探索宇宙和地球 提升學(xué)科核心素養(yǎng)

鄒璐檑

摘要：人類在對宇宙和地球的不斷認(rèn)識中，推動著科學(xué)的前進(jìn)。本課題以科學(xué)家通過對石頭的研究，了解宇宙和地球形成的奧秘為線索，創(chuàng)設(shè)了“天降隕石中鐵元素存在形式探究”“喜馬拉雅山脈沉積巖主要成分探究”“海中浮石火山巖探究”三個主題情景。學(xué)生在地質(zhì)勘探的初體驗(yàn)中，認(rèn)識地球和宇宙的奧秘，復(fù)習(xí)、強(qiáng)化酸的化學(xué)性質(zhì)，體會酸用途，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);酸的化學(xué)性質(zhì);隕石;地殼運(yùn)動

文章編號：1008-0546（2022）03-0076-04???? 中圖分類號：G632.41???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.017

上至九天攬?jiān)?，下至五洋捉鱉，天宮空間站的成功發(fā)射，再次震撼人心。人類對宇宙和地球的探索從未停止，在對宇宙的不斷認(rèn)識中，科學(xué)也得到了一次次的進(jìn)步和飛躍。仰望星空，牛頓在“為什么天上的月亮不會掉下來，而蘋果會落地呢？”的追問中發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律;凝視宇宙，伽利略為論證日心說，發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，開啟了宇宙探索新紀(jì)元。類比太陽系，盧瑟福提出原子“太陽系模型”，促進(jìn)了原子和原子核物理的發(fā)展。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中能否將化學(xué)知識與對宇宙和地球的探索相結(jié)合，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)科價值，促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)的提升，更重要的是讓學(xué)生認(rèn)識到未知世界無限浩瀚，并踏上一生追求真理的科學(xué)夢想之路。

一、教學(xué)背景

酸在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，酸的化學(xué)性質(zhì)是初中化學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是初高中化學(xué)知識的重要銜接點(diǎn)。課程標(biāo)準(zhǔn)對本課題的要求是“認(rèn)識常見酸的主要性質(zhì)和用途”，教學(xué)過程中，要重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，提升學(xué)生運(yùn)用知識主動探究未知的能力[1]。本課為復(fù)習(xí)課，學(xué)生已有酸的基本知識基礎(chǔ)。但是在遇到與酸有關(guān)的除雜、工業(yè)流程、試劑選擇、酸的檢驗(yàn)、溶質(zhì)成分分析等問題時依舊比較迷茫，即對知識的理解和應(yīng)用的能力較差。本課從真實(shí)的情景出發(fā)，讓學(xué)生在探究中理解酸的性質(zhì)和用途[2];在自己設(shè)計(jì)的流程線路中，感受流程圖的基本模型;在對比實(shí)驗(yàn)中，比較檢驗(yàn)方法的優(yōu)劣，突破課時的難點(diǎn)，提升能力。

二、教學(xué)流程

本課以科學(xué)家跟著石頭看世界為基本線索，設(shè)計(jì)三個關(guān)于石頭的實(shí)驗(yàn)探究任務(wù)“天降神石-隕石”“山巔圣石-沉積巖”“海上浮石-火山巖”。主要又分為了5個問題活動：①天降隕石中鐵元素主要存在形式的探究②如何回收鐵元素并中和酸性廢液③喜馬拉雅山脈沉積巖成分探究④如何檢驗(yàn)反應(yīng)后溶質(zhì)成分⑤破解海上浮石的秘密，教學(xué)流程見圖1。

三、教學(xué)實(shí)錄

【課程導(dǎo)入】中國人素來愛石，奇石、玉石、寶石價值不菲，而那些平凡普通的石頭，亦是獨(dú)具靈性。在宇宙誕生之初，他們或許就已經(jīng)出現(xiàn)，見證了地球的形成、物種的更迭、歷史的變遷。地質(zhì)學(xué)界有句老話“偵探跟著金錢走，而地質(zhì)學(xué)家跟著石頭走。”究竟研究石頭能知道些什么呢？請大家搶答。

【學(xué)生回答】周圍的礦產(chǎn)、地球的生命歷史、推演地質(zhì)演變、氣候變遷等。

活動一：隕石中鐵元素的成分探究

【引入新課】今天我們來做個地質(zhì)學(xué)家，帶著化學(xué)知識上路，解析石頭物語，洞察宇宙奧秘。平靜的夜，一顆火球突然劃過天際，點(diǎn)亮了星空，引起巨大的顫動。宇宙的信使乘風(fēng)而來，它就是隕石。鐵隕石是隕石中的一種重要類型，其中富含鐵元素，請大家結(jié)合所學(xué)知識和圖片分析鐵元素可能的存在形式。

【討論回答】主要以氧化物的形式存在，可能有氧化鐵、四氧化三鐵等。

【提出問題】在自然界中鐵元素多以氧化物的形式存在，請同學(xué)觀察隕鐵的切面圖片，見圖2，是否有一些不同的想法？

【討論回答】隕鐵切面呈銀白色、有金屬光澤具有

【提出問題】隕石的主要成分究竟是氧化物、還是單質(zhì)鐵呢？用實(shí)驗(yàn)探究，請同學(xué)們在所提供的實(shí)驗(yàn)用品中選擇合適儀器和藥品來驗(yàn)證你的猜想。

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】有同學(xué)選擇用磁鐵來驗(yàn)證其主要成分，但是通過信息可知Fe2O3也能被磁鐵吸引，因此不能用磁鐵驗(yàn)證。當(dāng)然也可以根據(jù)隕石密度進(jìn)行成分分析。根據(jù)之前的學(xué)習(xí)，同學(xué)們最終能選出用稀硫酸來驗(yàn)證鐵元素的存在形式，見表1。

四氧化三鐵可看作Fe3O4可以看成FeO · Fe2O3，四氧化三鐵具有磁性也能被磁鐵吸收

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】取一藥匙鐵隕石碎片于小燒杯，并逐漸加入過量稀硫酸至固體不再減少，保證固體充分反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

【小組討論】回收鐵元素并中和酸性廢液，完善實(shí)驗(yàn)流程，見圖3。

Fe（OH）2為絮狀沉淀不易分離，常常鼓入空氣轉(zhuǎn)化為Fe（OH）3除去。

【提出問題】實(shí)驗(yàn)中提供藥品氫氧化鈉與硫酸反應(yīng)無明顯現(xiàn)象，如何證明酸堿發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)呢，并調(diào)節(jié)pH接近7？

【討論回答】可以在原溶液中加入指示劑判斷。加入石蕊溶液當(dāng)紅色恰好變?yōu)樽仙芤航咏行?。?dāng)然也可以在酸中加入無色酚酞，當(dāng)無色酚酞恰好從無色變?yōu)榧t時接近中性。

【教師講授】地球中的鐵元素主要以氧化物形式存在，而宇宙中主要以單質(zhì)鐵的形式存在。人類最早使用的鐵器就由隕鐵鑄造。鐵隕石是行星經(jīng)過核幔分裂后的核產(chǎn)物，記載著行星早期分餾及后期演化[3]。以此推斷，科學(xué)發(fā)現(xiàn)雖然地殼中幾乎沒有單質(zhì)鐵，但在地球地幔的組成中有大量的熔融鐵，隕石對研究地球內(nèi)核及太陽系起源和演化有重要意義。

活動二 喜馬拉雅山脈沉積巖主要成分探究

【提出問題】來自天上的石頭，能告訴我們宇宙的秘密;喜馬拉雅山脈的沉積巖，又能告訴我們哪些陸地的故事呢？同學(xué)們拿起模擬考古挖掘工具見圖4，開始清理發(fā)掘。你發(fā)現(xiàn)什么化石？借此又想到了什么呢？

【實(shí)驗(yàn)回答】清理出貝殼、魚骨、海螺等化石，學(xué)生推測喜馬拉雅山脈曾是一片汪洋。

【教師講授】高山之中怎么會有海生動物的痕跡，難道該地區(qū)曾有人類活動以貝殼作為錢幣?；蛉缤瑢W(xué)們所想，這個地區(qū)曾是一片海洋。海相沉積巖是古海洋環(huán)境的一種標(biāo)志，它是由沉淀物所生成的巖石，通常由海中微生物和珊瑚的遺骸形成，并有海中特有的貝類化石，化學(xué)成分主要為碳酸鈣。我們可以對喜馬拉雅山的巖石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】通過討論同學(xué)們選擇用稀鹽酸和澄清石灰水驗(yàn)證沉積巖的主要成分為碳酸鈣，結(jié)果見表3。

【小組討論】反應(yīng)后溶質(zhì)成分分析，并驗(yàn)證其組成。

【討論回答】反應(yīng)后一定存在 CaCl2，但實(shí)驗(yàn)中沒確定酸的用量，溶質(zhì)中可能剩余 HCl。要證明有無鹽酸剩余需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

【學(xué)生活動】請同學(xué)們在本組KT板中選出與酸反應(yīng)的物質(zhì)類別和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一一對應(yīng)貼在小黑板上。并由老師指點(diǎn)檢驗(yàn)H+、除去H+的試劑選擇方法，見圖5。

【提出問題】能否用硝酸銀溶液檢驗(yàn)鹽酸過量？用化學(xué)方程式解釋原因。若溶液中溶質(zhì)為硫酸銅（呈酸性）和硫酸，能否用石蕊證明硫酸的存在？

【討論回答】不能，CaCl2+2AgNO3=2AgCl ↓+Ca （NO3）2。再含有呈酸性的鹽（CuSO4）和酸的混合溶液中，不能用石蕊檢驗(yàn)酸的存在;同理在含有堿性的鹽（Na2CO3）和堿的混合溶液中，也不能用酚酞檢驗(yàn)堿的存在。對于這類混合溶液中酸堿的檢驗(yàn)，應(yīng)先除去會產(chǎn)生干擾的鹽，再檢驗(yàn)酸或堿的存在。

【教師講授】貝殼的發(fā)現(xiàn)和海相沉積巖的論證，都證明喜馬拉雅山脈曾是汪洋大海，幾十億年來地殼板塊不斷相互撞擊、相互擠壓，地質(zhì)學(xué)中稱之為板塊運(yùn)動，導(dǎo)致山脈隆起，時至今日喜馬拉雅山脈還在繼續(xù)上升。當(dāng)然科學(xué)研究遠(yuǎn)不止于此，科學(xué)家還利用古碳酸鈣中穩(wěn)定同位素13C、18O進(jìn)行古高程的研究[4]，進(jìn)一步破解喜馬拉雅山隆起之謎。地質(zhì)學(xué)家把地球分外部分為：巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈。從化學(xué)元素的角度金屬元素多存在巖石圈，大氣圈主要為非金屬元素。含金屬元素的物質(zhì)多能與酸反應(yīng)，工業(yè)流程中若遇石性物質(zhì)（含金屬元素、難溶物）多用酸處理。

活動三 破解海上浮石的秘密

【課后延伸】天降隕石、地隆巖石、海生浮石。最后展示神奇的海上浮石，它曾經(jīng)是地球三大怪象之一。如今人們逐漸認(rèn)識了這種火山巖石，它搖身一變成了網(wǎng)紅，可入藥、可洗臉、可搓澡按摩、可養(yǎng)魚養(yǎng)花。據(jù)說它能調(diào)節(jié) pH、能通過吸附凈水、能殺菌抑菌，好處多多。課下請同學(xué)們通過多種方式去了解火山巖的形成、組成、性質(zhì)，破解浮石之謎，辨別廣告真?zhèn)巍?/p>

四、教學(xué)反思

興趣是最好的老師，人類探索自然的愿望似乎又是與生俱來的。隕石、地球形成、板塊運(yùn)動都能引起學(xué)生濃烈的好奇心，大大提升學(xué)科興趣，促進(jìn)學(xué)生完成自我知識的構(gòu)建。而真實(shí)的情景體驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)探究、問題引導(dǎo)是培養(yǎng)學(xué)生探究精神與創(chuàng)新意識的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)過程中的污染處理、資源的回收利用，時時刻刻都體現(xiàn)出綠色化學(xué)的思想，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和社會責(zé)任。利用化學(xué)知識去辨別火山巖廣告真?zhèn)?，提升學(xué)科價值、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度，真正的課堂不是要將水灌滿，而是要將學(xué)生點(diǎn)燃。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[3] 張翰林，李艷，王時麒.風(fēng)化作用對鐵隕石礦物學(xué)特征影響的探討[J].巖石礦物學(xué)雜質(zhì)，2014，33（2）.

[4] 王成善，戴緊根.西藏高原與喜馬拉雅的隆升歷史和研究方法：回顧與進(jìn)展[J].地學(xué)前緣，2019，16（3）.

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