得氯气、烧碱等重要的化工产品，从本节课开始，大家把目光转向地壳，地壳含有更丰富的化学物质，地壳中含有哪些常见元素？它们大都以什么形态存在？这些元素形成的物质类别主要是哪些？它们组成的微粒是什么？地壳中含量最多的金属元素是什么？含铝的矿石名称是什么？主要成分是什么？属于哪类物质？其组成微粒是什么？该矿石通常含有哪些杂质？ [建构]地壳中的元素氧、硅、铝、铁、钙、钠、铜、锌、锰、铬、碳、硫、磷等，它们大都化合态的形态存在，以氧化物、硫化物及各种盐的形式存在土壤、岩石和各种矿物中，组成它们的微粒主要是阴阳离子，少数以分子和原子等微粒存在。地壳中含量最多的元素是铝，约为7.73%。含铝的矿石叫铝土矿，是铝元素在地壳中的主要存在形式。铝土矿的主要成份是Al2O3,属于氧化物，其组成微粒是铝离子和氧离子。 [设计意图]化学作为一门自然科学，研究对象是物质，而世界是物质世界，人类需要的物质大都来自自然界，物质是由各种元素组成的，各种元素形成种类繁多的物质，物质根据结构和性质与组成分为氧化物、酸、碱、盐等，各类物质有的是由离子构成的，有的是由原子构成的，有的是由分子构成的。通过以上问题的设置和解决，培养了学生的物质观、元素观、分类观、微粒观等。 问题2.自然界的铜含量比铁少的多，为什么铜器时代比铁器时代早很多年？而铝在地壳中含量比铁多，人们广泛使用铁有2千多年了，而铝广泛使用只是近几十年的事情？人们使用更多的是单质铝，铝有哪些物理性质？根据已有的常识归纳铝由它的物理性质决定的它的用途有哪些？ [建构]古代人们冶炼金属都是用木炭还原而得到的，化合态的铜得电子能力强，易被还原，铁较难还原，所以铁器时代比铜器时代要晚很多。而铝更活泼，化合态的铝更难被还原，所以人类广泛使用铝只是现代。铝有导电性-导线；铝有导热性-炊具；铝有延展性-包装糖果香烟等；铝与其他金属形成合金，铝合金密度小，强度高、塑性好、抗腐蚀能力强、装饰美观-建筑业、电子行业汽车车轮骨架和飞机构建等。 [设计意图]通过人类对金属的发现应用从化学史的角度和科学发展水平的角度让学生认识物质。各类物质有很多共性，但每一种物质也有自己特性。人们根据铝有金属的通性和特有性质如导电性强、密度小等在很多领域得到广泛应用。让学生充分认识物质的性质决定其用途。任何物质都是由自己的价值，培养学生物质的应用观。 问题3.铝元素在自然界中含量丰富，以氧化物和盐的形式广泛存在，工业上通常以铝土矿为原料提取铝，铝土矿中还含有氧化铁、二氧化硅等杂质，如何由铝土矿制得金属铝？反应原理能否与制铁、铜相同？工业上钠和镁是如何制备的？制备铝的反应原理是什么？工业生产的流程是什么？工业生产铝发生的主要反应有哪些？ [建构]自然界的铝是含有杂质的化合态的铝，要得到铝单质，可以对比已经学过的钠、镁、铁的常识进行对比，在初中学习过铁的冶炼原理，是用还原剂CO还原铁矿石氧化铁的方法得到生铁的，能否用该原理冶炼铝呢？根据金属活动性顺序表，铝很活泼，很难用还原剂把它从矿石中还原出来。钠、镁的制取原理是把它们的化合物加热熔融，通入电流进行电解而制得。因而铝的制备应用电解原理，工业上通常是电解氧化铝而不是氯化铝，自然界的铝矿是铝土矿，主要成分是三氧化二铝，因此要进行净化除杂。 生产流程 生产操作 化学原理 生产目的 化学反应 1 溶解 Al2O3能溶于烧碱溶液 使铝元素转入溶液，除去杂质 Al2O3+2NaOH＝2NaAlO2+H2O 2 过滤 除去没溶的氧化铁、二氧化硅等杂质 分离杂质 3 通入CO2气体 滤液与CO2、H2O等发生反应 使铝元素转化为氢氧化铝 NaAlO2+CO2+2H2O＝NaHCO3+Al(OH)3↓ 4 过滤 得到氢氧化铝沉淀 分离氢氧化铝和溶液 5 热分解 氢氧化铝分解得到纯净氧化铝 使氢氧化铝转化为氧化铝 2Al(OH)3＝Al2O3+3H2O 6 熔融电解 铝离子在电解池中放电生成铝 使化合态铝转化为游离态 2 Al2O3 (熔融）＝　4Al+3O2↑ [设计意图]化学研究的对象是物质，有的物质在自然界是存在的，但自然界的物质都是混合物，需要分离和提；有的物质自然界不存在，或者存在很少，不能满足人类生产生活的需要，必须经过化学方法制备或合成。通过铝的制备过程培养学生的关于工业生产流程意识，了解其反应原理、发生的化学变化和主要操作，培养学生物质的制备观、转化观。 问题4。铝是金属元素，铝单质的化学性质应该很单一，从氧化还原的角度分析，铝具有氧化性、还原性还是都兼有？铝可以和哪些物质起反应？生成物是什么？构成生成物的微粒是什么？铝发生的化学反应的现象是什么？每个化学反应的价值是什么？ [建构]铝单质的化合价为0价，在铝的化合物中铝只有+3价，因此铝不管和什么物质发生反应，只能失去电子，表现出还原性，而其它物质与铝反应，表现出氧化性，所以有氧化性的物质大都可以与铝反应，非金属单质氧气、氯气、硫，水，非氧化性酸盐酸、硫酸，常温下氧化性酸浓硫酸、浓硝酸，一些金属阳离子等 序号 反应物 反应现象 反应实质 方程式 用途 1 氧气等非金属单质 铝变暗 氧化还原 4Al+3O2= 2 Al2O3 形成氧化膜保护铝 2 水 难反应，高温水蒸气反应 氧化还原 3 盐酸等非氧化性酸 气泡冒出 氧化还原 2Al+6HCl＝2AlCl3+3H2↑ 制氢气、盐 4 冷浓硫酸、浓硝酸 钝化 氧化还原 常温下铁、铝钝化 5 氢氧化钠溶液 铝溶解，有气泡冒出 实质与水反应，氧化还原 2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑ 制氢气、制偏铝酸盐 6 三氧化二铁 火星四射 氧化还原 Fe2O3+2Al＝2Fe+Al2O3 焊接、冶炼稀有金属 7 硫酸铜溶液 溶液蓝色变浅，铝溶解 氧化还原 2Al+3CuSO4==Al2(SO4)3+3Cu 制铜、制铝盐 [设计意图]虽然铝的化学性质很活泼，能够与很多物质发生化学反应，但从反应的实质来看，都是由于具有强还原性引起的，性质其实很单一，生成物的种类是氧化物、铝盐或偏铝酸盐，所以在教学中，要培养学生氧化还原观点，来认识物质的性质，从电子转移的角度推断生成物，即氧化剂生成的还原产物是什么、还原剂生成的氧化产物是什么，使学生形成物质的转化观。 4 教学感悟 在化学教学中，教师要站得高、望得远，教学设计中始终要有化学观念，把化学观存放在教师的思维中，把化学观念体现于教学设计中，把化学观念贯穿于课堂教学中，在不同的教学内容实施不同的化学观。 4.1 关于物质结构的教学，培养学生的微粒观。从原子组成、结构、变化的教学，到化学键包括共价键、离子键教学，再到晶体结构与性质的教学，都是从微观的角度来学习的，因此，教师要充分利用这部分内容，深入培养学生的微粒观，能从微观的角度认识物质的组成，从微观的角度学习物质的性质，能从微观世界认识宏观物质。 4.2关于化学反应的教学，培养学生的守恒观、转化观、能量观、平衡观。学习化学反应，不但要知道反应物什么，生成物是什么，要知道该反应为什么能够发生，在一个化学反应中，要遵循能量守恒、反应前后质量守恒，人类需要的能量大部分来自于化学能，化学能可以转化为热能、光能、声能、电能等。大家在学习可逆反应、盐的水解、络合反应、溶解平衡都可以建立平衡并要遵循平衡移动原理，学习化学反应要有平衡观。 4.3关于有机化合物的教学，培养学生结构观、转化观。有机化合物的性质决定于原子结合方式和官能团，因此，教学时要让学生能够写出有机物的结构式、结构简式，并能指出其官能团，而有机物的官能团可以相互转化的，如烃可以取代或加成转化为氯代烃，氯代烃可以水解成醇，醇羟基可以氧化为醛基，醛基可以继续氧化为羧基，羧基可以生成酯；酯类物质可以水解成羧酸和醇等。通过有机物的学习可以体会到化学反应的转化观。 参考文献 [1]毕华林.化学基本概念：内涵分析与教学建构[J].课程﹒教材﹒教法，2014，（4）76～83 [1] 谢杰妹.以问题推进学生学习[J]化学教学，2014，（3）23～27 [2] 刘知新，化学教学论.第3版，北京：高等教育出版社，2004：160 [3] 王祖浩，王磊.普通高中化学课程标准（实验）解读.武汉：湖北教育出版社,2004

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