爱华网渗透能量观的元素化合物教学*
——“金属铝的性质”教学设计
王晓进1 陈凯1**保志明2
(1. 南京晓庄学院教师教育学院 江苏南京211171；
2. 南京师范大学附属中学 江苏南京210007)
这是端木老师指导的科学教育工作室成员发表的第四篇教学设计作品，南师附中保志明老师对教学设计提出非常有价值的意见。本文发表于《化学教育》2012年第12期，在南师附中江宁分校开展过教学实践，感谢刘斌老师对王晓进同学的实习指导。
摘要 本教学设计主要利用科技新闻为素材探究铝的化学性质，着重探究铝的亲氧性，与此同时，不断在教学过程中渗透化学反应中伴随能量变化这一重要学科观念。让学生的思维不局限在教材上，拓展学生的知识面，利用生活中的素材开展实验，激发学生的化学学习兴趣。
关键字 教学设计 元素化合物 铝的亲氧性能量观
1 学情和教学内容分析
学生在九年级化学中已经接触到铝单质的片面的一些化学性质，学生通过个案了解铝的个别化学反应以及与生活的联系，例如铝的抗腐蚀性是源自于和氧气反应产生的致密氧化膜，铝与硫酸铜溶液的置换反应完成的铜树实验，当然还有在教材上未专门叙述但是联系金属活泼性顺序表常常提及的铝和酸的反应。高中教材中，铝与氧气、酸的反应再次被提及，如何在教学中体现与初中的差异，如何上升到学科观念教学呢？本课教学设计依据高中化学教材必修一中铝的性质的相关知识，综合人教版和苏教版教材内容，体现用教材教的教学理念。人教版教材中铝的知识比较分散，从铝在空气中的反应异常引出氧化膜的作用，这个性质与钠的氧化反应并列作为金属和氧气的反应知识点下的典型案例；将铝与氢氧化钠溶液的反应单独列出重点阐述。而苏教版则是在工业提取铝之后再专题介绍铝的性质及其应用，除了人教版内容，还涉及到铝与浓的强氧化性酸的的钝化、铝热反应，内容丰富，但容量较大，不易在一节课内完成教学任务。
综合两版本教材，我们认为铝单质主要的化学反应，都反映出铝的强烈亲氧性——纵然是和强碱溶液的反应，本质其实也反映了这种特性。所以我们教学设计选材侧重于提炼该观点。铝在氧化生成氧化铝或氢氧化铝的时候放出大量的热，所以我们在体现亲氧性的同时，还突出铝参与的化学反应都释放大量能量，并且利用这些能量可以在工业、生活中极大地发挥作用。能量观是化学观念中的核心观念，化学能量观的建构不可能一次形成，需要经过螺旋式递进，在事实积累和化学能量观发展的交互过程中形成。没有一定的事实积累，很难形成一定的化学能量观。一定层次的化学能量观又能指导 物质及其转化的研究[1]。学生在初中的氧化反应、中和反应、置换反应中初步接触到化学反应中有能量变化，尤其是在燃烧和燃料的学习中得以强化，又在高中必修1中通过元素及其化合物具体性质的学习积累能量转化的事实，为高中学生在必修2和选修4两个模块系统了解微观结构与能量的关系、学习化学反应中能量转化的规律打下基础。我们的教学设计将化学能量观建构的教学建构作为目的之一，希望学生在学习具体物质转化的过程中, 要关注能量的变化。
亲氧性是知识的内涵，能量观是观念的核心，而这些通过贯串整堂课中联系科技、生活的新情境来承载，借助一定梯度的探究实验、问题解决来完成学习过程。教师通过课外信息的拓展，将我们的教学不止限于教材本身，而体现与时俱进的科学性，促使学生主动探究科学的奥妙；通过生活中的素材开展实验，有力地激发学生学习兴趣，调动学生学习内驱力。
2 教学目标
【知识与技能目标】通过实验了解铝与其他金属单质的相似和不同，理解铝的的亲氧性。通过铝与强碱溶液的反应认识铝的两性。
【过程与方法】在铝的化学变化事实积累学习中强化物质转化伴随有能量变化的认识；通过科技新闻及生活中铝单质性质的表现，感知应用所学知识对新闻或生活中的现象进行解释和探究的角度和过程。
【情感态度与价值观】利用从实验中得出的理论知识解答生活中的常识性问题，提高学生学习化学的兴趣和增强学习化学的现实意义。在具体物质事实学习过程中初步形成能量观。通过科技前沿新闻素材的阅读和分析提升科学素养。
3 教学重难点
教学重点：铝的亲氧性
教学难点：铝和氢氧化钠溶液的反应的现象及方程式的书写。
4 教学过程
4.1 教学引入
结合图片讲述：美国《大众科学》网站2011年9月21日报道说有新理论认为美国世贸中心倒塌源于爆炸性化学反应，飞机撞击世贸大厦之后，大量熔化的铝液流入建筑受撞击部分下方的楼层，与大厦的自动喷水灭火设备喷出的数百公升水混合。铝水相遇会引起化学反应，不但能够提高温度，反应过程中还会产生大量可燃性氢气。骤然升高的温度削弱了钢结构的支撑力，氢气爆炸异常强烈，足够炸毁部分建筑物。
【学生活动】倾听，议论，思考。
(设计意图：新闻事件作为课堂引入，不只是简单地介绍信息，而应该成为学生思考问题的出发点。美国911事件的细节原因蕴含化学原理，且与本节内容关系密切，通过这样的新闻事例来导入新课，不仅能够提升学生的学习兴趣，而且可以作为能量观的事实载体。)
【过渡】请同学根据钠和水的反应写出铝和水的化学方程式并请一名学生上台板书。
【学生活动】练习，学生代表板书。
【板书】金属铝的性质
一、铝和水的反应
【知识拓展】911事件中发生火灾、爆炸等一系列的事故，当时现场的温度还很高，据资料显示当时的温度高达1300℃。而氢氧化铝在950-1200℃的温度可以分解得到氧化铝。
【追问】原911事件中美国世贸中心倒塌归咎于于铝和水反应放出的巨大能量以及可燃性气体氢气。在这里，化学反应的巨大能量酿成了悲剧，但是你们觉得是否可以充分利用这一反应为我们造福呢？
【知识拓展】美国研制出火箭新燃料以冰铝为动力更环保，这种冰-铝组合燃料叫做ALICE，因水和铝之间的化学反应而产生效应。研究者希望化学反应后产生的氢气，不仅能发射火箭，也能为长时间的空间任务补充氢电池。
（设计意图：通过科学阅读了解化学反应的的社会意义，为初步建构能量观提供文字素材，有助于学生的科学学习,有利于学生科学本质观的发展及科学概念的掌握[2]。）
4.2 金属铝和氧气的反应
【提问】看来铝和水的反应用途还是比较广泛的，说不定未来的某一天，氢气这种环保能源成为我们的家用能源还要依靠铝和水反应呢！可是大家回想一下，我们家里的铝锅和水发生反应了吗？为什么呢？
【学生活动】分析问题，回答。
（设计意图：从科技前沿中冰-铝组合燃料过渡到生活实际中，体现化学无处不在。）
【追问】铝在空气中形成致密的氧化膜，阻止铝和水的反应。那么铝在空气中能反应吗？
【过渡】下面请同学们两人一组一起来完成“铝箔在空气中的燃烧”的实验。
【提示】实验步骤：用坩埚钳夹住一小块铝箔，在酒精灯上加热至熔化，轻轻晃动。
【提问】为什么加热条件下，铝熔化，而氧化铝不熔化呢？
【学生活动】分组实验并观察实验现象，回答问题。
【小结】在空气中点燃，铝的表面形成致密氧化膜，氧化铝的熔点远大于铝单质的熔点，所以加热熔化的铝不会滴落。
【过渡】“与氧气充分接触”是保证铝的氧化反应充分进行的条件，根据我们所学知识，如何才能使氧气与铝充分接触？
【小结】增大铝和氧气的接触面积，可以使铝与氧气充分接触，一来增大氧气浓度，二来把铝片改成铝粉。足够细小的铝粉在空气中就能剧烈燃烧，发出耀眼白光，有白色固体产生，现象类似于镁条。
（设计意图：将铝条改为铝粉开展实验，打破学生的常规思维，这样不仅能够使铝和氧气发生反应，更能激发学生的对科学的探究欲望，有利于学科观念的建构）
【板书】二、铝和氧气的反应
【知识拓展】铝和氧气反应也会放出大量的热量，哥伦比亚号航天飞机曾用金属铝和高氯酸铵的混合物作为固体燃料。加热铝粉使其被氧气氧化，放出大量的热，促使混合物中的高氯酸铵受热分解，因而产生巨大的推动力。
【结论】铝在空气中难以持续燃烧，恰恰是因为它容易和氧气化合产生氧化膜，阻碍反应进一步进行；而当条件允许时，铝仍然可以在空气中燃烧且大量放热。
（设计意图：再次通过科技前沿拓宽视野，让学生感受到化学的学科魅力，同时，再次强化化学反应伴随能量变化。）
4.3 铝热反应
【推进新课】铝的化学反应用途广泛，还可以用于野外焊接钢轨。
（播放视频）视频中焊接钢轨用到的那袋试剂是什么呢？（停顿）就是铝粉和氧化铁的混合物[3]。
（设计意图：从铝在实际生活中的用途方面自然过渡，激发学生的学习兴趣，同时再次让学生感受到化学无处不在，要用科学的眼光看待物质世界。）
【演示实验】将埋在沙里的两根铁钉（将这两根铁钉想象成两根钢轨），相互靠近，再向试管中加入铝粉和氧化铁的混合物，加一定量氯酸钾，氯酸钾高温产生氧气，助燃。插上镁条，镁条燃烧可以产生反应需要的高温。如图1 所示。
图1 铝热反应实验装置图
【学生活动】观察实验，讨论。
【板书】三、铝热反应：
【小结】铝热反应会放出大量的热，因此可以将这个原理应用在工业生产上，在冶金工业上常用这一反应原理，来冶炼钒、铬、锰等金属。例如：
（设计意图：从具体实验事实中归纳总结，强化化学反应的应用让学生深知化学的重要性。）
【知识拓展】在911事件中，其实也有铝热反应的发生。在这里我们来介绍一下，其实在大量铝熔化的过程中，铝遇到建筑中的氧化铁，在高温下就引发铝热反应。同时，铝热反应发出大量的热量，这些热量聚集在一起引发一系列爆炸。
（设计意图：与课堂导入相呼应，第三次强调铝发生化学反应中的伴随着能量的放出，帮助学生进一步构建能量观。）
【小结】金属铝在自然界以化合态的形式存在，铝单质在空气很容易结合氧形成氧化膜。铝热反应中金属铝夺取氧化铁中的氧元素，说明了铝的什么特性？
（设计意图：结合实例，回顾学科，帮助学生提炼出铝的亲氧性特点。）
4.4 金属单质铝和氢氧化钠溶液的反应
【过渡】生活中铝锅不仅不适合烹饪酸性食品，连碱性食品也不适合，这是为什么呢？
【实验探究】投影实验步骤
实验步骤：
1、取一只洁净的试管，向其中加入10mL的氢氧化钠溶液。
2、取一铝片，用砂纸打磨。
3、将打磨好的铝片放入盛有10mL的氢氧化钠溶液的试管中。
4、观察实验现象。
【学生活动】分组实验
（设计意图：强化学生的合作意识，体现新课标的教学理念，同时让学生自己动手实验，不仅能够清楚的观察到实验现象，更能激发学生对化学的学习兴趣。）
【实验分析】刚才通过实验我们知道铝单质可以和氢氧化钠溶液反应是个放热反应，而且实验现象剧烈并且有气泡产生，可生成一种钠盐，叫偏铝酸钠。反应中铝元素由0价升高到+3价，那产生的是什么气体呢？请讨论确定一下。
【学生活动】分组讨论，每组请一位学生回答，其他同学补充回答。
【归纳总结】从元素守恒看，气体可能是氧气或氢气。从化合价看反应中铝元素的化合价升高了，必然有元素化合价降低，能降低的元素只能是氢元素，生成的是氢气。请问如何用实验鉴别？
【板书】四、铝和氢氧化钠溶液反应方程式：
（设计意图：联系氧化还原反应规律对元素化合物的具体反应事实进行分析，训练学生用化学学科思维解决问题。）
【提问】大家都知道铝在反应中充当还原剂，那氧化剂呢？到底是水还是氢氧化钠和铝反应生成氢气呢？实践是检验真理的唯一标准，请大家提出探究方案。
【学生活动】讨论，提出方案。
【对比实验探究】如图2所示，在试管里装1～2gNaOH与一些Al箔，加热至熔化，用排气观察是否有气体产生。
图2 铝箔和氢氧化钠溶液反应实验装置
【学生活动】 观察实验现象，并思考问题。
【实验分析】加热过程中没有生成新的气体，同时，铝消耗氧气，使试管内的压强减小，水进入试管。
【总结】水是该反应的氧化剂，铝在氢氧化钠作用下更快的与水作用产生氢气[4]。
（设计意图：通过对比实验开展探究活动，帮助学生理解水是铝和氢氧化钠溶液反应的氧化剂，很好的突破教学重难点。基于实验演示的开放性习题，有利于引导学生用化学眼光思考生活实际）
【小结】由这个反应我们发现，铝可以和碱反应，也可以和酸反应，我们将这种既能和酸反应又能和碱反应的物质称为两性物质。
【板书】两性物质：既能和酸反应又能和碱反应的物质
【练习评价】展示产品：我们家的下水管道堵了，买回一种“管道通”，使用后堵塞的管道畅通无阻了。这盒“管道通”，内有一袋白色固体颗粒和一袋银灰色铝粉。
【提问】
（1）同学们仔细观察下这个白色固体颗粒在空气中有什么现象？
（2）我们发现它露置在空气中有些潮解，你们猜想它是什么？
（3）那么我们如何才能证实这个白色固体是氢氧化钠呢？
（4）怎样通过实验来证明呢？
【学生活动】观察，思考，讨论，回答问题。
【实验】用药匙分别取一勺白色固体颗粒和银灰色铝粉，放入到50ml烧杯中。向上述烧杯中加入20mL的蒸馏水。
【提问】通过这个实验我们证实管道通的主要成分是铝粉和氢氧化钠固体，为什么这两种化学物质的混合能疏通管道呢？
【投影】（1）下水管里的淤积物主要为油污、食物残渣、毛发等。（2）氢氧化钠是强碱，能去除油污，腐蚀毛发一类的东西。
【学生活动】思考，讨论，结合投影回答问题。
【小结】根据学生回答，教师补充，总结为什么铝和氢氧化钠混合能够疏通管道。（1）NaOH具有强碱性腐蚀油垢、毛发和残渣（2）该反应放热，加速反应（3）产生气体物利用压强疏通杂物。
(设计意图：通过生活实验加强学生对铝和氢氧化钠溶液的理解，以及在日常生活中的应用，体现“生活中处处有化学”,第四次突出化学反应放热，强化能量观。)
4.5 课堂总结
今天这节课主要学习了铝的四个反应：1、铝和水的反应；2、铝和氧气的化学反应；3、铝热反应；4、铝和氢氧化钠溶液的反应。这些反应都充分体现了铝的亲氧性，最后一个反应还说明铝具有两性。另外，它们在反应中大量放热。正是因为这些性质，使金属铝在生活、生产及航天技术用途广泛。
【学生活动】倾听，回顾本节课内容。
【课后思考】
1、学习了本节课，你对日常生活中铝制品的使用有什么心得体会？
2、如果你家的下水道堵住了，使用“管道通”你要提醒你的父母哪些注意事项呢？
（设计意图：开放性习题，既能和教学内容紧密联系，又可以使学生发挥自己的想法，充分体现新课标的教学理念。）
转载请注明出处——端木化学工作室品牌作品。
参考文献
[1] 梁永平.化学教育，2008，29（8）：7-12
[2] 蔡铁权，陈丽华.全球教育展望，2010，（1）：73-78
[3] 朱建兵，李胜荣，袁春仙.化学教学，2011，（8）:31-33
[4] 刘怀乐.中学化学教学参考，2005，(11)：18-18
* 2011年江苏省高等教育教改立项研究课题“师范生实践性培养模式的研究与实践”；2011年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划立项项目“基于信息技术平台的化学师范生备课组行动研究”
**通讯联系人：陈凯，E-mail：zhenjiangchenkai@126.com
