当前位置:首页>课题研究>
高中化学“生活中的材料”教学研究
上传: 胡文英     更新时间:2014-1-10 13:40:56

 

高中化学“生活中的材料”教学研究

王耀 (北京四中、 一级教师)

高中化学新课程以进一步提高学生的科学素养为宗旨,着眼于学生未来的发展,兼顾学生志趣与潜能的差异和发展的需要。因此既要把握好对学科知识的教学要求,又要更新教学理念和方式,包括教学方式和评价方式。

“生活中的材料”首先应当研究的问题是生活中的材料究竟有哪些种类 , 它们的结构和性能有何不同,根据它们的不同性质如何更好地利用,为提高我们的生活质量服务。 与其它模块的相关知识相比,生活中的材料具有独特的视角,它的教学重心在于“用”,以“利用”这条核心线索贯穿了对生活中各种材料的结构、性质及其组成的研究和学习。以扬长避短的思路来发挥这些材料的优点,克服它们的不足,是我们学以致用的关键!

材料是人类生产生活的物质基础,随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高,传统的材料得到了发展,大量的新型材料也不断涌现。本主题 在内容的安排上,以材料的应用为主线,重点介绍了金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大支柱材料 。

本专题将从四个方面进行探讨,即该主题涉及的学科知识;教学策略;学生常见错误与问题的分析及解决策略和学生学习目标的检测。

一、主题学科知识的深层次理解

高中化学课程标准对这部分的内容标准包括: 1 .列举生活中的常用材料,能通过实例认识化学在发展生活用材料中的重要作用。 2 .了解居室装修材料的主要成分及其作用。 3 .认识金属与合金在性能上的主要差异,知述生活中常见合金的组成。 4 .描述金属腐蚀的化学原理,知道金属防护的常用方法,认识防止金属腐蚀的重要意义。 5 .知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料及其用途。 6 .举例说明生活中常用合成高分子材料的化学成分及其性能,评价高分子材料的使用对人类生活质量和环境质量的影响。

1. 该主题内容之间的逻辑关系。

生活中的材料主题既包括常识性的内容,如铁合金、铝合金和铜合金的组成,玻璃、陶瓷和水泥的主要化学成分,塑料、合成纤维和合成橡胶的种类、性能和用途等;又介绍了化学学科的基本原理,如化学腐蚀和电化学腐蚀、金属防护常用的方法等;同时渗透了化学科学的一些基本观念,如物质组成的微小改变可能引起物质性能的巨大改变,物质的结构和性能之间具有密切的关系,反应条件对物质的性能有很大的影响,等等。知识、原理、观念及其应用都融合在了材料这个中心话题上,把握好各种材料的功能及其对人类生活和社会发展的重大意义,将是我们创造性地进行研究和教学的中心。

 

 

2. 该主题在整个学科知识结构中的相应位置及相互关系。

本模块除了与必修和义务教育阶段化学有诸多联系之外 , 与其他选修模块也有交叉和联系,如与技术模块的相关性和侧重型的不同。

生活中的材料相关内容在“初三化学”、“必修 1 ” 、“必修 2 ” 、“化学与生活”、“化学与技术”、“化学反应原理”、“有机化学基础”等模块都有所涉及。 下表中列出了本主题相关内容在整个中学阶段的分布情况,它们之间既相互联系又都有不同的侧重

 

初中

化学 1

化学 2

高中选修模块

身边的化学物质(金属与金属矿物)

化学与社会发展 (常见的化学合成材料)

常见无机物及其应用

(例如人教 第三章 用途广泛的金属材料 第四章无机非金属材料的主角——硅)

 

(例如人教

第四单元 金属材料的开发利用 化石燃料的综合利用)

化学与材料的制造、应用(例如:人教 第二单元 课题 3 石油 煤和天然气的综合利用 第三单元课题 1 无机非金属材料 课题 2 金属材料 课题 3 高分子化合物与材料 )

 

生活中的材料(例如人教 第三章探索生活材料:合金 金属的腐蚀和防护 玻璃 水泥 陶瓷 塑料 纤维 橡胶)

化学反应原理

化学反应与能量(金属的电化学腐蚀与防护 电解原理中的电冶金和电镀)

有机化学基础

合成高分子化合物(高分子材料的组成与结构特点 新型高分子材料的优异性能及其在高科技领域内应用)

 

合金的知识包括“认识合金”和“使用合金”两部分内容,在认识合金这一内容上,义务教育阶段学生对合金的概念有一定的了解,还初步知道了合金与纯金属的性能有差异。

 

 

在《化学与生活》的教学过程中,将纯金属和合金的结构加以比较,对合金与纯金属在性能上差异(如硬度、熔点等)的原因从结构角度给出了大致的解释,从而对合金的认识更深入一步。在“使用合金”中,必修化学 1 的第三章第四节简单介绍了铁合金和铜合金。在《化学与生活》的教学过程中,进一步介绍了铁合金、铝合金、铜合金,以及新型合金如储氢合金等。在介绍这几种常见合金的组成、性能和用途的同时,重点强调合金元素的种类、含量对合金性能的影响,以进一步强化“合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以调节”这一基本观念。

第三节介绍了玻璃、陶瓷和水泥的主要化学成分、生产原料和用途,以及光导纤维和高温结构陶瓷等新型材料。本节的学习是在《必修化学 1 》“第四章无机非金属材料的主角—硅”的基础上来学习的。

 

合成材料无论是在人们的衣、食、住、行,还是在现代工农业生产,或是在某些尖端科学技术领域中发挥着越来越重要的作用。第四节主要介绍了传统的三大合成材料:塑料、合成纤维和合成橡胶,以及在航空航天、生物工程和机械工业等领域中应用日益广泛的复合材料。

3. 该主题内容的学科知识的最新研究成就与知识更新、拓展。

关于材料科学领域的研究新成就真的是不胜枚举。例如:智能材料 ( 形状记忆合金 ) 、超导材料 ( 以铌为基的二元或三元合金组成的一种固溶体铌锆合金 铌钛合金 ) 、高温陶瓷 、 功能陶瓷 ( 陶瓷变压器 ) 等等。现在简单介绍一下电活性聚合物和形状记忆合金。

电活性聚合物 ( eap )是一类能够在外电场诱导下,通过材料内部构造改变产生多种形式的力学响应的材料。响应的形式可以有伸缩、弯曲、束紧或膨胀等,从而可以实现牵引、紧固等机械功能。

eap 材料最引人注目的特性是在仿制生物肌肉时表现出来的高韧性、以及很高的传动应变和内在减震能力。和生物肌肉相似性使它获得了 “ 人工肌肉 ” 的名称,并为制造生物信号激励的机器人提供了可能性。这类仿生机器人,灵活而无噪音,同时动作非常敏捷,形状各异,其中包括仿制昆虫。因此, eap 使科学幻想变为现实的步伐有可能远远超过其它传统的转动机构。遗憾的是,目前的 eap 的移动力还不够大,机械能密度也比较低,使它在目前设想到的某些用途中的实用性并不明朗。为了克服这个局限性,需要多个相关学科的协同发展和进步,如计算化学、综合材料科学、电动力分析和材料加工技术等。为了进一步提高对控制电动力相互作用参数的了解,也需要做深入的工作。此外,合成、制造、电极化、成型和操纵等过程的精细化也很迫切,以便最大限度地提高它的传动能力和耐用性。

再说说 形状记忆合金 ( sma )。

形状记忆合金( sma ),发现于 20 世纪 30 年代,经过几十年的发展,已经有了镍钛合金、铜基合金和 70 年代韦曼( c.m.wayman )所开创的铁基合金等几个系列,并已经在工程中(如经日照后能自动张开的由钛镍合金丝编织而成的抛物面形天线,飞行器或海底输油管接头等)和医用材料中(如人工关节、脊柱矫正器和防止肺动脉栓塞症的微型筛状过滤器等)获得应用。形状记忆高聚物( smp )在材料科学和技术领域中也已经不是陌生之物。 20 世纪 80 年代末,日本捷闻、可乐丽、旭化成和三菱重工等公司就开发出聚降冰片烯、反式 1 , 4 -聚异戊二烯和聚氨酯等形状记忆树脂。但是一种材料所具有的某种新的功能的发现,对于它是否真正能够在材料目录中占有一席地位和能否真正为工程技术人员所采用,往往需要经过一个或长或短的时间。它不仅和材料的生产成本和性能的好坏有关,生产工艺的成熟与否,亦即对材料该功能的调控能力和该功能的抗疲劳能力(即寿命)也是需要重视的基本因素,有时可以成为起决定性作用的因素。

据报道,我国中国科学院生物物理研究所下属的北京伽马化工技术开发公司,也已完成了某些医用形状记忆材料的研制与开发前期工作,于 2000 年 10 月通过专家评审。不久将以批量进入市场。

二、该主题的教学策略

(一)该主题教学目标

知识与技能:

1 .认识金属与合金在性能上的主要差异,知道生活中常见合金的组成。

2 .描述金属腐蚀的化学原理,知道金属防护的常用方法,认识防止金属腐蚀的重要意义。 

3 .知道玻璃、陶瓷和水泥的主要化学成分、生产原料及其用途。

4 .举例说明生活中常用的塑料、合成纤维和合成橡胶的种类、性能和用途。

过程与方法:

1 .通过学生自己动手查阅相关资料和归纳总结知识的过程,使学生学会自主学习。

2 .通过钢和生铁、光学玻璃和彩色玻璃、热塑性塑料和热固性塑料等实例,认识材料的组成、结构和性能之间的关系,了解学习和认识化学材料的方法。

情感态度价值观:

1.通过认识化学是材料科学发展的基础,以及化学科学的发展对提高人类生活质量所起的积极作用,激发学习化学的兴趣。

2 .通过学生在教学过程中的交流讨论活动,培养学生的合作意识和探究精神。

3 .通过含量对合金性能的影响,让学生了解量变与质变的关系。

(二)该主题教学重点及案例分析

总的教学重点:各种材料的组成、性能和利用。

具体为:

1 .金属和合金在性能上的主要差异及其原因,铁合金、铝合金和铜合金的组成、性能和用途。

2 .金属的电化学腐蚀原理,金属防护的常用方法和意义。

3 .玻璃的主要成分和生产原理,水泥的主要成分和使用注意事项,以玻璃和陶瓷为例认识物质的组成和反应条件对性能和用途的影响。

4 .以热塑性塑料和热固性塑料以及橡胶的硫化为例,了解物质的结构对性能和用途的影响;化学在提供生活材料方面的重要作用。

下面我们就以重点 1 金属和合金在性能上的主要差异及其原因为例 , 谈谈在教学策略上如何实现重点的强化与教学目的的实现。

案例分析 1 : 生活中的材料 合金

在合金 的学习中,要求学生 认识金属与合金在性能上的主要差异,知道生活中常见合金的组成。这部分知识的教学是建立在义务教育和化学必修课程学习的基础上,新增加了合金的结构与性能之间的关系,合金元素的种类、含量对合金性能的影响.而后者是生活模块的教学重点,由于专业知识与生活涉猎面的匮乏,不少教师往往会感到困惑。

为了让同学们更好地认识物质性质和结构组成的关系,可以让学生研究汽车配件的成分和性能关系,而后再进行交流。也可以介绍不锈钢发现的历史故事来自然而然地渗透元素组成和防腐性能的不同。

 

还可以给同学们播放网络上的优秀视频,很多精彩的科教片可以让我们认识到合金成分对性能的重大影响。(如我给大家提供的关于铁的视频)

播放视频片段 1 :不锈钢种类及用途介绍

 

关于铁合金、铝合金、铜合金的组成、性能和用途,学生已有知识基础,可以采取学生自学、总结的方式,引导学生以列表的形式加以归纳和总结;关于材料在生活中的实例可以让学生自己收集整理。例如一位同学用自家汽车进行的合金研究 (其中涉及到汽车的各个部件是用什么样的合金,各自具有怎样的优良性能) 播放学生 ppt :合金在汽车中的应用

 

重点 2 金属的电化学腐蚀原理,金属防护的常用方法和意义的教学策略。

“生活中的材料”这一主题中虽然要求同学了解金属腐蚀的电化学原理,但不像选修 4 那样重在化学原理的分析,而重在原理的了解和迁移应用,这里我的建议是以用代学,也就是用生活中的现实问题来引发对于金属防护的重要性认识,促进对腐蚀原理的学习。

案例分析 2 : 生活中的材料 金属的腐蚀与防护

北京十五中的 陈欣 老师为我们展现了一节非常成功的公开课《金属的腐蚀与防护》。他利用了自行车的腐蚀和防护的例子充分展开,把金属的腐蚀原理和防护方法的扩展介绍得深入浅出,浑然一体。

首先他引出了金属腐蚀的危害,让学生们带着一种迫切想要就决问题的责任感和紧迫感来进入学习情景。

 

然后,详细分析了金属腐蚀的原理实验和腐蚀的电化学过程。回到自行车,把自行车的防腐方法进行分析,即可以巩固刚刚学过的腐蚀原理,又可以学到很多实际的防护方法。

 

最后,从生活实际出发,讲述不同防锈方法的利弊,总结实际情境中如何合理选择防护方法的原则和流程。

 

(三)该主题教学难点及案例分析

总的教学难点:材料的结构与性质的关系 金属腐蚀的本质及原理

具体为:

1 .合金的结构与性质之间的关系,合金元素的种类、含量对合金性能的影响。

2 .金属的电化学腐蚀原理。

3 .初步建立物质的组成和反应条件对性能和用途有很大的影响等基本观念。

4 . 认识物质的组成、结构与性能和用途的关系。

下面我们就以难点 1 合金的结构与性质之间的关系为例 , 谈谈在教学策略上如何实现难点的突破与教学目的的实现。

案例分析 3 : 生活中的材料 合金

以金属的内部结构为基础,解释当加入了不同的金属原子以后,相对滑动变得更加困难,因而硬度变大了,因为排列方式变得更加混乱,不如纯金属那样规整,所以原子之间的作用力也减弱,因而熔点变低。

 

关于合金的硬度增大,熔点降低这样的特性的解释,我们要特别注意科学性问题。首先要明白合金有三种类型:固溶体、低共熔体、金属间化合物 , 它们的结构特征不同。这些知识是我们这些生活模块的教师必须先弄清楚的。下面先给老师们补充一些拓展的知识:

合金是一种金属元素和一种或几种其它元素(金属或者非金属均可)熔合后而组成的具有进速特性的物质。组成合金最基本的、能独立存在的物质称为组元,简称元。绝大多数情况下,组元即是构成合金的元素。但也有将化合物作为组元的,其条件是化合物在所研究的范围内,既不分解也不发生任何化学反应。根据组元的数量,可分为二元合金、三元合金或多元合金、如简单黄铜是由铜和锌两种元素组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁三种元素组成的三元合金。

固溶体:合金中两组元在液态和固态下都互相溶解,共同形成均匀的固相,这类固相称为固溶体。

相:金属中具有相同的化学成分、相同的结构和相同物理性能的组分。包括固溶体、化合物及纯物质(如石墨)。

低共熔体中形成了两个相,而其它两种结构只是形成了一个新的相。人教版教材上的插图重点描述的是固溶体的示意图,对于它的结构解释也重点针对这种类型。而低共熔体中的相有两个所以硬度可能还不如单一的金属好,例如我们常见的各种金属和水银形成的汞齐以及钠钾合金等等。所以说,深入解释这个结构方面的问题需要一些教师知识的拓展和专业水平的提升的,这也就是选修模块对于教师发展的促进意义啊!

播放视频片段 2 :科技与中国——兵器

这段视频,通过中国古代考古学的发现,了解我们的祖先是如何利用合金的结构和性质的关系来创造文明的,对学生的知识学习进行强化,对学生的爱国情绪进行激发。

(四)该主题教学策略小结。

生活中的材料这个主题的教学策略小结如下:

教学过程中,密切联系学生的生活实际,激发学习兴趣,教师要特别注意对相关拓展知识的掌握和更新,促进自己的专业化水平提高。教师要充分利用信息技术手段, 发挥多媒体的直观教育效果,把那些晦涩的、抽象的学科理论变得生动形象,讲得深入浅出。另外,可以采用学生自主学习的方式,培养学生自学能力和归纳总结的能力。

三、学生常见错误与问题的分析与解决策略

学生常见错误 1 :金属生锈的原理不清楚,金属生锈的影响因素认识不全面。

由于本章材料的知识比较抽象,金属生锈的化学原理也非常复杂,对于很多学习生活模块的理科不见长的学生来说确实非常困难,所以他们才容易产生这样的错误。为了增强学生的感性认识,可利用大量的图片信息和视频材料,充分利用好这些素材会使我们的教学变得既友好又有深度。

例如,金属生锈的原理及影响因素常常是学生出错最多的地方。为了让学生更好地理解金属生锈的影响因素,可以利用教材上的插图,结合 比较法 来进行分析和引入。教材上的插图也是我们比较的重要素材,通过比较可以非常轻松地看到金属腐蚀的影响因素中最重要的还是金属本身的性质,其次还有外因如温度等等。

为了避免给学生的学习制造不必要的困难,教师还要特别注意教学深广度的把握,特别是把金属的腐蚀和防护与原理模块的教学要求区分清楚,原理中更主要的是化学反应本质机理的研究,而生活模块中主要关注防腐的意义和防腐方法的迁移应用。

生活中合金材料的制品,一些采用防护措施的金属材料,硅酸盐工业的产品,合成材料的产品等可以通过图片展示和视频来增加学生的感性认识。

光导纤维和高温结构陶瓷的教学中,可充分利用图片或录像;在新型合金材料的介绍过程中可以采用图片和视频等形式。学生的学习过程中,有条件的学校可以让学生通过互联网等媒体来查阅、收集有关新型合金的资料,然后在班上进行展示和交流。

 

学生常见错误 2 :不能自觉地将自己学过的化学知识应用于生活实际,往往只是机械记忆,死搬硬套。

解决办法:可以将我们对于材料的教学情景仅仅融合在生活中,用生活中一些特殊性能的材料为例来介绍他们的独特性质 , 以用促学,学以致用,这样学生的知识就不是死知识,他们的观念也会更加灵活和富有创意。

例如,我在《金属的腐蚀与防护》授课过程中用过的生活中防护的实例。对老字号剪刀和铁锅防锈的研究和发现,学生非常自然的掌握了金属腐蚀的知识,更重要的是他们知道了这些知识来源于生活,服务于社会!

 

另外教师还可以 充分利用教材栏目,精心组织好学生活动,这些活动都是生活中与化学有关的极好素材!本主题中知识与生活紧密联系,人教版教材中也设置了“思考与交流”、“学与问”、“实践活动”和“资料卡片”等栏目。学生对于为什么要设计这些栏目理解不够,往往对这些环节不重视,轻描淡写,不利于对化学中的生活知识的理解和把握。针对这种现状,教师可以利用这些栏目开展学生活动。例如,让学生查阅资料,填写制造不同汽车配件所用的金属或合金,并解释使用这种材料的原因;就我国发行的第五套人民币中的 1 元、 5 角和 1 角硬币的一些问题展开讨论;对于纤维和橡胶,可从衣服材料的标签入手去研究,发现生活中各种常用的高分子材料,然后引导学生讨论它们的成分和性能用途的关系;可以“合成材料的功与过”为题,组织一次课堂辩论等。教学过程中应精心组织好这些活动,以启发学生思维,培养学生分析问题和解决问题的能力。例如,我在《合金》授课过程中用过的研究世界各国的硬币材质,思考硬币与纸币的区别,思考材质和面值的关系。

 

四、该主题学生学习目标的检测

1. 精选有综合性和启发性的习题进行形成性评价。

生活中的材料主题涉及的问题很多,需要评价的目标也比较繁杂。但是要找到一些非常适合进行综合性评价的习题却比较难。一线教师在学生学习目标检测上容易出现的错误与不足主要体现在仅仅注意知识与技能的考查,忽视了其他教学目标的落实,而且题目过于陈旧,例如下面的两个例子:

1 、 由于铝制品对大脑发育有不良影响,厨具中铝制品已逐步被不锈钢代替,不锈钢的组成是

a 、 含铁、锌、铜的合金 b 、 含铁、镁、铝的合金

c 、 含铁、铬、镍的合金 d 、 普通钢表面镀镍

2 、 光导纤维的主要成分是

a 、 纯硅 b 、 玻璃 c 、 纯 sio 2 d 、 沙子

这些题目只有单一知识点的记忆的考查,不利于对学生进行发展性评价的原则实施。

再来看下面四个比较优秀的评价习题:

例题 1 、 最近,科学家冶炼出了纯度高达 99 、 9999 %的铁,你估计它不会具有的性质是

a .硬度比生铁高 b .在潮湿的空气中放置不易生锈

c .与 4mol / l 盐酸的反应生成氢气 d .在冷的浓 h 2 so 4 溶液中可钝化

(这道测评题目重点考查了纯铁的性质问题,但实际上设计了合金的性质,金属的腐蚀,金属的与酸的化学反应和金属的钝化。这样的综合题目特别有利于考查学生的综合能力与评价能力,为什么生活中没有用纯铁来制造材料,并不是因为它容易生锈,反而是为了其它性能的优良而牺牲了纯铁不易生锈的优点。)

例题 2 、 2000 年 5 月,保利集团在香港拍卖会上花费 3000 多万港币购回在火烧圆明园时流失的国宝:铜铸的牛首、猴首和虎首。普通铜器时间稍久容易出现铜绿,其主要成分是。这三件 1760 年铜铸的国宝在 240 年后看上去仍然熠熠生辉不生锈,下列对其原因的分析,最可能的是

a 、 它们的表面都电镀上一层耐腐蚀的黄金

b 、 环境污染日趋严重,它们表面的铜绿被酸雨溶解洗去

c 、 铜的金属活动性比氢小,因此不易被氧化

d 、 它们是含一定比例金、银、锡、锌的铜合金

(这是一道金属的腐蚀与防护的生活情境题,对于金属腐蚀的原理与防护的方法都有涉及。这道题最可取的一点就是利用化学知识和生活历史等综合知识来进行解决,例如电镀是在 20 世纪才兴起的一种防护的手法,火烧圆明园时还没有大量的电镀制品。而 b 、 c 选项不符合化学原理,所以只能用合金的防锈性能来解释了。)

例题 3 、( 2009 山东卷 9. )下列叙述错误的是

a. 合金材料中可能含有非金属元素

b. 人造纤维,合成纤维和光导纤维都是有机高分子化合物

c. 加热能杀死流感病毒是因为病毒的蛋白质受热变性

d. 在汽车排气管上加装 “ 催化转化器 ” 是为了减少有害气体的排放

(本题考查了考生的化学学科的基本素养,体现了化学与生活的密切相关。钢是一种用量最大的合金,钢中含有碳元素、硅元素、硫元素等非金属元素;光导纤维的成分是 sio 2 ;蛋白质受热而变性;在汽车排气管上加装“催化转化器”是为了把生成的 co 、氮的氧化物转化为无害气体 co 2 、 n 2 。)

例题 4 、( 07 年广东文基 ·65 )下列说法正确的是

a .我国流通的硬币材质是金属单质

b .所有的不锈钢都只含有金属元素

c .镁合金的硬度和强度均高于纯镁

d .广东正在打捞的明代沉船上存在大量铝制餐具

本题很好地考查了学生对金属材料相关问题的学习情况,不仅是知识的记忆,还有生活中的用途以及化学发展史都自然而然融入其中。

解析:有些不锈钢中还含有碳或硅元素,故 a 选项错误;我国流通的硬币是一种合金;合金的硬度和强度等机械性能要好于成分金属;铝在海洋中很容易被腐蚀。因此正确选项为 c 。

2. 借助家庭试验和具有挑战性的真实情景活动进行操作性评价,实现评价方式的创新。

(1) 利用家庭试验来引发学生对于原理问题的兴趣。

 

(2) 利用具有挑战性的真实情景活动进行操作性评价。

“模拟化验科”这个测试活动是让学生真正面对一份病人的尿液(由教师提前用葡萄糖和一些无机盐类配制而成),利用化学知识和实验技能为病人的糖尿病症状测出等级,给出合适的加号。学生可以利用手中的葡萄糖纯药品与尿液来比较来确定病情。他们把自己的测定结果上交以后,教师可以根据学生测定的情况来进行评价。最后再发给学生尿糖试纸,让他们利用医学手段来进行测定,与自己的化学方法进行比较,进而了解更多更有效的糖尿病测定手段。



评论:(未激活和未注册用户评论需审核后才能显示!如需回复,请留下联系方式!)

文明上网,理智发言