基于化学史素材的初中化学教学设计

张静

摘要：分析了“金属矿物 铁的冶炼”一课的教学现状，提出结合化学史情境素材进行教学设计，采用古法炼铁—现代工业炼铁—实验室模拟炼铁的教学时空线，辅以科普阅读的形式进行工业炼铁的教学。从实际教学效果看，各教学环节的有机结合丰富了学生的感性认知，锻炼了学生分析问题的能力，发展了学生的科学核心素养，培养了其科学态度与责任意识。关键词：铁的冶炼;化学史;科普阅读;教学设计;核心素养

文章编号：1008-0546（2022）03-0041-05     中图分类号：G632.41     文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.009

一、教学主题内容及学情分析

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，其发展状况是衡量国家经济水平和综合国力的重要标志，因而了解炼铁的过程和原理是初中化学学习的重点和难点之一。本节课选自沪教版九年级化学上册第5章第2节“金属矿物铁的冶炼”，该课时的主要内容包括：（1）了解从铁矿石中将铁还原出来的方法;（2）知道一些常见的金属矿物（铁矿等）的主要化学成分;（3）认识工业炼铁的主要原料及设备，重点了解一氧化碳与氧化铁反应的原理，理解一氧化碳与氧化铁反应的实验操作具体要求[1]。

实际教学过程中，学生主要存在的问题如下：（1）学习内容不贴近日常生活，学生学习兴趣不大;（2）教师通常直接给出书本上实验室模拟炼铁的完整装置，学生对于突然呈现的一氧化碳还原氧化铁的装置感到陌生与不理解;（3）仅通过观看一遍工业炼铁的视频，学生“走马观花”，难以掌握相关知识。基于此，本文结合化学史素材与科普阅读进行教学，并引导学生自主完善实验室模拟炼铁装置而非直接给出完整装置，提升学生学习兴趣，增进学生对该部分内容的理解，提升科学素养。

二、教学目标

（1）通过观看视频，感受古法炼铁;

（2）通过阅读科普资料并完成相关练习，了解现代工业炼铁的原理、原料、设备与大致过程;

（3）通过自主完善实验装置、交流与讨论，能分析实验室模拟炼铁的实验操作与注意事项，并能解释原因;

（4）通过观看视频，认识到发展炼铁工业带来的环境问题，认识到研究环保新技术的必要性，提升社会责任感。

三、教学流程（见表1）

四、教学实录             1.课堂引入，初识铁的冶炼

【教师】同学们，铁的元素符号是什么？这说明铁在物质类别上属于什么？

【学生】Fe，属于单质。

【教师】但是人们能从自然界中获得单质铁吗？为什么？

【学生】不能，因为铁容易与氧气等物质反应。

【教师】因此，铁在自然界中主要以什么形式存在？

【学生】化合物。

【教师】确实，铁在自然界主要以氧化铁等化合物的形式存在，而且这些铁的化合物大多存在于各种矿石中。人们想要利用金属铁就要先将其从它们的化合物中提炼出来，这个过程就叫做铁的冶炼。

【教师】我们以氧化铁为例，同学们观察 Fe2O3与 Fe之间有什么区别？

【学生】是否有氧元素。

【教师】也就是说要将金属铁从铁的氧化物中提炼出来，就要让它失去氧元素。可以通过什么方法实现呢？今天我们就一起来学习铁是如何炼成的。

2.观看视频，感怀古法炼铁

【教师】我国是世界上用鐵最早的国家之一，春秋战国时期人们就已经能熟练使用铁制农具、武器等。

【多媒体】展示春秋时期铁制农具、武器图片。

【教师】古人是如何进行炼铁的呢？我们来观看一个还原当时炼铁情景的视频。

【多媒体】播放剪辑视频：还原古法炼铁（图1）。

【教师】看完这个视频大家有什么感受？

【学生1】这种炼铁方法太累了……

【学生2】古人很机智。

【教师】是的，古人充满了智慧，但是这种方法确实费时费力，生产效率低。人们为了提高产量，就要强化鼓风和加高炉身，炉子逐渐从这种地坑式向竖炉发展。西汉时期，炼铁竖炉规模进一步扩大;清末洋务派首领首次在汉阳建造了两座日产100吨生铁的高炉，迈出了我国近代炼铁的第一步。

【多媒体】展示郑州古荥汉代冶铁遗址和汉阳铁厂图片（图2）。

【教师】冶铁技术的提高促进了人类文明的发展。那么到了现代，人们又是如何来炼铁呢？

3.科普阅读，感知现代工业炼铁

【教师】铁是从铁矿石中提炼出来的。自然界的铁矿石种类丰富，同学们知道这些铁矿石的主要成分是什么吗？

【学生】赤铁矿主要成分是氧化铁，磁铁矿主要成分是四氧化三铁。

【多媒体】展示赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿、菱铁矿、褐铁矿图片。

【教师】不同的矿石它们的含铁量是不同的（表2）[2]。如果让你来采矿，你倾向于选择哪种矿石来炼铁？

【学生】磁铁矿、赤铁矿，因为它们的含铁量较高。

【教师】如果仅仅考虑将黄铁矿用来炼铁的话，它也是不适合的，为什么？

【学生】含有硫元素，可能产生 SO2，加剧环境污染。

【教师】今天我们以赤铁矿为例，了解工业上是如何将赤铁矿炼制成铁的。请同学们阅读学案上的资料（图3），在学案上回答相应问题。

【教师】通过阅读，可以通过加入什么让铁的氧化物失去氧元素？

【学生】CO、H2、C等。

【教师】这样主动夺取氧元素的物质我们把它称之为还原剂。金属氧化物失去氧元素转变为金属的过程叫做金属氧化物的还原。下面请同学分享学案中以下问题的答案。

（1）工业炼铁的原料是什么？

（2）工业炼铁时焦炭的两个作用是什么？并用方程式表示。

（3）工业上用赤铁矿炼铁的主要原理是什么？用方程式表示。

（4）石灰石的作用是什么？

（5）工业炼铁的设备是什么？

（6）工业炼铁的产品是什么？

（7）生铁出口应该高于还是低于炉渣出口？为什么？

【学生】根据科普短文找到相关信息并回答问题（略）。

【板书呈现】教师根据学生回答适时进行板书（图4）。

【教师】不难发现现代高炉炼铁的技术是由古代炼铁发展、改进而来，这种方法生产量大、劳动生产率高、能耗低，生产的铁占世界铁总产量的95%以上。

4.交流讨论，探知实验室模拟炼铁

【教师】今天我们也试着在实验室内利用工业炼铁的原理来模拟炼铁。反应药品我们可以直接选用Fe2O3和CO。实验装置该如何选择？用这套装置能否实现实验室模拟炼铁呢（图5）？你是否有补充？

【教师】引导：我们已经学习过一氧化碳，同学们还记得一氧化碳有哪些性质吗？

【学生】是有毒的气体，具有可燃性。

【教师】因此我们在做CO相关实验时应该注意些什么？

【学生1】点燃前要验纯，要做尾气处理。

【教师】很好，那么可以如何处理尾气CO 呢？

【学生2】可以用气球收集起来。

【学生3】可以就利用它的可燃性将其烧掉。

【教师】确实，同学们回答的是两种常见的处理尾气的方法。除此之外，我们也可以将其通回酒精喷灯点燃再利用（图6）[3]。

【学生】不可以，因为反应需要在高温条件下进行，所以还需要酒精喷灯加热。

【教师】很好，由于酒精喷灯提供温度较高，普通玻璃受热易熔化，这里我们提供的是硬质玻璃管。

【教师】这套装置还有不完善的地方吗？

【学生】疑惑。

【教师】通常，我们还需检验反应产物CO2，因此还需要什么试剂？

【学生】澄清石灰水。

【多媒体】展示完整的实验室模拟炼铁装置图（图7）。

【教师】确定了装置，我们该如何操作呢？请同学们对给定的实验步骤排序。

【多媒体】展示给定操作顺序：①通入纯净的一氧化碳气体;②点燃酒精喷灯加热固体;③检查装置气密性;④熄灭酒精喷灯;⑤向硬质玻璃管中装入氧化铁;⑥继续通一氧化碳直至装置冷却。

【学生】排序：③⑤①②④⑥。

【教师】同学们为什么选择先通CO？

【学生】因为CO具有可燃性，不纯时容易爆炸，而玻璃管中原先有空气，要先通CO将空气排尽防止爆炸。

【教师】很好，那么为什么要先熄灭酒精灯，而要继续通CO 呢？

【学生】如果先停止通CO，玻璃管内气压减小，石灰水可能会倒吸导致爆炸。

【教师】非常好，还有补充吗？

【学生】疑惑。

【教师】继续通入一氧化碳还能帮助加速装置冷却，如果我们先停止通一氧化碳后，往往装置还未充分冷却就打开橡胶塞，这可能导致什么后果？

【学生】得到的铁粉再次被氧化。

【教师】正是。清楚了操作注意事项后，我们来观察一下老师在实验室模拟炼铁的全过程。

【多媒体】播放教师拍摄并剪辑的演示实验视频。

【教师】你观察到哪些现象？

【学生】红棕色粉末变黑，澄清石灰水变浑浊。

【学生】还有可能是四氧化三铁和氧化亚铁。

【教师】确实，你有什么方法验证黑色粉末中是否有铁粉吗？

【学生】分组讨论，设计实验方案。

【学生1】可以向黑色粉末中加入足量稀盐酸，若有气泡生成则含有铁粉。

【学生2】可以向黑色粉末中加入硫酸铜溶液，若有红色固体析出则含有铁粉。

【教师】同学们都利用金属的性质设计出了正确的方案。如果温度控制得当，我们确实可以在实验室炼制出铁，在实验室中得到的铁与工业上得到的铁产品有何不同？

【学生】工业上得到的产品是生铁，实验室得到的是纯铁。

【教师】既然实验室这样横向的装置也能得到铁，那么工业上為什么要采用纵向的高炉呢？

【学生】实验室的装置只有 CO在流动，而高炉中铁矿石在下落，热气流同时上升，反应更为充分。

【教师】非常好。同学们，相信通过这节课的学习大家已经初步掌握了炼铁的原理与方法。随着社会的发展，炼铁工艺不断被改进，铁的产量与质量不断提升，但也带来了诸多环境问题。

5.辩证看待，感悟化学价值

【多媒体】播放视频：雾霾之下的河北钢铁重镇。

【教师】庆幸的是人们已经意识到了这一点并在努力研发更为环保的新技术。

【多媒体】播放视频：环保新技术炼钢废气变航空燃料。

【结语】相信未来会有更多的绿色又高效的工艺被逐步研发。同学们，知难行易，行高于知，知道了事物背后的原理，行动起来相对就会容易很多，老师也希望同学们不仅仅局限于原理和知识的学习，更要将学到的知识付诸实践，在未来为社会作出我们力所能及的贡献。

五、教学效果与反思

本节课的亮点主要体现在以下几方面：

（1）本节课挖掘新情境，融入古代炼铁史进行教学，以史促学，较好地激发了学生的学习兴趣。我国著名化学家和教育家傅鹰教授曾经说过：“科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧。”从古法炼铁到现代炼铁工业，学生充分感受了炼铁的发展史，学会用发展的眼光看待问题。

（2）采用科普阅读形式进行工业炼铁模块教学，引导学生反复阅读文本、分析文本，相比于传统的观看一遍视频，学生掌握知识更为扎实。

（3）区别于传统的展示完整实验室模拟炼铁装置，本节课只展示部分装置，引导学生自主探究并完善实验装置，加深学生对实验的理解，培养学生的化学核心素养。

当然，本节课还有很多可提升之处。例如古法炼铁的视频尽管已经过剪辑，但时长仍接近3分钟，可再进行缩减。此外，本节课考虑到安全性与课堂时间安排，提前拍摄了实验视频，整堂课理论知识较多而实践机会少，学生在后半节课兴趣衰减，在今后的教学中可进一步探索安全而高效的实验方法，进一步提升课堂教学效果。

参考文献

[1] 中国化学国家课程标准研制组.义务教育教科书：化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2017：123-126.

[2] 王明海.炼铁原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，2006：6.

[3] 王宝斌.核心素养：化学教学的应然追求——以“金属矿物铁的冶炼”为例[J].中学化学教学参考，2017（8）：27-30.

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