课题1 金刚石、石墨和C60教案设计（一等奖）

立足科学发展规律

提升学生科学素养

——《碳的单质》（1）教学设计

江苏省锡山高级中学实验学校 马振萍

一、设计构想

在全民范围内普遍提高科学素质是实现富民强国目标的客观要求。作为唯一一个超级大国的美国率先推行普遍提高全民科学素质的大规模超时段的运动, 即2069工程, 它计划在2069 年美国所有大学的科研水平上均达到世界第一, 全民科学素质领先于其他国家。在美国的影响下, 英国、加拿大、澳大利亚、印度等国也提出了相应的计划。我们国家对此也反应强烈, 于1999 年提出了2049 工程计划。

即到2049 年我国全体公民的科学素质达到与时代要求相称的标准。目前美国公民科学素质标准的普及率为6 .9%，而我国仅为0 .32%。可见，实现这一目标任重而道远。

美国《国家科学教育标准》近期指出，“科学探究既是学生的学习目标也是重要的教学方式”。中华人民共和国义务教育化学课程标准（2011版）指出，化学学习的理念是要为每一个学生提供平等的学习机会，使他们都能具有适应现代社会及未来社会所必需的化学基础知识、技能、方法和态度，具备适应未来生存和发展所必需的科学素养。课程标准指出，新课程依据国内化学课程的现状、国际科学教育和化学课程改革的趋势，以及基础教育课程改革的指导思想，提出化学课程改革的重点是要以提高学生的科学素养为主旨，重视科学、技术与社会的相互联系。科学探究的方法是培养学生科学素养的有效途径和方法，例如，要求学生能从日常生活、自然现象或观察实验中发现与化学学科相关的问题，实际上这也是培养学生好奇心和乐于探索化学知识的科学态度；同时要求学生在合作中既坚持原则又尊重他人，这也是培养实事求是、合作的科学态度。科学探究的方法和科学素养的培养这两者是相辅相成、互相促进、不可分割的统一整体。

科学创新和科学发展是按照一定的规律进行的（见图1），在课堂教学中，我们不仅关注知识的习得，技能的提升和情感态度价值观的建立。还要有意识培养学生科学发展规律，引导学生去发现，去创新，培养高素质人才。

观察

（发现问题）

假设

实验

分析

结论

二、教材内容分析

本课题选自人教版九年级《化学》（上册）第六单元“碳和碳的氧化物”课题１，该课题分２课时完成，该设计主要针对碳的典型单质的物理性质及用途。碳单质在生产和生活中有着广泛的应用，教材主要从化学学科发展的角度和物质多样性的角度介绍了碳的几种单质的物理性质及其用途。

引导学生走进化学世界，从化学角度认识身边的物质，初步了解了物质构成的奥秘。本课题主要介绍了金刚石和石墨的物理性质，由用途推测性质，由结构不同理解性质不同。通过实验体验活性炭的吸附性及其用途，使学生树立性质决定用途、用途体现性质的观点。掌握了这—重要的化学思想之后，可以使学生更好地体会学习化学的意义，感受化学世界的魅力。

教材中介绍了碳家族研究过程中的诺贝尔奖，C60的发现和石墨烯的发现，突出化学的发展对高新技术的影响。展现随着科技的进步，碳单质的新发现层出不穷。人们的认识也在不断进步。拓展学生的视野，渗透科学发展观，提升学生科学素养。

三、学情分析

九年级学生虽然抽象逻辑思维开始占据优势，但是很大程度上还属于经验型，因此需要感性经验的直接支持。金刚石、石墨和活性炭等物质是生活中可以见到的物质，通过紧密联系学生生活，将有利于学生深入认识身边的化学物质，有利于重新激起学生的学习兴趣和热情。学生对新鲜事物具有强烈的好奇心，想动手试一试、做一做。在教学过程中让学生尝试做探究实验，如玻璃刀划玻璃、石墨电极和铅笔芯的导电性、触摸铅笔芯粉末、活性炭吸附性实验等可以充分调动起学生的学习兴趣。

四、教学目标

（１）通过活动，学生体验并归纳金刚石和石墨的物理性质，区别两者性质的不同。 （２）通过对金刚石、石墨和C60的结构及用途的介绍，学生能体会结构决定性质，性质决定用途的关系

（３）通过介绍C60、石墨烯和碳纳米管等新型碳单质的结构与用途，体验科学发展给人类带来新的视野，体会化学是人类进步的阶梯，树立献身科学的人生观和价值观。

五、教学重点难点

重点：碳单质的结构、性质与用途之间的关系。

难点：碳的不同单质在物理性质上的差异是微粒空间排布的不同造成的。

六、教学过程

模块Ⅰ

金刚石和石墨的性质体验

[实验引入]如图1示，将蒸发皿放在蜡烛火焰上方。蒸发皿上黑色的物质的主要成分是炭黑。

[创设情境]蜡烛燃烧的产物非常丰富，蜡烛的燃烧散发着钻石一样的光芒。2011年，英国华人学者周午纵完成的一项研究显示，在蜡烛火焰中存在着纳米尺度的钻石颗粒，在蜡烛火焰闪动的每一秒，都会产生大约１５０万个纳米尺度的钻石颗粒。将来可能因此发现新的生产钻石的途径。除金刚石外，蜡烛的火焰中还含有石墨、C60和无定形碳。这些物质有的大家非常熟悉，有的还很陌生。从价值连城的钻石，到生活常见的石墨，既有寻常百姓家的炭黑，又有高端前沿的C60。它们都有共同的一个特征——都是碳元素组成的单质。碳元素是如何组成这么多种不同的单质？它们又有哪些性质和用途？这是我们今天和大家一起共同研究的内容。

（设计意图：联系旧知的基础上利用前沿科技新闻向学生展示新颖的科学视野，该新闻情境的创设不止限于导入——首先让同学们知道，熟悉的蜡烛燃烧居然有如此复杂的产物，化学反应的奥秘如此丰富多彩，对化学世界的理解还需要与时俱进，有利于打破学生在传统科学教育中对知识一成不变的僵化思路；其次用科技的创新引发学生学习好奇心，激发学生对碳单质的学习兴趣。）

板书：一、金刚石和石墨的物理性质

[学生活动] 1.观察钻石戒指的外观

2.用削笔刀划刻玻璃

[学生演示] 用玻璃刀切割玻璃

归纳：金刚石的物理性质与用途

（设计意图：用归纳法认识物质是重要的科学方法，将性质和用途紧密联系起来是学习具体化学物质的有效思路。由钻戒引入金刚石学习，调动学生积极性；由于实验具有一定危险性，教师演示“划玻璃”的实验，让学生由课本知识的直接获取化为直观感受，有利于学生获取对金刚石的感性认识。通过普通削笔刀和玻璃刀的对比，体验金刚石硬度大的性质。）

[过渡]金刚石是天然最硬的物质，石墨的性质如何呢？

[学生活动] 1.看一看、摸一摸石墨块，观察石墨块的物理性质；

2.分别用6H、2B、6B在纸上书写“石墨”二字，比较异同

3.分别用6B、2B、6H笔芯，进行导电性实验。

归纳石墨的性质及用途。性质与用途之间有何关系？

课外拓展：你知道铅笔型号的H、B及数字代表的含义吗？

[教师]拓展铅笔的有关知识，介绍石墨的其他的用途

[总结与归纳]归纳与比较金刚石和石墨的性质和用途

（设计意图：石墨部分的教学更加注重学生体验，作为身边易得的物质，从学生体验入手，感受物质的物理性质；针对导电性联系物理电学进行详细探究，借此引出铅笔芯型号的区别；体现学以致用是身边的化学物质模块教学的最终目的。）

[化学史]有一次英国化学家戴维去托斯卡纳伯爵家里作客。戴维指着伯爵戒指上嵌的钻石说：在化学家的眼中，“你的那颗美丽的钻石和一块石墨的组成是一样的。”伯爵不信。戴维说：“你献出这颗钻石，我就做实验给你看看。”戴维又用石墨做了同样的实验，结果和钻石燃烧的现象一样。伯爵用昂贵的钻石作了学费，他完全被实验现象迷住了。

[视频]金刚石在液氧中燃烧。

[问题]通过定量测定的方法，测出金刚石的质量，测出二氧化碳气体中的含碳量，发现质量相等，的确金刚石和石墨都是碳元素组成的单质。

[过渡]同样都是碳元素组成的单质，其物理性质上差距如此之大，是什么原因呢？我们从结构上找原因。

[展示] 展示介绍金刚石和石墨的结构。

[大胆猜想] 金刚石价值连城，生活常见的石墨都是碳元素组成的单质，如果想获得更多的金刚石，你有何想法？

[视频]石墨转化成金刚石

[教师]我们可以通过改变碳原子的排列方式获得新的物质，改变物质的结构获得我们想要的物质。

（设计意图：通过金刚石和石墨的性质和用途归纳，学生能体会到这种物质的巨大差异，建立性质与用途之间的关系。由化学史，金刚石和石墨组成相同，激发学生认知冲突。由视频验证其都是碳元素组成的单质。通过对结构的认识，形成结构决定性质的观点。并大胆提出猜测，如果能够改变石墨的结构，改变为金刚石的结构，获得金刚石。通过金刚石转化为石墨的视频，验证猜想。教学过程达到高潮，学生不仅收获成功的喜悦，也能进一步体验科学研究的一般方法，通过大胆猜想和实验验证，并进行物质的结构改变，获得新物质，这也是化学合成的奥秘。还原科学发展规律，从而提高学生的科学素养。）

模块Ⅱ

无定性碳在生活中的用途

[过渡]化学是一门实验的科学，实验是化学学习的灵魂。

[教师] 刚才同学们得到了的黑色物质是炭黑，其主要成分是石墨还含有其他的杂质。在生活中的用途很广，如碳素墨水、汽车轮胎中的添加剂等。除炭黑外，活性炭、木炭、焦炭等，主要成分也是碳，含有少量杂质，没有规则的几何外形，被称为无定形碳，它们在生产和生活中有重要的用途。

[学生活动]如图所示，完成活性炭吸附红墨水的改进实验。

[阅读课本]这些无定形碳在生活中也有重要的用途。

（设计意图：改进课本上设计的实验，让实验现象更清晰，更方便。将过滤操作与活性炭吸附操作融合一起，有利于前后知识的整合。体验对比是设计实验的常用方法。介绍碳组成的其他物质在生活中的重要应用，体验化学来源于生活，并为生活服务的理念。真正做有用的化学。）

模块Ⅲ

新型碳单质材料

[科技前沿]

碳元素除组成两种重要单质，金刚石和石墨外。1970年，日本科学家小泽预言，自然界中碳元素还应该有第三种碳单质存在。各国科学家15年的不懈努力和艰苦探索，终于在1985年由美国Rice大学的Kioto等人在激光汽化石墨实验中，首次发现含有60个碳原子的原子簇，命名为C60，其英文名称为futlerenes（即富勒烯），Kloto等人也因此获得1996年的诺贝尔化学奖。

C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,C60的发现，开辟了化学新材料的开端。此后，人们发现了C50、C70、C84、C100、C240、C540……进一步丰富了碳元素家族在材料方面的应用。

（设计意图：

“富勒烯”是本课题中非重点内容，但这一内容对于引导学生准确认识物质的微观结构，纠正很多学生对微观结构和宏观表现的混淆，是很有必要的。通过多种富勒烯的获得，体验科学研究的过程的艰辛，科学发展的迅速，进一步领会科学研究的意义。随着科技的不断进步，碳单质的发现越来越多，为了开阔学生视野，使学生意识到化学的重要以及科学的发展是无止境的。）

[过渡]石墨的导电性很好，石墨是层状结构，层与层之间的作用力相对较弱，能否得到单层石墨的结构？如果能，其结构是怎样的？

[科技前沿]起初人们认为，单层石墨烯是不能稳定存在的。2004年，Geim在胶带上粘一小块石墨、折叠，然后再撕开胶带，薄片也随之一分为二。屡次重复这一过程，最终得到了单层石墨烯，其性能优良。石墨烯是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。美国一位工程师杰弗雷用形象地比喻了石墨烯的强度：将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，如想用一支铅笔戳穿它，需要一头大象站在铅笔上。

[科技前沿]

和厘米、微米一样，纳米是一种尺度单位，一纳米是一米的十亿分之一。1991年被人类发现的碳纳米管，是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝

宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。 作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，碳纳米管韧性很高，导电性极强，场发射性能优良，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，比重只有钢的1／6。因为性能奇特，被科学家称为未来的“超级纤维”。

可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。

[视频]清华大学发现世上最长的碳纳米管

（设计意图：该部分内容在课本中属于拓展视野部分，相对篇幅较小。通过查阅最新的资料，拓展学生视野。通过最新科技研究成果展示，让学生体验化学与高新技术之间的关系，体验碳元素单质与新材料之间的关系。材料科学每发展一步，必然引起新的技术变革。真正体现有用的化学，改变学生认为化学有毒，有害的观念。真正体现化学是人类进步的阶梯。通过预设获得单层石墨烯，让学生进一步体验大胆猜想-实验验证-科学发展的过程。）

模块四、畅想与总结

目前科学家们对新型碳单质材料的应用还处于起步阶段，请同学们畅想一下，如果这些材料进入我们日常生活，我们的生活会发生怎样的改变？将来你是否愿意投身碳家族研究的大军中来？

[视频]石墨烯在未来的应用

（设计意图：通过对这些新型碳单质在未来生活中的应用的大胆预设，畅想未来，让学生体验化学学习的前瞻性。通过视频石墨烯在未来的应用，验证猜想，收获成功的喜悦。并立志投身化学科学研究中，渗透情感态度与价值观。）

模块五、课后检测与延伸

1、根据下列叙述，请同学们说出它们分别是哪种碳的单质：

（１）寒冷的冬季，甘愿燃烧自己，温暖别人；

（２）吸进的是毒气、废气，却把清新的空气留给人们；

（３）出生时间不长，超导方面功德无量；

（４）开矿采油时，冲锋在前，专打硬仗；

（5）虽然雍容华贵，但也乐意做划玻璃这样的小事。

2、除可以用石墨合成金刚石外，还有哪些新型的合成金刚石方法？（课后查阅资料）

3、碳元素是非常重要的元素，它是生命元素，是能源元素，也是材料元素，碳元素的应用关系到我们生活的方方面面，请课后查阅资料进行拓展。

（设计意图：初学碳的单质，不适宜在这部分过于深入，不宜练习那些过于应试的经典题型；响应课堂主题，在性质应用中体会化学学科思维，是建构元素观和化学价值观的途径。通过课后查阅多种合成金刚石的方法，体验化学是一门创造的学科，是人类进步的阶梯。通过对碳元素在各个领域的应用，体会化学对生产和生活以及人类自身的重要作用。）

【板书设计】

第六单元 碳的单质

七、课后反思

1. 情境导入，突出主体

新课程倡导“以学生的发展为本”，而每个学科对学生的发展价值，除了本领域的知识以外，从更深的层次看，至少还可以为学生认识世界和形成、实现自己的意愿，提供不同的路径和独特的视角、发现的方法和思维的策略。本课题设计中凸显学科发展的信息。导入部分就应用２０１１年科技新闻素材“蜡烛火焰中的钻石”，既联系九年级化学初始对蜡烛的探究，又展现出科学家对蜡烛火焰的揭秘，有力地激发兴趣，更加激发学生对科学的关注和热爱。通过实验活动体验，观察钻石、体验铅笔芯的导电性和书写软硬度的比较，活性炭的吸附实验等，让学生在活动中体验，在活动中收获，真正体现学生的主体地位。通过归纳用途，推测性质，寻找性质差异的原因在于结构不同，形成结构决定性质、性质决定用途的学科思想。让学生在事实性知识基础上通过不断概括提炼而形成学科思想和方法。这些伴随着具体化学知识的学习而形成的思想方法，具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值，能让学生洞悉化学学科的本质属性和内在规律，从化学的视角去观察、分析和处理事件，对化学学科有客观、正面和积极的认识，让学生在学习化学知识、技能之后能应用到日常生活中与化学有关的问题上，真正成为科学素养的一部分。这才是化学学科具有强大生命力的意义所在、价值所在。

2. 问题引领，启迪思维

著名学教育家波利亚曾说过：“问题是学习的心脏”，足见问题在教学中的重要地位。设计过程中，通过设计多个问题链，形成知识的逻辑性，还原科学研究的过程。如通过对石墨和金刚石组成是否一致？石墨能否转化成金刚石？如何转化成金刚石？这样的问题链，引导学生逐步深入思考。又如，石墨是单层结构，能否在结构中获得单层结构？该结构会有怎样的性质？可能会有怎样的用途？这样的问题链，也是科学家在进行科学研究过程中的思维方式，启迪学生思维，体验科学研究的过程。

3. 实验创新，体验过程

改进课本上设计的实验，让实验现象更清晰，更方便。将过滤操作与活性炭吸附操作融合一起，有利于前后知识的整合。体验对比是设计实验的常用方法。介绍碳组成的其他物质在生活中的重要应用，体验化学来源于生活，并为生活服务的理念。真正做有用的化学。

4. 体验科学探究过程，发展学生能力

科学探究是一种重要而有效的学习方式，是科学素养的核心，贯穿于整个科学教育的始终。正确的科学探究活动可以激发学生的探究兴趣，提高学生的科学素养。科学探究让学生有更多的机会主动地体验科学研究的过程，在知识的形成、相互联系和应用过程中养成科学的态度，学习科学方法，在“做科学”的探究实践中培养学生的创新精神。通过提出猜想石墨可以通过改变结构转化为金刚石，并实验验证；通过获得单层的石墨结构，获得单层石墨烯；通过对石墨烯的性质展望，并进行验证。在这样的过程中，体验科学探究的过程，发展科学探究的能力，对发展学生终生学习能力有重要作用。