“铜的冶炼”复习课的跨学科教学

钱婧

摘要：以“铜的冶炼”为主题，探讨化学、历史的跨学科教学。对铜及其化合物的知识进行有效整合，帮助学生对化学、技术、社会的关系进行跨学科理解。

关键词：跨学科教学;铜及其化合物;铜的冶炼

文章编号：1008-0546（2022）10x-0075-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

一、跨学科教学的内涵及特征

传统的分科式教学强调学科知识的纵向逻辑结构，不利于学生对复杂关系、知识体系部分到整体的把握和理解，因此，在学校教育中，跨学科教学成为新的选择。

“跨学科教学”是以一门学科为中心，选取一个中心问题，运用不同学科的知识，开展对研究问题的讨论和解决的教学活动，旨在促进学生对中心问题的理解或解决，这是单一学科无法做到的。[1]这种新的教学形式应具有以下特征：①具有明确的统整目的，真实的问题往往较复杂，大部分情况下我们无法用单一的学科观点来理解或解决，需要运用两个或更多的学科知识，以一种全新的视角才能探测其内部的奥秘，所以跨学科教学是在整合其他学科的过程中帮助学生增强理解能力的一种手段。②学科间有机整合，跨学科教学中各学科不是简单地出现在同一个主题中，而是要通过问题、活动等形式使各学科有机地联系在一起，帮助学生对正在学习的内容产生更深入细致的理解。③凸显学科的本质性理解，跨学科教学以有意义和相互关联的方式选取各学科的目标并对它们加以组织，所以学科学习仍是教学重点，忽视学科学习的课程整合对任何学科都无意义。[2]

二、跨学科教学主题的确定及教学目标

铜及其化合物的知识是苏州市中考必考的内容，在近三年的苏州市中考卷中主要以选择题中“判断指定反应的化学方程式的书写是否正确”“给定条件下的物质间的转化能否实现”“鉴别、除杂、检验方面的实验操作是否正确”等形式出现，考查学生对铜及其化合物的化学性质的掌握。铜及其化合物知识在沪教版教材中分布很散，在铜及其化合物的复习课中如何将这些知识串联在一起？罗列铜及其化合物（Cu2（OH）2CO3、CuO、Cu、CuSO4）后发现，古代火法炼铜和湿法炼铜这两种技术可包含这些物质的转化关系，联系初三化学课程标准中有“了解化学、技术、社会的相互关系，并能以此分析有关的简单问题”这一课程目标，[3]即需要让学生了解化学与技术的关系、技术的发展以及技术与社会发展的关系。由此确立将“铜及其化合物复习”以“铜的冶炼”为主题展开跨学科教学：围绕不同历史时期铜的冶炼工艺的不同，将铜及大部分铜的化合物的化学性质整合成一张相互转化的关系图，通过实验、资料分析等手段对不同历史阶段的铜的冶炼工艺进行深度学习，使学生运用证据推理、宏观辨识与微观探析等化学特有的思维方式对化学、技术、社会的相互关系进行跨学科理解，促进学生赞赏我国传统技术中饱含的古人智慧，把家国情怀融入学习中。

三、教学流程

以不同历史时期铜的冶炼技术为情境，通过问题、活动将化学、历史有机结合。学生在活动中建构铜及其化合物的转化关系并对化学、技术、社会的关系进行跨学科理解，具体教学流程见图1。

四、教学实施

视频引入：铜在现代生活中的应用。铜可用于制电线、电缆、家用电器中电机的线圈。拆除一个空调压缩机可获得多少铜。

从与学生密切相关的物品中引导学生体验铜是与人类关系非常密切的有色金属。

环节1：青铜时代─火法炼铜

讲述：中国使用铜的历史久远，在几千多年前的夏、商、西周和春秋四个朝代，人类已经能以铜的合金为主要材料制造生活用具、武器、用于祭祀的礼器，可见铜合金在当时人们的生产、生活中已经占据了重要的地位，历史上称那个时代为青铜时代。

思考：商代著名的后母戊鼎，重832.84千克，它主要由铜、锡、铅三种金属熔合而成，其中铜的质量分数达到了84.77%，可见铸造这只鼎至少需要消耗705千克的铜，这么多的铜古人是如何获得的？

呈现资料：自然界中有铜单质存在，但很少，主要存在于红铜矿石中，也叫自然铜，大多数铜以化合物的形式存在于铜矿石中。图片展示孔雀石、黄铜矿、石青。

小结：古代青铜器中的铜是通过冶炼含铜化合物的矿石获得的。

思考：在科学技术并不发达的古代，铜是如何从铜矿石中冶炼出来的？

展示古代火法炼铜的图片。

讲述：青铜时代的冶铜工艺主要是火法炼铜，把铜矿石（主要是孔雀石）粉碎，然后与木炭一起投入陶窑（用陶土做的窑）中烧制出铜。把矿石粉碎的目的是什么？

学生：增大孔雀石与木炭的接触面积，加快反应，使反应充分。

学生活动1（实验1）：在燃烧匙内加热孔雀石粉和炭粉的混合物。

提问：你观察到了什么？

学生：有较多红色的物质。

思考：这些红色物质中有铜，请根据实验中含铜化合物的性质写出获得铜的原理，用学过的化学方程式表示。

学生：Cu2（OH）2CO3=2CuO+H2O+CO2↑，2CuO+C=2Cu+CO2↑

思考：为什么加热完成之后要冷却1分钟再将燃烧匙内的物质倒出？

学生：防止生成的铜重新被氧化。

思考：你们获得的铜为什么是粉末状的，为什么没有熔成铜块？这主要与什么有关？

学生：与燃烧匙内的温度有关。

追问：说明燃烧匙内的温度在什么范围内（与铜的熔点相比）？

学生：燃烧匙内的温度低于铜的熔点。

追问：你认为在这样的温度下我们可否在燃烧匙里进一步冶炼出青铜？

学生：不行，因为燃烧匙内的温度未能达到铜的熔点，也就无法与其他金属熔合在一起。

过渡：当时古人能用火法成功炼出铜，并进一步制得青铜，说明当时的古人已经能将火的温度控制在铜的熔点以上，即1084℃以上，而这一温度的达到与古人制陶工藝的发展是密切相关的。

资料呈现：①古代陶器窑炉结构的改变;②制陶燃料的改变：从木材→木炭。

思考：古人制陶工艺的发展是如何为火法炼铜提供高温的？

学生：制陶窑炉从敞开到封闭，防止热量散失，将木材改为木炭提高了燃料的热值。

追问：从燃烧角度分析，制陶工艺中的2项改变除了获得高温，还能为火法炼铜提供什么关键要素？

学生：制陶窑炉从敞口到封闭，为氧化铜还原成铜提供了还原剂。

小结：制陶工艺的发展使古人在陶窑中获得了高温和还原气氛，由此催生了火法炼铜，从而推动人类从石器时代迈向青铜时代。

思考：陶窑中的还原剂是什么？它是如何还原CuO，获得Cu的？用化学方程式表示。

学生：CuO+COCu+CO2

环节2：铁器时代─湿法炼铜

讲述：到了春秋战国时代，随着铁器的逐渐出现，青铜制造逐渐没落，进入了一个新的时代：铁器时代。在西汉时又出现了一种新的炼铜方法，湿法炼铜，并且这一炼铜方法在宋代达到了一定的规模。

呈现资料：①《宋史·食货志》：浸铜之法，以生铁锻成薄片，排置胆水槽中，浸渍数日，铁片为胆水所薄，上生赤煤，取括赤煤，入炉三炼成铜。②《本草经集注》：鸡屎矾投苦酒中涂铁，皆作铜色，即不纯的碱式硫酸铜或碱式碳酸铜，置于酸溶液中，将铁放置其中，铁片上出现了铜。

学生活动2（实验2）：①将铁丝浸入硫酸铜溶液中;②在孔雀石粉中加入稀硫酸，再将铁丝浸入。

思考：请依据实验中铜的化合物的性质，用化学方程式表示获得铜的原理。

学生：Fe+CuSO4==Cu+FeSO4

Cu2（OH）2CO3+2H2SO4==2CuSO4+3H2O+CO2↑

Fe+CuSO4==Cu+FeSO4

思考：从微观角度思考，古人这两种获得铜的方式有何相似之处？

学生：都是将溶液中的铜离子通过铁置换出来。讲述：我国的这一技术比西方国家早了600多年。思考：为什么湿法炼铜在火法炼铜之后？

学生：因为湿法炼铜需要铁，而铁是在火法炼铜之后出现的。

小结1：火法炼铁工艺的出现才使古人有了用铁置换溶液中铜离子的经验。

追问：为什么火法炼铁工艺在火法炼铜工艺之后？学生：铁比铜的活动性大，难冶炼。

资料呈现：铁、铜的熔点。

小结2：由于铁的熔点、活动性比铜大，更难冶炼，所以火法炼铁是在火法炼铜之后出现的工艺。古人基于火法炼铜的经验，通过再次改变陶窑的结构（使用竖炉）和使用煤炭获得了更高的温度，才出现了火法炼铁，从而推动人类从青铜时代迈向铁器时代。

环节3：现代炼铜

教师介绍现代火法炼铜和湿法炼铜。

思考：你认为现代这两种炼铜工艺与古代的两种炼铜工艺有何相似之处？对此，你有什么启发？

学生：现代火法炼铜仍是高温下将氧化铜还原成铜，现代湿法炼铜仍是将溶液中的铜离子通过一定的方式转变为铜。

小结：古人在炼铜前并不知道为什么孔雀石和木炭可以炼铜，也不知道在胆水中浸入铁片得到铜的原理，后人在不断研究中总结前人炼铜的经验，发展出了现代炼铜工艺。因此在现代的冶铜工艺中，我们或多或少能看到古人冶铜技艺的影子，任何一项工艺从无到有，从来不是一蹴而就的，我们的现代文明一定是在古人不断地摸索、顽强创新的基础上产生的，我们应当珍爱古人的智慧，并在此基础上开创出更加美好的未来。

学生活动3：整理这节课中涉及的含铜物质，画出这些物质的转化关系图，并观察还有哪些学过的铜的化合物未涉及，补充物质间的转化关系（见图2）。

五、教学反思

實践证明，在“铜及其化合物复习”课中以“铜的冶炼”为主题进行化学、历史的跨学科整合，有利于学生积极建构铜及其化合物相互转化的关系图，在实验、证据推理、宏观辨识与微观探析等手段的支持下，学生能深入细致地体会技术发展的逻辑性，更容易理解化学、技术、社会的关系，从而体验到古代化学技术的价值。

参考文献

[1]杜慧洁.德国跨学科教学理念与教学设计分析[J].全球教育展望，2005（8）：28-32.

[2]夏雪梅.项目化学习设计[M].北京：教育科学出版社，2021.

[3]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.