第三单元　含硅矿物与信息材料教学实录与评析

二氧化硅与信息材料的教学设计

江苏省南菁高级中学

房金宝

1、设计思路：

本节课的课题是《二氧化硅与信息材料》，所以我的设计思路就是以信息材料硅的制取为线索，逐步探讨原料二氧化硅和硅的性质。首先以光导纤维荧光棒展示其良好的导光性能，在引出传导数据的信息材料光导纤维（SiO2）,当数据信息传至电脑后，是通过什么部件进行处理的？以此引出CPU部件。采用观看视频《从沙子到芯片》的方式让学生了解从沙子（二氧化硅）到晶体硅再到CPU的制作过程。抛出本节课的难点，如何从二氧化硅制取高纯硅。围绕该问题带领学生系统探究二氧化硅的和硅单质的性质，并通过二氧化硅和硅单质的相关知识的学习达到接近问题的目的。最后，从人类发展与硅元素的关系角度揭示硅元素对人类发展的重要推动作用，激发学生学习化学的兴趣，促进学生化学学科素养的提升。

2、教材分析：

本节课选自苏教版化学必修1教材专题3《从矿物到基础材料》内容，本专题以矿物资源中获得的重要无机基础材料为主线，重点介绍铝、铁、铜和硅等常见物质的冶炼原理，单质及其化合物的性质和用途。

上一课时学生已经学习了《硅酸盐矿物与硅酸盐产品》，对硅的存在形式和二氧化硅的性质有了初步了解。本节课时重点介绍了二氧化硅的性质和用途及高纯硅的制取。以“如何从二氧化硅制取高纯硅”为问题导向，分层次展开问题讨论，在解决问题的同时完成了物质性质等内容的学习，有利于激发学生学习的兴趣，促进学生科学素养的提高。

3、学情分析：

学生在初中已学过有关碳及其化合物的知识，能知道二氧化碳属于酸性氧化物，并能熟练书写相关化学反应方程式。采用类比法，学生能较好掌握二氧化硅的化学性质。在高中阶段，学生对信息时代的特征事物表现出浓厚的探索欲望，借此可以极大调动学生的课堂活力和学习热情。 4、教学目标：

知识与技能：

（1）了解硅及二氧化硅的重要性质和用途。

（2）了解工业上高纯硅的制备方法。

（3）了解硅、二氧化硅在信息技术、材料科学等领域的应用和与人类文明发展的关系，激发学生研究、开发新材料的意识。

过程与方法目标：

通过碳与硅，二氧化碳与二氧化硅的对比学习，培养学生的推理、归纳、迁移能力。

情感与态度目标：

通过硅和二氧化硅的用途的学习，让学生感受到硅对人类文明进程发展的推动作用，增强学生的社会责任感和使命感。

5、重点难点：

重点：

硅和二氧化硅的化学性质

难点：

高纯硅的工业制备

6、教学过程：

【创设情境】

展示光导纤维荧光棒，体会光导纤维良好的导光性能。

【提问】光导纤维主要化学成分是什么？

【学生】二氧化硅

【实验演示】光导纤维优良的导光性

【设问】信息时代不能只有信息的传输，还需要信息的快速处理。那信息又是通过什么进行处理的？

【学生】芯片、CPU 【提问】他们的主要化学成分又是什么呢？生产原料又是什么呢？

【视频】《从沙子到芯片》

【学生】主要成分是硅，生产原料是沙子。

【过渡】视频中较为详细的介绍了如何从硅制取CPU，而且这一过程主要运用的了电子信息的知识，我们暂且不讨论。如何从沙子得到硅，视频中仅用了一句话概况。那么这节课主要和大家从化学的角度探讨其中的生产流程。

【提问】沙子的主要成分是什么

【少数学生】二氧化硅

【过渡】多数同学不知道答案很正常，因为我们还没学过二氧化硅。所以要解决这个问题，首先要系统学习二氧化硅的相关知识。

【板书】一、二氧化硅

1、存在及用途

【图片与实物展示】

【提问】物质的用途由性质决定，用途体现物质性质，请根据以上用途归纳二氧化硅的重要物理性质。

【学生讨论】高熔点、硬度大、固体、光学性能好。

【讲解】性质由结构决定，这些性质都与其结构密切相关。

【板书】2、物理性质

【过渡】二氧化硅的化学性质如何呢？

【板书】3、化学性质

【交流讨论】二氧化硅的化学性质

【教师】回忆所学，有没有学过与二氧化硅化学性质相关的知识？

【学生】工业制玻璃

【过渡】研究新物质，还可以采用类比迁移的思想。寻找一个与二氧化硅在组成上最为相似的熟悉物质，推测二氧化硅可能具有与之相似的性质。你会选择那个物质做类比，并说出理由。

【学生】二氧化碳，同是氧化物，而且硅与碳原子结构相似，最外层都是4个电子。

【引导】二氧化碳是典型的酸性氧化物，推测二氧化硅也可能是酸性氧化物。

【知识回忆】二氧化碳作为典型的酸性氧化物，它能发生哪些特征反应呢？

【学生板演】CO2与水、碱性氧化物、碱溶液反应的方程式

【教师】引导迁移，类比迁移思想只能预测其可能性质，结论不一定完全正确，需要通过实验检验。

有一个反应根据生活经验就能判断出是错误的。

【学生】二氧化硅与水的反应。

【补充】这也是与二氧化碳性质不同的地方。除此之外，与碱性氧化物反应的温度条件不一样。二氧化碳常温下进行，二氧化硅高温下进行。

【思考】实验室盛装氢氧化钠溶液的试剂瓶，用橡皮塞而不用玻璃塞，为什么？

【学生】玻璃中含有二氧化硅与碱反应生产硅酸钠，将瓶塞和瓶口粘牢。

【小结】二氧化硅性质不活泼，不与水、酸（HF除外）反应，但能与碱性氧化物、碱溶液反应。

【过渡】到目前为止，学习了这些性质还未能解决这个问题，能不能换个角度，从价态角度分析，从氧化还原角度应向其中加入什么物质？

【学生】还原剂，

【提问】这样的得到硅是我们想要的高纯度硅吗？

【学生】不是，含有杂质。

【再问】如何进行分离提纯，我们学过哪些分离提纯的方法。

【学生】过滤、结晶、萃取、分液等。

【教师】这些方法适用吗？

【学生】显然不适用。

【过渡】这就需要我们进一步学习硅的相关性质

，寻找一些办法了。

【板书】二、硅

1、物理性质

【实物展示】硅晶片

【学生归纳】金属光泽，灰黑色，熔点高，硬度大，半导体

【教师】硅原子最外层有4个电子，推测其化学性质如何？

【学生】比较稳定

【板书】2、化学性质

【过渡】学习硅的相关性质，能不能找到提纯硅的办法？表面看不出来，其实答案就在其中。

【提供信息】硅、二氧化硅、碳化硅、四氯化硅的熔沸点比较。

【学生】豁然开朗，加入氯气高温下生成四氯化硅气体，与固态杂质进行分离。

【教师讲解】最后在高温下用氢气还原得到高纯度硅。

【学生】完成转化方程式。

【教师】观察第三个方程式，我们会惊喜地发现，除了硅之外，其他物质都是气态。因此可以得到高纯硅。

【过渡】硅和二氧化硅都是重要的信息材料，正是它们将人类社会从工业时代带入了高速发展的信息时代。纵观人类发展史，硅元素一直伴随着人类发展的脚步。

【知识拓展】人类与硅的关系

【总结】随着芯片技术的不断开发与突破，人类马上要进入崭新时代-人工智能时代。硅元素又会以什么形式为人类继续做出贡献呢？这就需要我们在座同学学好科学知识，努力探索了。