“从铝土矿中提取铝”的教学设计
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摘要：叙述了“从铝土矿中提取铝”一课的教学设计，从能量变化的角度来解读从铝土矿中提取铝的流程，从国家高耗能工业的电价优惠、节能减排等政策角度来改进、设计流程。体现了从化学走向化工，从化工走向社会的设计思想。
关键词：提取铝的工业流程；能量变化；电价优惠；节能减排；教学设计
文章编号：1005-6629（2013）3-0034-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 教学设计思想
本课是苏教版《必修1》专题3第一单元“从铝土矿中提取铝”。由于电解铝是已知工业品生产中耗电量最大的，电力成本占到生产成本的30%～40%，国家的电价优惠是电解铝工业发展的基础，所以一定要让学生充分认识该工业高耗能的特征，于是能量的综合利用成为设计本课的一个初衷，也是贯穿课堂的主线之一。通过专题2中镁的提取流程的学习，学生已经对工业流程的分析有了初步的认识，如何在此基础上进一步提高学生对工业流程分析和设计的能力是笔者考虑的另外一个角度，同时为后续铁、铜的获取的学习埋下伏笔。于是就把解读流程、改进流程、创新流程作为了本课的另外一条主线。
2 教学目标
（1）知识与技能：了解铝元素的存在、含量及铝的用途；理解从铝土矿中提取铝的化学原理；学会用化学流程图表示和描述工艺操作及物质变化的过程。
（2）过程与方法：解读铝土矿制备铝的工艺流程，培养自主学习的能力；通过对流程的完善，学会分析化工流程的一般方法；通过对新流程的设计，培养学生创新思维，提升问题探究的能力；通过实验验证物质的性质，提高实验操作能力。
（3）情感态度与价值观：通过方案解读、验证、改进、创新等活动培养探究的科学精神和严谨的科学态度；从炼铝方法的发展，体验化学科学的发展对人类生活的影响；通过对最大耗能工业的分析，引导学生关注社会热点，对与化学相关的生产生活问题做出合理分析。
3 教学设计及流程
3.1 教学流程
3.2 自主学习
（1）通过查找相关资料，了解铝及其合金的用途、铝的冶炼发展史。
（2）知识准备：金属钠和镁的冶炼方法、镁的提取的化工流程。
3.3 课堂教学
3.3.1 铝的存在、含量、用途
[引课]铝的存在、含量、用途。
2010年12月21日1 kg铝和黄金的期货价格分别为16.2元、29.6万元；1kg铝的价格从1854年的1200卢布变化到了19世纪的1卢布。
[设问]既然铝元素在地壳中含量大，为什么19世纪中叶以前金属铝贵过黄金？19世纪末又发生了什么？
[介绍]霍尔发现电解铝的过程。
设计意图：用地壳中铝元素的丰富、现实的便宜与曾经的昂贵造成认知冲突，引发学生思考，为寻找铝冶炼的难处做好伏笔，同时也体会化学的发展对人类生产、生活发展的作用。
3.3.2 从铝土矿中提取铝的“流程解读”
[过渡]虽然霍尔推动了电解铝工业的发展，但是至今电解铝工业还是有一个很大的缺憾：高耗能。电解铝是典型的高耗能工业，在所有工业产品中耗电量最大。所以我们今天从提炼铝的物质变化中去了解其耗能大户的特点。
[问题情境1]电解铝在所有工业产品中耗电量最大，每生产1吨铝的耗电量就高达1.5万度。自2010年6月1日起，国家继续明确对大型电解铝企业实行优惠电价0.3元/度。每吨铝的总生产成本是15000元左右。
[学生活动1]算一算：耗电成本约占铝生产成本的比例。
[提问]电能消耗一般占成本的30%～40%，那么这些电能都消耗在了哪些环节？请大家阅读下图（苏教版《必修1》P64），先了解一下从铝土矿中制备铝的工艺流程。
[学生活动2]学生阅读，提出困惑，指导解决。
设计意图：读懂整个流程，提出疑问。
[过渡]流程中有两个反应没有学过，请你按下表中的操作验证一下。
[学生活动3]学生分组实验；学生汇报。
设计意图：验证反应，并感受两个反应热量变化不大，为下一步能量综合分析做准备。
[学生活动4]根据课本介绍和实验现象，写出相关化学方程式，展示、点评。
[提问]认识了流程中的物质变化，下面请大家分析一下流程中的能量变化，看看哪一步耗能最大？
[学生活动5]找一找：学生讨论、学生分析。
设计意图：掌握流程中的能量变化和物质变化，为下一步流程中能量和物质综合利用的分析做准备。
[小结]能量分析：第一步矿石的粉碎需电能；第二步鼓入CO2需电能；第三步反应加热需热能；第四步加热需热能，电解需电能。
设计意图：使学生对整个流程中的能量消耗有一个全面的认识。
[总结]一、从铝土矿中提取铝的工艺流程
（1）流程：两个阶段（提纯和冶炼）。
（2）反应原理：四个反应。
（3）能量分析：电解氧化铝步耗能最大氧化铝熔点高加冰晶石可降低熔点。
设计意图：使学生对流程形成一个完整的认识。
3.3.3 从铝土矿中提取铝的“流程改进”
[过渡]我们了解了提取铝的物质变化、能耗情况后发现，幸亏霍尔引入了冰晶石，否则能耗还更大，但即使是这样，如果不是国家给的优惠电价，电解铝行业仍是无法生存的，特别是中小企业。
[问题情境2]到2010年，我国万元国内生产总值能耗由2005年的1.22吨标准煤下降到1吨标准煤以下，降低20%左右，已完成了十一五规划的节能目标。自2010年6月1日起，国家明确对淘汰类和限制类企业，取消优惠电价，实行1.0元/度。据第一财经日报2010年10月27日消息：电解铝行业受冲击最大，各地铝厂在过去的五年中纷纷开展了配套流程升级换代。
[学生活动1]算一算：取消优惠电价，耗能约占铝生产成本的比例。
[提问]如果你是铝厂工程师，对这套经典流程可以做哪些改进？
[学生活动2]改一改：能量的综合利用（学生讨论、汇报方案）；物质的综合利用（学生讨论、汇报方案）。
[点评]主要是第三、四步的废热可以回收利用，转化为电能；把一些物质作为副产品或者是建构物质循环。
设计意图：取消优惠电价后电价成本已经占成本的100%，进一步让学生感受其耗能大户的特点，同时引导学生对现有流程从物质和能量综合利用两个角度进行分析，提高学生的分析问题能力。
[总结]二、工业流程常见的综合利用：能量的综合利用节能；物质的综合利用减排。
设计意图：在方法层面提升学生的认识。
3.3.4 从铝土矿中提取铝的“流程创新”
[过渡]但是国家对高耗能工业的忍耐是有限的，已经对彻底取消高耗能企业电价优惠给出了时间表。很多有实力的企业纷纷加大对提取铝的新方式的研究。
[问题情境3]随着资源价格越来越高，特别是低碳生产与生活的追求，高耗能的提取铝的方式越来越显出它的弊端。我国“十二五”规划中节能减排的决心更为凸显，国家十一五期间已经加快了电解铝行业的关停并转，光是2010年前七个月就已淘汰落后产能电解铝企业达到17家。很多有实力的企业纷纷加大了对提取铝的新方式的研究。假如你是一位科研人员，请你思考设计一些从铝土矿中提取铝的新思路或者提出一些新的研究方向。（可以用物质转化流程表示）
[学生活动]设计方案、汇报方案、评价方案。
设计意图：运用本课刚学的流程分析和综合利用分析的一般方法设计新的思路，培养学生综合创新的能力。
[引导准备]可从矿石中提纯、冶炼两个方面去思考；冶炼方法选择可类比学过的金属冶炼；提供学生需要的含铝物质的性质。
设计意图：通过分析、设计、评价激发学生学习更多铝及其化合物性质的激情，为本单元后两课时的学习做准备。
[总结]三、设计提取金属的工业流程的一般思路：冶炼方法选择（依据金属活动性）物质提纯（依据物质性质）综合分析（从物质和能量综合利用两个角度）。
设计意图：提升学生对分析和设计金属提取工业流程的方法的认识。
3.3.5 课堂总结
从铝土矿中提取铝的工业流程；提取金属工业流程设计的一般思路。
设计意图：从知识和方法两个方面对课堂进行总结，进一步完善学生对提取金属铝的工业流程的认识。
4 教学反思
4.1 课堂回顾
课堂上学生积极主动，思维活跃，参与度很高，学生的表现让笔者明显感受到三维目标基本达成，他们学到了从铝土矿提取铝的知识，通过解读流程、改进流程、创新流程切实提升了阅读、分析、设计工业流程的能力，能量综合利用这一主线强化了他们珍惜资源、爱护环境、合理使用化学物质的观念，顺利地把学生的视线引向了与化学有关的社会问题、国家政策，初步形成了主动参与社会决策的意识；教学设计得以顺利实施，提取铝及其化学工艺流程图这一重点充分突出，化工流程的分析和设计这一难点得以有效突破；整节课比较流畅、紧凑，但是时间偏紧，拖堂三分钟。
4.2 原因分析
4.2.1 成功之处分析
选择化学史和生产生活实际引入使学生兴趣盎然；抓住铝冶炼工业是耗电大户的特点、高耗能工业的国家政策展开课堂的教学，学生感到非常特别、新颖；流程学习因为有了卤素、镁的提取的基础，学生具备了―定的流程分析能力。
4.2.2 不足之处分析
本课最大的不足是时间紧，究其原因，首先是引课时在铝的用途、含量处用时过多，这些内容是为了激发兴趣、引发冲突，但是难度不大，用时6分钟偏多；其次流程解读板块中增加了两个学生验证性分组实验，两个实验是为了验证流程中涉及的两个新学反应，为后续分析、改进作铺垫，但让学生分组实验、汇报、分析，用时过多；再有就是第三板块创新流程要求比较高，以学生的基础，需要更多时间思考。
4.2.3 改进思考
（1）第一个不足的改进方案：既然铝的用途、含量学习起来比较容易，可以更多地放在自主学习中，让学生在课前完成，课堂上的引课用2～3分钟即可。
（2）第二个不足的改进方案：由课程标准和教材安排来看，没有这两个实验的安排，可见本课重点是侧重在工业流程的学习，所以上完之后笔者有以下两个改进思路：
①两个新学反应的物质变化和能量变化以信息形式告知学生。
②改学生分组验证实验为教师课堂演示，对于温度变化可以采用DIS系统进行数据采集，通过投影清晰显示，教学效果也应不错。
（3）第三个不足的改进方案：
①学生总体基础相对薄弱的班级教学：可以只进行流程解读与改进两个板块的教学，舍去创新流程板块。
②学生总体基础相对扎实的班级教学：可以三个板块完全进行，但是也要对前面的实验环节进行简化处理，还应多准备一些铝及其化合物的相关性质，以备作为信息提供给学生。