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重现古代火法炼铜工艺制作一件铜器”项目课程设计

2023-11-21 169 上传者：管理员

摘要：把科技工作者的真实案例设计成适合学生的项目式课程，能有效促进学生“学会思考”。笔者通过挖掘真人真事、外显问题解决的思路并将之转化为项目式课程的内容，还原了真实的金属冶炼与加工过程，设计了“重现古代火法炼铜工艺制作一件铜器”的项目式课程案例，让学生在项目中学习解决问题的思路，学会思考，同时也为教师进行项目式课程设计提供参考。

关键词：
中学化学项目式课程
学会思考
火法冶炼
金属
铜器制作
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在高中阶段，对于金属相关内容的学习，《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》中要求学生“知道金属造型工艺中矿产开采、冶炼、模具浇铸、锻造、焊接、切割、常规机械加工、手工金属加工等技术中的一般技术方法，并选择1-2种加以实践”，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中也要求学生“认识化学科学发展对自然资源利用的作用”。

铜是人类最早使用的金属之一，我国商代就有了璀璨的青铜文明，到了现代，铜仍然是电子元件最常用的材料。学生在初中阶段就对铜矿及其冶炼原理有了初步认识，但对其具体的冶炼与加工过程还比较陌生，这就是良好的项目式课程素材。通过挖掘真人真事、外显问题解决的思路，把科技工作者的真实案例设计成适合学生学习的项目式课程，引领学生探寻真实问题解决的真过程、真思路，不仅能让学生掌握基本的科学方法，还能有效提升学生的问题解决能力，促进学生“学会思考”[1]。故本文以“重现古代火法炼铜工艺制作一件铜器”为主题，通过大量的文献研究、博物馆调研和模拟实验，还原真实的金属冶炼与加工过程，培养学生的工程思维和物化能力，让学生“学会思考”，同时也为项目式课程开发提供样例。

一、挖掘真人真事，外显问题解决思路

教师在实际设计项目时，往往需要在寻找真人真事的同时，将其问题解决思路外显出来。

我们通过查阅大量书籍和文献，并与国家博物馆、首都博物馆相关专家交流，梳理了对火法炼铜和铜器制作有重大贡献的真人真事，把工匠与科学家解决的问题归类，形成了三个核心问题，提炼出了问题解决思路（表1）。通过梳理古代工匠与科学家运用火法工艺炼铜并铸造铜器的过程，我们先按照炼铜与铸造铜器的三个阶段形成三个子问题：如何采集合适的铜矿？如何从铜矿得到铜单质？如何将铜单质加工成精细的铜器？再根据每个子问题的任务类型，结合史料，找到问题解决的思路。例如，“如何从铜矿得到铜单质”是一个目标达成类任务，先要进行概念设计，设计出能从孔雀石等铜矿得到铜单质的化学反应；再进行精细化设计，确定用木炭还原孔雀石的温度、浓度、表面积等具体反应条件以及反应装置；再进行权衡优化，获得更高的温度和更大的氧气浓度，不断改进冶炼炉和鼓风设备等反应装置；最后得到详细的目标达成方案并提炼总结。像这样依次展开任务，便可以搭建起整个项目的框架。

二、根据问题解决的主要环节和思路规划项目的任务活动

根据上述“原型”问题解决过程中的主要环节，可以设计“重现古代火法炼铜工艺制作一件铜器”项目的三个任务（表2）。根据每个任务中子问题解决的主要环节以及达成目标类任务的展开思路，可以拆解得到每个任务对应的活动，让学生在这样的项目框架下层层递进解决问题，活动可根据教学实际适度调整。以“任务2：重现古代火法炼铜工艺得到铜单质”为例，其活动拆解情况如表3所示。

为了将真人真事的问题解决思路转化为学生解决问题的思路，最大程度还原真实的金属冶炼与加工过程，我们根据主要环节将三个核心问题转化为项目的三个任务，并根据达成目标类任务的展开思路拆解得到九个活动，形成项目框架（如表4所示）。

三、设计促进学生“学会思考”和“动手实践”的学习活动

为了更好地将真人解决问题的过程转化为学生活动的内容，培养学生“像科学家一样思考”，需要将一般任务类型的解决思路和具体问题的解决思路结合起来，按照明确问题、寻找思路、形成思路、思路具化、监控反思、思路提炼和反思总结的“学会思考”七步程序开展活动，同时根据学生的认知水平调控活动开放度，每个活动中都要尽量有丰富多彩的动手实践活动，促进学生“学会思考”。

（一）根据“学会思考”七步程序设计学习活动的展开线索

在解决每个任务的子问题时，按照七步程序开展活动有利于学生形成解决问题的思路。比如，任务2中的活动2“寻找火法炼铜反应的适宜条件”的展开过程如表5所示，学生在此活动中经历了七步程序的部分程序。

（二）根据学生认知水平调控活动开放度

为了更好地促进学生“学会思考”，解决问题的过程应该尽可能地让学生自主完成，特别是在学生对相关内容比较熟悉、具备独立解决相关问题的能力时。比如，在分析用孔雀石炼铜的原理时，因为高中学生对高炉炼铁和氧化还原的知识比较熟悉，这一环节就可以让学生自主分析。

【交流研讨】请分析：古代工匠以孔雀石[Cu2(OH)2CO3]为原料进行火法炼铜的反应类型是什么？需要添加什么反应物？冶炼过程中主要发生的化学反应有哪些？

当学生自主解决问题有困难、知识或方法有欠缺时，教师可以提供方法导引、思路片段和资料卡片。比如，在分析孔雀石炼铜的适宜条件时，高一学生还不具备清晰的化学反应原理知识，教师就可以提供方法导引。

【交流研讨】请依据表格，分析孔雀石炼铜反应的适宜条件。

(1）当解决问题难度太大时，教师可以提供完整思路。比如，在模拟火法炼铜实验时，因为高中学生大多想不到、不会使用高频感应加热机，且该高温实验存在操作危险，教师就可以提供完整的实验方案。

(2）【实验探究】模拟火法炼铜实验（由于该实验温度较高，要注意防烫伤）

(3）实验步骤：

(4）购买高频感应加热装置，包括高频电源、导线、变压器、感应器、刚玉坩埚、石墨坩埚和水冷装置，并按照厂家说明进行组装（图1）。

(5）(2）将氧化铜（8.0克）和碳粉（0.8克）混合均匀放入石墨坩埚中，将石墨坩埚置于刚玉大坩埚内（石墨坩埚与刚玉坩埚之间可用玻璃陶瓷纸隔离保温），打开冷却水，接通电源，打开开关，持续加热150-180s，得到熔融态金属。

(6）关闭高频感应加热装置（保持冷却水持续通入），将熔融态金属倒入干沙土中冷却，待金属凝固，用坩埚钳夹起金属固体观察，得到红色金属固体（图2）。

(4）待高频感应加热装置冷却后关闭冷却水。

（三）在每个活动中设计丰富多彩的学生动手实践活动

为了更好地激发学生的学习兴趣，提高其动手实践能力，助其得到物化的项目成果，每个任务的每个活动都要尽可能地设计丰富多彩的动手实践活动。

当条件允许时，教师应尽可能地让学生动手做实验。比如，任务1活动1中体验重砂找矿法，任务2活动2中制作高炉或风箱模型、活动3中模拟火法炼铜实验，任务3活动1中熔炼铜合金、活动2中铸造铜币、活动3中用环氧树脂模拟制作青铜复合剑，等等（图3）。

当有的任务确实无法动手实验时，教师也要多让学生进行社会调查和交流汇报。如任务1中学生参观地质博物馆、汇报交流找矿方法，任务2中学生汇报冶炼条件选择和冶炼设备发展过程，任务3中学生汇报交流书籍、电视节目和博物馆中见到的铜器铸造方法，等等。

四、反思与讨论

在设计及实施项目式课程时，需要注意以下几个方面。

第一，深入挖掘文献与资源，还原真人真事的问题解决过程。

真人可以是创始人、相关领域内的权威人士或者具有代表性的一类人，真人真事的问题解决思路可以从文献中挖掘或通过与专业人士交流得到，然后将真人真事解决问题的大环节和显著特征设计为相应的几个任务，再把每个环节中的问题解决过程设计为相应的几个活动，从而外显真人真事的问题解决过程。

第二，调控活动开放度，开展促进学生思考的活动。

教师要尽可能与博物馆、工厂或科研单位多交流，设计更多的方案和模拟实验，根据学生的认知水平进行活动规划，按照“学会思考”七步程序开展活动，给学生足够的自主思考空间，让学生充分交流、动手实践、展示成果，切身体会问题解决的过程，与工匠或科学家产生共鸣，学会“像科学家一样思考”。

参考文献:

[1]徐魏锐.科学教育如何促进学生学会思考[J].科学与社会,2020(03):22-31.

文章来源:徐聪,张劼,朱叶等.“重现古代火法炼铜工艺制作一件铜器”项目课程设计[J].基础教育课程,2023,(22).

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期刊名称：基础教育

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期刊详情

主管单位：教育部

主办单位：华东师范大学

出版地方：上海

专业分类：教育

国际刊号：1005-2232

国内刊号：31-1914/G4

邮发代号：4-740

创刊时间：1978年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

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