3.2 金属材料 第2课时 教学设计 -2025-2026学年高一上学期化学人教版必修第一册

该高中化学教学设计聚焦铝和铝合金，以长征五号火箭外壳材料为情境导入，从金属通性过渡到铝的特殊性质，通过“结构-性质-用途”模型探究铝与酸、碱反应，氧化铝两性及铝热反应等核心知识。 特色在于航天情境贯穿课堂，结合实验探究（如铝与酸碱反应）、铝热反应视频及课后“月球基地铝合金设计”项目，培养科学探究与实践、科学态度与责任等素养，提升学生材料科学认知，为教师提供情境化教学范例。

必修一第三章 第二节 金属材料 铝和铝合金教学设计 课题 航天“铝”程 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□ 1.教学内容分析 本课时选自高中化学人教版必修一第三章第二节金属材料第2课时，金属材料在日常生活、工业生产和国防建设中有着广泛的应用，本节内容对于学生认识金属材料的多样性，理解化学与生活、生产的紧密联系具有重要意义。教材首先介绍了合金的概念、性能及硬度变大的原因，通过实例引导学生认识合金在生活中的广泛应用。接着重点讲解了铁合金，包括生铁和钢的含碳量、性能差异以及合金钢的特殊性能和用途。最后介绍了铝和铝合金，从铝的性质入手，依次探究了铝片与盐酸、铝片和打磨过的铝片分别与氢氧化钠溶液的反应，引出两性氧化物的概念，并介绍了铝合金的特性和用途。教材内容编排由浅入深，符合学生的认知规律。在对教学内容分析的基础上设计了本课时内容，本节课围绕“铝和铝合金”展开，以航天材料为背景，引导学生认识铝的物理性质、化学性质及其在实际中的应用。内容涵盖铝与氧气、酸、碱的反应，氧化铝的两性，铝热反应及电解法制铝等核心知识。通过真实情境激发学生兴趣，培养科学探究能力与材料科学素养，增强民族自豪感与科技自信。 2.学习者分析 学生已具备金属通性的基础知识，但对铝的特殊性质缺乏系统认识。学生对新材料、航天科技兴趣浓厚，但可能对化学反应原理的理解存在困难，尤其是氧化铝与酸、碱反应的微观过程，需通过实验演示、问题引导等方式突破难点。 3.学习目标确定 1. 能从原子与分子水平理解氧化铝的结构，建立“结构决定性质”观念，解释其物理特性与氧化膜的保护作用。 2. 能多角度分析铝、氧化铝在不同酸碱性环境中的化学变化，理解其两性本质及转化规律，并能运用化学反应原理分析铝热反应、电解法制铝等工业过程的调控与限度。 3. 能依据铝与酸、碱反应的对比实验现象进行证据推理，提出关于氧化膜作用的假设并验证。 4. 能在航天材料等真实情境中发现和提出探究性问题，设计并实施简单实验探究铝的性质，通过合作与实践培养严谨求实的科学态度和探究能力。 5. 通过了解铝合金在航天等高技术领域的应用，赞赏化学对社会发展的贡献，培养严谨求实的科学态度和探索未知的精神，同时能对铝制品使用与回收等社会议题进行理性价值判断，树立绿色化学与可持续发展观念。 4.学习重点难点 重点：铝的化学性质、氧化铝的两性、铝热反应、铝合金的应用。 难点：Al、Al2O3和NaOH溶液的反应；铝及其化合物性质的理解与应用。 5.学习评价设计 1.通过课堂提问、实验观察记录、小组讨论等方式进行过程性评价。 2.设计分层练习题，检测知识掌握情况。 3.鼓励学生展示实验结论，评价其逻辑表达与科学思维。 6.学习活动设计 教师活动 学生活动 环节一：导入——从火箭外壳认识材料需求 教师活动1 展示长征五号图，提出问题：“看到长征五号这个身高56.7米的庞然大物，同学们猜一猜这个大火箭的外壳有多厚？” “长征五号外壳又叫蒙皮，厚度通常在1.2毫米至2毫米之间，而整流罩部分的蒙皮厚度最薄处仅0.3mm，相当于鸡蛋壳的薄度，蒙皮为什么这么薄，它可以用什么材料制作？” 1. 思考1火箭外壳材料应该具备什么样的性质。 首先，选择材料需要质轻，给学生展示不同金属的密度，便于选择。 2.给出铝的物理性质，思考2用纯铝做火箭壳是否可行？ 引导学生完成“任务一” 分别将打磨过的铝和盐酸、氢氧化钠溶液反应，并记录现象。 学生活动1：选择合适的金属材料 猜测火箭外壳厚度。 分析火箭发射环境，小组讨论并列出外壳材料需具备的性质（轻、硬、耐高温，耐腐蚀)。 根据金属密度大小，选择出铝。 铝的质地软，不满足条件。 学生实验一：完成铝和酸、铝和碱的反应，记录现象，并书写化学方程式和离子方程式（学生验证产生的气体为氢气，教师讲解并提供铝与氢氧化钠溶液反应的产物四羟基合铝离子）。 得出结论：纯铝不能做火箭外壳。 活动意图说明：以我国长征五号蒙衣材料的选择创设情境，激发探究热情，建立“性质决定用途”的宏观观念，引出对铝进行改性的必要性。 环节二：探究铝的强化之路与“自我保护” 教师活动2 思考3：从材料优化角度，如何使铝变成性能优异的外壳材料呢? 展示各个金属的机械性能，提供火箭外壳各部分需要的特性（整流罩：耐热、耐蚀；锻环：易锻造、韧性好；喷火嘴：强耐热） 展示合金化如何改变铝的晶体结构和性能，研制出满足火箭需求的高强度铝合金——硬铝。 返回舱在返回地球的过程中产生高于1600℃的温度,当到达地面后返回舱仍能保持完整外形，这是因为返回舱身上披了一件神奇的“外衣”，这层外衣由铝箔制造的蜂窝板表面包覆防热烧蚀层、隔热垫等材料组成。已知铝的熔点660摄氏度，而合金的熔点还低于各金属熔点，显然外衣不是单纯的铝或铝合金，那这层铝箔外衣究竟是什么呢？ 学生实验后：氧化铝的熔点可达2054℃，对内层起到保护作用。 氧化铝是怎么形成的？ 任务二：探秘氧化铝：铝片在空气中加热，观察氧化膜的保护作用。 引导分析：结合铝的原子结构示意图，与氧化铝微观结构，解释其活泼却耐高温的原因（结构致密且稳定）。 总结一：材料改进思路——合金；外层覆盖氧化铝。 学生活动2：选择合适的合金材料 学生根据表格讨论制造符合条件的外壳材料所需要的金属。并从课本内容获取各个合金成分的比例（Mg 0.5%、Cu 4%、Si 0.7%、Mn 0.5%）。 学生实验二：加热铝片并观察现象 观察与记录：描述实验现象，书写铝与氧气反应的化学方程式。 微观探析：从微观角度理解氧化膜的形成与保护机制。 模型认知：构建“结构→性质→用途”的认知模型。 活动意图说明：将铝的化学性质（与O2反应）与航天材料需求紧密联系，培养学生宏观辨识与微观探析的学科核心素养。 环节三：解密发动机喷管以及燃烧室材料——认识氧化铝及其两性 教师活动3 材料展示：氧化铝可以用作火箭发动机喷管以及燃烧室材料，这部分要求氧化铝不仅耐高温，也需要耐腐蚀。我们来看看氧化铝薄膜是否耐酸碱腐蚀。 组织探究：指导学生完成“任务二：探秘氧化铝”中的实验3-4、3-5（铝、氧化铝与酸、碱反应），在此基础上，没有打磨过的铝片与酸碱反应装置添加pH计测试酸碱性的变化。 引导建模：引导学生书写离子方程式，总结Al2O3是两性氧化物。 这里的氧化铝很容易被酸碱腐蚀，显然不符合火箭材料的要求，事实上日常生活里的铝制品表面也要进行处理，常用化学方法如增加膜的厚度，对氧化膜进行着色等。例如化学氧化（用铬酸作氧化剂）可以使氧化膜产生美丽的颜色等。 这种氧化膜大多是γ-Al2O3，不耐酸碱腐蚀，因此，铝制餐具不能长时间放置酸性、碱性食物以及腌制食物。 它满足耐高温，不满足耐酸碱腐蚀的性能，我们对它进行了改进，以γ-Al2O3为前驱体，在1200℃以上温度下进行热处理，使其转化为α-Al2O3。展示不同晶形的氧化铝微观放大图示，α-Al2O3更密集，抗腐蚀性优于γ-Al2O3。可以通过添加长征火箭发动机喷管、航空发动机燃烧室等高温部件采用氧化铝陶瓷，寿命延长3倍以上。 α-Al2O3 γ-Al2O3 总结二：材料改进思路——复合（陶瓷） 学生活动3 实验探究三：分组完成实验，对比打磨与未打磨铝片的反应现象差异。并直观观察pH变化，印证氧化铝即可与酸反应，也可与碱反应。 证据推理：根据现象推理氧化膜的存在根据pH变化推测其两性性质。 符号表达：正确书写Al2O3与酸、碱反应的化学方程式与离子方程式。 活动意图说明：通过发动机喷管的真实应用背景，驱动对不同晶形氧化铝性质的深度探究。让学生在实验中获取证据，构建“两性氧化物”的概念。 环节四：铝热反应——火箭推进剂 教师活动4 展示国外固体火箭推进剂原料，并完成任务三：观看铝热反应视频。 介绍铝热反应在焊接钢轨及航天器部件中的应用。 引导学生书写铝热法炼铁的方程式，分析其作为推进剂的潜力。 学生活动4 描述铝热反应的现象，理解其是剧烈的放热反应。 书写铝热反应方程式，从氧化还原角度分析铝的强还原性。 讨论铝热反应用作火箭推进剂的独特优势。 活动意图说明：将震撼的化学现象与高精尖的航天应用结合，深化对铝还原性的理解，培养学生的变化观念与实证精神。 环节五：整合与展望——胸怀“铝”程，迈向深空 教师活动5 思考4:火箭材料中以及生活中的铝制品大部分是铝合金或铝的化合物，那制备纯净的铝单质还有意义么？ 通过工业制取铝的流程，展示铝的制备历史。 介绍前沿：展示未来航天的展望，介绍化学材料工程师的职业。 布置项目：布置课后项目——“设计一种用于月球基地的铝合金材料”方案。 学生活动5 学生讨论制备纯净单质的意义，体会工业制备铝的过程，了解铝从“贵族到平民”转化的历程，并完成铝的 价类二维图，有纯净的单质，才能制备性能更稳定的化合物或混合物。 生涯规划：了解材料科学家的职责，感受化学对社会发展的贡献。 创新应用：完成项目设计，综合运用本课知识，并撰写简要报告。 活动意图说明：通过构建知识体系促进结构化认知。通过前沿展望和项目式学习，培养学生的创新意识、社会责任感与科学价值观，实现素养的全面提升。 7.板书设计 航天“铝”程 1、 优点 缺点 轻 Al 密度小、质轻 软、易与氧气、酸、碱反应 火 硬 铝合金 硬度大 熔点低 箭 耐高温 Al2O3 耐高温 不耐腐蚀 耐腐蚀 α-Al2O3 耐腐蚀 脆性大（添加Cr，SiC等做复合陶瓷） 二、铝及其化合物性质 1. 4Al+3O2=2Al2O3（常温或加热） Al 2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑ 2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑ 四羟基合铝酸钠 2. Al2O3 Al2O3+6H+=2Al3++3H2O （两性氧化物） Al2O3+2OH-+3H2O=2[Al(OH)4]-2Al+Fe2O3===Al2O3+2Fe （放热，用作火箭推进剂）（火箭推进剂） 高温 3.铝热反应：2Al2O3===4Al+3O2 电解DIAE 4.铝的制备： 三、铝及其化合物价类二维图 8.作业与拓展学习设计 1．下列物质中既能与稀H2SO4反应，又能与NaOH溶液反应的是(　　) ①NaHCO3　②Al2O3　③Al(OH)3　④Al　⑤Na2CO3　⑥NaHSO4 A． ②③④⑥　　 B．①②③④　　 C．①③④　　 D．全部 2．某混合物A含有明矾、Al2O3、CuO，在一定条件下可实现如下图所示的物质之间的转化： 据此判断： （1） 固体B所含物质的名称为 。 （2）固体E所含物质的化学式为 。 （3）反应①的离子方程式为 。 3.课后项目——“设计一种用于月球基地的铝合金材料”方案。 资料卡片：材料需承受高能粒子（如质子、中子）辐射，保持材料结构稳定；月球昼夜温差可达300°C，材料需在-180°C至150°C范围内保持力学性能；密度需低于传统材料，同时具备高强度重量比。 9.特色学习资源分析、技术手段应用说明 从“火箭外壳（铝合金）”→“返回舱、燃烧室材料（氧化铝）”→“推进剂（铝热反应）”，将知识点无缝嵌入航空航天情境，学生在分析火箭的实际使用环境后一步步推导出火箭所需要的材料——铝合金与氧化铝，在这个过程中体会用途逆推性质，性质逆推结构，逆向建立“结构-性质-用途”的模型。 使用PPT展示航天视频、实验视频。 利用实物铝片、酸、碱、pH计等进行演示实验，增强直观性。 引入“化学材料工程师”职业介绍，拓展生涯教育。 10.教学反思与改进 教学反思与改进 本堂课的“四有”体现： 1. 有价值引领 科技自信与民族自豪感：以“长征五号”火箭为切入点，引导学生关注国家航天成就，增强科技自信。 绿色化学与可持续发展：通过铝的回收、材料优化等议题，引导学生树立环保意识与可持续发展观念。 科学精神与责任担当：通过铝热反应、材料设计等项目，培养学生严谨求实、勇于探索的科学态度。 2. 有思维发展 宏观辨识与微观探析：从铝的宏观性质到氧化铝的微观结构，再到化学方程式的书写，构建系统化学思维。 证据推理与模型认知：通过实验现象推断氧化膜的存在与作用，构建“结构→性质→用途”认知模型。 科学探究与创新意识：引导学生质疑“纯铝是否适用”，提出改进方案，培养材料设计与优化能力。 3. 有情境浸润 真实航天背景贯穿全程：从火箭外壳、发动机喷管到返回舱材料，情境真实、连贯、富有挑战性。 生活与科技紧密结合：不仅讲航天，也联系铝制品日常使用，增强知识的实用性与代入感。 前沿科技与职业启蒙：介绍材料科学家职业，拓展学生视野，激发未来职业兴趣。 4. 有任务驱动 问题链引导探究：通过“火箭外壳材料选择→纯铝的局限→铝合金优化→氧化铝保护→铝热反应应用”层层推进。 实验探究与项目学习：设计多个分组实验，课后项目“月球基地铝合金设计”提升综合应用能力。 合作学习与表达展示：小组讨论、实验汇报、项目展示等形式，促进学生协作与表达。 课程内容反思与改进 1.实验设计中定性实验居多，可再多增加一些定量实验，如添加pH传感器实时监测铝与酸碱反应过程中pH变化，增强数据可视性与实证性。 2.学生对铝和氢氧化钠反应的实质仍然有疑问，可设计难点突破，对铝与氢氧化钠溶液反应中氧化剂的判断设计对比实验： 实验目的 探究铝与氢氧化钠溶液反应的氧化剂 实验用品 铝片 砂纸 蒸馏水 氢氧化钠的乙醇溶液 氯化汞溶液 试管 实验步骤 1、取两支试管，分别加入等量蒸馏水、氢氧化钠的乙醇溶液；2、将砂纸打磨过的铝片用镊子分别放入试管中，观察现象； 实验现象 步骤2均无现象，步骤3放入氢氧化钠的乙醇溶液中无现象，放入蒸馏水中有气泡产生 实验结论 铝与氢氧化钠溶液的反应中，水是氧化剂 反应实质：2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑ ① 2Al(OH)3 + 2NaOH = 2Na[Al(OH)4] ② 3.可结合物理（材料力学）或工程（结构设计）内容，增强学生对“材料性能—结构—工艺”关系的理解，跨学科融合形成完整的材料设计流程。 4 / 4 学科网（北京）股份有限公司 $