資源簡介

依循認(rèn)知路徑的“金屬材料”教學(xué)設(shè)計
1 教學(xué)背景分析
1.1認(rèn)知路徑分析
【依循教材編寫邏輯路徑】“金屬材料”的教材內(nèi)容，編排在第三章鐵 金屬材料的第二節(jié)，是在學(xué)習(xí)典型的變價金屬鐵的相關(guān)性質(zhì)之后，安排非典型兩性金屬鋁的學(xué)習(xí)，擴(kuò)充學(xué)生對金屬分類的再認(rèn)識，并且為后續(xù)元素周期率的學(xué)習(xí)提供依據(jù)，符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的學(xué)習(xí)順序。其次本章節(jié)內(nèi)容在物質(zhì)的量之后，在定性研究的基礎(chǔ)上引出定量的分析視角，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀和微觀兩個視角認(rèn)識物質(zhì)及其變化，也有助于分散物質(zhì)的量的教學(xué)難點(diǎn)。
【依循元素及其化合物學(xué)習(xí)路徑】學(xué)生已經(jīng)掌握物質(zhì)分類的思想和氧化還原反應(yīng)的基本概念，能從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、類別角度預(yù)測、分析、解釋物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)。學(xué)生對于金屬和合金概念有一定的了解，能認(rèn)識到宏觀性質(zhì)的差異是微觀結(jié)構(gòu)的不同所導(dǎo)致，進(jìn)一步強(qiáng)化結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)的這一重要的化學(xué)觀念。
【依循實(shí)驗(yàn)探究的認(rèn)知路徑】基于實(shí)物了解鐵合金、鋁合金、新型合金，通過實(shí)驗(yàn)的對比直觀感受合金與純金屬之間的性質(zhì)差異，認(rèn)識不同合金由于摻雜元素的不同它們性質(zhì)之間的差異。通過性質(zhì)預(yù)測、方案設(shè)計、實(shí)驗(yàn)探究、現(xiàn)象分析等環(huán)節(jié)體驗(yàn)化學(xué)科學(xué)探究的一般過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識，進(jìn)一步加深學(xué)生對化學(xué)的認(rèn)知。通過鋁的回收再利用培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。
1.2 課標(biāo)分析
課程標(biāo)準(zhǔn)中“金屬材料”的內(nèi)容要求見表1。
表1 “金屬材料”的內(nèi)容要求
內(nèi)容要求 1.了解合金的概念，能聯(lián)系純金屬和合金的微觀結(jié)構(gòu)解釋兩者性能的差異。 2.能對鐵合金、鋁合金進(jìn)行分類，認(rèn)識不同類型的金屬材料組成、性能與應(yīng)用的聯(lián)系，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途的觀念。 3.通過實(shí)驗(yàn)感受鋁和氧化鋁的兩性，豐富對金屬多樣性的認(rèn)識。 4.了解儲氫合金、鈦合金等新型合金，感受化學(xué)對于科技進(jìn)步的重要作用。 5.能運(yùn)用物質(zhì)的量及相關(guān)物理量根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行簡單的計算。
學(xué)業(yè)要求 1.能說明常見金屬材料對社會發(fā)展的價值及對環(huán)境的影響。 2.能有意識的運(yùn)用所學(xué)的知識或?qū)で笙嚓P(guān)證據(jù)參與有關(guān)金屬材料的社會性議題。 3.能舉例、描述、辨識鋁及其化合物重要的物理、化學(xué)性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。能用化學(xué)方程式、離子方程式正確表示鋁及其化合物的主要化學(xué)性質(zhì)。 4.能從物質(zhì)類別、元素價態(tài)的角度，預(yù)測鋁及其化合物的化學(xué)性質(zhì)和變化，設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步驗(yàn)證，并能分析、解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 5.能基于物質(zhì)的量認(rèn)識化學(xué)變化，運(yùn)用物質(zhì)的量進(jìn)行簡單計算，感受定量研究對化學(xué)科學(xué)的重要作用。
學(xué)業(yè)質(zhì)量水平 1.認(rèn)識化學(xué)變化是有條件的，能從物質(zhì)的組成、構(gòu)成微粒、主要性質(zhì)等方面解釋或說明化學(xué)變化的本質(zhì)特征。 2.認(rèn)識物質(zhì)的量在化學(xué)定量研究中的重要作用，并應(yīng)用物質(zhì)的量計算物質(zhì)的組成和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的質(zhì)量關(guān)系。 3.能運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識分析討論簡單的化學(xué)問題，認(rèn)識化學(xué)科學(xué)對社會可持續(xù)發(fā)展的貢獻(xiàn)。 4.能從不同視角認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)，能分析物質(zhì)性質(zhì)與用途的關(guān)系。
從課程標(biāo)準(zhǔn)中“金屬材料”內(nèi)容要求分析可以看出，“金屬材料”的內(nèi)容教學(xué)核心在于落實(shí)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途的化學(xué)基本觀念；能從不同的視角認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)，并設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究；運(yùn)用化學(xué)知識，討論解決化學(xué)問題，感受化學(xué)在生產(chǎn)生活中的重要作用。
2 課時分配建議
《金屬材料》建議按二課時完成。
3 課時一
3.1教學(xué)目標(biāo)
①通過對純金屬與合金性能差異的解釋，形成宏觀辨識與微觀探析的科學(xué)思維方式。
②通過對鋁、氧化鋁性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究，認(rèn)識兩性氧化物，豐富對金屬多樣性的認(rèn)識。
③通過了解金屬材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途的觀念。
④通過了解新型合金材料在STSE中的價值，激發(fā)創(chuàng)新意識。
⑤通過鋁回收再利用的方案設(shè)計，樹立可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學(xué)觀念。
3.2評價目標(biāo)
①診斷學(xué)生對結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、應(yīng)用三者之間關(guān)系的理解。
②診斷并發(fā)展學(xué)生對純金屬和合金的認(rèn)知水平、實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計水平。
③診斷并發(fā)展學(xué)生解決實(shí)際問題的能力水平，形成科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。
④基于學(xué)科與社會視角診斷學(xué)生對化學(xué)價值的認(rèn)識水平。
3.3教學(xué)流程
任務(wù)一 依循體驗(yàn)生活的路徑初步認(rèn)識純金屬與合金
【情境一】直觀感受旺仔罐，生銹的鐵釘，不銹鋼菜刀、純鐵絲和鋼筋。
問題：這五樣生活中常見的物品其主要成分都是鐵，為何宏觀上的性質(zhì)差異如此大，其原因是什么？
活動：討論分析合金的微觀結(jié)構(gòu)對合金性能的影響，合金元素的種類和配比不同對其性能和用途不同影響。
【設(shè)計意圖】從生活中熟悉的鐵的相關(guān)應(yīng)用感受純金屬和合金之間的性質(zhì)差異，能從微觀構(gòu)成的角度去分析純金屬與合金的性質(zhì)差別，摻雜不同元素種類和配比對合金性質(zhì)的影響。體驗(yàn)化學(xué)來自于生活，化學(xué)與生活密切相關(guān)。
任務(wù)二 依循實(shí)驗(yàn)探究的路徑全面認(rèn)識鋁和鋁合金
【情境二】展示雪碧罐，感受雪碧罐蓋和雪碧罐體的性質(zhì)差異。
問題1：雪碧罐蓋和雪碧罐體是屬于鋁還是鋁合金？與鐵相比較，為何其抗腐蝕性能更好？
思考：如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)證明鋁表面存在著氧化鋁，制作雪碧的鋁材屬于鋁還是鋁合金？（給出信息：鋁及鋁合金在酸堿性中的抗腐蝕能力）
活動1：實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計及探究
實(shí)驗(yàn)方案 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 現(xiàn)象 結(jié)論
方案1 用砂紙打磨雪碧罐一側(cè)的表面，分別向打磨后的表面及未打磨的滴加2滴管鹽酸，觀察并記錄相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
方案2 直接向雪碧罐的表面滴加2滴管鹽酸，觀察并記錄相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
方案3 用砂紙打磨雪碧罐一側(cè)的表面，分別向打磨后的表面及未打磨的滴加2滴管氫氧化鈉溶液，觀察并記錄相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
方案4 直接向雪碧罐的表面滴加2滴管氫氧化鈉溶液，觀察并記錄相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
方案5 取一小片雪碧罐的材料放入燒杯中，加入足量較濃的鹽酸溶液，觀察是否有固體剩余。
方案6 取一小片雪碧罐的材料放入燒杯中，加入足量較濃的氫氧化鈉溶液，觀察是否有固體剩余。
…… ……
活動2：請書寫方案2和方案4中涉及到的化學(xué)方程式。（給出信息:NaAlO2）
問題2：根據(jù)方程式，你對鋁和氧化鋁的性質(zhì)有哪些更深層次的認(rèn)識？
【設(shè)計意圖】通過實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計與比較增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。通過生生評價，不斷深入學(xué)生對于方案可行性的分析及結(jié)論是否可靠，樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
任務(wù)三 依循方案設(shè)計的路徑深刻理解鋁和鋁合金
思考：回收鋁罐中的鋁，你會選擇鹽酸還是氫氧化鈉溶液？你的理由是？
【情境三】展示播放雪碧罐與鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的視頻，展示反應(yīng)后的體系情況。與學(xué)生方案5及方案6的體系情況做對比。
討論：溶液的選擇應(yīng)該以合金中其他金屬的性質(zhì)作為參考的依據(jù)，Al-Cu，Al-Mg合金應(yīng)該采用哪種溶液更為合適？
活動：視頻鏈接：化學(xué)測試工程師，職業(yè)介紹。
問題：通過反應(yīng)我們已經(jīng)將鋁單質(zhì)轉(zhuǎn)化為了鋁離子和偏鋁酸根，如果從溶液中將它們分離開來？你能通過化合價-電荷量圖進(jìn)行分析嗎？
【設(shè)計意圖】設(shè)計討論酸溶還是堿溶，提升學(xué)生對化學(xué)工業(yè)中涉及的效率和成本問題的分析。通過對比不同的實(shí)驗(yàn)，樹立物質(zhì)分離提純的基本觀念。運(yùn)用化合價-電荷量圖，嘗試分析物質(zhì)可能具有的性質(zhì)。
任務(wù)四 依循生活美好的路徑設(shè)計合金材料
問題：回收鋁的成本遠(yuǎn)低于從礦石中提取鋁的成本，回收得到的鋁單質(zhì)我們可以用于哪些行業(yè)？你對鋁的應(yīng)用有沒有更好的想法？
【情境四】展示鋁合金材料的前沿展望與應(yīng)用（神州飛船上鋁合金材料的大量應(yīng)用）。
活動：介紹泡沫鋁合金的性質(zhì)，思考其在生活中可能有哪些應(yīng)用；展示新型合金（儲氫合金、記憶合金）在高精尖行業(yè)中的應(yīng)用。
【設(shè)計意圖】首尾呼應(yīng)，材料的開發(fā)是為了滿足人類對美好生活的追求，設(shè)計出更好的材料則需要我們利用化學(xué)方法去改變合金的結(jié)構(gòu)，同時加強(qiáng)學(xué)生對可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識。
4 課時二
4.1教學(xué)目標(biāo)
①從本質(zhì)上認(rèn)知化學(xué)方程式中系數(shù)的含義及其與物質(zhì)的量的關(guān)聯(lián)。
②通過應(yīng)用物質(zhì)的量及相關(guān)物理量進(jìn)行化學(xué)方程式的計算。
③學(xué)會基于定性和定量的視角認(rèn)識化學(xué)變化，理解化學(xué)計算是定量研究物質(zhì)組成與變化的工具。
4.2評價目標(biāo)
①診斷并發(fā)展學(xué)生的認(rèn)識進(jìn)階和關(guān)聯(lián)概念的結(jié)構(gòu)化水平。
②診斷學(xué)生從微觀視角定量認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知水平。
③診斷并發(fā)展學(xué)生基于定性與定量視角認(rèn)識化學(xué)變化，感受物質(zhì)的量的學(xué)習(xí)價值。
4.3教學(xué)流程
任務(wù)一 依循概念認(rèn)知的路徑理解物質(zhì)的量在化學(xué)方程式中的應(yīng)用
【情境一】上節(jié)課我們實(shí)驗(yàn)過程中，鋁會和鹽酸發(fā)生反應(yīng)：2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑，這個反應(yīng)涉及到固體、液體和氣體三種狀態(tài)，對于這個方程式你們對它有怎樣的認(rèn)識？以小組為單位討論。
學(xué)生活動：探討方程式中所涉及的微粒數(shù)目的關(guān)系及質(zhì)量的關(guān)系。
物理量 Al HCl AlCl3 H2
微粒數(shù)目/個數(shù) 2 6 2 3
質(zhì)量/g 54 219 267 6
問題：若有50mL 6mol/L 的鹽酸與足量的鋁反應(yīng)能生成氯化鋁的物質(zhì)的量有多少？你能快速計算出來嗎？
思考：有沒有比質(zhì)量能夠更好的更方便表達(dá)化學(xué)方程式中各種物質(zhì)之間的關(guān)系？
學(xué)生活動2：討論補(bǔ)充對化學(xué)方程式中涉及物質(zhì)的關(guān)系
物理量 Al HCl AlCl3 H2
微粒數(shù)目/個數(shù) 2 6 2 3
質(zhì)量/g 54 219 267 6
物質(zhì)的量/mol 2 6 2 3
物質(zhì)的量之比等于微粒數(shù)目之比等于方程式中物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)之比
微粒數(shù)×NA 2NA 6NA 2NA 3NA
【設(shè)計意圖】從學(xué)生初中已有的對方程式的認(rèn)識入手，討論質(zhì)量與物質(zhì)的量哪種物理量更適合我們方便分析研究方程式中物質(zhì)的變化，并從已有的微粒數(shù)目和質(zhì)量關(guān)系探討得出方程式中的物質(zhì)的量之間的關(guān)系，建立起宏觀和微觀之間的橋梁。
任務(wù)二 依循真實(shí)情境的路徑擴(kuò)展物質(zhì)的量在化學(xué)方程式中的應(yīng)用
【情境二】化學(xué)表達(dá)中，固體常用質(zhì)量表示，溶液常用濃度表示，氣體常用體積表示，還是以鋁和鹽酸的反應(yīng)為例（2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑），請計算：若有50mL 6mol/L 的鹽酸與足量的鋁反應(yīng)，則參加反應(yīng)的鋁的質(zhì)量為 生成的氯化鋁的濃度為 ？產(chǎn)生氫氣在標(biāo)況下的體積為 ？
學(xué)生活動1：
Al HCl AlCl3 H2
物質(zhì)的量/mol 2 6 2 3
物質(zhì)的量的換算 →0.1mol 0.3mol →0.1mol →0.15
物理量的求解 →2.7g →2mol/L 3.36L
先求解參加反應(yīng)的鹽酸的物質(zhì)的量，在求出方程式中涉及的其他物質(zhì)的物質(zhì)的量，再利用相關(guān)公式求解所需要的物理量。
思考：能不能再簡化一下計算的過程？
學(xué)生活動2：
Al HCl AlCl3 H2
物理量 54g 6mol 2mol 67.2L
物理量的求解 →2.7g 0.3mol →0.1mol →3.36L
物理量的求解 6mol/L →2mol/L
方程式中表達(dá)的是物質(zhì)的量之間的關(guān)系，而物質(zhì)的量作為連接宏觀與微觀的橋梁，可以直接換算到相應(yīng)的物理量，按比例求解即可。在濃度的相關(guān)計算中，由于與體積有關(guān)，因此無法直接換算。
【設(shè)計意圖】落實(shí)物質(zhì)的量在化學(xué)方程式中的計算，可以以物質(zhì)的量為核心進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算，也可以直接以各種物理量的關(guān)系進(jìn)行表達(dá)計算，深化不同的計算過程對化學(xué)思維的培養(yǎng)。
任務(wù)三 依循問題解決的路徑深化物質(zhì)的量在化學(xué)方程式中的應(yīng)用
【情境三】鋁會和鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑；鋁也會和氫氧化鈉溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑，請計算用54g鋁分別和足量的鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，消耗的鹽酸和氫氧化鈉的量分別是多少，產(chǎn)生的氫氣的物質(zhì)的量分別是多少？你有怎樣的認(rèn)識？
學(xué)生活動：
Al HCl AlCl3 H2
物理量 54g 6mol 3mol
物理量的求解 →54g →6mol →3mol
Al NaOH NaAlO2 H2
物理量 54g 2mol 3mol
物理量的求解 →54g →2mol →3mol
消耗的鹽酸的物質(zhì)的量是氫氧化鈉的三倍，產(chǎn)生的氫氣的物質(zhì)的量是一樣的。
問題：為什么氫氣的物質(zhì)的量是一樣的？其本質(zhì)的原因是什么？
討論：鋁和鹽酸/氫氧化鈉溶液均屬于氧化反應(yīng)反應(yīng)，得失電子守恒，因此等量的鋁能得到等量的氫氣。
作業(yè)：化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，我們可以用物質(zhì)的量來如何指導(dǎo)我們的物料選擇及投料比例？
【設(shè)計意圖】體會物質(zhì)的量在氧化還原方程式中有關(guān)電子得失守恒的應(yīng)用，體會物質(zhì)的量在實(shí)際化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中起到的重要的指導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)
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