基于认识思路结构化的“金刚石、石墨和C60”项目式教学——探秘人造钻石

李 琼 杨宇航 姜建文

（1.江西师范大学附属中学 江西 南昌 330022；2.江西师范大学化学化工学院 江西 南昌 330022）

《义务教育化学课程标准（2011年版）》中对于“物质构成的奥秘”这一主题的教学目标明确规定“本主题旨在帮助学生用微粒的观念去学习化学，通过观察、想象、类比、模型化的方法使学生初步理解化学现象的本质；从五彩缤纷的宏观世界步入充满神奇色彩的微观世界，激发学生学习化学的兴趣”［1］。因此，为了培养学生将化学学科知识转化为科学素养的能力，发展学生的多元智能，教师在进行教学时应该注意化学教学内容的组织，而帮助学生形成认识思路的结构化则是实现这种转化的关键。

从这一明确规定出发，以“探秘人造钻石”为项目主题，结合人教版初中化学九年级上册第六单元“碳和碳的氧化物”的相关内容，［2］利用该单元中课题1“金刚石、石墨和C60”2 课时的时间，设计了基于认识思路结构化的项目式教学，学生围绕项目主题“探秘人造钻石”展开调研和学习活动。

一、项目主题内容分析

“金刚石、石墨和C60”一课是人教版初中化学九年级上册第六单元“碳和碳的氧化物”第一课时的内容。在前几个单元的学习过程中，学生已经掌握了科学探究的方法并初步形成了从微观角度了解物质构成的奥秘的意识。对“金刚石、石墨和C60”一课的学习，有利于帮助学生加深从微观层面了解物质构成的意识，［3］多样化的项目活动也可以帮助学生在完成相应任务的过程中认识物质的性质和用途，从而提高学生化学学习的兴趣，亲身感受化学世界的魅力。

学生在学习本节课的内容之前，刚刚学习过第五单元“化学方程式”的有关知识，这部分知识在整个初中化学知识体系中理论性较强，学生学习起来会稍显枯燥，［4］学生对化学学习的积极性可能会有所下降，这也会影响学生对“金刚石、石墨和C60”一课有关知识的学习。此外，在日常教学中大多数教师会采取归纳总结后相互对比的方法，将本节课的有关知识生硬地灌输给学生，并通过直接讲解的方法将“结构决定性质、性质决定用途”这一化学统摄性观念强加给学生，学生并不能很好地从认识思路的层面接受这一核心观念。教材中所涉及的有关C60、碳纳米管以及石墨烯等化学学科新发展方向的内容也有可能会被教师一带而过，从而影响学生了解化学学科前沿的发展现状。而设计以“探秘人造钻石”为项目主题的项目式教学，则旨在改变这种现象的发生。项目围绕人造钻石这一生活中的常见商品展开，整体设计六个任务，通过任务驱动的方式驱使学生自己通过实践调研、查阅资料、科学探究和归纳总结等方法完成每项任务，在完成任务的过程中推进课堂教学的进行。

二、项目教学目标

基于以上对“金刚石、石墨和C60”一课主要内容以及认识思路结构化与“探秘人造钻石”项目主题之间关系的分析，设计如下的具体教学目标。

（1）通过社会调查和查阅相关资料等方法，了解金刚石和石墨的结构、物理性质和主要用途，初步认识物质的结构、性质和用途三者之间的关系。

（2）通过对石墨变金刚石这一化学变化的学习，知道不同的元素可以组成不同的物质，同一种元素也可以组成不同的物质，建立物质的组成、结构、性质、用途、制取以及鉴别之间的完整的认识思路结构化模型。初步形成通过物质的微观构成来探索物质变化奥秘的观念。

（3）通过对碳单质相关知识的拓展，知道C60分子的结构特点及其主要用途，巩固知识结构化的化学学习思路，帮助学生提升微观探析的能力。并对碳纳米管和石墨烯有所了解，认识到碳单质是一种具有良好发展前景的化学物质，从而能以发展的眼光看待化学。

（4）通过应用本节课所学的知识来鉴别“人造钻石”，培养学以致用的能力。初步了解化学、技术和社会的相互关系，并能以此分析有关的简单问题。

三、项目任务及教学流程

探秘人造钻石项目在实施过程中的第1课时进行项目导引，主要确定项目任务与子问题，和学生共同探讨解决问题的方案，并进行任务分工。第2课时的展示需要围绕完成包括调研人造钻石、认识钻石（金刚石）、寻找人造钻石的原料、揭秘人造钻石工艺、拓展碳单质知识以及鉴定人造钻石六个任务来进行。教师与学生通过以上六个任务的驱动完成整个项目式教学流程，渗透核心知识、核心方法、核心素养，从而达成本节课的教学目标，项目教学设计框架如图1所示。

图1 项目教学设计框架

四、项目教学实践过程及教学成果

1.调研人造钻石

【课堂导入】相信大家都在电视上看过这样的广告词“钻石恒久远，一颗永流传”，由此可见钻石具有极高的收藏价值和观赏价值。有媒体报道，2020年11月份，上海一家珠宝店的销售人员用定制的廉价人造钻石调包了7颗价值700多万的天然钻石。调包所用的人造钻石，即使专业的人员也需要使用仪器进行检测。那么天然钻石和人造钻石有什么区别呢？人造钻石又是如何制取的呢？今天就让我们一起来探秘人造钻石。

【学生活动】调研组的学生将在当地商场的珠宝柜台进行调研的结果制作成视频在课堂上进行播放，并向同学们展示人造钻石和天然钻石的图片。

【教师支持】教师引导学生总结人造钻石和天然钻石的差别，并帮助学生通过查阅资料探索人造钻石的市场潜力等。

【学生活动】通过进一步查阅资料发现，人造钻石的成分、结构与天然钻石相同，都是由碳元素组成的物质，人造钻石在外观上已经可以做到与天然钻石没有差异，但是天然钻石中的地质成分是人造钻石无法复刻的，因此，人造钻石并没有天然钻石那样美好的寓意，同样等级的人造钻石与天然钻石相比价格可以低数十倍，很少用于做首饰，通常用于工业用途。

【教师支持】教师引导学生进行思考，既然人造钻石和天然钻石的成分和结构相同，那么人造钻石的原石——金刚石，到底是什么结构呢？它又具备什么样的性质呢？

设计意图：通过查阅资料和实地调研对人造钻石和天然钻石的异同有一个初步的了解，激发学生的化学学习兴趣。

2.认识钻石（金刚石）

【学生活动】研发1组的学生通过查阅资料以及翻阅教材所给出的有关信息作出如下总结：金刚石是钻石的原身，是一种由碳元素组成的单质。在金刚石晶体中，每个碳原子与另外四个碳原子相连构成正四面体，整体形成空间立体网状结构（见图2）。接着，学生对教材中涉及到的与金刚石有关的性质和用途进行总结。

图2 金刚石的结构

【教师支持】教师对学生的工作表示肯定，并从金刚石结构的角度帮助学生更好地理解金刚石的性质。金刚石晶体中的碳原子通过一种特殊的方式连接构成正四面体结构，这种连接方式十分牢固，难以发生改变，导致其具有优良的硬度和化学稳定性，因此会被用于切割玻璃或者做轴承。

3.寻找人造钻石的原料

【学生活动】由于钻石是含有碳元素的单质，在查阅大量书籍和相关资料以及在学习过质量守恒定律的基础上，有学生认为也可以用含有碳元素的物质来制造人造钻石。而除了金刚石以外，应用最为广泛的碳单质就是石墨，利用石墨来制取人造钻石或许可行。

【教师支持】教师对学生的猜想表示肯定，并引导学生想办法验证自己的猜想。

【学生活动】在教师的引导下，研发2组的学生提出通过实验来验证石墨和钻石的组成元素是相同的。学生首先设计了如图3a所示的实验装置，在该实验装置中，学生利用加热氯酸钾和二氧化锰混合物的方法为持续加热的钻石提供氧气，经过持续加热的钻石和氧气发生化学反应生成二氧化碳，将二氧化碳通入澄清石灰水中，澄清石灰水将会变浑浊。如果在加热石墨时出现同样的现象，则可证明猜想正确。但在实验过程中学生发现，使用氯酸钾制取氧气无法随时添加药品，这样就无法保证钻石或者石墨可以获得持续的氧气。此外，燃烧石墨和金刚石至少需要800℃的高温，用酒精灯加热效率太低。因此学生又设计了如图3b所示的实验装置，该实验装置使用二氧化锰和过氧化氢来制取氧气，可以随时添加药品，碱石灰也可以吸收实验装置中可能会有的水蒸气。丁烷喷灯则用于快速提供高温，石英玻璃管保证在实验过程中不会被高温所熔化。但受制于实验原料以及实验器材，仅仅在理论层面对实验装置进行了构思和设计，未能真正实施实验来验证石墨和钻石的组成元素是 相同的。

图3 学生设计的实验装置

【教师支持】教师肯定学生通过设计实验方案来验证猜想的思路，即使未能真正地进行实验，但是这种解决问题的方式是值得肯定的。教师播放英国皇家科学院2012年的圣诞讲座视频，为学生讲解该学院使用的实验装置（见图4）是如何验证石墨和金刚石的组成元素是相同的。

图4 验证石墨和金刚石由同种元素组成的实验装置及现象

【学生活动】观看视频后，有学生提出质疑，虽然老师播放的实验视频可以证明石墨和金刚石的组成元素相同，但无法证明石墨和金刚石都是只由碳元素组成的单质。

【教师支持】教师肯定学生善于发现问题并进行思考的行为，同时对学生的疑问作出解答。在使用这套实验装置进行实验时，通过测量石墨和金刚石反应前后的质量并收集石墨和金刚石燃烧分别产生的二氧化碳，计算其中碳元素的质量恰好等于各自消耗的石墨和金刚石的质量，即可证明两种物质都是只由碳元素组成的单质。

【教师支持】石墨和金刚石虽然都是由碳元素组成的单质，那为什么石墨和金刚石属于不同的物质呢？为什么它们的外观看上去差距如此之大呢？

式中直接电能Edirect的计算方式如式(1)～式(8)所示，间接能耗Eindirect的计算方式如式(9)～式(15)所示。

【学生活动】学生通过翻阅教材和查找资料发现，石墨和金刚石虽然都是由碳元素组成的单质，但石墨和金刚石属于不同物质的原因是因为它们的结构不同。石墨是平面层状结构，与金刚石的空间立体网状结构截然不同。

【教师支持】教师提供石墨的结构模型（见图5），并对石墨的结构进行讲解：石墨中每个碳原子与另外三个碳原子相连，多个碳原子之间排列形成类似于蜂巢状的六边形的平面层状结构。既然石墨和钻石是不同的碳单质，那么石墨和钻石的物理性质有何差异呢？如何探究石墨的物理性质？

图5 石墨的结构

【学生活动】实验组学生通过阅读教材、查阅资料总结出了石墨的部分物理性质：颜色、光泽、形状、手感、硬度、导电性，并设计了如下实验方案供全班同学进行实验验证：用药匙取一小匙石墨粉放在白纸上，观察颜色、光泽和形状；用手捻石墨粉，体会石墨的手感；用小刀削12B铅笔芯（主要成分为石墨）体会石墨的硬度；设计如图6所示的两种实验方案验证石墨的导电性。其中2.0 版实验——“神奇的纸电路板”，是利用发光二极管、纽扣电池和12B铅笔来验证石墨的导电性。在实验中，纽扣电池充当电源，用铅笔在纸板上厚涂，纸板上的石墨粉就可以起到导线的作用，课堂上学生用铅笔厚涂石墨粉断开处后发光二极管可以发光，证明石墨具有导电性。在实验组同学的组织下，学生通过分组实验最终探究出了石墨的物理性质，并通过阅读教材、查阅资料总结出了石墨的主要用途。

图6 验证石墨导电性的两版实验装置图

【教师支持】探究结束后，教师引导学生对实验组设计的2种实验方案进行评价。随后，教师将学生总结的石墨和金刚石的性质、用途列表进行对比，并提出问题：同样是碳单质，为什么石墨和金刚石的物理性质和用途存在如此大的差异呢？

【学生活动】因为石墨和金刚石的结构存在很大差异，组成相同，碳原子的排列方式不同导致结构不同，决定了石墨和钻石有截然不同的物理性质。学生在教师的引导下通过手压石墨和金刚石的结构模型，感受二者结构稳定性的差异，体会到二者硬度的本质差异。

【教师支持】此时，学生对金刚石和石墨的结构、性质以及用途有了一定的了解，通过比较石墨和金刚石的结构、性质和用途之间的差异，教师借此帮助学生初步建立结构决定性质，性质决定用途，用途反映性质，性质反映结构的物质认识思路。

设计意图：由金刚石过渡到石墨，通过设计实验证明石墨和金刚石的组成元素相同、探究石墨的物理性质，发展学生科学探究的能力；通过与前面金刚石结构和性质的比较学习，使学生形成结构决定性质、性质决定用途的化学核心观念。

4.揭秘人造钻石工艺

【学生活动】研发3组的学生在了解了金刚石和石墨的结构、性质以及用途之后开始查阅资料，寻找石墨变成金刚石的常见方法。经查阅资料发现，石墨可以在2300℃、4-5 万个大气压这种模拟地幔层的高温高压的条件下，通过镍、锰等催化剂的催化作用下转变成金刚石。［5］为进一步了解其微观变化，学生播放视频展示了石墨变成金刚石的微观过程及工艺流程。

【教师支持】教师对石墨变金刚石的过程进行讲解和评价，指出其优点和不足，并启发学生思考是否还有其他更好的方法合成钻石呢？

【学生活动】创新组的学生介绍人造金刚石的几种新方法。

【教师支持】教师对学生所做的工作表示肯定，并提供资料引导学生总结几种不同的人造钻石工艺在原理上的相似点：原料都需含有碳元素，由于金刚石的结构十分牢固，不管用哪种方法合成金刚石，条件都比较苛刻，由于金刚石具有可燃性，在合成的过程中还要注意隔绝氧气。此时，教师帮助学生在之前已经建立的认识思路的基础上补充物质的制法与物质的组成、结构、性质之间的关系——物质的组成、结构和性质也会决定物质的制法，进一步完善物质的认识思路。

设计意图：通过对石墨变金刚石的工艺流程的学习，完善物质的认识思路，拓展学生的化学视野，与材料科学进行跨学科联系，发展学生的科学素养。

5.拓展碳单质知识

【学生活动】在查阅人造钻石的其他方法的资料过程中，创新组的学生发现可以用C60生产金刚石薄膜，C60是除了石墨和金刚石之外的另一类以碳单质形式存在的物质。学生在课堂上展示C60的球棍模型并对其结构和应用进行讲解，每个C60分子是由60 个碳原子构成的，其形状与足球相似（见图7），又名足球烯，结构较为稳定。C60结构的特殊性决定了它同样具有不同于石墨的性质、用途，广泛应用于超导、催化、材料、医学及生物等领域。

图7 C60的分子结构与足球相似

【学生活动】学生查阅大量资料后发现对于碳单质的研究一直是化学领域的热门方向。除了C60之外，碳纳米管以及石墨烯都相继被发现（见图8）。学生在课堂上展示教师提供的石墨烯、碳纳米管的结构模型：若把石墨的一层碳原子剥离，就可以变成单层石墨片，又称石墨烯，它具有超强、超韧、超导电、超导热、超透光的奇特性能，将成为改变世界的新材料；若将单层石墨烯卷曲起来，又可以变成直径只有几纳米～几十纳米的碳纳米管……

图8 各种神奇的碳材料

【教师支持】教师对C60、碳纳米管和石墨烯的结构、性质和用途作简要总结和对比，继续引导学生加深结构决定性质、性质决定用途，用途反映性质、性质反映结构的物质认识思路。让学生深刻体会到，改变物质的内部结构，就可以合成新物质，让物质具有新的性质和新的用途，这就是材料的奥秘！未来又会发现什么？我们拭目以待！

设计意图：从人造钻石的制作工艺自然引入C60的概念以及碳单质的其他应用，强化结构决定性质、性质决定用途的化学核心观念。

6.鉴定人造钻石

【学生活动】在学习了本节课的有关内容之后，学生提出可以利用金刚石的物理性质来检验一颗钻石的真伪。通过查阅资料发现，金刚石的硬度为10，小块少量的金刚石通常被用于玻璃刀的刀头来切割玻璃。学生在课堂上经过实验验证（见图9）：被玻璃刀划过的玻璃会在表面留下明显的划痕，沿划痕稍稍用力即可将玻璃掰断，而使用钻石进行同样的操作也可以得到同样的实验现象，而使用塑料仿钻、玻璃仿钻无法得到这样的实验现象。

图9 玻璃刀切割玻璃

【教师支持】教师对学生学以致用的精神表示肯定，并请学生介绍珠宝柜台的工作人员是如何在不损害钻石的前提下对其真伪进行检测，使用这种方法或工具进行检测的原理又是什么？

【学生活动】学生汇报前期调研结果并介绍检测原理。珠宝柜台的工作人员会使用钻石真伪检测仪（见图10）来检验一颗钻石的真伪。通过查阅资料发现，钻石真伪检测仪可以检测一颗钻石的真伪是利用钻石的硬度和导热性，真正的钻石硬度很高，检测仪在对其进行检测时小屏幕所显示的硬度数值就会上升至10并变红；由于钻石的导热性很好，检测仪中检测热量的仪器在检测真钻石时会发出“嘀嘀嘀”的声响。

图10 钻石真伪检测仪

【教师支持】教师为学生准备天然钻石、人造钻石、塑料仿钻、玻璃仿钻以及钻石检测笔，请同学在课堂上进行检测，观察实验现象。

【学生活动】学生在课堂上使用钻石检测笔对老师准备的钻石进行检测。

【教师支持】教师肯定学生的动手操作能力，并为学生讲解权威的钻石检测方法是利用其光学性质。比如利用阴极发光（CL）技术，通过高能阴极射线激发钻石中的杂质或晶格缺陷造成的发光中心，由此表现出特定的发光图像可以鉴别出真假钻石。［5］

【学生活动】学生完成任务六后，在之前构建的认识思路中继续补充物质鉴别的部分，学生通过动手实验发现鉴别某种物质的方法也是由它的性质决定的。至此，教师在引导学生完成六项任务的过程中，帮助学生逐步构建了如图11 所示的物质的组成、结构、性质、用途、制取以及鉴别之间的完整的认识思路结构化模型。

图11 认知思路结构化模型

设计意图：通过学习人造钻石的鉴别方法，建构物质的组成、结构、性质、用途、制取以及鉴别之间的完整的认识思路结构化模型，总结升华本节课学习的主要内容，培养学生严谨求实、乐于实践、善于归纳总结的科学品质。

五、项目教学反思与建议

1.项目式教学反思

项目式教学是以任务驱动作为主导，推动学生通过完成任务来推进整体教学流程的一种教学方式。［6］本课程融合了物理的电学、材料学、光学等跨学科知识，可操作性较强，容易在课堂教学的过程中实施，课程理念也符合课程标准和项目式教学的要求。在整个项目实施的过程中，做到了“以项为由，以生为本”，项目任务来源于学生，项目解决交给学生，项目舞台还给学生，充分尊重了学生的想法。本项目式教学课程从设计到最终完成耗时一个月左右，课堂教学则需要2个课时，同常规课相比虽然需要的时间更多，但通过课后访谈和调查发现，学生更喜欢在老师的带领下自己动手参与课堂探究，学生参与越多、真实有趣的问题解决越多，对知识的印象越深刻；项目式教学的合理开展可以帮助不同层次的学生思维能力得到发展，使学生收获颇丰。

2.保证项目式教学有效开展的建议

（1）教师作为整个项目式教学的设计者应该注意教学流程的把控并尽可能地给学生提供帮助和指导。项目式教学虽然是利用学生完成任务来驱动整堂课的进行，但这种教学方式会涉及到比较多的教学活动，比如科学探究、分组讨论以及现场实验等，教师对整个项目流程的合理把控是顺利完成课堂教学的关键。由于本项目涉及到学生离开学校进行社会调研，对于大部分九年级的初中生来说，社会调研是一个比较陌生的领域。教师也应该及时发现学生遇到的困难并给予相应的支持，比如调查地点的选择、调查问卷的撰写等，且必要时陪同学生调研，从而帮助学生顺利地完成所分配到的任务。除此之外，在探究石墨的性质时，会涉及到学生之间的实验探究合作，有些学生的实验设计可能做不到尽善尽美，实验现象同预期相比可能会出现偏差。教师也应该及时有所察觉，在实验设计和操作方面给予及时的指导。项目式教学往往涉及跨学科知识以及与本学科相关的前沿知识，这也需要教师在整个项目开展的前期做好充分的准备，了解与教材相关的专业知识并进行适当拓展，在学生汇报时及时对学生汇报的内容做出专业判断并给出合理建议。

（2）教师在设计整个项目时应该考虑在重要项目节点给出合理的评价并接受教学过程中出现意料之外的动态生成。学生在完成项目式教学某个任务的过程中，教师应该注意发掘学生的设计亮点，在学生汇报总结的过程当中或者结束之后即时给出评价，在学生完成任务后给予相应的反馈，让学生知道自己在完成任务的过程中所表现出来的优势和不足。以本项目为例，学生在任务三“寻找人造钻石的原料”中需要自行设计验证石墨和金刚石是由同种元素组成的以及探究石墨的导电性两组实验装置，教师应该在学生进行汇报之后给出即时的指导以及评价意见，来帮助学生调整自己的想法和设计。在整个项目式学习结束之后，教师也应该在总结本节课所学内容时给出一个整体的终结性评价。［7］对学生所做出的全部努力表示肯定，让学生体会到这是一次经过大家共同努力得以完成的有意义的项目式学习活动，也会让学生更加期待体验更多有趣的项目式学习课程。在实施项目式教学的过程中，当进行“神奇的电路板”实验时，有学生发现在纸电路上撒一些石墨粉二极管会变得更亮。随后，教师引导学生使用物理知识对这种现象进行解释，帮助学生实现学科知识之间的融合，做到知识的跨学科迁移。教师在预设课堂教学时可能并不会考虑到这种情况的发生，当教学没有完全按预设轨道展开时，教师在教学时就应该做到随机应变，帮助学生在认知冲突中发展能力，［8］使学生在教师的引导过程中感悟知识、实现创造，从而使得整个教学过程在师生互动中有序展开。