基于STEAM理念的初中化学拓展研究——以铜的化学性质、湿法炼铜为例

黄 蓉

(广东省广州市育才中学 广东 广州 510080)

1.研究背景

STEAM代表着科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arthritis)、数学(Mathematics)。STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科整合的综合教育。2017年修订的新课标征求意见稿确立以培养学生的化学学科核心素养为主旨，教学更要注重“素养为本”。2017年3月，《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》明确指出：STEAM学习的兴起将是短期内我国教育技术的重要发展趋势之一。这说明研究STEAM教育是很有必要的[1]。化学教学注重的是培养学生的科学探究能力，化学本身就具有很强的实践性和创造性。笔者将STEAM教育理念融人化学教学中，围绕“铜的化学性质和湿法炼铜”这一主题，引导学生进行拓展探究，特别是通过“铜锈蚀条件的探究”、“张潜发现湿法炼铜”、“实验活动：湿法炼铜”等不同的教学活动，让学生在活动过程中了解科学探究的基本过程，体会比较、归纳、概括在化学学习和研究中的应用，初步了解科学、技术、社会的相互关系，从而培养学生的化学核心素养、科学素养(S)、技术素养(T)、工程素养(E)、人文素养(A)，提高学生的化学核心素养。

2.基于STEAM理念的初中化学拓展研究案例

2.1 铜锈蚀条件的探究。“铁钉锈蚀条件的探究”是人教版化学九年级下册第八单元课题3的重点内容。通过该探究活动，让学生了解铁的锈蚀和防护，了解科学探究的基本过程(S科学素养)，体会比较、归纳、概括在化学学习和研究中的应用，能用规范的学科语言描述实验现象，对实验现象进行合理的解释(T技术素养)。在完成这个探究活动后，根据所学知识笔者引导学生进行了“铜锈蚀条件”的拓展探究活动，探究过程如下：

青铜器在古时被称为“金”或者“吉金”，刚做出来的青铜的颜色接近金色。青铜在受潮或埋入土中很多年后，生成铜绿，表面被绿色的锈迹覆盖，从而呈现绿色。

铜绿的主要成分是Cu2(OH)2CO3,铜生锈跟哪些物质有关呢？

信息：化学反应前后，元素的种类不变。

根据铜绿的主要成分，猜想铜生锈可能是铜与______、______、______共同作用的结果。

(1)展示图片、观察现象、填写表格：

对比A、B知：铜生锈跟______有关；对比A、C知：铜生锈跟______有关；对比A、D知：铜生锈跟______有关。

(2)得出结论：铜生锈是铜与______、______、______共同作用的结果。

(3)拓展应用：写出一种防止铜生锈的方法______

2.2 铜的冶炼。“Fe + CuSO4= Cu + FeSO4”是铜的化学性质，是人教版九年级化学下册第八单元课题2 的重点内容，是湿法炼铜的主要反应原理，是中国冶金和化学史上的一大发明。基于此，笔者引导学生进行了以下探究活动，探究过程如下：

(1)张潜发现湿法炼铜。

[资料阅读]

张潜(1025—1105)是北宋著名的湿法炼铜家。他天资聪颖，据说小时候每天都吟诵成百上千句诗，而且广泛地阅读书籍。他喜欢赋诗，擅长写楷书，著有十册《诗集》，尤其精通天文、地理、人文等学科。张潜在阅读《神农书》的时候，读到书上记载用胆矾水浸泡铁，可以让铁转化为铜。这一现象的化学原理是：利用硫酸铜溶液浸铁，使其产生化学反应，将铜析出。从那以后，张潜研读了许多前人留下的湿法炼铜书籍，又亲自参与湿法炼铜的实践。年复一年的知识和经验积累，让张潜在湿法炼铜领域取得了重大的成就：他发现德兴兴利场的32泉、138沟盛产胆水，可以用来浸铁取铜。他还总结出一套比较完整的胆水浸铜技术，写成了湿法炼铜专著——《浸铜要略》，让儿子献给朝廷。朝廷认为张潜的炼铜法花费少而收益多，就在地方推广了他的方法。采用这个方法以后，每年获得的铜钱达到百万之多，因此张潜备受朝廷的嘉奖。自此，信州铅山场、德兴兴利场、韶州(今广东韶关)岑水场、潭州(今湖南长沙)永兴场等矿场，都全面推行了张潜的湿法炼铜技术。北宋时，全国胆铜产量每年100～170万斤，占当时铜总产量近二成。南宋绍兴年间，全国胆铜产量占铜总产量的八成多。可以说，是张潜总结的湿法炼铜技术大大促进了宋代经济的发展。

[讨论区]

①请同学们阅读张潜的故事，找到张潜湿法炼铜的原理是什么？(反应物和生成物)

②张潜写成《浸铜要略》为什么会受到朝廷嘉奖？有什么贡献？

(2)铜的冶炼。

现在铜冶炼技术分为两大类，火法冶炼和湿法冶炼。火法冶炼适合硫化铜矿石，而湿法冶炼较适合氧化铜矿石。

①火法炼铜。

②湿法炼铜。

主要反应原理：Fe + CuSO4= Cu + FeSO4

比较火法炼铜和湿法炼铜两种生产工艺，都各有利弊，选用哪种方法，应根据矿物的特点、当地的经济情况、地理条件等条件而定。

[讨论区]从对环境友好这个角度分析，湿法炼铜和火法炼铜哪种方法较好？

2.3 实验活动：湿法炼铜。

湿法炼铜活动方案

[活动目的]

(1)了解湿法炼铜的原理，体会湿法炼铜的方法。

(2)了解铜与青铜等铜的合金的区别。

[反应原理]

铁 + 硫酸铜→铜 + 硫酸亚铁

Fe + CuSO4= Cu + FeSO4

[实验用品]试管、铁钉、硫酸铜溶液

[实验步骤]

(1)观察并描述铁钉和硫酸铜溶液的颜色、状态。

(2)把一根铁钉放入试管中。

操作：先把试管横放，把铁钉放在试管口，再把试管慢慢地竖立起来，使铁钉缓缓地滑到试管底部，以免打破试管。

(3)往试管中加入适量硫酸铜溶液(硫酸铜溶液浸没铁钉)

操作：瓶塞倒放、标签朝向手心、试剂瓶口紧挨倾斜的试管口。

(4)观察并描述实验现象。

铁钉表面覆盖一层____色的物质

溶液从____色变____色

在上述实验中，你观察到的生成的铜是什么颜色的？生成的铜就是青铜吗？

结论：(1)青铜是铜的________

(2)上述实验所得到的铜____青铜(填“是”或者“不是”)

3.探究实践反思

3.1 实施STEAM案例，发展学生化学核心素养。

案例(一)，通过“铜锈蚀条件的探究”拓展探究活动，提升了学生知识迁移能力和类推能力，还提高了学生的科学素养(S)、技术素养(T)、工程素养(E)。在学生学完“铁钉锈蚀条件的探究”后，引导学生把所学知识应用到“铜锈蚀条件”的探究活动中，小组团结协作，体会科学探究的基本过程：提出问题、对物质的性质及其变化提出可能的猜想和假设、设计实验方案进行验证、基于证据进行分析推理、得出结论，能解释证据与结论之间的关系，能依据探究目的设计实验方案，对实验现象进行记录并得出结论，从而培养学生的“实验探究”、“证据推理”化学核心素养。

案例(二)，在“铜的冶炼”探究拓展活动中，首先，通过张潜发现湿法炼铜这个故事，通过这个活动，让学生了解“湿法炼铜”在中国冶金和化学史上的重要意义、了解北宋著名湿法炼铜家张潜的贡献，提升学生的人文素养。接着，介绍两种铜的冶炼方法，通过这个活动，让学生了解科学、技术、社会的相互关系，关注与化学有关的社会热点问题，认识环境保护和资源合理开发的重要性，能运用已有知识和方法综合分析化工生产对自然可能带来的影响，权衡利弊，具有可持续发展意识和绿色化学观念，积极参与有关化学问题的社会决策，培养学生的“科学精神与社会责任”化学核心素养。

案例(三)，“实验活动：湿法炼铜”，在这个实验探究活动中，学生能根据实验目的完成实验操作、观察记录实验现象并得出结论、和同学交流实验成果，培养了学生的工程素养(E)和“实验探究”化学核心素养。

3.2 设计STEAM案例，提高教师专业发展[1]。教师专业发展是指教师专业知识、专业能力和专业精神的发展[2]。STEM教育是跨学科融合教育，集科学、技术、工程、艺术、数学于一体的综合教育，它提出将各个领域的知识通过综合的课程融合起来，STEAM案例的设计要求教师具有跨学科的专业知识。如何根据学生的已有知识和认知水平，将化学知识与科学、技术、工程、艺术、数学知识相融合而开展教学设计并在课堂教学中实施？如何在这个过程中发展学生核心素养？这些均体现出教师的专业能力。教师基于学生的需要，不断研究STEAM课程，这个过程体现了教师的专业精神。每一个STEAM案例的设计过程，也促进了教师的专业精神的发展。将STEAM理念融入教学中，能促进教师在工作岗位上不断学习、不断提升。