“銅的冶煉”復習課的跨學科教學

錢婧

摘要：以“銅的冶煉”為主題，探討化學、歷史的跨學科教學。對銅及其化合物的知識進行有效整合，幫助學生對化學、技術、社會的關系進行跨學科理解。

關鍵詞：跨學科教學;銅及其化合物;銅的冶煉

文章編號：1008-0546（2022）10x-0075-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、跨學科教學的內涵及特征

傳統(tǒng)的分科式教學強調學科知識的縱向邏輯結構，不利于學生對復雜關系、知識體系部分到整體的把握和理解，因此，在學校教育中，跨學科教學成為新的選擇。

“跨學科教學”是以一門學科為中心，選取一個中心問題，運用不同學科的知識，開展對研究問題的討論和解決的教學活動，旨在促進學生對中心問題的理解或解決，這是單一學科無法做到的。[1]這種新的教學形式應具有以下特征：①具有明確的統(tǒng)整目的，真實的問題往往較復雜，大部分情況下我們無法用單一的學科觀點來理解或解決，需要運用兩個或更多的學科知識，以一種全新的視角才能探測其內部的奧秘，所以跨學科教學是在整合其他學科的過程中幫助學生增強理解能力的一種手段。②學科間有機整合，跨學科教學中各學科不是簡單地出現(xiàn)在同一個主題中，而是要通過問題、活動等形式使各學科有機地聯(lián)系在一起，幫助學生對正在學習的內容產(chǎn)生更深入細致的理解。③凸顯學科的本質性理解，跨學科教學以有意義和相互關聯(lián)的方式選取各學科的目標并對它們加以組織，所以學科學習仍是教學重點，忽視學科學習的課程整合對任何學科都無意義。[2]

二、跨學科教學主題的確定及教學目標

銅及其化合物的知識是蘇州市中考必考的內容，在近三年的蘇州市中考卷中主要以選擇題中“判斷指定反應的化學方程式的書寫是否正確”“給定條件下的物質間的轉化能否實現(xiàn)”“鑒別、除雜、檢驗方面的實驗操作是否正確”等形式出現(xiàn)，考查學生對銅及其化合物的化學性質的掌握。銅及其化合物知識在滬教版教材中分布很散，在銅及其化合物的復習課中如何將這些知識串聯(lián)在一起？羅列銅及其化合物（Cu2（OH）2CO3、CuO、Cu、CuSO4）后發(fā)現(xiàn)，古代火法煉銅和濕法煉銅這兩種技術可包含這些物質的轉化關系，聯(lián)系初三化學課程標準中有“了解化學、技術、社會的相互關系，并能以此分析有關的簡單問題”這一課程目標，[3]即需要讓學生了解化學與技術的關系、技術的發(fā)展以及技術與社會發(fā)展的關系。由此確立將“銅及其化合物復習”以“銅的冶煉”為主題展開跨學科教學：圍繞不同歷史時期銅的冶煉工藝的不同，將銅及大部分銅的化合物的化學性質整合成一張相互轉化的關系圖，通過實驗、資料分析等手段對不同歷史階段的銅的冶煉工藝進行深度學習，使學生運用證據(jù)推理、宏觀辨識與微觀探析等化學特有的思維方式對化學、技術、社會的相互關系進行跨學科理解，促進學生贊賞我國傳統(tǒng)技術中飽含的古人智慧，把家國情懷融入學習中。

三、教學流程

以不同歷史時期銅的冶煉技術為情境，通過問題、活動將化學、歷史有機結合。學生在活動中建構銅及其化合物的轉化關系并對化學、技術、社會的關系進行跨學科理解，具體教學流程見圖1。

四、教學實施

視頻引入：銅在現(xiàn)代生活中的應用。銅可用于制電線、電纜、家用電器中電機的線圈。拆除一個空調壓縮機可獲得多少銅。

從與學生密切相關的物品中引導學生體驗銅是與人類關系非常密切的有色金屬。

環(huán)節(jié)1：青銅時代─火法煉銅

講述：中國使用銅的歷史久遠，在幾千多年前的夏、商、西周和春秋四個朝代，人類已經(jīng)能以銅的合金為主要材料制造生活用具、武器、用于祭祀的禮器，可見銅合金在當時人們的生產(chǎn)、生活中已經(jīng)占據(jù)了重要的地位，歷史上稱那個時代為青銅時代。

思考：商代著名的后母戊鼎，重832.84千克，它主要由銅、錫、鉛三種金屬熔合而成，其中銅的質量分數(shù)達到了84.77%，可見鑄造這只鼎至少需要消耗705千克的銅，這么多的銅古人是如何獲得的？

呈現(xiàn)資料：自然界中有銅單質存在，但很少，主要存在于紅銅礦石中，也叫自然銅，大多數(shù)銅以化合物的形式存在于銅礦石中。圖片展示孔雀石、黃銅礦、石青。

小結：古代青銅器中的銅是通過冶煉含銅化合物的礦石獲得的。

思考：在科學技術并不發(fā)達的古代，銅是如何從銅礦石中冶煉出來的？

展示古代火法煉銅的圖片。

講述：青銅時代的冶銅工藝主要是火法煉銅，把銅礦石（主要是孔雀石）粉碎，然后與木炭一起投入陶窯（用陶土做的窯）中燒制出銅。把礦石粉碎的目的是什么？

學生：增大孔雀石與木炭的接觸面積，加快反應，使反應充分。

學生活動1（實驗1）：在燃燒匙內加熱孔雀石粉和炭粉的混合物。

提問：你觀察到了什么？

學生：有較多紅色的物質。

思考：這些紅色物質中有銅，請根據(jù)實驗中含銅化合物的性質寫出獲得銅的原理，用學過的化學方程式表示。

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

思考：為什么加熱完成之后要冷卻1分鐘再將燃燒匙內的物質倒出？

學生：防止生成的銅重新被氧化。

思考：你們獲得的銅為什么是粉末狀的，為什么沒有熔成銅塊？這主要與什么有關？

學生：與燃燒匙內的溫度有關。

追問：說明燃燒匙內的溫度在什么范圍內（與銅的熔點相比）？

學生：燃燒匙內的溫度低于銅的熔點。

追問：你認為在這樣的溫度下我們可否在燃燒匙里進一步冶煉出青銅？

學生：不行，因為燃燒匙內的溫度未能達到銅的熔點，也就無法與其他金屬熔合在一起。

過渡：當時古人能用火法成功煉出銅，并進一步制得青銅，說明當時的古人已經(jīng)能將火的溫度控制在銅的熔點以上，即1084℃以上，而這一溫度的達到與古人制陶工藝的發(fā)展是密切相關的。

資料呈現(xiàn)：①古代陶器窯爐結構的改變;②制陶燃料的改變：從木材→木炭。

思考：古人制陶工藝的發(fā)展是如何為火法煉銅提供高溫的？

學生：制陶窯爐從敞開到封閉，防止熱量散失，將木材改為木炭提高了燃料的熱值。

追問：從燃燒角度分析，制陶工藝中的2項改變除了獲得高溫，還能為火法煉銅提供什么關鍵要素？

學生：制陶窯爐從敞口到封閉，為氧化銅還原成銅提供了還原劑。

小結：制陶工藝的發(fā)展使古人在陶窯中獲得了高溫和還原氣氛，由此催生了火法煉銅，從而推動人類從石器時代邁向青銅時代。

思考：陶窯中的還原劑是什么？它是如何還原CuO，獲得Cu的？用化學方程式表示。

學生：CuO+COCu+CO2

環(huán)節(jié)2：鐵器時代─濕法煉銅

講述：到了春秋戰(zhàn)國時代，隨著鐵器的逐漸出現(xiàn)，青銅制造逐漸沒落，進入了一個新的時代：鐵器時代。在西漢時又出現(xiàn)了一種新的煉銅方法，濕法煉銅，并且這一煉銅方法在宋代達到了一定的規(guī)模。

呈現(xiàn)資料：①《宋史·食貨志》：浸銅之法，以生鐵鍛成薄片，排置膽水槽中，浸漬數(shù)日，鐵片為膽水所薄，上生赤煤，取括赤煤，入爐三煉成銅。②《本草經(jīng)集注》：雞屎礬投苦酒中涂鐵，皆作銅色，即不純的堿式硫酸銅或堿式碳酸銅，置于酸溶液中，將鐵放置其中，鐵片上出現(xiàn)了銅。

學生活動2（實驗2）：①將鐵絲浸入硫酸銅溶液中;②在孔雀石粉中加入稀硫酸，再將鐵絲浸入。

思考：請依據(jù)實驗中銅的化合物的性質，用化學方程式表示獲得銅的原理。

學生：Fe+CuSO4==Cu+FeSO4

Cu2（OH）2CO3+2H2SO4==2CuSO4+3H2O+CO2↑

Fe+CuSO4==Cu+FeSO4

思考：從微觀角度思考，古人這兩種獲得銅的方式有何相似之處？

學生：都是將溶液中的銅離子通過鐵置換出來。講述：我國的這一技術比西方國家早了600多年。思考：為什么濕法煉銅在火法煉銅之后？

學生：因為濕法煉銅需要鐵，而鐵是在火法煉銅之后出現(xiàn)的。

小結1：火法煉鐵工藝的出現(xiàn)才使古人有了用鐵置換溶液中銅離子的經(jīng)驗。

追問：為什么火法煉鐵工藝在火法煉銅工藝之后？學生：鐵比銅的活動性大，難冶煉。

資料呈現(xiàn)：鐵、銅的熔點。

小結2：由于鐵的熔點、活動性比銅大，更難冶煉，所以火法煉鐵是在火法煉銅之后出現(xiàn)的工藝。古人基于火法煉銅的經(jīng)驗，通過再次改變陶窯的結構（使用豎爐）和使用煤炭獲得了更高的溫度，才出現(xiàn)了火法煉鐵，從而推動人類從青銅時代邁向鐵器時代。

環(huán)節(jié)3：現(xiàn)代煉銅

教師介紹現(xiàn)代火法煉銅和濕法煉銅。

思考：你認為現(xiàn)代這兩種煉銅工藝與古代的兩種煉銅工藝有何相似之處？對此，你有什么啟發(fā)？

學生：現(xiàn)代火法煉銅仍是高溫下將氧化銅還原成銅，現(xiàn)代濕法煉銅仍是將溶液中的銅離子通過一定的方式轉變?yōu)殂~。

小結：古人在煉銅前并不知道為什么孔雀石和木炭可以煉銅，也不知道在膽水中浸入鐵片得到銅的原理，后人在不斷研究中總結前人煉銅的經(jīng)驗，發(fā)展出了現(xiàn)代煉銅工藝。因此在現(xiàn)代的冶銅工藝中，我們或多或少能看到古人冶銅技藝的影子，任何一項工藝從無到有，從來不是一蹴而就的，我們的現(xiàn)代文明一定是在古人不斷地摸索、頑強創(chuàng)新的基礎上產(chǎn)生的，我們應當珍愛古人的智慧，并在此基礎上開創(chuàng)出更加美好的未來。

學生活動3：整理這節(jié)課中涉及的含銅物質，畫出這些物質的轉化關系圖，并觀察還有哪些學過的銅的化合物未涉及，補充物質間的轉化關系（見圖2）。

五、教學反思

實踐證明，在“銅及其化合物復習”課中以“銅的冶煉”為主題進行化學、歷史的跨學科整合，有利于學生積極建構銅及其化合物相互轉化的關系圖，在實驗、證據(jù)推理、宏觀辨識與微觀探析等手段的支持下，學生能深入細致地體會技術發(fā)展的邏輯性，更容易理解化學、技術、社會的關系，從而體驗到古代化學技術的價值。

參考文獻

[1]杜慧潔.德國跨學科教學理念與教學設計分析[J].全球教育展望，2005（8）：28-32.

[2]夏雪梅.項目化學習設計[M].北京：教育科學出版社，2021.

[3]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年 版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.