李學玲 楊玉琴

摘要：以“高鐵建設中金屬材料的選擇”為真實情境，通過選擇鐵路軌道金屬、選擇高鐵軌道合金、選擇高鐵車體合金、設想未來高鐵材料、為學校設計自行車車棚五個學習任務，理解金屬材料、合金等學科概念，培養(yǎng)結構決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途等學科觀念，發(fā)展實驗探究、證據(jù)推理、社會責任等學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：真實情境; 任務驅(qū)動式學習; 高鐵建設; 金屬材料; 學科核心素養(yǎng)

文章編號：10056629（2021）11005406

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

基于真實情境的任務驅(qū)動式學習將學生置于與生活、社會實際有密切聯(lián)系的情境中，將教學內(nèi)容隱含在一個或幾個具有代表性的學習任務中，學生在完成學習任務的動機驅(qū)動下，在教師的指導、幫助下，通過對學習資源的主動應用，在自主探索和互動合作的過程中，不斷提出問題和解決問題，從而完成學習任務并實現(xiàn)學科知識建構與素養(yǎng)的發(fā)展。

“金屬材料”課題選自人教版九年級化學下冊第八章，是初中化學“身邊的化學物質(zhì)”重要內(nèi)容之一。金屬材料不僅在生產(chǎn)、生活及現(xiàn)代科技中有廣泛的應用，也是發(fā)展學生科學探究、證據(jù)推理和社會責任等學科核心素養(yǎng)的重要載體。在“金屬材料”常態(tài)教學中，教師往往從金屬在日常生產(chǎn)生活中的應用實例出發(fā)，佐證或解釋金屬的某些重要性質(zhì)，討論金屬材料選擇時需考慮的因素。這固然能強化性質(zhì)決定用途的觀念，也能讓學生認識到化學知識的社會應用價值。但因?qū)嵗山處熁蚪滩慕o出，結論也較顯而易見，學生未能經(jīng)歷真實問題的深度探究過程，使這一課題應有的素養(yǎng)培養(yǎng)功能未能得到充分發(fā)揮。我們以“高鐵建設中金屬材料的選擇”為學習主題，將學生置于真實的任務情境中，與時代發(fā)展的命題密切相關，既能引發(fā)學生濃厚的探究興趣，又能整合知識、方法及學科價值等，實現(xiàn)該主題的教學功能最大化。

1 教學目標

（1）能夠描述金屬的主要物理性質(zhì)，會用物理特性區(qū)別不同的金屬，并能將金屬的性質(zhì)與其用途聯(lián)系起來。

（2） 能夠辨識純金屬與合金的性質(zhì)差異，形成元素組成不同合金性質(zhì)也不同的觀念，且能舉例說明合金在生產(chǎn)生活中的應用。

（3） 能夠利用多種數(shù)據(jù)或?qū)嶒炞C據(jù)，綜合多種因素分析具體任務中金屬材料的選擇，進一步領會化學對生產(chǎn)生活的重要價值。

2 教學流程

教學流程見圖1。

3 教學實施

3.1 創(chuàng)設情境，引入任務主題

[播放視頻]央視新聞直播間2020年8月14日新聞視頻“到2035年，中國鐵路什么樣”[1]：

截至2020年7月底，我國鐵路營業(yè)里程已達14.14萬公里，居世界第二;高鐵營運里程3.6萬公里，居世界第一。到2025年我國鐵路網(wǎng)將達到17.5萬公里，其中高鐵3.8萬公里。到2035年，我國鐵路網(wǎng)將達到20萬公里左右，其中高鐵約7萬公里。到2050年，全面建成更高水平的現(xiàn)代化鐵路強國。

[師]中國高鐵創(chuàng)造的中國速度令世界矚目，高鐵的未來建設一定有同學們的參與！結合今天的學習主題，關于高鐵建設你認為需要解決什么主要問題？

[生]高鐵建設要建軌道，還要造列車，金屬材料必不可少，怎么選擇金屬材料？

[師]同學們都有發(fā)現(xiàn)問題的眼光，本節(jié)課我們就一起來完成高鐵建設中金屬材料的選擇這一學習任務。

設計意圖： 通過中國高鐵建設成就既激發(fā)學生民族自豪感，也自然引出問題，培養(yǎng)學生的社會責任感。

3.2 學習任務1： 選擇鐵路軌道金屬

[問題1]作為軌道建設的金屬有哪些要求？如何選擇金屬？

[生]金屬材料要求不易變形，能承受巨大壓力，耐磨，韌性好，不易腐蝕。

[衍生問題1.1]即金屬的用途是由其性質(zhì)所決定的。選擇金屬需要先了解金屬的物理性質(zhì)，那么金屬具有哪些物理性質(zhì)呢？

[探究1]常見金屬的物理性質(zhì)探究。

[分組討論]列舉生活中常見的金屬制品，說說它們主要利用了金屬的哪些物理性質(zhì)。

[討論結果]見表1。

[分組討論]有些金屬因其特殊的物理性質(zhì)有其特殊用途，請舉例說明。

[討論結果]見表2。

[引導歸納]金屬的一般物理性質(zhì)和一些特殊物理性質(zhì)。

[衍生問題1.2]是不是根據(jù)性質(zhì)，就可以根據(jù)特定用途選擇材料了呢？

[探究2]決定物質(zhì)用途的因素探究。

[分組討論]如果你是一名高鐵設計者，請根據(jù)“資料1”（見圖2、圖3、表3），選出作為軌道材料的金屬。

資料1：

[提示]耐磨性和硬度有直接關系，硬度越大，越耐磨。

[學生交流]

小組1： 可用鐵，因為鐵價格最便宜，硬度較大，地殼中含量也較多。

小組2： 可用鐵，轉彎處也可以用鉻，因為鉻硬度最大，最耐磨，雖然價格有點高，但質(zhì)量第一，這樣轉彎處的軌道就不容易磨壞。

小組3： 可以用鐵，也可以用鉻，還可以用銅。鐵硬度不是最大，但地殼中含量大，價格便宜，鉻硬度最大，銅硬度也較大，還美觀。

[評估分析]選擇金屬材料，不能僅考慮單一因素。從硬度看，鉻、鐵硬度較大;從地殼資源看，鋁、鐵含量高;從價格看，鐵價格低，鉻價格高。綜合多種因素，鐵最合適用作軌道材料。

[引導歸納]物質(zhì)的性質(zhì)在很大程度上決定了物質(zhì)的用途，但不是唯一的決定因素，還需要考慮資源、價格、是否美觀、使用是否便利，以及廢料是否易于回收和對環(huán)境的影響等多種因素。

設計意圖： 從學生熟悉的金屬制品出發(fā)，建立性質(zhì)與用途之間的辯證關系。通過資料分析、交流評估，培養(yǎng)綜合多種因素解決問題的能力。

3.3 學習任務2： 選擇高鐵軌道合金

[問題2]通過綜合考量，我們已選擇了鐵作為高鐵軌道所用材料。那么，這里用的鐵是高爐煉鐵中所獲得的生鐵，還是進一步精煉而成的純鐵或鋼呢？

[分組討論]閱讀教材，完成表4。

[討論結果]見表4。

[引導歸納]從性能角度分析，顯然鐵和生鐵不能用做高鐵軌道材料。生鐵和鋼實際上是兩種含碳量不同的鐵合金。

[衍生問題2.1]合金是怎樣形成的？如何定義合金？

[探究3]合金的形成探究。

[分組討論]資料2： 工業(yè)采用熔合法制合金，根據(jù)鐵和其他3種金屬的熔沸點（見表5），猜猜下面四種金屬能形成幾組合金？有什么規(guī)律？

[討論結果]見表6。

[評估分析]合金的形成需先熔化，金屬必須都是液態(tài)才能制成合金，也稱為共熔。一種液態(tài)、一種氣態(tài)，也就是兩種金屬不能共熔，不能轉化成合金。判斷的方式是： 兩種或兩種以上金屬形成合金，則沸點較低的金屬的沸點要高于熔點較高的金屬的熔點。一種金屬可以和另一種金屬或者多種金屬形成合金。

[引導歸納]合金是由一種金屬跟其他金屬（或非金屬）熔合形成的有金屬特性的物質(zhì)。合金的性能與組成它們的純金屬不同，決定了它們的廣泛用途。

[生]閱讀教材表82，深入體會合金組成與其性能、用途之間的關系。

[衍生問題2.2]從表82可知，鋼有不同的種類，選擇哪一種鋼作為高鐵軌道材料呢？

[分組討論]閱讀資料3，思考高錳鋼和釩鋼硬度比鐵的硬度大的原因。

資料3： 哈德菲爾德（1858～1940），英國冶金學家。他很早就對改進鋼的質(zhì)量問題感興趣，當時人們的研究結果是錳加入鋼中會使鋼變脆。1882年，他試著將以往冶金學家認為的含錳量增加，制造出含錳量12%～14%的高錳耐磨鋼。由普通鋼制造的鐵軌，每9個月更換一次，高錳鋼鐵軌可以連續(xù)使用22年。

鐵的硬度一般為5～10HRC（洛氏硬度），鐵路軌道使用的高錳鋼硬度為52HRC。其實高鐵鋼軌的選用，除了要考慮強度、耐磨性外，還要考慮抗拉強度，目前時速200km/h以上的客運高鐵使用的鋼軌牌號為U71MnG，其抗拉強度≥880MPa，時速200～250km/h客貨運高鐵使用的鋼軌牌號為U75VG（鋼中添加了釩元素），其抗拉強度≥980MPa?；瘜W成分如表7所示[2]。

[討論結果]現(xiàn)在高鐵軌道用的是高錳鋼和釩鋼。合金的組成成分及其含量不同，性能都會發(fā)生相應改變。

[衍生問題2.3]合金的硬度比純金屬大。那為什么不用鋁合金作高鐵軌道呢？

[探究4]鋁、鋁合金、高錳鋼硬度探究。

[分組實驗討論]將鋁和鋁合金、鋁合金和錳鋼相互刻劃，比較它們的硬度大?。ㄒ姳?）。

[引導歸納]合金的硬度比純金屬大，高錳鋼的硬度比鋁合金大。鋁資源雖然豐富，但相對來說鋁合金質(zhì)軟，不耐磨，不能作為軌道材料。

設計意圖： 利用系列問題，不斷引發(fā)學生的認知沖突，通過多種形式的探究活動，學生在數(shù)據(jù)比較分析、實驗對比分析中不僅自主建立起合金的概念，形成組成結構決定性質(zhì)的學科觀念，培養(yǎng)證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。同時，通過鋁合金未作為高鐵軌道材料的原因探析，為選擇車體金屬材料埋下伏筆。

3.4 學習任務3： 選擇高鐵車體合金

[問題3]不僅軌道，制作高鐵車體也需要用到合金，那么，哪種合金適合做高鐵車體？主要考慮的因素是什么？

[學生交流]

小組1： 用鋁合金，因為質(zhì)量輕，硬度大，可塑性強，美觀。

小組2： 用鐵合金，因為鐵合金來源廣，硬度大，價格便宜。

小組3： 用鈦合金，密度小，耐腐蝕、容易加工，美觀大方。

[評估分析]通過鐵軌材料的選擇，我們已經(jīng)知道決定物質(zhì)用途的因素是多方面的。質(zhì)量不是物理性質(zhì)，描述鋁合金不能說質(zhì)量輕，應該說密度小。鐵合金來源廣，雖然可以做普通火車的車體，但密度相對較大，不適合做高鐵的車體。鈦合金密度小、強度大，美觀，是理想材料，但目前看價格太高，也不適合做車體。鋁合金密度小，耐腐蝕，硬度大，來源廣，易加工，易焊接，是高鐵車體的理想材料。目前，一個高鐵的車廂使用鋁合金大約10噸，比全部使用鋼材減輕30%～50%。

[探究5]鐵合金、鋁合金、銅合金的性能比較。

[活動1]分組實驗： 將等體積的鋁合金和鐵合金放在天平上稱量，比較它們的密度大小。

[活動2]查閱資料。

資料4： 中華第一鼎——后母戊鼎，青銅（主要是銅錫）制作;天下第一劍——越王勾踐劍，青銅制作。

資料5： 銅合金廣泛應用在高鐵傳輸系統(tǒng)中。鐵路的電氣化對銅和銅合金的需要量很大，每公里的架空導線需要2噸以上的異形銅線，列車上電機、整流器以及控制、制動、電氣和信號系統(tǒng)等都依靠銅和銅合金來工作。

[活動3]結合教材表82，歸納小結三種合金材料的主要性能和主要用途（見表9）。

[引導小結]綜合考慮，高鐵車體材料選擇鋁合金、電傳輸材料選擇銅合金。

[衍生問題3.1]高鐵電子組件連接需要焊接，焊料又如何選擇？

資料6： 焊料熔點比被焊接金屬低，焊料熔化時，在被焊接金屬不熔化的條件下能潤濕被焊金屬的表面，并在接觸面處形成合金層與被焊金屬連接到一起，高鐵電子組件中焊料不可或缺。

[探究6]焊錫、武德合金和組分金屬熔點探究。

[活動4]分組實驗： 將綠豆大的焊錫、錫和鉛放置在鐵片上，加熱鐵片的中心部分，觀察，比較焊錫、錫、鉛的熔化順序。

[活動5]分組討論： 下表（見表10）是焊錫和武德合金及其組分金屬的熔點，分析數(shù)據(jù)，你能得出哪些結論？

[討論結果]現(xiàn)象： 焊錫最先熔化，錫次之，鉛最后熔化。結論： 合金比組成它的純金屬熔點低。伍德合金可以實現(xiàn)連接，但使用溫度不能超過70℃。焊錫是常用焊料，武德合金常用作保險絲。

[引導小結]金屬材料包括純金屬和合金，生活中用得最多的是合金，常見合金有鐵合金、鋁合金、銅合金、錫合金等。合金的硬度比組分金屬大，耐腐蝕性強，光澤鮮艷;多數(shù)情況下，合金的熔點比組分金屬低。從元素周期表可以看出，目前純金屬只有90余種，合金已達幾千種，隨著科技發(fā)展的需要，新的合金會不斷出現(xiàn)。

設計意圖： 通過錳鋼、釩鋼、鋁合金在高鐵鋼軌及車體上的應用、銅合金在傳輸系統(tǒng)上的應用等補充材料的學習，使學生進一步認識合金性質(zhì)與其應用之間的關系，感受化學與生產(chǎn)的關系，增強化學學科價值認同和社會責任感。通過實驗探究、數(shù)據(jù)分析，自主獲得合金具有的金屬性質(zhì)和優(yōu)于純金屬的特性等知識。

3.5 學習任務4： 設想未來高鐵材料

[問題4]未來的高鐵會用到哪些性能的材料？

資料7： 鈦和鈦合金、形狀記憶合金。

資料8： [視頻]未來高鐵的材料——碳纖維[3]。

[探究7]探索未來高鐵材料的研發(fā)方向。

[師生歸納]未來高鐵材料要求更輕、更快、更耐用、更便宜。

設計意圖： 讓學生感知未來高鐵材料的研究方向，激勵學生學好化學，勇于探索，敢于創(chuàng)新。

3.6 歸納總結

知識結構圖見圖4。

3.7 學習任務5： 學校自行車車棚設計（課后完成）

[探究8]自主選擇材料為學校設計自行車車棚。

4 教學反思

課堂觀察中發(fā)現(xiàn)，學生興趣濃厚，思維積極活躍。課后學生說：“還沒注意過高鐵上這些金屬材料，下次一定好好看看”“今天才知道金屬材料有這么多的用途”“化學對國家的建設作用很大”等等。學生完成課后學習任務——設計自行車車棚的作業(yè)結果（見表11）顯示，學生能將所學知識、方法等遷移到新情境中。從選材看，大部分學生選擇棚頂用鋁合金，骨架用不銹鋼、錳鋼;少數(shù)學生棚頂和骨架都用了鋁合金;還有學生棚頂選用質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、色澤豐富的彩鋼瓦，出乎教師設計預想。此外，學生還設計了用青銅、黃銅、鉻、硬鋁等制作車位鎖鎖環(huán)以及鋁合金垃圾桶、鋁合金燈箱、銅導線、黃銅螺母、鈦合金門鈴等，學生思維被真正打開，顯現(xiàn)了情境學習的優(yōu)勢。當然，個別學生未能建立起綜合多種因素選材的視角，車棚骨架采用黃銅、青銅和鉻，1名學生棚頂用了塑料，1名學生骨架用了木材。因此，該教學設計的進一步改進可強化多角度綜合思維，并適當增加金屬材料與非金屬材料的比較。

參考文獻：

[1]新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要： 到2035年鐵路網(wǎng)將達到20萬公里（2020～08～19）[2021～05～08]. https：//haokan.baidu.com/v？vid=5594955726432851680&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video.

[2]周清躍， 張銀花， 陳朝陽， 劉豐收. 我國鐵路鋼軌鋼的研究及選用[J]. 中國鐵路， 2011， （11）： 47～51.

[3]央視網(wǎng). [走遍中國]未來高鐵的材料： 碳纖維. （2017～07～07）[2021～05～08]. http：//tv.cctv.com/2017/07/07/VIDEDwn6ClzzqRv8Yj9fVuLk170707.shtml.