化学教与学 2018年第 4期

核心素养已经成为当前教育领域热议的话题，核

心素养是学生在化学课程学习过程中形成和发展的，

怎样使教学内容本身更有意义，使之符合人们对化学

科学本质的认识规律，使之有利于学生进行自主学习、

合作学习，在继承既有知识的同时获得化学核心素养

上的提高，一线教师需要结合自己的教学实际，对教学

内容进行历史和思维上的优化设计，使教材中静态的、

结论性的知识转化为动态的、发展性的知识，教学中在

展示科学知识的客观性、可认识性、发展性、社会性等

多方面属性的同时，追求学生在学业和品格上的成长。

一、教材分析

由于铝制品表面氧化膜的普遍存在和去除后的

瞬间再生，学习铝的性质时回避不了氧化铝及其水合

物氢氧化铝，备课组进行单元教学内容设计时，讨论

能否打破传统“金属单质→氧化物→氢氧化物→盐”

的教学序，将氧化铝、氢氧化铝、铝盐先行整合教学，

最后再学习铝。有了铝的化合物的知识经验，将更有

利于学生辩证认识铝的“两性”，为什么既很容易和氧

（游离态氧和化合态氧）反应，又能在空气中稳定存

在，为什么既能和酸反应又能和碱反应，同时也使铝

箔灼烧熔化却不滴落、铝和水不能持续反应的深入探

究有了知识基础，因而这样的教学内容安排一方面更

符合认知逻辑，同时也更契合人类对铝元素的认识历

史。这种基于科学本质认识的教学设计将更有利于

创设探究性情境，发展学生的宏观辨识与微观探析、

变化观念与平衡思想等化学核心素养。

二、教学过程实录

［教师］大家知道，元素在地壳中的含量，铝在金

属中排名第一。

［PPT 呈现］元素在地壳中的含量图（聚焦 Al 元素

的含量7.73%）。

［教师］如此大量的铝元素，在地壳中以什么形态

存在？

［学生］化合态。

［教师］铝元素是许多矿物的主要成分，如：高岭

石、蒙脱石、绿柱石、尖晶石、刚玉、冰晶石等等，从商

业价值看，最重要的矿物是铝土矿（主要成分：氧化

铝），为什么呢？

［PPT呈现］边讲述边投影对应矿物的图片。

［教师］因为地壳中铝土矿的储藏量极大。当前

铝的产量和用量仅次于钢材，成为人类应用的第二大

金属，广泛应用于电线、建筑、交通运输等多个行业。

［PPT 呈现］同步呈现架空电缆、汽车、飞机、月球

车的图片。

（设计意图：从学生熟悉的铝在地壳中较高含量

和生活中的广泛应用引入，和下节金属铝使用历史短

和冶炼困难形成强烈对比，激发学生的认知欲望。）

［教师］那么，人类使用金属铝的历史悠久吗？

［投影］铝的发现。

［教师］铝是大自然赐于人类的宝物，但人类对铝

的认识却经历了较为漫长的过程，直到 19 世纪中期人

类才制得少量铝，当时，铝极其珍贵，以致于在1855年

的巴黎博览会上，铝与王冠上的宝石放在一起展出，

皇帝拿破仑三世在国宴上本人使用铝制刀叉餐具，而

基于对科学本质认识的教学设计

􀆽

—

—以“走下神坛的金属

—

—铝”为例

徐守兵

（南京市金陵中学江苏南京 210005）

摘要：对元素化学“单质→氧化物→碱（酸）→盐”的教学内容安排进行历史和思维上的再加工，从对科学本质认识的角度

进行“走下神坛的金属

—

—铝”教学设计，发展学生的化学核心素养。

关键词：科学本质；教学设计；铝；核心素养

文章编号：1008-0546（2018）04-0074-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.04.024

·教学设计研究·

*本文系江苏省中小学教学研究第十一期重点课题《基于对科学本质认识的高中化学教学实践研究》（主持人：孙夕礼,编号

2015JK11-Z009）阶段性研究成果。

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化学教与学 2018年第 4期

大臣们只能用金制、银制餐具。

［教师］后来，到了 19 世纪末，铝的价格却发生了

成千倍的显著下跌，同时，产量也在急剧上升，寻常百

姓家能也用得起铝了，这是什么原因呢？

［投影］金属铝的价格变化图。

［学生］寻找到了新的廉价制备方法？找到了新

的便宜原料？

［教师］首先是由于1870年西门子改进了发电机，

有了廉价的电力；其次是由于美国大学生霍尔和法国

大学生埃鲁于 1886 年分别发现了将高熔点氧化铝熔

解在冰晶石（Na

AlF

）中廉价电解的方法，他们两个人

当时都才22周岁。

［PPT 呈现］霍尔和埃鲁照片及二位科学家的传

奇人生简介。

［PPT 呈现］铝的冶炼方程式，氧化铝、冰晶石、氧

化铝-冰晶石的熔点、铝的冶炼场景图。

（设计意图：从金属铝冶炼的历史、铝价格的跌宕

起伏，凸显两位年轻大学生对科学发展的杰出贡献，

激发鼓励高中生们创新创造的热情。）

［教师］这项创举使铝从皇家贵族走进寻常人家，

电解法终于将亲氧性极强的铝元素和氧分开了，那么

我们在使用时需要像金属钠一样，倍加呵护，保存在

煤油中吗？

［学生］不需要。

［教师］是铝和氧气常温下不容易反应吗？

［学生］人类花了很大的力气才将大自然中稳定

存在的铝和氧分开，预计铝和氧气应该容易反应。

［教师］容易反应为何不需要特殊保存呢？

［学生］初中学习过，铝表面有一层致密的氧化铝

薄膜。

［分组实验1］学生观察保存于空气中的铝箔、铝丝。

（结合钠的特殊保存方式，学生们想象着铝表面

致密氧化膜对内层铝的保护。）

［PPT呈现］4Al + 3O

= ===

2Al

常温下，铝与氧气反应，表面生成一层致密的氧

化铝薄膜。

［教师］那么加热条件下，氧化膜还能保护铝不会

继续被氧化吗？此时，铝箔能燃烧吗？

［演示实验 2］用镊子夹住一块铝箔，在酒精灯外

焰上加热。

［实验现象］铝箔呈红热状态，但不能燃烧，离开

火焰后失去金属光泽。熔化的铝并不滴落，好像有一

层膜兜着。

［教师］铝箔熔化了，为什么不会像一般液体那样

滴落下来？

［学生］表面的氧化膜在兜着呀。

［PPT 呈现］构成薄膜的 Al

的熔点（2050℃）高

于Al的熔点（660℃）。所以熔化的液态铝不会滴落。

［教师］纯氧中加热，铝箔能燃烧吗？

［演示实验 3］取一片铝箔，一端包裹一根火柴，另

一端用镊子夹住，引燃火柴，等火柴快熄灭时插入收

满氧气的集气瓶（瓶底放一些水）中去。

［实验现象］铝箔仍然不能燃烧。

［教师］大自然既然把金属铝送给了人类，就不急

于收回，于是在铝表面形成致密的氧化物保护膜，保

护内层金属铝不再继续被氧化。这正是性质活泼的

铝在空气中能稳定存在的原因，也是铝制品“健康长

寿”的秘密。

（设计意图：从氧化铝冶炼铝的困难到让学生推

测铝和氧气反应的难易，从铝和氧气反应的容易到让

学生探究铝制品在空气、氧气中稳定存在的原因，学

生在一次次认知冲突中领悟人和自然的交流。）

［教师］铝与氧气反应，易在表面形成致密的氧化

物保护膜，是不是使用所有铝制品时都不用担心铝与

氧气反应了呢？

［学生］说不定铝粉会燃烧呢？

［探究方案设计］现有铝粉、酒精灯、镊子、棉花等

物品，请设计铝粉能否燃烧的探究实验方案。

［学生］用镊子夹住棉花，在棉花上蘸上一些铝

粉，再用刚才相似的探究方案研究。

［教师］方案很好，让我们试试吧。

［演示实验 4］用镊子夹住一小团脱脂棉，脱脂棉

上蘸上一些铝粉，在酒精灯上点燃，片刻后伸入盛有

氧气的集气瓶中（瓶底放一些水），观察现象

［1］

。

［实验现象］在空气中棉花在安静地燃烧，铝粉不

燃烧。在氧气中铝粉剧烈燃烧，火星四射，发出耀眼

的白光。

［学生］哇，好耀眼呀！（一片出乎意料的惊呼。）

［教师］该实验能很好地说明铝粉在氧气中剧烈

燃烧吗？

［学生］不能，也可能是棉花在氧气中剧烈燃烧。

［教师］需要再做什么实验作进一步证明？

［学生］棉花在氧气中燃烧。

［对比实验5］棉花在氧气中燃烧。

·教学设计研究·

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化学教与学 2018年第 4期

［实验现象］燃烧较剧烈，没有火星。

［教师］铝粉在氧气中能燃烧，提醒我们使用铝粉

时要注意安全，那么铝粉在氧气中燃烧实验本身能不

能加以利用？它可能有何用途？

［学生］可以做燃烧弹和照明弹吧？

［投影］铝粉在照明弹、燃烧弹中的应用（图片略）。

［教师］铝箔在氧气中不能燃烧，铝粉在氧气中能

燃烧，怎么解释呢？

［学生］铝粉颗粒小，与氧气接触面积大，反应更

快，剧烈燃烧。

（设计意图：从铝箔、铝条在空气、氧气中的稳定

到铝粉在氧气中的剧烈燃烧，一方面让学生学习科学探

究的基本方法，如对比法、条件控制法等，体验科学探究

的艰辛与喜悦。另一方面学生在获得氧化膜对内层铝

的保护不是绝对的，铝粉燃烧起来也可能有自己的用途

等知识过程中，在品格上也会潜移默化获得成长。）

［教师］超细铝粉常常是火箭发射用固体燃料中

的重要组分。

［PPT 呈现］铝粉在火箭发射中的应用（火箭发射

的精彩瞬间图）。

［教师］作为火箭固体燃料的重要组分，会不会是

利用铝的亲氧性从其它氧化物中夺取氧呢？

［PPT呈现］铝粉和氧化铁粉末的反应。

［演示实验 6］（1）在一支矮试管中先加入少量沙

子，再加入质量比为 2:5 的铝粉与氧化铁粉末的均匀

混合物，最上面加入少量氯酸钾粉末。（2）将试管竖直

固定在铁架台上，试管上方约一尺的高度固定一个放

有石棉网的铁圈。（3）将铁架台放在垫有一大块潮湿

台布的讲台上，在试管混合物中间插一根点燃的 Mg

条，观察现象。

（设计意图：铝热反应，教材传统实验设计反应太

过剧烈，不适合在教室中演示，本实验在矮试管中做，

铝热剂用量比传统实验少了很多，学生同样能清晰地

看到红热的铁水从上往下行走的过程，效果很好，本

实验中试管上方一尺放一石棉网，讲台上垫一大块潮

湿台布，是基于安全考虑。）

［学生］高呼声一片，大声赞叹反应太剧烈了。

［实验现象］铝和氧化铁在高温度下剧烈反应。

放出大量的热，发出耀眼的光芒，有熔融物从上而下

直落沙中。

［教师］反应放热剧烈，足以熔化钢铁，得名铝热

反应。请大家完成反应方程式。

［PPT呈现］铝热反应（化学方程式略）。

［教师］铝热反应有何应用？

［学生1］炼铁。

［学生2］焊接。

［PPT呈现］铝热反应的应用：焊接铁轨图。

（设计意图：此处选择将必修 2 铝热反应的内容前

移，和铝粉和氧气的反应相呼应，学生们在惊叹铝热

反应强烈的热效应时，自然会再次赞叹科学家从氧化

铝中获得铝的伟大！）

［PPT 呈现］美研制铝冰混合燃料为火箭提供更

大推力。

［教师］资料显示纳米级的铝粉和结成冰的水组

成新型混合燃料，难道生活中用来烧水的铝壶会和水

反应？让我们探究一下铝和水的反应吧。

［PPT呈现］金属铝与水的反应。

［方案设计］学生分组讨论方案，师生交流确定分

组实施方案。

［分组实验 7］（1）将铝丝插入5mL 水中，片刻后再

加热；（2）将铝丝一端打磨，插入5mL水中，片刻后再加

热；（3）将铝丝一端打磨，插入刚刚停止沸腾的水中。

（铝丝课前由实验员从铝电缆线中抽取，学生分

小组实验，教师巡视指导。）

［实验现象］实验 1、2 中均无明显现象，实验 3 中

产生明显细微的气泡，一段时间后反应渐渐停止。

［教师］实验1、2 中均无明显现象的原因是什么？

［学生］铝表面有氧化膜，或在作用过程中产生新

的氧化膜。

［教师］请写出实验3中反应的化学方程式。

［学生板演］2Al+6H

= == =====

△

2Al(OH)

+ 3H

↑

［教师］一段时间后，反应渐渐停止的原因可能是

什么？

［学生1］可能是水的温度降低了。

［学生 2］可能是表面上覆盖了难溶的氢氧化铝，

阻止了反应的进一步进行。

［教师］如何设计方案进一步探究呢？

［学生1］将水再次加热观察现象。

［学生 2］可以用砂纸打磨铝丝，去除表面氢氧化

铝，再次插入水中。

［教师］能否用化学方法探究是否有氢氧化铝覆盖？

［学生 3］可以将铝丝插入稀盐酸中，观察是否立

即有气泡产生。

［学生4］还可以将铝丝插入氢氧化钠溶液。

·教学设计研究·

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化学教与学 2018年第 4期

［教师］你预计有何现象？

［学生］氢氧化铝会和氢氧化钠反应。

［教师］会有气泡生成吗？

［学生］应该不会有吧。

［教师］请同学们依据自己设计的方案进行再探究。

［分组实验 8］各小组根据自己的思考，选择性进

行实验探究。

［实验交流 1］将水加热，再次插入铝丝，观察到又

有气泡产生，但气泡比前一次产生的明显少。

［实验交流 2］将铝丝打磨后，插入温水中，有少量

气泡产生。

［实验交流 3］将铝丝插入 2mol/L 盐酸和 2mol/L

氢氧化钠溶液中，刚开始无明显气泡，片刻后，开始不

断产生气泡，而且氢氧化钠溶液中反应更剧烈。

［师生分析］温度降低是反应逐渐停止的一个原

因，表面氢氧化铝覆盖也是反应停止的另一重要原因。

［教师］请大家写出实验3中反应的化学方程式。

［PPT呈现］金属铝与酸、碱的反应。

［学生板演］略。

［教师］从铝和水反应、氢氧化铝和氢氧化钠反应

角度分析铝和氢氧化钠反应的可能反应历程，帮助学

生理解铝的两性。

（设计意图：铝和水的反应和生活常识相悖，让学

生自主设计方案，小组合作进行实验探究，体验化学

实验探究的过程，教师结合实验探究过程分析铝和氢

氧化钠反应的可能历程，有利于发展学生的宏观辨识

与微观探析、变化观念与平衡思想等核心素养。）

［教师］铝

—

—使用量很大又很年轻，性质活泼却

又能稳定存在，既能和酸反应又能和碱反应，来自粘

土却曾贵过黄金，从皇家御用到造福全人类。请以

“铝”为题，周末写一篇学后感，文体不限，字数不限。

（设计意图：教师在备完本节课后，对于铝的三生

三世，感慨万千，有种不吐不快的感觉，相信自己的学

生也会对铝、对人生有所体悟。）

三、教学反思

人教版教材《化学 1（必修）》第三章第一节“金属

的化学性质”，是高中元素化学的第一课，教材在编写

思路上延续了第二章分类法的思想，按反应类别介绍

了几种代表金属的化学性质，这种编写思路是对传统

教材的一种创新，新一轮课程改革到来之际，备课组

在讨论元素化学教学安排时，我和同事们提出能否再

有所创新，使教学内容本身更有意义，更有利于从对

科学本质认识的角度进行化学教学，讨论中我们发现

金属元素化学的内容安排，一直遵循“金属→金属氧

化物→碱→盐”的知识序，这显然和人类认识金属元

素的历史不符，尤其是金属铝，由于其表面氧化膜的

普遍存在，学习铝时不可能回避铝的氧化物知识，因此

设计实验和教学内容时，可将氧化铝与铝两部分整合

在一块，铝盐、氢氧化铝整合在另一块，有利于认识它

们在酸或碱条件下的相互转化，巩固相关性质及离子

方程式的书写。在讨论铝和碱反应这一教学难点时，

认为历届学生们初学铝时很难掌握这一反应，实验中

我们发现如果在教学中增加铝和水反应的教学内容，

就可以将铝和水反应、氢氧化铝和氢氧化钠反应这两

个连续反应进行组合，从而推出铝和氢氧化钠溶液反

应的方程式，顺利化解这一传统教学难题，而这样学生

又需要氢氧化铝和碱反应的知识，于是，干脆将金属铝

安排在铝元素化学的最后一节课上，既符合人类对铝

元素化学真实的认识序，又可增加这部分教学内容的

探究性，实际教学下来，发现我们的改革效果挺好。

实验是元素化学的一个重要组成部分，铝和氧气

的反应几年前笔者教学时曾仔细地研究过，这一轮教

学时，我将当时设计的铝箔打磨进行燃烧的几个探究

环节进行了删除，一方面是基于课堂时间的限制，另

一方面也是基于不想过分强调氧化膜生成的瞬时性，

因为实际上铝制品表面的氧化膜是需要人工增厚

的。铝热反应实验按教材做法，可能更接近工业上焊

接铁轨的实际，但由于反应物量大及反应器的开放性

等原因，反应过于激烈，基于实验安全考虑，往届都是

等下课后在室外地面上演示，让学生们在较远处观

察，由于人多，不少同学看不到，实际效果差。本次实

验设计时，将铝热剂放在一个竖直放置的矮试管中

做，在试管上方一定高度放一个石棉网挡住可能上窜

的火星，由于是在讲台上演示，讲台离学生有2 米左右

距离，所有学生都看得真切，又保证了实验的安全。

铝和水反应，很多学校做不出明显现象，我们刚开始，

也遇到类似问题，后来通过探究，发现先将水加热到

接近沸腾，再将打磨过的铝放入，明显有气泡产生，教

学时将我们教师探究的过程设计成学生分组探究实

验，是我们经常采用的一种探究教学方式。

参考文献

［1］徐守兵.“金属的化学性质”教学设计［J］.化学教学，2010

（12）：35-39

·教学设计研究·

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