“黄沙身价的提升之路”学案设计与教学实践
2012-04-29黎良枝
摘要：介绍了“黄沙身份的提升之路”的教学设计思想、教学过程及课后反思，讨论了背景知识融入学案设计与实践的优势。作者认为：融入背景知识的学案具备良好的“悦读”性，能激发学生的学习兴趣；将学习任务抛锚于真实的背景环境中，能激发学生真实的学习体验，维系持续的学习动机；精心设计探究任务链，剥丝抽茧的探究性问题有利于激活和提升学生的思维；要有效地帮助学生明确学习任务，制订学习方案；要多环节进行学习成果整合，不断提升和优化学生的认知结构。
关键词：主动性学案；背景知识；育人价值；含硅矿物
文章编号：1005-6629(2012)8-0040-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
结合背景知识的教学往往会让课堂更加轻松有趣，让科学知识、科学方法、科学价值等内容在教学活动中有效渗透，学生会表现出更好的主动性。所谓背景知识，是指学习内容形成或存在的自然或社会环境背景、历史背景、价值背景、领域层次属性、总体和逻辑背景(学科背景)，以及教学背景等方面的知识。鉴于教科书编写时受到篇幅等限制，内容的趣味性，实用性，容量都不能完全满足学生的学习需求，学案的编制则能很好地弥补教科书的不足，而且还能在学习的个性化、校本化上得以突破。融入背景知识的学案在提高知能教学效率的同时，还能使育人目标得以实现，有着“润物细无声”的效果。本文以苏教版化学必修教材中“含硅矿物与信息材料”为例，将多个背景知识带入到教学设计中。
1 设计思想
苏教版高中化学必修1“含硅矿物与信息材料”这一单元需要2课时。“黄沙身价的提升之路”是本单元的第一课时，对教材进行了补充和重构。设计过程中重点考虑了以下因素：
1.1 融入背景知识的文本具备良好的“悦读”性，能激发学生的学习兴趣
学案文本是供学生自主阅读的，因此它的设计不仅要关注科学性、严谨性，还需要汲取优秀科普读物的优点——“悦读”性，而融入背景知识的学案设计能全面提升文本的“悦读”性。在本单元的学案文本中，笔者不仅在导言、对应教科书的补充材料、拓展性阅读材料等部分充分考虑了可读性，还将背景知识融入探究性问题、基础性练习和拓展性练习的编制中。融入背景知识的导言在明确学习任务、说明学习背景和学习定向上起到良好的作用，增强了学生的学习兴趣和动机。从使用者反馈信息来看，虽然本单元学案文本容量较大，但阅读用时不多，感觉文本既亲切，又不失科学性。如在导入环节，讲述了英国科学家提出的“沙漠太阳能孵化项目”设想：即利用沙漠中丰富的沙子制造高纯硅，再用硅制造太阳能电池板，实现电能外输，为人类提供“绿色能源”。
1.2 将学习任务置于真实的背景环境中，能激发学生的学习动机
本单元设计将“沙漠太阳能孵化项目”与“青海省2011-2020发展规划纲要”中的“柴达木光伏产业建设”联系起来，将硅及二氧化硅的性质，硅的制取等学习任务抛锚于背景环境中，构建“类真实性任务”。这种新颖和真实的任务加强了学习情境与知识、技能与应用的实际情境相联系的程度，激发学生学习的动机及兴趣。而“类真实性务”可以整合多种知识和技能，有助于学习者用“真实”的方式应用知识，同时也有助于学生意识到所学知识和技能是与自身生活紧密相关的，这是维持学习动机的非常重要的因素，也可以解决知识迁移的问题。学生只有在真实的社会文化背景下，借助于社会性交互作用，利用必要的学习资源，才能积极有效地建构知识。
本单元学案还特别设置了【课外活动参考选题】，该栏目列出了纳米二氧化硅的制备、自制水中花园、对硅和二氧化硅以及硅酸盐相关产业或硅材料回收市场进行调查研究、硅胶的制备与性质、硅胶的制备与性质、硅肥等参考选题，这些选题涉及的内容也是单元学习的重要部分，有利于培养学生的动手能力、联系社会关注社会的习惯、科学创新精神和创新能力等，也为学生进行研究性学习乃至科技创新活动提供指导。
1.3 精心设计探究任务链，剥丝抽茧的探究性问题邀思维共舞
本课时学习的主要任务链为“从沙漠太阳能孵化项目”的设想到“围绕沙漠开发的规划”设计任务，其中设计了“沙漠太阳能孵化项目”设想得以实现的关键问题、支架式知识积累自学任务(硅和二氧化硅的性质等内容)、黄沙精加工工艺(提取较纯的二氧化硅和单质硅)过程的具体问题，等等。关于这些任务键又分别设计了_一系列探究性问题，能较好地提升学生的思维水平。如关于黄沙精加工艺问题上提出了4个探究性问题，一系列的探究性问题将硅的制取工艺剥丝抽茧，层层深入地揭示出硅制取的本质原理。
1.4 有效地帮助学生明确学习任务，制订学习方案
本课题的单元学习目标对应的《普通高中化学课程标准》相关内容只是简单地提出：“了解硅及其重要化合物的主要性质，认识它们在生产、生活和当代高新科技中的应用”。目前不少教师编写的学案文本往往将“学习目标”栏目中的“知识与技能”、“过程与方法”和“情感态度价值观”逐项呈现。实际上，学生常常会跳过部分甚至全部的三维目标说明而直接进入后续的学习中，因此笔者认为学案文本中无需逐一罗列“三维”目标，而且目标宜“粗”不宜“细”，将三维目标中的核心知识和技能目标重点突出即可，具体的“过程与方法”、“情感态度价值观”应融入在课题的各个任务环节中予以体现。鉴于这一考虑，本单元学案的学习目标中只呈现了知识与技能目标，而其它的学习目标融入在随后的“学习方式建议”中。这一处理能较好地帮助学生理解单元的学习目标，并参照“学习方式建议”中的具体说明制订个性化的学习方案，在各任务的完成过程中达成“过程与方法”、“情感态度价值观”目标。
1.5 多环节进行学习成果整合，不断提升和优化学生的认知结构
学习成果的整合不能完全依靠课后练习，需重视每一个学习环节的整合，比如自学环节、教师精讲环节和小组合作学习环节等。本单元实施过程中，要求学生完成【小组讨论1】、【课堂练习】等进行学习成果的整合。【小组讨论31则是一个总括性的整合任务，该任务要求学生将氯碱工业、沙子的精加工等联合起来，以沙漠为中心，充分利用周边资源进行规划“沙漠产业园区”。这样的学习任务不仅对本课时的学习进行整合，还拓展至前面的卤族元素、碱金属等单元知识，实现学生多单元知识的认知结构的整合。由于学习任务的综合性，能很好地将学生已有知识和新学知识融合起来，让学生感觉自己所学知识的价值和用途。另外，在本单元的第二课时还设计了“参照【小组讨论3】的规划全面整理归纳提升黄沙身价的途径和方法”，实现本单元的全面整合。
2 课堂教学实录
2.1 引入：黄沙的身价和沙漠的治理开发
师：黄沙是一种常见之物，主要成分是什么?
生：二氧化硅。
师：黄沙可以用来做什么?
生：(争先恐后列举)建筑材料、水泥、玻璃、陶瓷、混泥土、沙包、工艺品、计算机芯片，等等。
师：要想制备计算机芯片，则需要将黄沙转化成什么?
生：硅单质。
师：黄沙的价格低廉，要想更好地提高其身价，可以考虑将其制成你们说的沙包还是计算机芯片，或是别的物质?
生：高科技产品，如计算机芯片。
师：显然要想提高黄沙的身价，可以考虑将其制成各种含硅的产品。请大家看我国沙漠分布图，将近有五分之一的国土面积是沙化的，其中有70万平方公里为沙漠，沙漠中的黄沙不仅影响着周边人们的生活，还以什么形式来到我们扬州?
生：(齐声)沙尘暴。
师：多年来，我国政府和民间通过植树造林、防风固沙等方法治理沙漠，但收效甚微。最近科学家提出了一个治理沙漠的好设想——“沙漠太阳能孵化项目”，请大家看学案导言第二段(见后文)，我们一起大声朗读该设想。
师：要想实现这一设想的关键首先是什么?
生：将黄沙转化成高纯硅。
2.2 明确学习任务，开展自学和小组合作学习，小结、巩固有关知识
师：这个设想像是一个穷人捡到一颗鸡蛋，梦想蛋生鸡、鸡生蛋，从而实现发财的梦想。其实“沙漠太阳能孵化项目”离我们很近，目前我国已经在多个沙漠中建立了多座沙漠电站。要想了解其中的缘由，我们需要了解硅及其重要化合物的性质，以及它们在生活、生产和高新技术产业中的应用。请大家看学案中的“学习方法建议”，我们本节课主要学习硅和二氧化硅的性质，以及理解将黄沙转化成高纯硅的工艺路线。接下来请大家自学教材第75－76页和学案的相关内容，初步完成学案补充材料中的讨论任务和课堂练习(学案内容如下)。
学案文本节选
【导言】我国的沙化土地面积有170多万平方公里，占国土面积的18％以上，其中70万平方公里以上覆盖着漫漫黄沙。有一首歌这样唱道：“漫漫的黄沙，像无边的苦海……”，以二氧化硅为主要成分的黄沙就这样币怕、这样一文不名吗?
据英国《新科学家》杂志网站报道，一些科学家提出了“沙漠太阳能孵化项目”设想：利用沙漠中丰富的沙子制造高纯硅，再用硅制造太阳能电池板，提供生产高纯硅所需要的能量，如此循环往复，就能建设更多的硅厂制造出更多的太阳能电池板，生产更多的电能，最终实现电能外输，让沉寂千年的沙漠成为光伏发电中心，为人类提供“绿色能源”，有效地解决人类的能源危机，并且大大减少化石燃料发电引起的环境污染。
按照这个设想，如果我国拿出2％的沙漠面积安装太阳能光伏发电系统，发电能力可以达到1000 GW!目前，我国已经在新疆、内蒙古、青海、宁夏等地的沙漠中建立了多处太阳能发电站，开始了打造“沙漠光谷，’的尝试。不过规模和开发深度都还不够。
沙子不但可以用于制造太阳能电池板，还可以用于制造现代高新科技中的光导纤维、集成电路，用于制造广泛使用的水泥、玻璃、陶瓷产品和各种新材料等等，乃至于有人惊叹“人类进入了新的‘硅器’时代”。化学是黄沙身价发生巨大变化的功臣，要了解其中的缘由，就要从了解硅及其化合物的化学开始。
【学习目标】
了解硅及其重要化合物的主要性质，认识它们在生产、生活和当代高新科技中的应用。
【学习方式建议】
利用课本73-76页和补充材料(1－2)，自学硅和二氧化硅的性质；在完成【补充材料2】后的【课堂练习】之后，思考和尝试解答小组讨论题。注意记下自己的疑问。
小组讨论：(1)分析利用黄沙制取较纯净的二氧化硅的方法原理。
(2)分析利用黄沙制取高纯硅的方法原理。
(3)完成【补充材料】中的【小组讨论1-3】。
通过学习课本79-81页和选读【拓展性阅读材料】，交流、讨论硅和二氧化硅晶体特点，硅和二氧化硅的重要加工产品，硅酸盐的性质、用途和硅酸盐工业，以及现代硅酸盐材料的新发展等内容。并参照【小组讨论3】的规划全面整理归纳提升黄沙身价的途径和方法。
课后完成【基础性练习】；选做【拓展性练习】，小组合作尝试完成部分【课外活动参考选题】。
【补充材料】
1.硅和二氧化硅的化学性质
常温下单质硅的化学性质不活泼，但在高温条件下能和96种稳定元素中的64种元素形成化合物。
【小组讨论1】
1.硅易与氧元素结成二氧化硅，二氧化硅的稳定性如何?请说出你做出判断的证据是什么?
2.常温下单质硅的性质与氯气、金属钠有明显差别，原因是什么?
纯净的SiO2晶体无色透明不溶于水化学性质很稳定。氢氟酸是唯一可使二氧化硅溶解的酸，它能与二氧化硅反应生成四氟化硅(常温下为气态)。正是因为这个原因，可以用氢氟酸来蚀刻玻璃器具和工艺品。
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
二氧化硅能跟热的强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。高温下二氧化硅还可以跟某些盐、金属氧化物反应生成硅酸盐二氧化硅可用于制造石英玻璃光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维等。
2.从沙子获取纯硅
沙子和计算机芯片，前者卑微渺小，后者光辉耀眼，可它们却拥有相同的“血统”——都是硅家族的成员。普通的石英砂除主要成分二氧化硅外，还含有氧化铁、粘土、云母和有机杂质等。通过擦洗脱泥、磁选(除去石英砂中的磁性矿物)、浮选(除去石英砂中的长石和云母等)、酸浸等步骤，可以获得较为纯净的二氧化硅。
工业上，通常是先在电炉中由焦炭还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硫、磷等杂质)。为了得到纯硅，目前通用的方法是：控制温度450-500℃，使粗硅跟氯气反应，生成由四氯化硅和少量铁、铝、硫、磷等元素的氯化物等组成的液态物质，然后分馏提纯四氯化硅，再用氢气还原，即可制得纯硅。(提示：有关反应方程式参见教材75页)
【课堂练习】请归纳二氧化硅的主要化学性质，并依次写出利用石英砂制取纯硅主要反应的化学方程式。
【小组讨论2】
1.以二氧化硅为原料提取纯硅的生产方法中，为什么要将粗硅转化成四氯化硅，而不是转化成别的卤化硅?
2.在加热下，硅与卤素反应生成四卤化硅。为什么要选择氯气与粗硅反应转化成四氯化硅，而不是选择别的卤素单质?
3.根据下表中的信息分析，从包含四氯化硅和杂质的液态物质中分离出四氯化硅需要控制的温度范围是多少?
4.最后一步中，为什么要用氢气做还原剂，而没有选择焦炭做还原剂?
(学生小组自学；教师巡视，不断回答学生提出的问题，并在学生基本完成自学等任务后，组织学生汇报【思考与讨论1】
师：黄沙的主要成分是二氧化硅，二氧化硅的化学性质有哪些呢?
生：二氧化硅的稳定性很好，可以通过二氧化硅的结构来说明硅原子与氧原子通过共价键形成空间网状结构，十分稳定。
师：非常好，二氧化硅的稳定性好是否可以通过自然界中沙子的性质予以确定呢?
生：黄沙难溶于水和酸，性质稳定。
师：很好。要将黄沙转化成高纯度的硅，那我们先来了解--T硅的化学性质。常温下单质硅的性质与氯气、金属钠有明显差别，原因是什么?
生：氯气和金属钠十分活泼，而硅单质不活泼。原因是氯原子最外层电子为7个，易得1个电子；钠原子最外层电子有1个，易失1个电子；而硅原子核外最外层有4个电子，不易失去也不易得到4个电子，故其性质稳定。
师：很好。接下来，我们一起交流【课堂练习】。归纳二氧化硅的主要化学性质，并通过具体化学反应予以说明。
师：二氧化硅能和碱性氧化物、强碱反应，说明它是什么类型的氧化物?
生：酸性氧化物。
师：高温下，二氧化硅还能与焦炭反应。这一反应的实际意义是什么?
生：这一反应可以用作从黄沙中提取单质硅。
2.3 理解有关生产硅的化学工艺，为后续任务建立支架
师：请逐一写出黄沙转化成高纯硅的工艺过程中相关反应方程式。
生：对照课本或补充材料的相关描述进行书写。
师：为什么二氧化硅与焦炭反应得到的单质硅还需要经过进一步处理才能得到高纯硅?
生：因为二氧化硅不纯，与焦炭反应得到的单质硅中有杂质。
师：请根据补充材料中表1、表2分析【小组讨论2】中的各个问题。
(对于问题1学生感到很难，教师引导他们分析NaCl中混有I2或I2中混有NaCl时的除杂方法，从而得出结论。)
生1：为了除去单质硅中的杂质，当杂质不能转化成气体，就让目标物质转化成气体，从而实现分离出杂质的目的。
生2：(针对问题2)主要考虑可能是成本因素。
师：很好，工业生产十分重视成本，除了这一原因之外还考虑什么呢?
生3：活泼性，氟单质太活泼，不易制得，且反应设备要求很苛刻；而溴、碘单质的活泼性不足。
生4：根据表1可知，化学家可能还要考虑与杂质更易分离。
师：很好，鉴于几个小组同学分析的原因，故综合考虑使用氯气。
生5：(针对问题3)根据表2可知，可以先将液态混合物升温至12.8℃以上，让BCl3全部逸出，然后升温到57.7℃以上，但不超过162℃，得到的气态物质就是纯净的SiCl4。
师：非常棒。
生6：(针对问题4)会引入碳杂质。
师生小结黄沙转化成二氧化硅可用于制备光导纤维，二氧化硅转化成高纯硅可以用来制成计算机芯片等高科技产品，从而实现了黄沙身价的巨大提升。
2.4 尝试规划任务，提升学生思维能力，整合学习成果
师生共同活动：分析《青海省2011-2020年发展规划纲要》有关柴达木地区建设规划任务，了解柴达木地区的主要资源，如沙漠、盐碱湖和煤田等(学案内容见下文)，分析这些资源能为建立太阳能光伏产业链提供的具体物质。明确小组合作学习任务，开展规划设计。量超过10亿吨。小组共同设计一个围绕沙漠开发，结合利用盐碱湖和煤田等资源的产业规划。建议用方框图方式表明主要生产环节的能源、原料及其来源。
小组展示规划图，介绍所在小组的研究成果，并组间比较和组内讨论完善。
师：通过以上学习了解到提高黄沙身价的途径，各小组在规划图中均明确提出以沙漠中的沙子和阳光为中心，利用氯碱工业的产品(氯气、氢气、氢氧化钠、盐酸等)和煤炭资源等，将黄沙转化成高纯硅，高纯硅制成太阳能电池用以发电，产业园区的能源和物质实现了循环利用，最终实现了电能外输的设想，从而实现了“沙漠太阳能孵化项目”的设想。
2.5 拓展学习与课后作业
师生共同分析：围绕二氧化硅和高纯硅建立相关的产品加工厂，实现产品的多样化，拓展相关产品的应用面。如：光导纤维在医学上的应用，如胃镜；太阳能电池的应用，如人造卫星、新能源汽车、手机充电器、通讯基站、太阳能路灯、太阳能建筑等。
师：介绍我国科技新进展，太阳炉冶炼高纯硅，并指出该法的重要意义，能大幅度降低冶炼硅的碳排放量。
展望：自我复制机器人吞噬沙漠。
布置全体同学完成【基础性练习】，选做【拓展性练习】，选读【拓展阅读材料】等。
(相关学案内容略)
3 课后反思
整节课较为顺利地完成了预设目标，融入背景知识的设计激发了学生使用学案学习的积极性，以至于上来展示的三位同学中，有两位是平时化学学习的困难生，展示的作品内容的结构合理、拓展度宽、综合度高等特点很好地反映出她们积极思考、主动探究的学习表现。并且，在下课后不少同学还在讨论本节课的研究内容，多位同学向教师表述自己也做得很好，只是因为时间有限，未能上讲台展示小组的研究成果。
本节课的实施过程也存在不足，部分问题未能很好地展开讨论。原因是笔者对学生的学情估计不足，以至于部分探究性问题设计时台阶过高，学生表现出知识储备不足，如不知道氟、溴和碘单质的性质，而导致学生难以回答相关问题。由于规划任务的综合度很高，而课堂教学时间有限，未能充分展开讨论分析，甚为遗憾。部分专家和教师指出学案文本内容过多，但从学生反馈信息来看，他们还是愿意去读、也希望有更多机会阅读这样的文本。只要学生“悦读”，相信学习用时还是在可接受的范围内。
参考文献：
【1】吴俊明，骆红山.“学案”的意义、基本任务、编制及其他【J】化学教学，2011，(1)：6～8
【2】吴俊明.化学新课程课堂教学的发展走向【J】化学教学。2011.(4)：7-10
