基于化学核心素养培养的教学设计

基于化学核心素养培养的教学设计
—以“镁的提取及应用”为例
单来君1于淑儿1贾冠琳2
（1.浙江省宁波第二中学浙江宁波315010 2.宁波大学教师教育学院）
摘要：以“镁的提取及应用”为例谈“培养学生核心素养为目标”的化学教学。

关键词：核心素养教学设计镁的提取
本文是宁波市第四届基础教育教学展示活动的一节展示课，课例依据苏教版《化学必修1》专题二第二单元“镁的提取及应用”，现整理成文并请大家指正。

1 教学设计思路
爱因斯坦曾经说过“所谓教育，就是一个人把在学校所学全部忘光后剩下的东西。

”若干年后，学生在课堂上所学的具体知识可能已经被遗忘，但是化学学科特有的思维习惯、思想方法、以及严谨求实的科学态度和努力探索的优良品质会烙印在学生的脑际，使其受益一生。

基于以上认识，在备课过程中一直思考如下问题：如何通过具体的知识载体培养学生化学学科的核心观念？如何在具体的教学过程中让学生的化学核心素养的培养落地生根？
带着以上问题对教材和学情进行分析：“镁的提取及应用” 以“社会应用—工业生产—性质探究”为线索，从工业生产实际出发, 通过实验探究法, 引出镁单质及其化合物知识。

使学生在习得相关的化学知识、实验技能和探究方法的同时，认识到自然资源的利用与化学科学是密不可分的，体现了人与自然和谐共处的重要意义，这也是本专题的主题思想。

而本节课包括镁的应用、性质、和提取三部分内容，镁的性质通过初中金属的学习和前面金属钠的学习，学生对镁与酸、水的反应、以及与非金属单质氧气、氯气等反应比较熟悉，但对镁与氮气和二氧化碳反应相对陌生。

故本课例教学重点是在对工业上镁的提取的工艺流程的归纳提炼中渗透化学学科素养的培养。

通过自身参加的铁人三项比赛所用的自行车材料以及生活中镁广泛应用情景引入新课，让学生从具有社会责任感的企业家的视角，综合考虑原料廉价易得、条件控制、物质循环利用、生产过程绿色化、环境保护、生产安全问题以及效益最大化等STSE思想。

从分离和沉淀剂的选择、原料富集、冶炼方法的选择、实验方案设计及评价、工业流程图的完善、化工产业链的完善等几个方面，紧紧围绕学科核心素养培养设计7个问题环环相扣、步步推进，让学生经历了一个工艺设计师的思维过程，并在此思维过程中，达到对化学问题的深层理解，这是在形成学科思想的基础上，通过不断地抽象概括而形成的。

通过以问题为主线来创设真实、生动的学习情景和多种形式的探究活动，引领学生主动思考，实现知识的理解、具体观念的形成及学科思想的建构之间的有效转化。

2 基于核心素养培养的教学目标
图1 教学目标图
3 教学过程实录
环节一：情境引入
[引入] 老师参加铁人三项比赛的自行车照片
[教师] 2016年10月16日在美丽的宁波东钱湖举行了2016年中国铁人三项联赛，这是老师在自行车换项区的合照，铁人三项包括游泳1.5公里、自行车40公里、跑步10公里。

为了骑得更快，老师身边的自行车都很轻，大家知道这些自行车的主要材料是什么？
[学生] 碳纤维、镁合金
【媒体展示】展示镁合金在汽车、电子产品壳体、以及航天航空等方面的应用的相关图片。

（课前提供有关介绍镁的资料或网站，同学自己浏览资料或网页）
[教师] 请同学谈谈Mg的前景
[教师总结]镁被称为21世纪最具有开发和应用潜力的绿色工程材料，它具有比重轻、减振、压铸成形性能好、散热性较好和易回收等优点。

立足于节能、减排的出发点，它是在产品轻量化进程上极具竞争力的材料。

[过渡] 镁不仅在高科技领域有着广泛的应用，还与我们的日常生活密切相关。

它是大自然赐予人类的宝物，既然镁的应用如此广泛，那么，该如何从自然界中获得镁呢？
【媒体展示】镁在自然界中的存在方式和镁资源的分布：1．镁资源储量比较；2．海水中元素的分布图。

[教师] 自然界中，镁以化合态的形式存在，在地壳中存在菱镁矿、光卤石等含镁矿石。

更多的镁元素存在于海水中，海水中Mg元素的含量仅次于Cl元素和Na元素，总储量约为1.8×1015t。

浩瀚的大海覆盖了约70%地球表面，目前世界上生成的镁60%来自海洋，而我们宁波又是沿海城市。

如果你是一位企业家，想在宁波建设一个制取镁的工厂，你想选择哪种原料？你的依据是什么？
[学生] 海水、资源丰富，成本低。

【设计意图】从教师本人生活中铁人三项比赛的自行车材料引入新课，拉近了师生间的距离，使学生快速进入学习状态。

借助有关镁广泛应用的美轮美奂的图片，给学生营造强烈的视觉震撼，让学生认识化学在科技和社会中的应用，化学的发展将推动科技和社会的发展，赞赏化学对社会发展的重大贡献。

强烈地激起学生探究获取镁的欲望。

并通过地壳和海洋中镁资源的分布对比，让学生感受镁资源的丰富。

把学生的角色定位于企业家，从化工生产需要角度，考虑原料易得与否、成本高低等因素，渗透了成本控制、资源就近利用的技术思想。

环节二：方案设计
1、分离和沉淀剂的选择
问题1：海水中含有Na + Mg 2+ Ca 2+ K + 等阳离子， 采用什么方法将Mg 2+
从海水中分离出来呢？
[学生] 加入一种沉淀剂使镁离子沉淀下来，而其他离子不沉淀，从而与其他离子分离开。

【活动探究1】 (1)分别向2.5 mol ·L -1的CaCl 2溶液中、2.5 mol ·L -1的MgCl 2溶液中滴加1 mol ·L -1 NaOH 溶液，观察现象；(2)分别向2.5 mol ·L -1的CaCl 2溶液中、2.5 mol ·L -1的MgCl 2溶液中滴加1 mol ·L -1 Na 2CO 3溶液，观察现象。

【媒体展示】 表1 常温下常见的镁的化合物的溶解度(g/100g H 2O)
问题2：工业生产中为了尽可能获得更高的利润，应该选用哪种沉淀剂？这种沉淀剂该如何获得？
【媒体展示】 表2 常见几种碱的市场销售价格
[教师] 其实我们可以利用海边的贝壳来获取氢氧化钙，由于氢氧化钙微溶于水，就像工业上制漂白粉一样，用石灰乳而不用石灰水。

2、富集
[教师] 海水资源的的特点：离子浓度小、总储量大，海水中镁离子的浓度只约为1.29 g ·L -1，能不能直接往海水中加沉淀剂？为什么？怎么办？
【活动探究2】 分别向0.05 mol ·L -1（模拟海水）、2.5 mol ·L -1的MgCl 2溶液中滴加1 mol ·L -1 NaOH 溶液，观察现象。

现象：模拟海水中无明显现象，3mol ·L -1的MgCl 2溶液中生成白色沉淀。

[教师] 海水中镁离子的浓度很小，如果直接加入沉淀剂，镁离子的沉淀效果不佳，而且沉淀剂的用量非常大，生产成本也就非常高。

就像溴的提取一样，采用先增加浓度富集后加沉淀剂的方法。

以海水晒盐后的苦卤水为原料，这样不仅提高了海水中镁的含量，同时也去掉了大部分的Na +、 Cl -。

【媒体展示】海水晒盐图
3、冶炼方法的选择
[教师] Mg(化合态) Mg(游离态) 从化合价上看由正二价到零价被还原，那么通过前面的学习我们知道金属冶炼可以采取哪些方法？
[学生] (1)电解法 2NaCl(熔融)=====通电2Na ＋Cl 2↑
(2)还原法CuO ＋H 2=====△Cu ＋H 2O CuSO 4 ＋ Fe == FeSO 4 + Cu Fe 2O 3+3CO =====△ 2Fe+3 CO 2
问题3：如何将Mg(OH)2转化为Mg ？
【活动探究3】 请设计由Mg(OH)2到Mg 的可能途径。

[学生] 由Mg(OH)2到Mg 的三种途径：
【媒体展示】表3几种镁化合物的熔点物质MgO MgSO4MgCl2Mg(OH)2熔点（℃）2800 1124 712 280℃时分解
[教师] 根据Mg在金属活动性顺序表中所处的位置，试分析讨论Mg的冶炼应采用何种方法？
[学生] 方案1中，因镁能置换出盐酸中氢离子，所以镁的还原性强于氢气，故不能进行，如果用碳或CO来还原，能否发生？是否可行有待考证。

方案2中，MgO熔点高，电解时候消耗电能大，不经济。

方案3中，如果电解MgCl2溶液，获得的是Mg(OH)2 。

所以应该电解熔融状态的MgCl2
[教师] 实际工业上对菱镁矿进行煅烧得到氧化镁，将焦碳高温下还原制备金属镁称为碳热还原法，还有一种常用硅作还原剂还原制镁的工艺称为皮江法，大家课下可以查阅参考资料《镁的冶炼史》。

问题4：我们可以通过哪种实验方法和操作将氢氧化镁转化为无水氯化镁呢？
[学生] 将氢氧化镁与盐酸反应，然后通过蒸发结晶来获得氯化镁
[教师] 有些溶质从溶液中析出，不带结晶水，如氯化钠、有些溶质从溶液中析出，带结晶水如五水合硫酸铜晶体。

蒸发结晶氯化镁溶液获得的是六水合氯化镁晶体。

要得到无水氯化镁，需要在一定条件下加热六水合氯化镁晶体。

【设计意图】从经济效益和充分利用海洋化学资源的角度出发（选用Ca(OH)2最合适——价廉、易得，贝壳和珊瑚的主要成份为CaCO3）培养学生经济效益意识和海洋资源综合利用意识。

通过实验探究，感受海水中Mg2+浓度小的特点，如果直接加入沉淀剂，镁离子的沉淀效果不佳，而且沉淀剂的用量非常大，生产成本也就非常高。

根据Mg2+在海水中总量很大，但是浓度很低，需要进行富集。

（利用海水晒盐得到的卤水）使学生知道提炼金属的一般方法：原料的分离提纯、富集、冶炼方法的选择。

使学生初步建立金属冶炼的一般模型思想。

体会从自然界获得人类所需物质的一般思路。

（模型认知）而对于冶炼方法的选择，则采用了先行组织者教学策略，首先让学生回忆初中学过的金属铁、铜的冶炼方法，刚学过的金属钠的冶炼方法，为选择镁的冶炼方法提供知识的固定点。

学生根据已有知识提出不同方案，再结合资料卡片和已知化学反应原理，给各个方案进行评价，选择合理生产流程。

在方案评价过程中考虑学生实际情况对氢气和焦碳能否还原氧化镁？学生提出假设如果镁条可以与水与二氧化碳反应发生反应，那么可以说明氢气和焦碳难以还原氧化镁。

并设计实验方案进行探究得出结论，基于学生已有知识经验，（实验探究）对于焦碳能否还原氧化镁的知识难点，通过介绍实际工业中冶炼镁的热还原的常用的两种方法皮江法和焦碳法来拓展学生的视野，引导有兴趣、学有余力的同学课后进一步学习。

（创新意识）对于电解氧化镁还是氯化镁则根据两者的熔点的差异，从能耗上进行比较，最终得到最佳方案。

环节三：总结提升
问题5：电解副产物Cl2如何处理？
[学生1] 氯气有毒，可以用氢氧化钠溶液吸收。

[学生2] 用氯气生产盐酸，可以循环利用，并减少污染。

问题6：从产业链角度考虑，如果在海边建造化工园，除了工业制镁外，还可以增加哪些相关的工厂？
[学生] 海水晒盐、用氯化钙制干燥剂、氯碱工业、制石灰、制漂白粉、制盐酸。

[教师]舟山将建大型海水淡化处理厂
【知识梳理】根据以上分析，请同学们画出从海水中提取镁的生产流程图，并写出相关的化学方程式。

[学生] 总结、交流、完善流程图。

图2 从海水中提取镁流程图
【设计意图】 渗透绿色化学思想，增强物质的综合利用和环保意识；进一步认识到海水是宝藏。

深切感受化学知识的力量，对与化学有关的社会、工业生产问题进行思考和决策，培养学生的社会责任感和经济效益意识。

最后通过认识镁的化合物之间的转化，巩固物质分离与提纯方法的应用，学会梳理镁及其化合物之间的相互转化，整合知识，建构从海水中提取镁的知识网络。

有助于学生主动构建自身发展所需的化学基础知识和基本技能。

环节四：返璞归真——镁的性质探究（Mg ——Mg 2+）
问题7： 工业生产除了考虑原料成本、物质循环利用、三废处理外还要保证生产的安全性，通常我们可以使用水或CO 2灭火，假如金属Mg 着火了，能不能用它们灭火呢？
氮气可以做保护气，如果在电解过程中要将镁和氯气隔离开来能否使用氮气呢？下面就让我们通过实验来寻找答案。

【活动与探究4】 实验一：Mg 除去表面MgO 后与H 2O 反应，再滴加酚酞。

【演示实验】 实验二：Mg 条点燃后伸入盛有CO 2的集气瓶中
【媒体播放】 镁条在氮气中燃烧 观察现象书写方程式
[教师] 通过以上分析和初中的学习，请你说出镁有哪些性质？
[学生] 镁可以在空气中剧烈燃烧，发出耀眼的光，放出大量的热，生成白色固体。

镁可以与盐酸反应放出氢气。

镁条白色固体比较轻。

[学生] 总结书写化学方程式
（1）与酸和水反应：Mg ＋H 2SO 4==MgSO 4＋H 2↑ Mg ＋H 2O=====△MgO ＋H 2↑
（2）与二氧化碳反应:2Mg ＋CO 2=====△2MgO ＋C
（3）与氧气反应： 2Mg ＋O 2=====△2MgO
[学生] 观察现象书写方程式 3Mg ＋N 2=====△Mg 3N 2
【练习与实践】 请指出上述氧化还原反应中元素的化合价变化，分析电子转移方向和数目，并指出氧
化剂还原剂。

[教师] 通过上面的分析，我们发现镁具有强还原性，是一种活泼金属。

为什么？
[学生] 镁原子很容易失去最外层2个电子形成镁离子。

【设计意图】紧紧围绕工业流程提取镁过程中生产安全问题渗透镁相关性质的探究。

通过对镁的应用和提取过程的分析，结合实验探究让学生自己整理出镁的有关性质，培养学生自己整理归纳知识的能力。

引导学生从氧化还原角度分析以上反应，巩固氧化还原有关概念和知识，让学生初步形成“结构决定性质”的学科思想。

让学生对于镁相关性质的宏观现象从原子结构、氧化还原电子转移等微观角度进行探析。

培养学生多角度分析化学反应的能力。

【课堂思考】1、镁条在空气中燃烧会得到哪些物质？镁着火了应该怎样灭火？
2、目前全球铝年产消费量超过5000万吨，而全球镁的产量才有区区的80万吨，为什么
镁合金有优越的性能，但至今并没有得到像铝合金那样大规模的应用？
【设计意图】通过对镁条灭火问题的处理，可以向学生进行透过现象看本质、对立统一、内因决定外因、外部环境的改变影响到事物性质的改变等思想观念的教育。

本节课一开始是以镁合金在航天航空、电子产品壳体，尤其是汽车产业等方面的广泛应用为情境引入的，镁合金在汽车轻量化的进程上是极具竞争力的材料，具有比重轻、减振、压铸成形性能好和易回收等优势。

在此基础上探讨和研究镁的提取和性质之后，在课尾之时再回到起点，引导学生去思考“镁的优良应用价值是否可以让我们高枕无忧地应用于汽车产业，实现节能减排的绿色生活理念呢?它有什么不可避免的缺点吗?”原来，尽管镁合金有着优越的性能，但至今并没有得到像铝合金那样大规模的应用，其中最重要的一个原因就是人们担心它的耐腐蚀性能。

正是由于镁的化学活泼性，导致了其耐蚀性差，尤其是在大气中特别是在潮湿和沿海地区很容易受到腐蚀，所以镁合金的防腐自然成了全球科学家共同攻克的一个课题。

这样，通过情境的首尾呼应，更能激发学生学习化学的热情，促使其在更加广阔的视野下，认识化学科学与技术进步和社会发展的关系，树立其为人类文明和社会进步而努力学好化学的社会责任感和使命感。

4精彩的课堂源于精心的设计----专家点评
“镁的提取及应用”以“社会应用---工业生产---性质探究”为线索，通过展示有关镁广泛应用的图片，引入课题，强烈地激起学生探究获取镁的欲望。

从工业生产的实际出发，通过问题引导梳理并完善镁的冶炼的工艺流程，通过实验探究方法引出镁单质及其化合物。

使学生在习得相关的化学知识、实验技能和探究方法的同时，认识到自然资源的利用与化学科学密不可分，让学生认识化学在科技和社会中的应用，使化学的核心素养在课堂中得以落实。

具体体现在以下4个方面。

4.1以社会背景为切入点,培养创新精神与社会责任感
在结合海水资源的特点、工业生产中的经济效益问题以及学生的认知水平,层层深入探讨海水提镁流程的社会背景中学习化学。

围绕工业设计原料利用、经济环保、安全等问题探究镁的相关性质。

这样的设计为学生学习化学提供了一种更开阔的视角，使化学教学摆脱了对化学的单一、理性的解释，而且也为学生准备了一个实验探究、参与讨论、做出决策的机会，使学生能更深切地感受到化学知识的力量，并对与化学有关的社会、工业生产问题进行思考和决策，培养学生的社会责任感和经济效益和参与意识。

4.2 以问题解决为中心，学会证据推理与模型认知
采用了“问题探究”式教学方法,开展以问题解决为中心的教学。

在富集、分离、碱的选择、冶炼方法和原料选择等一系列问题上，教师不是提供现成的知识和结论，而是把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，在教师的引导下，根据已有的知识和提供的补充资料，学生通过个人或小组合作的方式解决真正的问题，来学习隐含于问题背后的科学知识。

这样通过不断创设问题情景，在问题解决的过程
中又不断地生成新问题，层层推进，让学生在获得知识体验成功的乐趣的同时，还培养了利用已学知识去探究未知问题的能力。

解决问题的探究活动也有利于激发学生的好奇心和求知欲，通过具有一定开放性和思维容量的问题解决，培养了学生比较、分析、类比、推理等理性思维能力。

在问题的解决过程中采取了数据分析比较、科学推理的理性思维方式，包含着化学研究方法与科学思维的示范与熏陶。

如：在“用什么方法把Mg2+从海水中分离出来”的解决过程中提供了几种镁化合物的溶解度，让学生通过数据的比较、分析推理出分离的合理方法是转化为Mg(OH)2沉淀;在问题“能不能直接往海水中加沉淀剂？”的解决过程中，通过对比实验向模拟海水和模拟卤水中各分别滴加NaOH溶液，观察现象，获得结论。

再提供海水和卤水成分含量的比较表，不仅渗透了浓度对反应的影响，而且强化了条件控制、合理使用资源的技术思想。

在“选用哪一种碱做沉淀剂”的问题解决过程中，又提供了KOH NaOH Ca(OH)2几种碱的价格，仍然由学生来分析比较数据得出结论。

不仅培养了学生基于数据的推理能力，而且参与了决策的过程，让课堂教学成为培养学生核心素养的主战场。

4.3 以原有的认知结构为基础，体验变化观念与平衡思想
认知同化学习理论是指：“在教学中对教师来说，重要的是在于使学生把新知识与头脑中已有的有关知识联系起来。

只有把新的学习内容中的要素与已有认知结构中特别相关的部分联系起来，才能有意义地习得新内容。

”在设计中充分利用了原有认知结构对新知识的固定作用。

如在讨论选择Mg的冶炼方法时，采用了先行组织者学习策略，首先让学生回忆初中学过的金属Fe、Cu的冶炼方法，刚学过的金属Na冶炼方法，以氧化还原原理为依据为选择镁的冶炼方法提供知识的固定点。

这样激活了学生的原有的知识，在学生“已经知道的”与“需要知道的”知识之间架设起桥梁。

在冶炼过程中往往先要将离子富集的思想让学生回忆溴和碘的提取中处理进行类比迁移，在沉淀剂选择中为什么不用石灰水而用石灰乳类比工业生产中漂白粉制取。

电解时选择电解水溶液还是电解熔融状态的化合物类比金属钠的制取。

4.4 以生为本的设计，体现对学生的尊重
教学设计中没有过于炫目的亮点，但是处处从学生的实际出发，以生为本的细致的设计体现了对学生的尊重。

在教学设计中首先是明了学生的已有知识：冶炼方法的选择、富集、金属制备中的方案设计和评价、镁性质的探究等，充分调动了学生的已有知识，并运用到新情景问题的解决中；第二是对学生已有知识的尊重，如在MgCl2溶液制取无水氯化镁中、焦碳能否还原氧化镁、没有盲目地拔高和下结论，而是留有悬念留待学生品味；对学有余力的同学提供相关资料和网站进一步深入学习提供选择。

还有就是对学生的能力的尊重，充分在现有的知识能力基础上完善化工产业链，有利于学生综合自己的知识，在现有的基础上构建比较完善的知识体系
参考文献:
[1] 林小骏，李跃、沈小红。

高中化学核心素养体系的构成和特点[J].教育导刊，2015(5):78-81
[2] 陈献忠“镁的提取及应用”备课中若干问题探索 [J] 课程资源与教材研究2012（5）：41-42
[3] 谷莹莹品味化学课堂教学的“五度”[J] 中学化学教学参考，2011（8）：7-9。