基于地方课程资源的任务驱动式学习设计

孙玉明 杨玉琴 李学玲

摘要： 以“高铁建设中金属材料的获取”为情境主题，基于承德地区矿产、钢铁厂实际生产过程等课程资源，设计挑选铁矿石、选择还原性物质、揭秘工业炼铁、了解铜和铝的冶炼四个学习任务，引导学生在分析解决实际问题过程中自主建构金属的冶炼相关知识，深度体验学科价值。

关键词： 地方课程资源; 任务驱动; 金属的冶炼; 初中化学; 真实情境

文章编号： 10056629（2022）07004306

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

“素养为本”的教学要求创设真实且富有价值的问题情境[1]。“真实且富有价值”意指基于真实世界中的问题、从事任务驱动的真实学习，正是在真实的任务和真实的学习中，知识得以创造，素养获得发展[2]。结合具体教学内容，巧妙开发和利用地方课程资源，创设真实的问题情境和驱动性学习任务，不仅让学生体会到化学就在身边，凸显化学学科价值，还能有效提升学生的家国情怀，落实学科育人目标。

学生所在的承德地区具有得天独厚的钒钛磁铁矿资源，学校附近就有矿山。承钢1954年建厂，是中国钒钛磁铁矿冶炼和钒提取加工技术的发祥地，拥有从采、选、运到冶、炼、轧完整的钢铁生产体系。生产的钢材产品广泛应用于如长江三峡、连云港核电站、黄河小浪底水利枢纽、润扬长江大桥、上海东方明珠电视塔、中国大剧院、北京奥运场馆、中央电视台新址、港珠澳大桥等国家重点工程。2018年，承钢含钒抗震钢首次直供高铁项目，开启了产品应用于高铁建设的新时代[3]。作为当地的大型支柱性企业，很多学生的家人、亲戚朋友都在承钢或曾经在承钢工作过，对工厂及其产品具有一定的熟悉度和亲切感，这为课程资源的开发及利用提供了可行基础。

1 教学主题内容与课程资源利用

“金属和金属材料”位于人教版九年级化学教科书第八单元，我们选择“高铁建设中的金属材料”作为承载该教学单元的大情境，将单元划分为“高铁建设中金属材料的选择”“高铁建设中金属材料的获取”及“高铁建设中金属材料的保护”三个课题。课题1主要探究选择金属铁作为高铁轨道材料、铝作为车体材料、铜作为电传输材料等[4]。课题以“这些高铁建设中所需要的金属材料从哪儿来”为大问题设计系列驱动性学习任务，依托地方课程资源的开发，为学生提供感性认识材料和理性分析材料的支持。学生以“企业工程师”角色分析和解决真实的工业生产问题，从而改变以往课题教学过分依赖教师讲授、学生死记硬背生产原料和反应的化学方程式的学习方式。地方课程资源的开发利用与教学内容及教学时段的关系归纳如表1所示。

2 学情分析

通过课题1的学习，学生已知高铁建设需要铁、铜、铝等金属材料，也已知氢气、碳、一氧化碳等物质具有还原性以及元素守恒等，但没有将这些知识整合在一起解决生产实际问题的经验;学生熟知当地有很多矿山，但真正见过矿石的学生不多;学生常见运送煤、铁精粉等原料的火车开进钢铁厂以及各种钢材从工厂运出，但不能将之与所学化学学科联系起来。本课题从高铁建设对金属的需求量很大这个现实问题出发，用地方资源组织学习活动，贴近生活，贴近学生。学生通过课堂上“铁”的冶炼方法的探究，掌握金属冶炼的一般思路，然后迁移到课外独立探究“铜”和“铝”的来源。

3 学习目标

（1） 通过寻找当地矿产资源，体悟金属在自然界中的存在，能根据金属含量、环境保护、安全生产、经济成本等因素选择生产原料。

（2） 通过分析工业炼铁的原理，比较实验室制法与工业生产的异同，发展基于证据推理解决生产实际问题的能力，培养安全生产、绿色化学等观念。

（3） 会利用真实的工业生产数据解决化学反应中所含杂质的相关计算问题。

（4） 通过课外探究初步了解铜和铝的冶炼方法，进一步体验化学知识的应用价值。

4 教学流程

教学流程见图1。

5 教学实录

5.1 创设情境，激活旧知

[师]同学们，通过上节课的学习，你们已经知道高铁建设中需要用到哪些金属材料？

[生]高铁的钢轨、车轮和转向架主要材料都是钢，车体主要是铝合金，電传输系统主要是铜合金。

[资料展示]这些数据（见表2）你知道吗？

[师]读了这些数据，你有何感想？你觉得有什么问题需要解决？

[生]要建成现代化铁路强国需要大量的铁、铝和铜等金属。我们当地有许多金属矿石，它们是怎么变成金属的？

[师]我们学校附近的承德钢铁集团所生产的钢材就用于高铁建设（展示相关新闻）。假如你是集团的一名工程师，现在需要完成一批钢材生产任务，你觉得有哪些主要因素需要考虑？

[生]生产原料、工艺、安全、产品质量、产量等。

[师]本节课我们一起来解决这些问题。

设计意图： 从身边的化学资源出发，设计驱动性学习任务。

5.2 学习任务1： 挑选铁矿石

[问题1]我们当地有哪些矿石资源？

[学生汇报课前调研结果]

（1） 黑山、大庙等山上有较大的铁矿。黑山铁矿主产磁铁矿石、黄铁矿石（FeS2）和黄铜矿石。大庙铁矿表层为赤铁矿，深层为磁铁矿。

（2） 寿王坟铜矿主产黄铜矿石。

（3） 峪耳崖金矿以自然金、银金矿和黄铁矿为主。

（4） 兴隆、宽城盛产富含铁元素的“京东板栗”，是因为土壤中富含铁元素。

[实物展示]当地的赤铁矿石、磁铁矿石、黄铁矿石、黄铜矿石。

[衍生问题]这些矿石的主要成分是什么？金属在自然界中以哪些形式存在？

[学生活动1]探寻金属在自然界的存在形式

[分组讨论]阅读教材，结合课前调查，完成表3。

[引导归纳]地球上，少数很不活泼的金属（金、铂、银等）以单质形式存在，其余大多以化合物的形式存在。故要得到铁需要冶炼矿石。

[衍生问题]作为“工程师”，你会选择哪种铁矿石？为什么？

[学生活动2]挑选铁矿石

[分组讨论]结果见表4，选择磁铁矿石或赤铁矿石。

[引导归纳]同学们和炼铁厂工程师想法一样，都是选用磁铁矿石或赤铁矿石。选矿石的原则： 来源广，金属含量高、有害元素少。

设计意图： 利用身边的矿产资源，培养综合分析能力。

5.3 学习任务2： 选择还原性物质

[过渡]以赤铁矿作为生产原料，作为“工程师”，你接下来需要解决什么问题？

[生]选择一个化学反应，将Fe2O3转化为Fe。

[问题2]从反应前后的物质组成分析，你认为应该选择怎样的反应？

[生]转变的关键是使Fe2O3失去氧元素，也就是要找一个具有还原性的物质。

[学生活动3]选择还原性物质

[分组讨论]列举学过的还原性物质，选出一种作为生产原料，说出选择理由。

[交流结果]还原性物质： 氢气、一氧化碳或单质碳。

大部分学生选择氢气，理由产物是水，环保。

一部分学生选择一氧化碳，理由是一氧化碳是气体，反应接触面积大，速率快。

个别学生选择单质碳，理由是一氧化碳运输存储困难，且有毒，而氢气生产成本高、存储运输困难。

[学生采访工程师录像1]工程师介绍炼铁原料焦炭： 承钢炼铁选用的是焦炭。原因是工业炼铁是大规模的生产活动，原料要求具有数量大、成本低、易存储运输、使用安全方便等特点。铁矿石也要加工成含铁品位高，还原性能好的球团。实际生产中原料加入的是焦炭，但还原球团中氧化铁的是一氧化碳。

[课程资源支持]自拍视频资源——工业炼铁原料焦炭和球团的加工： （1）焦炭的生产。焦化厂（原料煤被加工成煤粉，几种煤在配煤槽中按比例混合后，从焦炉顶部加煤孔加入炉中干馏，再到干熄罐中熄焦得到焦炭，同时得到焦炉煤气等多种副产品）。（2）球团的生产。选矿厂（铁矿石经过破碎、磨碎、选矿等加工处理，得到含铁成分较高的铁精粉）→烧结厂（将铁精粉加工成球团）。如图2所示。

设计意图： 利用课前开发的工程师采访视频资源，增强真实性，引导学生对理论推理结果与实际生产过程进行比较。

5.4 学习任务3： 揭秘工业炼铁

[过渡]高炉内还原氧化铁的是一氧化碳，焦炭是如何转化成一氧化碳的呢？

[问题3]工业炼铁用了哪些原料？焦炭起到什么作用？发生了哪些化学反应？

[学生活动4]走进炼铁厂

[学生采访工程师录像2]工程师讲解承钢高炉炼铁视频如图3所示： 炼铁厂（皮带将焦炭、球团等运送到高炉内，同时风机将热风炉内的热空气吹入高炉，炉内发生系列化学反应）。焦炭除了生成还原性物质CO，还是发热剂和料柱骨架。

[分组讨论]高炉炼铁生产过程。

[讨论结果]见表5。

[衍生问题]一氧化碳是如何将氧化铁转化成铁的？

[学生活动5]观察实验室模拟炼铁

[观察分析]观察演示实验“一氧化碳还原氧化铁”过程，记录分析步骤和实验现象。

[学生汇报]高温下，一氧化碳能将氧化铁中的铁还原出来，得到纯铁。实验操作要做到“一通（CO）二热三熄四停（CO）”。

[过渡]现代高炉炼铁的核心反应是一氧化碳还原氧化铁，但此时获得的铁中还含有碳（含碳量为2%～4.3%），所以称为生铁。

[衍生问题]高铁建设需要的是“钢材”，生铁是怎样炼成钢的？

[学生活动6]走进炼钢厂

[课程资源支持]炼钢厂氧气顶吹转炉炼钢如图4所示。

[学生采访工程师录像3]工程师解说转炉炼钢主要化学反应： 转炉炼钢是将氧气直接吹入红热的铁水中，气体产物主要是一氧化碳（转炉煤气）。生铁中含碳量降低，降到一定标准就成了钢，多次冶炼精度会更高，得到不同标準的钢。

[师]古代人把高温下烧红的生铁反复捶打“百炼成钢”。两种炼钢方法都是“降碳”，那么，其中碳元素发生的主要化学反应是否相同？

[生]不同。转炉炼钢主要生成CO;捶打炼钢主要生成CO2。

设计意图： 学生在观察真实的工业生产过程中，分析其中所蕴含的化学反应;再通过观察演示实验，强化认知。利用课程资源支持，让学生感知从“铁”到“钢”的变化过程，建立对工业炼铁较为全面的认知。

[过渡]当地钢铁厂如何根据生产实际，预算投入多少矿石？

[学生活动7]含杂质计算

[课程资源支持]承钢目前有8座高炉，可年产生铁（含铁96%）878万吨，计算需要含Fe2O3 70%的赤铁矿石多少万吨？

方案1： 利用化学方程式计算。

方案2： 利用质量守恒定律，反应前后铁元素质量相等计算。

[计算结果]1720.14万吨。

[引导归纳]利用化学方程式计算时，代入和求出的质量都是纯量。

设计意图： 紧扣地方课程资源，设计真实计算任务，引导学生像生产者一样分析解决问题。

5.5 学习任务4（课后）： 了解铜和铝的冶炼

[问题4]高铁用到的大量铜和铝来源于哪里？工业上是如何进行冶炼的？你认为化学与家乡、国家的建设有什么关系？

[学生活动8]调研承德地区寿王坟铜矿，查阅并总结铜和铝的冶炼方法（略）

6 知识建构

图5为主板书，铜矿石到铜和铝矿石到铝的转化反应由学生完成学习任务4后补充。

7 教学效果与建议

7.1 教学效果

基于当地课程资源的真实情境任务驱动式学习激发了学生的认知兴趣，学生积极主动参与了矿石寻找、原料选择、反应原理设计、关键生产环节分析等将化学知识应用于生产实践的科学之旅。作业结果显示，较好地达成了预设的学习目标。

学生课外调查“铜”和“铝”冶炼的任务具有较强的开放性，结果显示，学生能主动迁移课堂所学“铁的冶炼”的思路和方法，并用设备图、流程图等方式呈现调查结果，显示了较好的信息获取和加工能力。部分学生作品展示如图6所示。

7.2 教学建议

（1） 需根据学习目标开发课程资源。工业炼铁工艺较为复杂，教师需要根据学习目标及学生认知水平，适当裁剪、简化课程资源，让学生在真实的生产情境里，提取关键信息，经历分析、交流、求证等思维过程，完成学习任务。

（2） 需基于学生水平处理好探究和“告诉”的关系。教学中发现，还原性物质的选择是本节课的难点。虽然在九年级上册“课题2燃料的合理利用和开发”中学过焦炭，但学习本课时，全班学生都说不出焦炭的来源。在“活动3选择还原性物质”中，大部分学生选用氢气，少部分学生选用一氧化碳，个别学生排除氢气和一氧化碳后不得已选用了碳。观看焦炭的生产视频后，学生认同焦炭经济易得、便于存储运输，但还是顾虑两种固体反应物接触面积小影响反应速率和产量。此时，利用预先拍摄的工程师采访视频告诉学生“实际生产中原料加入的是焦炭，但还原球团中氧化铁的是一氧化碳”，让学生带着些许“疑惑不解”去主动寻求答案，更好地体会物质转化的神奇和妙用。

（3） 需處理好学生活动耗时长与课堂时间有限的矛盾。本节课学生活动较多，且有一定的开放性，课堂时间不宽裕。可根据学生水平调整活动安排，比如“学生活动2挑选铁矿石”需计算矿石铁元素的含量，可以分配到每个小组分别计算一种物质。另外，由于学生第一次接触杂质含量计算，教学中应仍以教师的讲解为主，因学生未得到充分的思考和练习，需在课后进一步巩固。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 74.

[2]杨玉琴， 倪娟. 从情境素材到教学情境： 如何创设富有价值的问题情境[J]. 化学教学， 2020， （7）： 10～15.

[3]河钢承钢： 含钒螺纹钢筋首次直供高铁项目[EB/OL]. （20180813）[20211218]http：//www.worldmetals.com.cn/viscms/qiyedongtai0275/20180813/245343.html.

[4]李学玲， 杨玉琴， 周志源. 基于真实情境的任务驱动式学习设计——高铁建设中金属材料的选择[J]. 化学教学， 2021， （11）： 54～59.