无机非金属材料 教学设计

教学设计
课题 无机非金属材料——智能冬奥，众望所“硅”
课型 新授课 章/单元复习课□ 专题复习课□ 习题/试卷讲评课□ 学科实践活动课□ 其他□
教学内容分析
本节课是人教版2019版必修二第五章第三节无机非金属材料第二课时，主要介绍新型无机非金属材料，包括硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料，以及这些材料在信息、能源等领域产生的影响，展现化学科学对新材料研发的重要作用，让学生了解化学学科对社会进步的价值，提升“科学态度与社会责任”等学科核心素养。
学习者分析
学生已经掌握了1-20号原子的电子排布情况和元素在地壳中的含量，再来学习硅和二氧化硅的存在和结构问题不大。且学生在初中的时候己经学习过碳族元素中的碳和二氧化碳的性质和实验有一定的基础，可以利用类比的方法进行学习。
学习目标确定
1、了解并掌握硅、二氧化硅的性质，了解二者在生产、生活中的应用，培养学生论据推理与模型认知的化学核心素养。2、通过学习，了解新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域所发挥的重要作用，激发学生学习化学的兴趣。
学习重点难点
硅和二氧化硅的主要性能和用途
学习评价设计
从现象和结构出发，设计探究方案，探究新型无机非金属材料的生产原理，在探究中互利合作，培养团队精神。透过现象引发学生深层次的思考，培养学生的归纳能力。培养学生思维的深刻性，提升对元素及其化合物知识的认知水平。由于本节内容较多地渗透了化学物质在生活中的应用，联系实际的面较宽，因此要求学生掌握更多的生活概念。学生在预习时已经按照我先前的引导查阅了相关知识，有了一定的生活基础。学生理解能力基本上没问题，但是处理信息能力及对信息联系生活实际加以应用的能力较差，因此在教学中要加强学生这些能力的培养
学习活动设计
教师活动学生活动环节一：引入新课教师活动1 播放冬奥会开幕式《闪亮的雪花》视频。“一鸽都不能少”、“迷路的孩子早点回家”。 这个节目基于英特尔中国研究院的科学家们发明的三维运动员追踪技术（3DAT），通过摄像机捕捉每一个孩子，实时定位，通过光导纤维传输到计算机处理器上，在每个孩子脚下渲染一朵雪花，和他们手里发光的和平鸽交相辉映，非常有感染力，体现了“中国式浪漫”。 提出问题：计算机处理器中的芯片成分是什么呢？学生活动1 感受冬奥智能之美，数字之美 思考计算机处理器芯片成分活动意图说明： 通过学生观看视频、教师引导、思考交流引出本节课内容。环节二：讲授新课：一. 新型无机非金属材料 1. 中国芯——硅单质 教师活动2： 1. 讲解硅单质的存在及用途：【存在】：硅酸盐和氧化物【用途】：半导体材料，集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等展示：（1）冬奥会防疫神器——测温创可贴（内含芯片）（2）内蒙古库布齐沙漠光伏发电基地（3）祝融号火星车太阳能电池版2. 制备硅单质（1）讲解：利用二氧化硅制备高纯硅→高纯硅切割制备硅晶圆→硅晶圆刻录制成芯片（2）引导学生阅读资料卡片和硅元素价类二维图设计由二氧化硅制备硅单质【资料卡片】高纯硅的制备工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。【价类二维图】讲解：通过此方法可以制备99.9999%的高纯硅，用于芯片产业，该技术可推广用于5G产业。（3）制备的高纯硅经过切割之后形成硅晶圆，如何刻录呢？教师展示硅晶圆刻录后的切片，引导学生通过分析硅元素价类二维图进行思考回答。【发现问题】：防疫神器——测温创可贴非常小，化学刻录难以完成，有没有其他方法？【讲解】：激光刻录则可以完成更精密的刻录。 展示冬奥会无数芯片驱动做成的雪花学生活动2： 学生了解硅单质存在及用途 阅读资料卡片和硅元素价类二维图设计由二氧化硅制备硅单质，利用实时投屏技术将学生代表设计分享在班级电脑上，学生代表进行讲解。 完成设计的化学方程式书写：思考硅晶圆刻录的化学方法得出硅与氢氧化钠和氢氟酸反应的化学方程式活动意图说明： 1. 通过讲解展示硅单质用途让学生感受奥运智能之美，内蒙古家乡之美，中国科技之美。 2. 通过硅单质制备设计及化学方程式书写使学生掌握高纯硅的制备。 3. 通过硅晶圆刻录得出硅单质的化学性质。环节三：讲授新课：一. 新型无机非金属材料 2. 光导纤维——二氧化硅 教师环节3： 【回顾】思考上课之初播放的《闪亮的雪花》视频，通过摄像机捕捉每一个孩子，实时定位，通过光导纤维传输到计算机处理器上，那么什么是光导纤维呢？如何制备呢？ 1. 引导学生活动：如何制备二氧化硅【问题1】：原料来源？（硅的化合物的存在）【问题2】：反应条件的选择？（结构和性质角度）【提供材料】（1）.硅的存在：天然SiO2有晶体石英、水晶、玛瑙、沙子和无定形硅藻土两种，统称硅石。（2.）.物理性质：熔点高，硬度大，难溶于水。（3）.结构：SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。【问题3】：如何从沙子中获取二氧化硅 教师讲评哪种方案更好，通过对比得出选择方案一 提出任务：试着写出制备的第一步的化学方程式【问题4】认知冲突：老师手里拿的一瓶氢氧化钠，为什么是玻璃瓶呢？玻璃不和氢氧化钠反应吗？为什么是橡胶塞呢？ 2. 【学生实验】氢氧化钠与玻璃粉反应【问题一】：我们发现该实验没有现象，玻璃粉几乎没反应，能用什么方法判断该反应发生了呢？ 3. 【教师演示实验】 向烧杯中加入氢氧化钠溶液，打开软件，链接PH传感器，之后加入玻璃粉，记录PH值变化 【问题一】 实验完毕我们发现PH几乎不变，那是否是不反应呢？ 【补充实验一】教师展示三天前的实验：两个玻璃片之间滴加几滴氢氧化钠溶液，找同学观察玻璃片是否能分开 【补充实验二】播放视频，视频中是教师将氢氧化钠和玻璃粉混合，用PH传感器测其PH值，几个小时后观察数据曲线，发现PH值变小【结论】通过实验我们得出氢氧化钠与二氧化硅反应非常缓慢，所以可以用玻璃试剂瓶装氢氧化钠，但是磨口玻璃塞接触面积大会加速反应，所以用橡胶塞而不用玻璃塞。【问题二】既然氢氧化钠与二氧化硅反应缓慢，如果想雕刻玻璃我们可以选择谁呢？ 3. 【教师演示实验】 播放提前录好的用氢氟酸雕刻玻璃的视频，展示雕刻好的玻璃，引导学生利用硅元素的价类二维图写出化学方程式学生活动3： 通过教师引导、阅读资料卡片从经济、节能、环保角度解决问题 通过结构理解性质通过硅元素价类二维图小组讨论分析，小组代表回答问题通过价类二维图引导，学生代表发现有两种方法制备二氧化硅方法一：二氧化硅是酸性氧化物，可以和碱反应，所以向沙子里加入氢氧化钠，之后通入二氧化碳，生成硅酸，再加热制备二氧化硅。方法二：二氧化硅与氢氟酸反应，生成四氟化硅，再制备二氧化硅学生小组交流讨论写出第一步的化学方程式SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O 小组为单位完成实验，并记录实验现象 学生回答：可以测PH变化 通过观察教师演示实验感受实验PH变化小组代表回答问题 结论：氢氧化钠与二氧化硅反应缓慢 书写二氧化硅与氢氟酸反应的化学方程式 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。活动意图说明： 1. 通过交流讨论总结出二氧化硅的存在和结构。 2. 通过二氧化硅制备的知识线，引入二氧化硅和氢氧化钠反应，引起认知冲突，最后通过数字化实验得出该反应反应缓慢，层层递进。3. 通过雕刻玻璃实验得出二氧化硅和氢氟酸反应的化学方程式。4. 强化学生能从物质的微观层面理解其组成、结构和性质 的联系，形成“结构决定性质，性质决定应用”的观念；能根据物质的微观结构预测物质在 特定条件下可能具有的性质和可能发生的变化。环节四：讲授新课：一. 新型无机非金属材料 3. 新型陶瓷 教师环节4：展示冬奥会火炬，引入新型陶瓷 2.新型陶瓷 【资料卡片】高温结构陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。压电陶瓷：主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。透明陶瓷：主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。超导陶瓷：在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。学生活动4： 了解新型陶瓷在冬奥会火炬上的作用阅读资料卡片完成学案填空，手机实时投屏，学生代表讲解活动意图说明： 1. 通过学生观看奥运会火炬引入新型陶瓷 2. 通过学生阅读和教师讲解了解新型陶瓷基础知识。环节五：讲授新课：一. 新型无机非金属材料 4. 碳纳米材料 教师环节5 1.展示冬奥会使用的碳纤维材料开幕式《立春》节目所用发光杆采用了碳纤维复合材料，长9.5米，首端直径3.8公分，末端直径1.8公份，重量3斤7两。　火炬身披碳纤维“外衣”：燃烧温度＞800℃氢气环境正常使用国产TG800碳纤维复合材料国产雪车：降低重心更加平稳国产3D打印碳纤维速滑冰鞋：重量减轻3％-4％【资料卡片】碳纳米材料 碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。 碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。学生活动5通过冬奥会使用的碳纤维材料感受科技之美、科技之轻 阅读资料卡片完成学案填空，手机实时投屏，学生代表讲解活动意图说明 1. 通过学生观看冬奥会使用的碳纤维材料引入碳纳米材料 2. 通过学生阅读和教师讲解了解碳纳米材料，拓展学生知识面，新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途。
板书设计
新型无机非金属材料 中国芯——硅单质硅单质的存在及用途制备硅单质SiO2+2C=======Si+2COSi+3HCl=======SiHCl3+H2SiHCl3+H2=======Si+3HCI光导纤维---二氧化硅SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2OSiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。3、新 型 陶 瓷 材 料4、碳纳米材料
作业与拓展学习设计
课后实践活动：请同学们以小组为单位，通过互联网，以“智能奥运”为题，设计新型无机非金属材料的手抄报
特色学习资源分析、技术手段应用说明
1.通过冬奥会所使用的材料将本节课知识点串联起来，一个主线，一系列问题串引导学生学习新型无机非金属材料。2.通过中国芯的制备引入硅单质的制备和性质，相比而言更易激发学生的学习兴趣。3.在二氧化硅环节加入学生实验，引起认知冲突，并引入数字化实验，证明二氧化硅与氢氧化钠反应。
教学反思与改进
本节课的教学设计符合教材知识特点，也符合学生的认知特点，能体现新课程化学教学理念，用明暗两条线索将整个导学过程(教学过程)有机串联起来，明线是“从冬奥会走进化学，发现并感受化学之美”，与之并行的暗线是“用途反映性质，性质决定应用”，始终将有关硅单质、二氧化硅知识的学习和各种能力、方法的训练和培养置于由各种素材有机组织起来的优美的学习情境中，学生除了直观感受图片的美、相关物质的外形之美和实用之美外，通过实验、交流讨论等教学措施或环节的推动，学生主动构建有关硅及其重要化合物的性质及应用方面的知识，发现并深刻感受到化学物质的形态美、结构美、实用美及化学知识中蕴含的人文之美。
1800~2000℃
300℃
1100℃
2