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摘要：文章分析了“从铝土矿中提取铝”的教材内容，针对实际教学中学生存在的问题，提出在教学中利用化学史，帮助学生深入理解铝的制备，同时发展学生化学学科核心素养的教学设计。
关键词：化学史;核心素养;从铝土矿中提取铝
文章编号：1008-0546（2020）11-0034-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.009
学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。高中化学学科核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，主要包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”5个方面。
一、教学内容分析
“从铝土矿中提取铝”位于苏教版必修1专题3，学生已经学习了金属钠、镁、铁、铜的制备，金属钠、镁、铝、氧化铝、氢氧化铝的性质等化学知识，初步了解结构决定性质、活泼金属的通性等化学学科观念以及思维方式。这对“从铝土矿中提取铝”的学习打下了知识和思维基础。
学生的思维困惑是：铝的制备，为什么一定要用熔点这么高的氧化铝呢？难道就没有其他办法了吗？金属的制备怎么一会是活泼金属置换，一会电解氯化物，一会又电解氧化物呢？电解氧化铝制备金属铝，有没有其必然性？
二、基于化学史发展核心素养的教学设计
1.发展学生的化学学科核心素养，为什么要引入化学史？
正如有位中学化学教师所说：逻辑严密的教材给学生的感觉是“科学家总是循着正确的、合乎逻辑的思维方式，依靠自己的天赋，自然而然地创立了化学科学。这样，科学发现的艰难历程被过滤掉了，逻辑思维的矛盾冲突没有了，人类探索自然奥秘、冲破自身思想禁锢的勇气未曾展现出来，应有的丰富教育意义也丧失了。”融人化学史，追溯当时的学术背景和科学家们的思考历程，可以帮助学生了解我们所知道的化学知识是如何形成的，科学家们面对问题时是如何思考、如何探究、如何解决的。
化学史融入化学教学，可以分为三个层次：一是可以使学生了解一段史实;二是可以使学生理解对相关问题认识的起点和解决的过程;三是可以使学生在历史的回顾中发现在偶然性中蕴含的必然规律。
本教学设计中用化学史的不同呈现方式和层次贯穿整个教学：
用化学史上名人用铝的“花式炫富”和地壳中金属最丰富的含量的极致对比，激发学生主动提出问题，“金属铝的制备难在哪里？”
教师提供化学史上相关金属的时间轴，让时光穿越到1807年，学生利用已有的制备方法和物质推导铝的制备原理，发现金属铝的制备难点，结合相关化学史，感受科学家们在铝的制备中的思维过程和艰难历程。
呈现主要科学家的照片，时间在继续往前，从相关素材中发现当今铝的制备中的相关问题，作为历史中的一员，我们应该如何解决问题，推动社会不断往前。
2.具体教学设计
根据上述对教学内容以及相关化学史的分析，本节课的教学目标为：
（1）通过金属钠、镁、铁、铜的制备方法，类比推导铝的制备原理，结合相关数据、原理对推测证实或证伪，并初步形成对金属制备的系统认识。
（2）通过对铝及其化合物的认识，构建铝及其化合物的转化关系。
（3）通过对明天铝的制备的展望，认同化学、社会、环境生态系统的平衡，初步形成节约资源、保护环境的可持续发展意识。
本节课围绕“从铝土矿中提取铝”，将整个学习过程分为3个阶段：“铝的制备”“从铝土矿中提取氧化铝”“展望明天铝的制备”，按照图1教学流程展开。
[课堂引入]铝元素是地壳中含量最丰富的金属元素，远远超过铁元素和铜元素，然而在19世纪中叶，拿破仑三世的铝制餐具、泰国国王的铝制王冠、门捷列夫的铝杯等案例纷纷说明铝“祖上阔过”，是当时最贵重的金属。
设计意图：将金属铝的制备放在广阔的历史长河中，让学生感受含量最高却最贵之间的强烈的冲突，从而主动地提出问题，铝的制备难在哪里？
[环节一]铝的制备原理
素材1：（图2）
1.人类经历了青铜时代、铁器时代，在地壳中含量最高的金属铝却为何姗姗来迟？
2.金属的制备与哪些因素相关？
学生1：因为AL2O3的熔点太高了
学生2：金属的活泼性、熔点以及冶炼方法等相关
设计意图：呈现金属制备的时间轴，引导学生通过类比钠、镁、铁、铜的制备方法推测金属铝可能的制备原理，结合氯化铝、氧化铝、氧化铁、氧化铜等熔、沸点的数据证据，通过分析推理对相应的推测进行证实或者证伪，发展学生“证据推理”的化学学科核心素养。
把人类制备金属的顺序和学生学习认知的已有知识统一联系在一起，让学生模拟当时科学家寻找制备金属铝的化合物以及相关原理的过程，认识金属铝制备的困难点。感受科学家在面临问题时，解决问题的思路、永不言弃的执着精神、富有创造力的思维过程，也切身体会用氧化铝制备铝的历史必然性。
结构化是实现知识向素养转化的有效途径，“结构化”水平直接决定着素养发展水平。教学中，对比已经学过的钠、镁、铁、铜的制备方法，依托金属铝的制备，从原来零散的、孤立的知识上升到对金属制备的系统认识。
[环节2]从铝土矿到氧化铝
教师：已知铝土矿中主要成分是Al2o3，还有Fe2O3等其他不溶于水的杂质，如何从铝土矿中提取AL2O3？请画出流程图。学生：（图3）、（图4）
设计意图：让学生构建铝及其化合物的转化，使知识结构化，书写化学方程式进一步巩固夯实化学基础知识。
[环节3]展望金属铝制备的明天
素材5：到20世纪50年代，铝的产量已经超过铜而居有色金属第一位，产量仅次于钢铁，而冰晶石一氧化铝熔融电解依然是目前工业生产铝的唯一方法，每生产1吨铝要消耗2吨氧化铝，综合能耗为9.6吨标准煤，排放二氧化碳21.8吨、碳5.8吨。
教师：环顾今天我们的生活，已经离不开铝制品，而金属铝的工业制备依旧是高能耗、高排放，你能展望一下铝的制备明天会走向哪里？
学生：减少能耗，减少排放
素材6：如果从废旧材料中回收铝所需的能量，仅为铝土矿重新提炼加工所需能量的7%。回收25个易拉罐所节省的能量，相当于燃烧3.785L汽油所释放的能量。
设计意图：从铝土矿中提取铝，在需求与环境中，尽量做到整个生态系统的可持续发展，提升学生“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。同时，作为历史的一员，面对未来，如何推动社会的继续前进。
总结提升：（图6）
设计意图：透过时间长轴，希望学生在历史的回顾中感受事物的发展方向，看到化学家们为了“从铝土矿中提取铝”，不畏困难、锲而不舍、勇敢求索的踪迹，学习18年如一日执着研究的维勒，向有梦想，有行动的青年大学生霍尔和埃罗以及在铝的发现和走向工业生产中为之奋斗的所有化学家们致敬！
三、教学反思
学习科学人物和科学史有助于学生了解科学发展中人们是如何通过系统地收集数据和运用实际的证据来发现可信知识的。
本节课精心选择了与学生认知、教学内容相匹配的化学史融入教学中，以化学史为素材进行情景设置，运用类比推理等方法推导相关结论，与化学史相佐证。不仅促进了学生对“从铝土矿中提取铝”制备的理解，注重相关知识和认识思路的结构化，还发展学生证据推理、科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
在教学中，学习的难点主要出现在调动已有方法和知识、结合相关信息，用类比推理的方法推导铝的制备的原理，以及推测其可行性。说明学生前面知识很多都是零散的平面堆积，没有建立内在的逻辑关联。在后續的教学中，教师要更注意内容的结构化，以及利用化学史展开对知识的寻根溯源，落实化学学科核心素养。
关键词：化学史;核心素养;从铝土矿中提取铝
文章编号：1008-0546（2020）11-0034-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.009
学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。高中化学学科核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，主要包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”5个方面。
一、教学内容分析
“从铝土矿中提取铝”位于苏教版必修1专题3，学生已经学习了金属钠、镁、铁、铜的制备，金属钠、镁、铝、氧化铝、氢氧化铝的性质等化学知识，初步了解结构决定性质、活泼金属的通性等化学学科观念以及思维方式。这对“从铝土矿中提取铝”的学习打下了知识和思维基础。
学生的思维困惑是：铝的制备，为什么一定要用熔点这么高的氧化铝呢？难道就没有其他办法了吗？金属的制备怎么一会是活泼金属置换，一会电解氯化物，一会又电解氧化物呢？电解氧化铝制备金属铝，有没有其必然性？
二、基于化学史发展核心素养的教学设计
1.发展学生的化学学科核心素养，为什么要引入化学史？
正如有位中学化学教师所说：逻辑严密的教材给学生的感觉是“科学家总是循着正确的、合乎逻辑的思维方式，依靠自己的天赋，自然而然地创立了化学科学。这样，科学发现的艰难历程被过滤掉了，逻辑思维的矛盾冲突没有了，人类探索自然奥秘、冲破自身思想禁锢的勇气未曾展现出来，应有的丰富教育意义也丧失了。”融人化学史，追溯当时的学术背景和科学家们的思考历程，可以帮助学生了解我们所知道的化学知识是如何形成的，科学家们面对问题时是如何思考、如何探究、如何解决的。
化学史融入化学教学，可以分为三个层次：一是可以使学生了解一段史实;二是可以使学生理解对相关问题认识的起点和解决的过程;三是可以使学生在历史的回顾中发现在偶然性中蕴含的必然规律。
本教学设计中用化学史的不同呈现方式和层次贯穿整个教学：
用化学史上名人用铝的“花式炫富”和地壳中金属最丰富的含量的极致对比，激发学生主动提出问题，“金属铝的制备难在哪里？”
教师提供化学史上相关金属的时间轴，让时光穿越到1807年，学生利用已有的制备方法和物质推导铝的制备原理，发现金属铝的制备难点，结合相关化学史，感受科学家们在铝的制备中的思维过程和艰难历程。
呈现主要科学家的照片，时间在继续往前，从相关素材中发现当今铝的制备中的相关问题，作为历史中的一员，我们应该如何解决问题，推动社会不断往前。
2.具体教学设计
根据上述对教学内容以及相关化学史的分析，本节课的教学目标为：
（1）通过金属钠、镁、铁、铜的制备方法，类比推导铝的制备原理，结合相关数据、原理对推测证实或证伪，并初步形成对金属制备的系统认识。
（2）通过对铝及其化合物的认识，构建铝及其化合物的转化关系。
（3）通过对明天铝的制备的展望，认同化学、社会、环境生态系统的平衡，初步形成节约资源、保护环境的可持续发展意识。
本节课围绕“从铝土矿中提取铝”，将整个学习过程分为3个阶段：“铝的制备”“从铝土矿中提取氧化铝”“展望明天铝的制备”，按照图1教学流程展开。
[课堂引入]铝元素是地壳中含量最丰富的金属元素，远远超过铁元素和铜元素，然而在19世纪中叶，拿破仑三世的铝制餐具、泰国国王的铝制王冠、门捷列夫的铝杯等案例纷纷说明铝“祖上阔过”，是当时最贵重的金属。
设计意图：将金属铝的制备放在广阔的历史长河中，让学生感受含量最高却最贵之间的强烈的冲突，从而主动地提出问题，铝的制备难在哪里？
[环节一]铝的制备原理
素材1：（图2）
1.人类经历了青铜时代、铁器时代，在地壳中含量最高的金属铝却为何姗姗来迟？
2.金属的制备与哪些因素相关？
学生1：因为AL2O3的熔点太高了
学生2：金属的活泼性、熔点以及冶炼方法等相关
设计意图：呈现金属制备的时间轴，引导学生通过类比钠、镁、铁、铜的制备方法推测金属铝可能的制备原理，结合氯化铝、氧化铝、氧化铁、氧化铜等熔、沸点的数据证据，通过分析推理对相应的推测进行证实或者证伪，发展学生“证据推理”的化学学科核心素养。
把人类制备金属的顺序和学生学习认知的已有知识统一联系在一起，让学生模拟当时科学家寻找制备金属铝的化合物以及相关原理的过程，认识金属铝制备的困难点。感受科学家在面临问题时，解决问题的思路、永不言弃的执着精神、富有创造力的思维过程，也切身体会用氧化铝制备铝的历史必然性。
结构化是实现知识向素养转化的有效途径，“结构化”水平直接决定着素养发展水平。教学中，对比已经学过的钠、镁、铁、铜的制备方法，依托金属铝的制备，从原来零散的、孤立的知识上升到对金属制备的系统认识。
[环节2]从铝土矿到氧化铝
教师：已知铝土矿中主要成分是Al2o3，还有Fe2O3等其他不溶于水的杂质，如何从铝土矿中提取AL2O3？请画出流程图。学生：（图3）、（图4）
设计意图：让学生构建铝及其化合物的转化，使知识结构化，书写化学方程式进一步巩固夯实化学基础知识。
[环节3]展望金属铝制备的明天
素材5：到20世纪50年代，铝的产量已经超过铜而居有色金属第一位，产量仅次于钢铁，而冰晶石一氧化铝熔融电解依然是目前工业生产铝的唯一方法，每生产1吨铝要消耗2吨氧化铝，综合能耗为9.6吨标准煤，排放二氧化碳21.8吨、碳5.8吨。
教师：环顾今天我们的生活，已经离不开铝制品，而金属铝的工业制备依旧是高能耗、高排放，你能展望一下铝的制备明天会走向哪里？
学生：减少能耗，减少排放
素材6：如果从废旧材料中回收铝所需的能量，仅为铝土矿重新提炼加工所需能量的7%。回收25个易拉罐所节省的能量，相当于燃烧3.785L汽油所释放的能量。
设计意图：从铝土矿中提取铝，在需求与环境中，尽量做到整个生态系统的可持续发展，提升学生“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。同时，作为历史的一员，面对未来，如何推动社会的继续前进。
总结提升：（图6）
设计意图：透过时间长轴，希望学生在历史的回顾中感受事物的发展方向，看到化学家们为了“从铝土矿中提取铝”，不畏困难、锲而不舍、勇敢求索的踪迹，学习18年如一日执着研究的维勒，向有梦想，有行动的青年大学生霍尔和埃罗以及在铝的发现和走向工业生产中为之奋斗的所有化学家们致敬！
三、教学反思
学习科学人物和科学史有助于学生了解科学发展中人们是如何通过系统地收集数据和运用实际的证据来发现可信知识的。
本节课精心选择了与学生认知、教学内容相匹配的化学史融入教学中，以化学史为素材进行情景设置，运用类比推理等方法推导相关结论，与化学史相佐证。不仅促进了学生对“从铝土矿中提取铝”制备的理解，注重相关知识和认识思路的结构化，还发展学生证据推理、科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
在教学中，学习的难点主要出现在调动已有方法和知识、结合相关信息，用类比推理的方法推导铝的制备的原理，以及推测其可行性。说明学生前面知识很多都是零散的平面堆积，没有建立内在的逻辑关联。在后續的教学中，教师要更注意内容的结构化，以及利用化学史展开对知识的寻根溯源，落实化学学科核心素养。