第三单元　含硅矿物与信息材料教学设计第一课时

二氧化硅等信息材料的教学设计

衢州高级中学 朱析杭

1、设计思想：

新课程倡导“生活化教学”、“探究性教学”、“互动对话教学”理念，新课程强调教学中知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三维目标融合。关注学生的已有生活和知识经验，突出学生的学习主动性，是本课教学设计的指导思想。本节课的内容与学生生活联系比较紧密，教师用含二氧化硅的实物、光导纤维、“中国芯”等，创设贴近学生生活的教学情竟，激发学生的学习热情和兴趣。主要采用了学生讨论、自学、教师引导、归纳，并同已学知识相比较的教学方法，目的是为了让学生更多地参予教学，并在学习的过程中培养学生对知识的归纳、总结和探究的能力。由于在初中已学过有关碳及其化合物的知识，采用对比的学习方法，可以使学生温故而知新。

2、教材分析：

本课时位于教材的第三个专题《从矿物到基础材料》，本专题以矿物资源中获得的重要无机基础材料为主线，重点介绍基础无机材料中所包含的常见元素的单质的冶炼原理，单质及其化合物的性质和用途，金属材料的防护等内容。

本课时重点介绍了硅单质的冶炼原理，硅单质及二氧化硅的性质和用途。突破传统的物质中心模式，不再追求从结构、性质、存在、制法、用途等方面全面系统地学习和研究有关的物质，而是从学生已有的生活经验出发，引导学生学习身边的常见物质，将物质性质的学习融入有关的生活现象和社会问题的分析解决活动中，体现其社会应用价值。充分体现元素化合物与自然界和社会生活的密切联系，贯彻STS教育的观点，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：

从教材内容上看，学生已经能熟练分辨酸性氧化物和碱性氧化物，并掌握了酸性氧化物的通性。并且在高炉铁的生产工艺中，已经知道了二氧化硅是酸性氧化物，并熟知二氧化硅与碱性氧化物氧化钙的反应，因此能够熟练书写出二氧化硅与碱、碱性氧化物反应的化学反应方程式。基于镁、铝的冶炼知识，学生可以顺利的归纳、总结硅的提取过程。

4、教学目标：

知识与技能：

⑴了解二氧化硅在自然界的存在形式，了解硅及二氧化硅的重要性质。

⑵了解工业上高纯硅的制备方法。

⑶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：

通过二氧化硅和硅的学习，培养学生的推理、归纳、迁移能力。希望同学们能养成科学研究的方法，能够体会科学探究的过程。

情感与态度目标：

通过二氧化硅、硅的开发研究及应用历程，让同学们体会科学探究的艰辛。让学生体会到化学与社会的紧密联系，增强学生学习化学的情感需要。让同学们感受一下我们国家当年一直到现在在科学前沿上的成就，够激发学生的爱国热情。

5、重点难点：

重点：

二氧化硅的化学性质和硅的制备

难点：

二氧化硅的化学性质和硅的制备

本课教学运用自主学习教学和探究式教学相结合的教学模式。为突破重难点，本课以日常生活中的玛瑙饰品、石英钟为创设情境，引导学生总结二氧化硅的物理性质，在学习二氧化硅的化学性质时采用对比法，结合初中已学过有关碳及其化合物的知识，让学生温故而知新，帮助学生在认识二氧化硅的性质的基础上，形成物质的结构决定物质的性质的认识。让学生更多地参与教学，并在学习的过程中培养学生对知识的归纳、总结和探究的能力。

6.教学准备

学生学习准备：针对学案做好预习工作；

教师教学准备：教学媒体课件、玛瑙饰品、石英钟、石英眼镜，盐酸、硅酸钠溶液、试管、胶头滴管。

7、教学过程：

【创设情境】同学们，我们今天所处的是一个信息时代，互联网已经应用到我们生活的各个角落。继2014、2015年后，2016年第三届世界互联网大会在浙江乌镇举行。已经走过20年岁月的中国互联网，站在了大有可为的新起点上。中国是全球网民数最多的国家，已经达到7亿多，同时也是最大的电子信息产品生产基地。使用互联网可以瞬间将千里之外的信息发送到我们手中，这些信息是通过什么载体进行传递的呢？

【学生】观看视频：光导纤维

设计意图：兴趣足最好的老师，结合多媒体教学手段，通过生活中的一段广告宣传片能使

学生集中精力，激起学生学习新知识的兴趣。

【教师】通过视频资料我们了解到，用于信号传输的铜线已经被什么取代？（光纤）

光纤到底是一种什么样的物质？它的信号传输原理又是什么呢？下面我们一起来揭开它神秘的面纱吧

【PPT展示】

1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然

后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。接下来，我们就一起来感受一下这种神奇的导光能力吧。

【实验演示】请一位同学帮忙，将5米长的塑料光纤从教室前面拉到后面，再用手机手电筒从一端照射，发现整条光纤都变亮了，在光纤的另一端有光线射出。再请同学将光纤圈着收回，发现圈着的光纤依然亮着。

【过渡】其实，不光是水，像这种塑料等物质也可以利用全反射原理进行导光。科学家们一直努力的寻找一种导光效率最好的物质。

【PPT展示】

在1966年，前香港中文大学校长高锟就在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论。这个理论引起了世界通信技术的一次革命。高锟也因此被国际公认为“光纤之父”，高锟也因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

4年之后，美国的一家公司拉制出了世界上第一根实用光纤。那我们中国呢？

1979年中国工程院院士赵梓森拉出我国第一根实用光纤。如今，中国的光通信技术成为继美国、日本之后的世界第三大技术强国，市场占有额为全世界一半以上。赵梓森院士被称为“中国光纤之父”。

设计意图：通过丁达尔的水桶实验，让学生了解光导纤维的导光原理。也让学生感受到，通过学习可以轻松明白生活中看似神秘的现象。实物演示可以让学生亲身体会光导纤维神奇的导光能力。从1870年丁达尔的全反射原理实验，到1966年高琨的玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论，再到1979年中国赵梓森院士拉制出中国第一根实用光纤，这一时间跨度可以让同学们体会科学研究的艰辛，同时通过了解中国光通讯技术在世界上的地位，增强同学们作为中国人的民族自豪感，激发同学们的爱国热情。

【过渡】光纤同学们生活中有见到过吗？

【实物展示】光缆

简单介绍光缆的构造，提出光缆中光导纤维的成分是二氧化硅。

【板书】

二氧化硅与信息材料

光导纤维

二氧化硅

【学生】仔细观察光导纤维，总结其物理性质。

【板书】无色晶体，硬而脆，熔沸点高

【教师】光导纤维很细，别看它细，它能力可强了。像这样一根光导纤维同时可容纳上万人进行通话。因为它比较脆，所以光缆再安装的时候也是很有讲究的，它的弯曲程度不能过大。

设计意图：学会从化学的角度处理问题，使知识有序化。培养学生的归纳能力。

【过渡】二氧化硅除了具有这样一些性质以外，它还有哪些其它性质呢？接下来，我们一起用实验进行探究。

【活动与探究】取三只洁净试管，各加入一小勺等量的二氧化硅粉末，再分别加入2ml

水、6mol·L-1盐酸、6mol·L-1氢氧化钠溶液，振荡，静止片刻，观察实验现象，并得出结论。

【学生】描述实验现象并根据实验现象得出结论

现象：加水和盐酸的试管中，固体不溶解；加氢氧化钠溶液的试管中，固体溶解。

结论：二氧化硅难溶于水，不与水反应；也不与盐酸反应；可与氢氧化钠溶液反应。

与水

与盐酸

与氢氧化钠溶液

【板书】

实验现象

结论

难溶于水；不与水反应；不与盐酸反应；与氢氧化钠溶液反应

【问题1】从性质上判断，二氧化硅属于哪一类氧化物？

【学生】酸性氧化物

【问题2】由此判断，二氧化硅与氢氧化钠溶液反应生成什么物质呢？

【学生】硅酸钠和水

【学生】动笔，巩固化学方程式的书写。

【板书】SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O 【问题3】根据酸性氧化物的通性，二氧化硅除了能与氢氧化钠等碱溶液反应外，还能和哪类物质反应？

【学生】（碱性氧化物）

【学生】动笔，巩固化学方程式的书写。

【板书】SiO2+CaO＝CaSiO3 设计意图：通过学生实验，培养学生的动手能力、观察能力、分析问题的能力以及总结归纳知识的能力。温故而知新，激活学生原有的知识体系，将SiO2的性质归入原知识体系中，并对原知识体系进一步巩固，培养学生的知识迁移能力。

【过渡】一般，作为酸性氧化物，是不能与酸反应的，但当它遇到氢氟酸时，会发生什么呢？

【学生】观看视频：氢氟酸腐蚀试管

【教师】氢氟酸是酸中特殊的，它有剧毒，腐蚀性也很强，所以这个实验需要在特殊的环境中做。由于二氧化硅能与氢氟酸反应，所以氢氟酸在盛放的时候需要用塑料瓶。并且利用这一性质，工业上可以用它蚀刻玻璃。

【图片展示】氢氟酸蚀刻玻璃

设计意图：通过氢氟酸腐蚀试管的视频播放，了解二氧化硅与氢氟酸反应的性质，通过对氢氟酸的认识，使学生树立安全意识，初步养成良好的实验习惯。同时也让学生了解到氢氟酸在工业生产、人们生活中的重要作用，帮助学生树立辩证唯物主义的世界观，全面认识新事物。

根据我们前面探究出的性质，请思考以下问题：

【问题4】为什么盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞？

【学生】因为玻璃塞得成分有二氧化硅，二氧化硅会与氢氧化钠反应生成硅酸钠，硅酸钠溶液具有黏性，会将玻璃塞和试剂瓶黏在一起。

【学生提问】为什么盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶可以用玻璃瓶？

【教师】玻璃瓶其实也会反应。不过我们刚才实验用的二氧化硅是粉末状，并且是纳米级粉末，因为二氧化硅和氢氧化钠反应时，反应速度非常慢。而我们用的试剂瓶是磨口试剂瓶，磨口与试剂的接触面积大，反应也会加快，所以不可以用玻璃塞而可以用玻璃瓶。但如果氢氧化钠溶液的浓度很大，又要长时间存放时，还是不可以用玻璃瓶而要用塑料瓶。实验室存放氢氧化钠固体的试剂瓶就是塑料瓶。

问题5：如何利用二氧化硅制备硅酸？写出涉及到的反应的化学方程式。

【学生】SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O Na2SiO3+HCl＝NaCl+H2SiO3 【教师】由强酸制弱酸的原理，也可以将第二步反应用到的盐酸改为硫酸等。工业上可以利用这个原理可以制硅胶，硅胶即是硅酸的凝胶。

【图片展示】硅胶制品

设计意图：利用二氧化硅的性质解决实际问题，巩固二氧化硅性质的同时，培养同学们分析问题、解决问题的能力，学以致用。

【过渡】工业上需大量用到二氧化硅，二氧化硅来自哪里呢？

【图片展示】自然界中二氧化硅的存在形式

【过渡】自然界中存在大量的二氧化硅，所以用二氧化硅制得的光导纤维的价格相比于铜线就要便宜得多了。二氧化硅除了可以制光导纤维、制硅胶，还有哪些用途呢？

【图片展示】二氧化硅的用途

【过渡】说到硅，它也是一种信息材料，这也是我们今天要学习的第二种信息材料。

【板书】制硅

【问题6】硅应该如何制得呢？请同学们根据下面这段文字和工艺流程，写出硅制备过程中三个重要的化学反应的方程式。

硅的制备

工业上是用硅石（SiO2）和焦炭以一定比例混合，在电炉中加热至1600~1800℃而制得纯度为95%~99%的粗硅,并释放出一氧化碳气体。

粗硅中一般含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质，可采用酸浸洗法，使杂质大部分溶解（有少数的碳化硅不溶），即可得含量为99.9%的工业粗硅。

高纯多晶硅的制备方法很多，电子工业用的高纯硅主要采用四氯化硅氢还原法。四氯化硅氢还原法是将粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500 ℃)，再在1200℃的热硅棒上用氢气还原四氯化硅制得高纯多晶硅。

工艺流程

【学生活动(板书）】

SiO2＋2C＝Si＋2CO↑

Si＋2Cl2＝SiCl4

SiCl4

＋2H2＝Si ＋4HCl 【问题7】观察三个化学方程式我们发现，第一个反应已经制得了硅，那么后两个反应在整个工艺中起到什么作用呢？（提纯） 提纯在硅制备过程中重要性如何？

【教师】通过焦炭还原得到的是粗硅，粗硅中硅含量为95%~99%，经过酸洗可达99.9%，同学们可能觉得已经很高了。硅也是一种信息材料，是一种优良的半导体材料，它的导电能力是介于导体和绝缘体之间。当硅作为半导体材料是对纯度的要求是非常高的，99.9%的纯度是远远不能满足的。提纯之后得到的单晶硅纯度至少可以达到99.9999%，称之为6个9。今天的技术最高已经可以达到12个9。因此在整个制硅的工艺流程中，硅的提纯过程就显得尤为重要了。制得的多晶硅经过切片、熔融，以新的方式重新结晶可制得单晶硅。单晶硅在性能上优于多晶硅，因此价格也更贵一些，用途也有所差异。

设计意图：培养学生的自学能力和对知识的归纳总结能力，了解硅的提取不同于以前所学的物质的提取。以往物质的提取通常是通过化学反应从化合态到游离态，对纯度没有提出太高的要求。但硅的提取对纯度要求很高，也让同学们体会到物质的纯度在材料科学中的重要性。

【图片展示】：单晶硅及单晶硅片

【实物展示】硅片

【学生】：观察硅片，总结硅的性质

灰黑色固体，有金属光泽，硬，脆，（教师补充）熔沸点高，化学性质稳定。

【实物及图片展示】太阳能电板

【教师】太阳能电板是什么才来制成的呢？（硅）衢州市已经启动了金屋顶光伏富民工程，这一工程也写入了今年两会的政府工作报告中，光伏产业前景远大，因此对硅的需求量也是非常大的。

【实物展示】集成电路板

【教师】在这块电路板上有许多集成电路，像CPU处理器和内存条等都是。这些集成电路都是由上面材料做成的呢？（硅）在小小的CPU里有很多层硅片，这些硅片上可以集成上亿个电子元件，一台电脑的运行，主要就靠它了。

【过渡】当没有硅做成的集成电路时，世界上第一台计算机有多大呢？

【图片展示】计算机的演变

电子管计算机 台式电脑 笔记本电脑 掌上电脑 智能手机

【教师】除了电脑手机之外，我们生活中还有许多用到信息材料的电子产品，比如智能电视、智能冰箱、智能汽车、智能手环、智能机器人等等。大到飞机、火箭、导弹等也都离不开信息材料。信息材料的进步推动了信息处理、信息储存、信息传输的不断进步。

【小结】今天，用于信息处理和信息储存的半导体材料主要是硅半导体材料。用于信息传输的主要是二氧化硅制得的光导纤维。因此，今天这个时代被称为硅信息时代。但是，科学家们一直在努力的寻找其他更好的信息材料，比如说半导体材料，已经出现了第二代、第三代半导体材料。所以在以后的日子中，我们的生活会比现在更智能化，未来的生活更加美好。

【学生】观看视频：未来生活

设计意图：利用图片展示、实物展示，通过生活中的例子，从太阳能电板到计算机的发展历程，让同学们了解硅在信息技术、材料科学等领域的应用和与人类文明发展的关系，认识到化学在提供生活材料、保护环境等方面的重要作用，认识到化学科学的发展对提高人类生活质量的积极作用，形成可持续发展的思想，激发学生研究、开发新材料的意识。

8、教学反思：

“要给学生一杯水，老师要有一桶水。”教师应该具备扎实的化学专业知识及基本技能，做到及时了解前沿科学和新型材料，做到不断更新；了解化学学科发展的历史及现状，把握化学学科的最新动态；能够用最简单、通俗、易懂的语言讲清很复杂的知识点。作为教师，依据新课程标准，选择科学的教学理念、教学设计和教学方式。我们可以在课堂上播种兴趣——乐于探究物质变化的奥秘、感受化学世界的奇妙，乐于关注与化学有关的热点问题；播种一种方法——学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息；播种希望和信心——养成务实求真、勇于创新、积极实践的科学态度，树立为社会进步而努力学习的责任感和使命感。