葉蕓蕓 任雪明

摘要：在平時的教學實踐中，發(fā)現(xiàn)高一學生在學習硅和二氧化硅的性質(zhì)時存在混淆現(xiàn)象，為解決這一困惑，提高學生學習效率，提升學生核心素養(yǎng)，選擇將知識情境化，引入項目式的學習模式，通過探究單晶硅的制備來設計4個不同的任務，引導學生在真實情境中解決問題，在實踐探究和小組合作中學習相關知識，使學生的知識技能與學科素養(yǎng)均得到較大的提升。

關鍵詞：真實情境；項目式學習；硅；二氧化硅

文章編號：1008-0546（2023）10-0044-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.010

一、問題的提出

硅在高中教材元素化合物中涉及的內(nèi)容不多，對比蘇教版和新人教版發(fā)現(xiàn)，新人教版中硅所占的篇幅更少，被安排在必修二第五章第三節(jié)無機非金屬材料中，主要要求學生掌握硅酸鹽產(chǎn)品、了解硅和二氧化硅的性質(zhì)和認識碳化硅等新型無機非金屬材料。在教學實踐中我們發(fā)現(xiàn)，對于硅和二氧化硅的性質(zhì)，部分高一學生會出現(xiàn)混淆的現(xiàn)象，繼而對它們的應用也產(chǎn)生模糊認知，因此在新課教學時要避免教師的“滔滔不絕”。在新課學習中應用項目式學習手段嘗試讓學生成為新知識的發(fā)現(xiàn)者，在真實情境中解決實際問題，促進學生在理解前提下的深度掌握。將有利于學生在任務不斷破解中逐步提升學科核心素養(yǎng)。

項目式學習是通過設置一個真實情境化的任務，學生作為項目學習的主體在完成項目任務的過程中與教師不斷對話來診斷其學習障礙點，發(fā)展其核心素養(yǎng)，同時解決問題的綜合能力得到提升。[1]與傳統(tǒng)教學相比，項目式學習是“做中學、玩中學、研中學”，是基于“學得好”層面上的教學實踐活動，它引導學生如何學，充分發(fā)揮學習的主動性，發(fā)揮成員間的合作性，更傾向于在實踐活動中的體悟，實現(xiàn)情境的學習力和遷移力，順應時代發(fā)展的需求，可有效促進深度學習的達成。項目式學習是學生綜合運用多學科學習成果進行自主學習的一種綜合、活動性的教育實踐形態(tài)。[2]

本文以“制備單晶硅”為例，借助項目式學習的優(yōu)勢，設計出四個不同的人物角色，引導學生以特定的角色去思考問題，驅(qū)動學生投入到問題的解決中去，在創(chuàng)設的“以任務為驅(qū)動，以問題為導向”的真實情境中收獲新知識，提升學科能力，培養(yǎng)學科素養(yǎng)。

二、設計與實施

1．項目設計意圖

本節(jié)內(nèi)容選擇“制備單晶硅”作為項目主題，以硅和二氧化硅的核心知識為主要載體，從原料的采購一材料的管理一工藝流程的設計一成品的質(zhì)量檢測這四個項目任務出發(fā)，通過賦予角色，增加學生的主動性；通過情境創(chuàng)設，激發(fā)學生的積極性；通過查閱資料，培養(yǎng)學生的自學能力；通過探究體驗，提升學生的核心素養(yǎng)。

2．項目學習目標

（1）通過從微觀角度學習硅的原子結構和二氧化硅的結構，認識硅的原子結構特點和二氧化硅的晶體結構特點及相關性質(zhì)。

（2）通過角色扮演從不同的認知角度分析單晶硅的制備工藝，了解工藝制備的原理和方法，體驗實際生產(chǎn)要素的復雜性，深刻體會基礎理論和實際應用的相關性。

（3）通過學習高純硅的工業(yè)制法和新型無機非金屬材料的性能和用途，感受無機非金屬材料的多樣性以及對社會發(fā)展的重要性，提高學生努力學習化學、投身國家建設的社會責任感。

3．項目流程設計

具體內(nèi)容如表1所示。

4．項目實施過程

情境引入：化石能源是當前的主要能源，但它是不可再生的，而且會造成對環(huán)境的不良影響，所以新能源的開發(fā)與利用是科學家們研究的主要方向。太陽能是一個取之不盡用之不竭的清潔能源，硅太陽能電池是我們中國的一個名片，在晶硅電池的生產(chǎn)和應用方面，我國目前處于國際領先水平。那么為什么我們會采用硅材料制備太陽能電池呢？硅材料的優(yōu)勢是什么？

PPT展示：見圖1。

教師：晶體硅材料非常好地符合了高效率太陽能電池對光電轉(zhuǎn)換材料的要求，首先晶體硅的光學特性和電學特性都適合用于光伏器件，其次可以通過制備晶片和摻雜等方法對晶體硅材料進行可控加工，另外，晶體硅材料的帶隙與太陽光光譜比較匹配，理論上可以得到近30%的光電轉(zhuǎn)化效率。所以制備晶體硅材料是開發(fā)新能源的重點之一，今天，我們一起來探尋一下如何去制備單晶硅。為了讓同學們充分體驗制備過程，老師創(chuàng)設了四個角色，我們分為四個小組，每組一個角色，請大家積極開動腦筋，一起來完成你所對應的角色的任務。

任務一：采購員

學生活動：閱讀資料1，小組討論選擇最佳原料。

教師：第一小組，你們小組討論結果是？

學生：從制備的原理來看，選擇氧化物會比硅酸鹽更合適，從成本和儲量來看，選擇沙子最合適。

教師：果然是一名優(yōu)秀的采購員，綜合以上因素考慮，我們發(fā)現(xiàn)，沙子是最佳選擇，實際生產(chǎn)中確實也是這么做的，可以這么說，所有的芯片都來源于沙子。

設計意圖：通過代入特定角色，從第一視角去認識元素硅的存在形式，結合資料1的信息，小組合作完成原料的選擇，提高學生的學習欲望，學會提取有效信息并進行加工處理，提升分析推理能力。

任務二：倉庫管理員

學生活動：作為一名優(yōu)秀的倉庫管理者，要熟知材料的性質(zhì)，明確儲存要求。請你根據(jù)所學知識和提示信息，二氧化硅在儲存時應注意什么？體現(xiàn)了哪些性質(zhì)？

教師：我們請第二小組的代表來說一說你們討論的結果。

學生：從資料2和資料3中可以看出二氧化硅的結構和物理性質(zhì)，不溶于水說明在潮濕環(huán)境下也能穩(wěn)定存在，因此不必過于強調(diào)干燥環(huán)境；同時資料3也告訴我們二氧化硅化學性質(zhì)不活潑，很穩(wěn)定，通常情況下不與水、酸發(fā)生反應，但氫氟酸除外，材料4表明二氧化硅和氫氟酸能發(fā)生反應，且是唯一與之反應的酸，所以在儲存時不要碰到氫氟酸即可。

追問：太棒啦。那你能在黑板上把它們的反應方程式寫出來嗎？

學生代表在黑板上書寫化學方程式，其他學生在草稿紙上書寫。

板書：SiO2+4HF=SiF4+2H2O

教師：非常好，二氧化硅可以和氫氟酸反應生成四氟化硅和水，不過同學們要注意，四氟化硅是氣體，我們要把氣體符號加上去。

演示修改：SiO2+4HF=SiF4↑+ 2H2O

教師：還有沒有同學有其他的發(fā)現(xiàn)？我們可以一起討論一下。

學生：資料3中提到二氧化硅是酸性氧化物，所以酸性氧化物的性質(zhì)它都有。

追問：那你能舉例說明酸性氧化物的性質(zhì)嗎？

學生：與堿反應生成鹽和水，

比女口：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

與堿性氧化物反應生成鹽，

比如：SiO2+CaO=高溫=CaSiO3

補充：是的，除此以外，二氧化硅還可以和某些鹽反應。

板書：SiO2+Na2CO3=高溫=Na2SiO3+CO2↑

小結：綜上所述，二氧化硅的性質(zhì)如下：

（1）穩(wěn)定性：化學性質(zhì)不活潑，一般隋況下不反應；

（2）酸性氧化物的通性：

a．一堿反應生成鹽和水：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

b．與堿性氧化物反應生成鹽：

SiO2+CaO=高溫=CaSiO3

（3）與某些鹽反應：Si02+Na2CO3=高溫=Na2SiO3+CO2↑

（4）特性（與氫氟酸反應）：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

設計意圖：話題繼續(xù)延伸，利用課內(nèi)課外信息開展討論，在教師創(chuàng)設的問題情境中感受二氧化硅的性質(zhì)，充分調(diào)動學生的積極性，同時也培養(yǎng)了學生的理解和分析能力。

任務三：工程師

思考：1．將二氧化硅轉(zhuǎn)化為硅單質(zhì)，你能想到哪些方法？選擇最優(yōu)方案。

2．這樣制取的硅單質(zhì)純度怎么樣？

3．如何提純粗硅？

（提示：二氧化硅與一氧化碳不反應；硅在300℃下能和氯化氫反應生成SiHCi3，SiHCi3在1000℃時被氫氣還原。）

學生活動：思考并討論完成高純硅的制備。

教師：第三小組的同學們，你們想到了什么方法？來和大家分享一下。

學生：從二氧化硅得到硅，肯定要通過加還原劑還原的方法。我們所知道的常見還原劑有一氧化碳、氫氣和碳等。但是提示信息說二氧化硅和一氧化碳不反應，所以可以通過氫氣或者焦炭去還原。

板書：SiO2+2C=高溫=Si+ 2CO；

SiO2+2H2=高溫=Si+ 2H2O

教師：那么你覺得哪一種方法更好呢？為什么？

學生：用焦炭更好，因為用氫氣一是成本高，二是不安全，氫氣是一種易燃易爆氣體。

教師：確實，我們工業(yè)上采用焦炭還原二氧化硅，那這樣制備出來的硅是我們想要的高純硅嗎？

學生：不是，因為焦炭過量，所以產(chǎn)物中有焦炭。

教師：根據(jù)提示信息，我們可以怎么做把粗硅制成精硅？

學生：Si+ 3HCI=300℃=SiHC13+H2；

SiHCl3+H2=1100℃=Si+ 3HCl

教師：非常好，這樣制出來的就是高純硅了。

小結：高純硅的工藝流程：

SiO2+2C=高溫=Si+ 2CO↑

Si+3HCI=高溫=SiHC13+H2

SiHC13+H2=高溫=Si+ 3HCI

設計意圖：綜合應用化學學科知識與方法解決陌生情境問題，是學生化學學科能力的綜合體現(xiàn)。通過問題的驅(qū)動引導學生進行思考、分析、總結，得出制備高純硅的方法，從而培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識的學科素養(yǎng)。

任務四：質(zhì)檢員

教師：同學們，我們制取了單晶硅，那么是不是也需要去檢測成品的質(zhì)量？現(xiàn)在你就是質(zhì)檢員，你會選擇什么方法進行純度測定呢？從中可以看出硅的哪些性質(zhì)？

學生活動：根據(jù)課內(nèi)課外資料，思考并討論選出最優(yōu)方案。

教師：我們請第四小組的代表來說—說他們的方案。

學生：從資料中可以看出，常溫下，除與氫氟酸、強堿溶液反應外，硅不與其他物質(zhì)反應。在加熱時，硅能與C12、C、02等發(fā)生化合反應。涉及到的化學方程式主要有：

①Si+4HF=SiF4↑+2H2↑

②Si+2NaOH +H2O=Na2SiO3+2H2↑

③Si+ O2=△=SiO2

④Si+ 2Cl2=△=SiCl4

⑤Si+ 2Mg=高溫=Mg2Si

除了第五個反應條件過高不適合，其余四個反應均可進行，如果要選最佳方案的話，我們認為和氫氧化鈉溶液反應去測氫氣體積比較好，一是條件簡單，常溫下即可進行，節(jié)能；二是操作方便，可行性強；三是綠色環(huán)保無污染，符合綠色化學原則。

教師：分析得很到位，給你們點贊。當然實際上測高純硅純度的真實方案不是這個，在我們現(xiàn)有的知識儲備下，同學們分析的方案已是最佳。

設計意圖：通過學生自己分析討論測定單質(zhì)硅純度的最佳方案，既學習并了解硅的化學性質(zhì)，又鍛煉了分析問題的能力，在學生梳理匯報時，充分發(fā)揮學習共同體的作用，利用課堂生成性資源，提高學生的語言表達能力。

三、實踐反思

從本項目實施情況和學生課堂上的表現(xiàn)來看，學生的成就感和參與感明顯提升。本節(jié)課自始至終都在一個真實的情境中，學生擔任不同的角色去發(fā)現(xiàn)并思考解決問題。在項目式教學中學生需要具備查閱資料、資料加工、分工合作、交流表達等過程技能。教師在這個過程中需要時刻關注學生，適時地引導學生，通過環(huán)環(huán)相扣的驅(qū)動型問題激發(fā)他們下一步探究的興趣，學會用已學知識去解決困惑，在一個個真實問題的解決過程中收獲知識，提升能力，培養(yǎng)學科素養(yǎng)。從實施的過程來看，本節(jié)課貫徹了“以學生為主體”的教育理念，小組合作開展活動，在合作中學以致用，在互動中深化概念，相信學生的學習能力，充分體現(xiàn)了“以學定教，先學后教”的教學策略。從實施的效果來看，在課堂中創(chuàng)設真實教學情境，學生在真實的情境中獲取知識顯然比常規(guī)的教學手段更有效果，更深層次地感受到化學知識的應用與價值。因此教師在備課時多注重發(fā)掘真實情境素材，將生活融入教學，引領學生關注日常生活、了解工業(yè)生產(chǎn)的意識，同時也可增加不同職業(yè)信息的滲入，增進學生對不同職業(yè)領域的了解，挖掘出自己的職業(yè)興趣。

參考文獻

[1] 江合佩，促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的項目式學習研究與實踐——以“廢舊鋰離子電池回收利用”為例[J].教育與裝備研究，2019（9）：60-67．

[2] 郭華．項目學習的教育學意義[J].教育教學研究，201 8（1）：25-31．