探索宇宙和地球 提升学科核心素养

邹璐檑

摘要：人类在对宇宙和地球的不断认识中，推动着科学的前进。本课题以科学家通过对石头的研究，了解宇宙和地球形成的奥秘为线索，创设了“天降陨石中铁元素存在形式探究”“喜马拉雅山脉沉积岩主要成分探究”“海中浮石火山岩探究”三个主题情景。学生在地质勘探的初体验中，认识地球和宇宙的奥秘，复习、强化酸的化学性质，体会酸用途，培养化学学科核心素养。

关键词：化学学科核心素养;酸的化学性质;陨石;地壳运动

文章编号：1008-0546（2022）03-0076-04     中图分类号：G632.41     文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.017

上至九天攬月，下至五洋捉鳖，天宫空间站的成功发射，再次震撼人心。人类对宇宙和地球的探索从未停止，在对宇宙的不断认识中，科学也得到了一次次的进步和飞跃。仰望星空，牛顿在“为什么天上的月亮不会掉下来，而苹果会落地呢？”的追问中发现了万有引力定律;凝视宇宙，伽利略为论证日心说，发明了望远镜，开启了宇宙探索新纪元。类比太阳系，卢瑟福提出原子“太阳系模型”，促进了原子和原子核物理的发展。在中学化学教学中能否将化学知识与对宇宙和地球的探索相结合，既能激发学生的学习兴趣，提升学科价值，促进学科素养的提升，更重要的是让学生认识到未知世界无限浩瀚，并踏上一生追求真理的科学梦想之路。

一、教学背景

酸在生产生活中应用广泛，酸的化学性质是初中化学的重点和难点，也是初高中化学知识的重要衔接点。课程标准对本课题的要求是“认识常见酸的主要性质和用途”，教学过程中，要重视培养学生的创新精神和实践能力，提升学生运用知识主动探究未知的能力[1]。本课为复习课，学生已有酸的基本知识基础。但是在遇到与酸有关的除杂、工业流程、试剂选择、酸的检验、溶质成分分析等问题时依旧比较迷茫，即对知识的理解和应用的能力较差。本课从真实的情景出发，让学生在探究中理解酸的性质和用途[2];在自己设计的流程线路中，感受流程图的基本模型;在对比实验中，比较检验方法的优劣，突破课时的难点，提升能力。

二、教学流程

本课以科学家跟着石头看世界为基本线索，设计三个关于石头的实验探究任务“天降神石-陨石”“山巅圣石-沉积岩”“海上浮石-火山岩”。主要又分为了5个问题活动：①天降陨石中铁元素主要存在形式的探究②如何回收铁元素并中和酸性废液③喜马拉雅山脉沉积岩成分探究④如何检验反应后溶质成分⑤破解海上浮石的秘密，教学流程见图1。

三、教学实录

【课程导入】中国人素来爱石，奇石、玉石、宝石价值不菲，而那些平凡普通的石头，亦是独具灵性。在宇宙诞生之初，他们或许就已经出现，见证了地球的形成、物种的更迭、历史的变迁。地质学界有句老话“侦探跟着金钱走，而地质学家跟着石头走。”究竟研究石头能知道些什么呢？请大家抢答。

【学生回答】周围的矿产、地球的生命历史、推演地质演变、气候变迁等。

活动一：陨石中铁元素的成分探究

【引入新课】今天我们来做个地质学家，带着化学知识上路，解析石头物语，洞察宇宙奥秘。平静的夜，一颗火球突然划过天际，点亮了星空，引起巨大的颤动。宇宙的信使乘风而来，它就是陨石。铁陨石是陨石中的一种重要类型，其中富含铁元素，请大家结合所学知识和图片分析铁元素可能的存在形式。

【讨论回答】主要以氧化物的形式存在，可能有氧化铁、四氧化三铁等。

【提出问题】在自然界中铁元素多以氧化物的形式存在，请同学观察陨铁的切面图片，见图2，是否有一些不同的想法？

【讨论回答】陨铁切面呈银白色、有金属光泽具有

【提出问题】陨石的主要成分究竟是氧化物、还是单质铁呢？用实验探究，请同学们在所提供的实验用品中选择合适仪器和药品来验证你的猜想。

【设计实验】有同学选择用磁铁来验证其主要成分，但是通过信息可知Fe2O3也能被磁铁吸引，因此不能用磁铁验证。当然也可以根据陨石密度进行成分分析。根据之前的学习，同学们最终能选出用稀硫酸来验证铁元素的存在形式，见表1。

四氧化三铁可看作Fe3O4可以看成FeO · Fe2O3，四氧化三铁具有磁性也能被磁铁吸收

【学生实验】取一药匙铁陨石碎片于小烧杯，并逐渐加入过量稀硫酸至固体不再减少，保证固体充分反应，实验结果见表2。

【小组讨论】回收铁元素并中和酸性废液，完善实验流程，见图3。

Fe（OH）2为絮状沉淀不易分离，常常鼓入空气转化为Fe（OH）3除去。

【提出问题】实验中提供药品氢氧化钠与硫酸反应无明显现象，如何证明酸碱发生了化学反应呢，并调节pH接近7？

【讨论回答】可以在原溶液中加入指示剂判断。加入石蕊溶液当红色恰好变为紫色，溶液接近中性。当然也可以在酸中加入无色酚酞，当无色酚酞恰好从无色变为红时接近中性。

【教师讲授】地球中的铁元素主要以氧化物形式存在，而宇宙中主要以单质铁的形式存在。人类最早使用的铁器就由陨铁铸造。铁陨石是行星经过核幔分裂后的核产物，记载着行星早期分馏及后期演化[3]。以此推断，科学发现虽然地壳中几乎没有单质铁，但在地球地幔的组成中有大量的熔融铁，陨石对研究地球内核及太阳系起源和演化有重要意义。

活动二 喜马拉雅山脉沉积岩主要成分探究

【提出问题】来自天上的石头，能告诉我们宇宙的秘密;喜马拉雅山脉的沉积岩，又能告诉我们哪些陆地的故事呢？同学们拿起模拟考古挖掘工具见图4，开始清理发掘。你发现什么化石？借此又想到了什么呢？

【实验回答】清理出贝壳、鱼骨、海螺等化石，学生推测喜马拉雅山脉曾是一片汪洋。

【教师讲授】高山之中怎么会有海生动物的痕迹，难道该地区曾有人类活动以贝壳作为钱币。或如同学们所想，这个地区曾是一片海洋。海相沉积岩是古海洋环境的一种标志，它是由沉淀物所生成的岩石，通常由海中微生物和珊瑚的遗骸形成，并有海中特有的贝类化石，化学成分主要为碳酸钙。我们可以对喜马拉雅山的岩石进行实验，验证猜想。

【学生实验】通过讨论同学们选择用稀盐酸和澄清石灰水验证沉积岩的主要成分为碳酸钙，结果见表3。

【小组讨论】反应后溶质成分分析，并验证其组成。

【讨论回答】反应后一定存在 CaCl2，但实验中没确定酸的用量，溶质中可能剩余 HCl。要证明有无盐酸剩余需要进一步实验验证。

【学生活动】请同学们在本组KT板中选出与酸反应的物质类别和实验现象，一一对应贴在小黑板上。并由老师指点检验H+、除去H+的试剂选择方法，见图5。

【提出问题】能否用硝酸银溶液检验盐酸过量？用化学方程式解释原因。若溶液中溶质为硫酸铜（呈酸性）和硫酸，能否用石蕊证明硫酸的存在？

【讨论回答】不能，CaCl2+2AgNO3=2AgCl ↓+Ca （NO3）2。再含有呈酸性的盐（CuSO4）和酸的混合溶液中，不能用石蕊检验酸的存在;同理在含有碱性的盐（Na2CO3）和碱的混合溶液中，也不能用酚酞检验碱的存在。对于这类混合溶液中酸碱的检验，应先除去会产生干扰的盐，再检验酸或碱的存在。

【教师讲授】贝壳的发现和海相沉积岩的论证，都证明喜马拉雅山脉曾是汪洋大海，几十亿年来地壳板块不断相互撞击、相互挤压，地质学中称之为板块运动，导致山脉隆起，时至今日喜马拉雅山脉还在继续上升。当然科学研究远不止于此，科学家还利用古碳酸钙中稳定同位素13C、18O进行古高程的研究[4]，进一步破解喜马拉雅山隆起之谜。地质学家把地球分外部分為：岩石圈、水圈、生物圈、大气圈。从化学元素的角度金属元素多存在岩石圈，大气圈主要为非金属元素。含金属元素的物质多能与酸反应，工业流程中若遇石性物质（含金属元素、难溶物）多用酸处理。

活动三 破解海上浮石的秘密

【课后延伸】天降陨石、地隆岩石、海生浮石。最后展示神奇的海上浮石，它曾经是地球三大怪象之一。如今人们逐渐认识了这种火山岩石，它摇身一变成了网红，可入药、可洗脸、可搓澡按摩、可养鱼养花。据说它能调节 pH、能通过吸附净水、能杀菌抑菌，好处多多。课下请同学们通过多种方式去了解火山岩的形成、组成、性质，破解浮石之谜，辨别广告真伪。

四、教学反思

兴趣是最好的老师，人类探索自然的愿望似乎又是与生俱来的。陨石、地球形成、板块运动都能引起学生浓烈的好奇心，大大提升学科兴趣，促进学生完成自我知识的构建。而真实的情景体验、实验探究、问题引导是培养学生探究精神与创新意识的关键。实验过程中的污染处理、资源的回收利用，时时刻刻都体现出绿色化学的思想，培养学生科学精神和社会责任。利用化学知识去辨别火山岩广告真伪，提升学科价值、培养科学态度，真正的课堂不是要将水灌满，而是要将学生点燃。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[3] 张翰林，李艳，王时麒.风化作用对铁陨石矿物学特征影响的探讨[J].岩石矿物学杂质，2014，33（2）.

[4] 王成善，戴紧根.西藏高原与喜马拉雅的隆升历史和研究方法：回顾与进展[J].地学前缘，2019，16（3）.

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