陈辉国

摘   要：基于工业思想，以“铝的冶炼”为例，引导学生运用工业和化学思想分析问题，解决问题，逐步形成化学工业逻辑思维。培养学生自主学习和探究学习的能力。深度挖掘在化学工业发展历程中的科学精神。

关键词：铝的冶炼;工业思想;教学设计

本项目以人教版选修2—《化学与技术》第三单元化学与材料的发展，第二节金属材料“铝的冶炼”的教学设计为例，在实践中帮助学生体会化学工业思维。该课堂教学实践获得2014年全国优质课比赛暨观摩活动特等奖。

1    教学设计

1.1  课堂引入—把握时代发展的差异，体验化学工业发展意义

[教师引入]元素周期表是伟大的俄国化学家门捷列夫发现的，为此，1857年，沙皇奖励了门捷列夫先生一个在当时极其珍贵的、价比黄金的铝制奖杯。大家一定很好奇，是什么原因使铝从贵金属变成了当今生活中处处可见的常规金属。

1.2  亮出教学思路—抓住工业逻辑，解决工业问题

[老师]要认识铝这种典型金属的冶炼方法，需要从哪些角度进行分析呢？一个工业生产过程通常包括“筛选原料—探寻原理—剖析产技术”3个方面。

1.3  筛选原料—利用新逻辑，分析旧知识，解决实际问题

[老师]冶炼铝可以用什么作原料？工业大规模生产原料最重要的考虑因素是原料的来源和成本等问题。据我们所知，铝元素在自然界的含量很高，是含量最高的金属。铝元素以什么形态存在？具体为哪些化合物呢？

[学生]三氧化二铝。

[老师]工业上把含有丰富三氧化二铝的矿石称之为铝土矿，因此，我们初步选择铝土矿作为冶炼铝的原料。

1.4  探寻原理—紧扣冶炼的科学史事，凸显发展历程

[老师]用什么原理来冶炼铝呢？首先我们学过哪些冶炼金属的一般方法？

[学生]热还原法、热分解法、电解法、富集法。

[老师]用哪一种方法呢？我们再一起看看历史上科学家们的足迹。请同学们根据视频解说，回答学案上的3个问题。

[视频解说词]1746年，法国科学家拉瓦锡证实不能用碳等还原剂还原氧化铝;1825年，丹麦奥斯特利用金属钾还原氯化铝获得少量的铝;1854，法国的德维尔利用金属钠还原NaAlCl4得到了一定量的铝;1886年，美国的化学系学生霍尔和法国的埃鲁分别发现了冰晶石—氧化铝熔盐电解法获得金属铝。

[问题]（1）科学家们在探索中采用了哪些冶炼金属的一般方法？

（2）门捷列夫在1857年获得的铝制奖杯是哪位科学家的研究成果？你认为铝价比黄金的原因是？

（3）比较这些方法，你认为最合理的方法是哪一种？为什么？

[学生]历史上，科学家们探索了热还原法，选择了CO、钾等作为还原剂，最合理的方法是电解法。门捷列夫的铝质奖杯应该是利用了德维尔的金属钠还原法，因为原料难得，生产成本高，产量小。电解法冶炼铝最合理，因为原料易得，成本低，产量加大。

[老师]通过以上分析再一次确定，冶炼铝的原料最好选择铝土矿。也找到了冶炼铝的原理是电解法，把它称为“霍尔—埃鲁铝电解法”，在利用这种原理时使用了一种特殊的材料—冰晶石。

[展示]百度百科中有关冰晶石的资料。

[老师]根据资料阅读，回答冰晶石的作用。

[学生]助熔剂。

[老师]正是这种助熔剂的存在，使氧化铝融化的温度由2 050 ℃，降低到1 000 ℃左右，大大地降低了成本，这也是霍尔—埃鲁电解法最成功之处。接下来，请各位写出电解法制铝原理的总反应方程式和电极反应式。

1.5  剖析技术—自主探究，质疑求证，突破重点技术

[老师]工业上如何实现该原理呢？需要对生产的工艺技术进行剖析。工业生产用了这样的生产车间大量冶炼铝，具体的电解槽装置请同学们阅读教材61页最后一个自然段，同时思考以下问题。

（1）电解装置中的电极材料是？电解液是什么？

（2）电解冶炼铝需要哪些原料？

[学生]氧化铝、冰晶石、碳。

[老师]原料中最重要的毫无疑问是氧化铝，从哪里来？可以直接使用么？

[学生]从铝土矿中来，需要对铝土矿进行提纯。

[展示]据资料查阅，铝土矿中除50%～70%氧化铝，还有氧化铁，二氧化硅等杂质。

[老师]铝土矿的提纯需要突破重要技术。对铝土矿的提纯需要运用这3种氧化物的不同性质，据我们所知，三氧化二铝是两性氧化物，二氧化硅是酸性氧化物，三氧化二铁是堿性氧化物，请同学们利用性质的区别，分小组讨论并设计铝土矿的提纯方案。过程中请参考混合物提纯方案的一般书写方法。

[老师]根据大家的设计，有酸溶矿和碱溶矿两种方式，工业生产中到底采用的是哪一种方式呢？请阅读教材61页。

[学生]工业上采用的是碱溶法。

[老师]工业碱溶法的步骤与你刚刚的设计相同吗？

[学生]不一样，书上步骤中没有加过量盐酸除去二氧化硅的步骤。

[展示教材方案]

[老师]你更愿意相信谁？

[学生]实验结果。

[老师]是的，实践才是检验真理的唯一标准。接下来就让我们实践吧，要确认教材的处理方法是不是会留下二氧化硅杂质，只需要确定加入过量二氧化碳后获得的沉淀中是否有硅酸，而用氢氧化钠溶矿的由于需要较长的时间，已由老师替大家完成了，所以，大家需要模拟的是这一步。接下来请同学们利用实验盘中的药品，有用氢氧化钠溶解铝土矿的烧杯，请直接用塑料滴管取上层清液，装有大理石的大试管（制备CO2用），盐酸溶液，氢氧化钠溶液。

[学生汇报实验]向铝土矿的碱浸取液中通入CO2观察到白色沉淀。

[老师追问]可以如何确定这种白色絮状沉淀是氢氧化铝还是硅酸，或者两者都有？

[学生]稀盐酸，若沉淀溶解完全，则说明仅含有氢氧化铝，反之则有硅酸。

[老师]请你带领大家一起完成实验。

[学生]看到白色沉淀几乎溶解完全，说明是氢氧化铝，含有二氧化硅非常少。

[老师]从实践我们得出，教材给出的方案最终没有大量的二氧化硅杂质。原因在哪里？根据老师资料查阅，这是因为在用碱溶矿时，发生了较复杂的反应，生成了叫作铝硅酸钠的难溶物，同时除去了二氧化硅。当然，也希望有兴趣的同学下去更多地了解。这也是奥地利化学家拜耳发明用碱溶法提纯氧化铝的重要意义。正是此发明实现了冶炼铝的大规模生产，成为产量第二的金属材料，使铝从贵金属真正变成了常规金属。

1.6  前景—关注产业前景，提升课堂立意

[老师]在老师备课过程中，还发现冶炼铝的前景不容乐观。首先，电解铝产业陷入亏损，其次国家对此行业有限制。你认为这是为什么？

[学生]电解需要电，耗能高。

[老师]确实，由于冶炼原理带来的能耗是很高的，高能耗将带来许多环境问题。尤其是在习总书记提出“建设美丽中国，狠抓节能减排”的方针下，电解铝可以有哪些发展方向值得思考。

[学生]开发新能源，改进生产工艺，回收废旧铝材。

[老师]开发新能源以及改进生产工艺是科学家正在做的工作，也是同学们以后努力的方向。现在的我们，回收废旧铝材是可行的。以回收身边的易拉罐为例。资料显示：回收易拉罐炼铝的能耗仅为利用铝土矿炼铝的3%，节约能耗97%。

[老师]本节课的内容已经结束了，今天我们利用已学的化学知识解决了铝冶炼过程中的各种问题，体验了科学家使铝从贵金属变成常规金属的研究过程，也明白科学家对此还需要深入研究。科学技术是第一生产力。正如门捷列夫告诉我们的一样：科学不但能给青年人以知识，给老年人以快乐，能为人民创造真正的精神财富和物质财富，能创造出没有它就不能获得的东西。这就是科学的魅力。

2    教学反思

对于高二年级的学生来说，“铝的冶炼”教材上呈现的每一个化学反应方程式都是已学的。新知识量少且需要识记的知识居多。这也是选修2教材的普遍特点。本教学设计充分挖掘教材内容中的化学工业逻辑、工业与人、社会的关系等，让学生获得化学工业逻辑和情感的深度体验。

2.1  基于工业逻辑，引导学生运用工业和化学思想分析问题，解决问题

培养学生“将与化学相关的实际问题分解，综合运用相关知识和科学方法，解决生产、生活实际和科学研究中的简单化学问题的能力”。教学沿着工业生产分析一般途径的逻辑展开，笔者沿着“原料—原理—技术”的逻辑设计教学，帮助学生体会工业生产的一般方法。教会学生通过从存在、原理、成本等多角度分析比较筛选原料的工业逻辑。通过比较和分析历史上冶炼铝的发展过程，学生体会工艺发展的长期性。

2.2  最大限度培养学生学习和探究的能力

培养学生自主学習能力是课程改革的首要目标。《基础教育课程改革纲要》倡导学生主动参与，乐于探究，勤于动手，培养学生搜索、处理信息的能力以及交流知识的能力、分析解决问题的能力以及交流与合作的能力。笔者设计学生观看视频，分析历史上各类冶炼铝的优点和缺点;阅读教材，分析和认识电解铝装置;查阅冰晶石和铝土矿的相关信息;阅读教材中铝土矿提纯方案，发现疑点等都有助于培养学生搜索、处理信息的能力。鼓励学生动手设计铝土矿的提纯方案，学生补充说明;小组合作，动手模拟实验，提出检验方法;探讨电解铝发展方向等均有助于培养学生参与探究，动手实践以及交流合作的能力。以学生为主体，在工业逻辑的带动下，让学生阅读、思考、实践、质疑，使学生的思维持续处于兴奋状态，充分体会自主学习和探究学习过程的乐趣。

2.3  深度挖掘教学中的科学精神

笔者从“是什么使得铝从贵金属成为常规金属？”的问题引入，帮助学生认识化学工业对人类社会发展的重要贡献，感受科学的重要社会价值。利用科学史话重现冶炼铝的发展历程，有利于学生体会科学发展的艰辛与漫长。设计铝土矿提纯理论与实践的冲突，鼓励学生大胆质疑，小心求证，有助于学生体会严谨的科学态度。引导学生思考“电解铝面临的问题”、探讨“电解铝发展方向”、分析“回收废旧铝材的可行性”以及门捷列夫的话作为结束语，鼓励学生关注社会，帮助“了解 20 世纪化学发展的基本特征和 21 世纪化学的发展趋势”，“认识和欣赏化学科学对提高人类生活质量和促进社会发展的重要作用”­[1]，有助于学生社会责任感的提升，鼓励学生树立科学是社会进步第一生产力的观念。

[参考文献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2004.