九年级科学（化学）高阶思维课：金属的化学性质探究、建模与预测-基于金属活动性顺序的深度学习

九年级科学（化学）高阶思维课：金属的化学性质探究、建模与预测——基于金属活动性顺序的深度学习一、教学内容分析  本课隶属《义务教育科学课程标准（2022年版）》中“物质的结构与性质”主题下的核心内容，是学生从认识单一金属（如铁）的性质转向系统建构金属共性及其差异规律的关键节点，起着承上启下的枢纽作用。从知识技能图谱看，学生需在理解金属与氧气、酸、盐溶液反应的具体现象与化学方程式（应用层级）基础上，进一步抽提、建构“金属活动性顺序”这一核心概念模型，并能运用该模型预测反应能否发生、解释生活与生产中的相关现象，这是从具体事实到抽象规律的认知跃迁。过程方法上，本课是训练科学探究（控制变量、对比实验）与证据推理（从实验现象推断活动性强弱）的绝佳载体。通过引导学生设计实验方案、分析实验数据、归纳排序规律，将学科思想方法内化为解决真实问题的能力。素养价值渗透方面，金属活动性顺序的发现史（从波义耳到贝托雷）可融入科学精神的熏陶，而模型的应用（如金属防腐、资源回收）则指向社会责任感与STS（科学技术社会）观念的培育，实现知识学习与价值引领的“润物无声”。  学情诊断方面，九年级学生已具备一定的实验观察能力和化学反应基础知识，对金属与氧气的反应（如铁生锈）、与酸的反应（实验室制氢气）有直观经验。然而，潜在的认知障碍在于：其一，易将金属的“活泼性”等同于“反应剧烈程度”，而忽略反应条件（酸浓度、金属形态）的影响，需通过对比实验澄清；其二，对金属与盐溶液反应的“置换”规律普遍陌生，且易与复分解反应混淆，这是建模的逻辑起点和难点。教学对策上，将采用“前概念暴露实验证伪建构新知”的策略。通过设计包含异常现象的预测任务（如“铜能否与硫酸亚铁溶液反应？”），激发认知冲突。课堂中，将通过小组实验、实时投屏展示、针对性提问（如“比较镁和锌与酸反应，除了快慢，产生氢气的总量有何关系？这说明了什么？”）等形成性评价手段，动态把握不同层次学生（视觉型、动手型、思辨型）的理解进程，并提供差异化的学习支架，如为操作困难学生提供分步实验指南，为思维敏捷学生提供开放性探究任务（如“设计实验比较铝和铜的活动性，你有几种方案？”）。二、教学目标  知识目标：学生能系统描述金属与氧气、稀酸、某些盐溶液反应的典型现象并正确书写相关化学方程式；能准确陈述金属活动性顺序表，并理解其作为一种预测模型的含义，即能运用该顺序判断单一金属与酸、一种金属与另一种金属盐溶液之间发生置换反应的可能性。  能力目标：学生能够依据探究目的，设计简单的对比实验（如比较镁、锌、铁、铜与酸反应的剧烈程度），并能规范操作、安全观察、记录现象；能够从系列实验现象中分析、比较、归纳出金属活动性相对强弱的规律，并初步学会用图示或表格的形式整理数据、表达结论。  情感态度与价值观目标：学生在合作探究中养成认真观察、尊重证据、勇于表达与倾听的科学态度；通过对金属回收利用等议题的讨论，初步认识到化学知识在资源可持续利用中的价值，增强社会责任感。  科学（学科）思维目标：重点发展“证据推理与模型认知”思维。学生能经历“实验事实→比较排序→建构模型→应用预测”的完整科学建模过程，体会模型是对事物本质关系的简化表征，并认识到模型的适用范围和局限性。  评价与元认知目标：学生能依据教师提供的实验操作量规和推理过程评价表，对自身或同伴的实验操作规范性、证据与结论的逻辑一致性进行初步评价；能在课堂小结时，反思自己是如何从具体现象中抽提出一般规律的，总结“从特殊到一般”的归纳方法。三、教学重点与难点  教学重点：金属活动性顺序的探究与建构过程，及其在预测金属与酸、金属与盐溶液反应中的应用。确立依据在于：首先，课标明确要求“通过实验探究常见金属的主要化学性质，认识金属活动性顺序”，此乃本主题的“大概念”；其次，金属活动性顺序是中考化学的核心考点和高频命题载体，常以实验探究、推理判断、流程图等形式考查学生的综合应用与迁移能力，分值占比高且区分度大，是体现能力立意的关键知识枢纽。  教学难点：金属与盐溶液发生置换反应规律的探究与理解，以及据此完整建构金属活动性顺序模型。难点成因在于：第一，该反应对学生而言是全新的化学反应类型，其微观本质（金属原子与金属离子的电子得失）较为抽象；第二，学生需克服“所有金属都能与所有盐溶液反应”的前概念，理解反应发生的选择性（前置金属需比盐中金属更活泼）；第三，逻辑上需要整合金属与酸、金属与盐溶液两类反应的证据，进行系统排序，思维跨度大。突破方向在于：通过鲜明的对照实验（如铁与硫酸铜、铜与硫酸亚铁）形成强烈视觉与认知冲击，并借助动画模拟或微观示意图，将宏观现象与微观粒子交换联系起来，降低抽象度。四、教学准备清单  1.教师准备  1.1媒体与教具：交互式电子白板课件（含金属腐蚀对比图片、反应微观动画、课堂互动任务）；金属活动性顺序发现简史微视频。  1.2实验器材与药品：分组实验（4人一组）——镁条、锌粒、铁钉、铜片（均已预处理）；稀盐酸、稀硫酸（1:4）；硫酸铜溶液、硝酸银溶液、硫酸亚铁溶液；试管、试管架、砂纸、镊子、胶头滴管；废物回收杯。教师演示实验——铝丝、硫酸铜溶液（用于展示“异常”反应，引出铝表面氧化膜）。  1.3学习材料：差异化《实验探究任务单》（A版含详细步骤提示与引导性问题，B版为开放式探究框架）；《课堂思维导图》半成品模板。  2.学生准备  预习教材，回顾铁、镁与氧气、与酸反应的知识；携带科学课本、笔记本。  3.环境布置  教室布置为小组合作模式，每组合并课桌便于实验；黑板预留区域用于板书生成“我们的金属活动性顺序”探究图。五、教学过程第一、导入环节（5分钟）  1.情境创设与认知冲突：（投影展示一组图片：金光闪闪的奥运金牌、锈迹斑斑的铁门、依然完好的青铜器）“同学们，请看这三样金属制品。金在空气中历经百年依旧璀璨，铁门几年就‘伤痕累累’，而几千年前的青铜器出土时却可能保存完好。大家有没有想过，为什么同为金属，它们在面对空气、水分时的‘命运’如此不同？”（稍作停顿，让学生思考）“这背后，其实隐藏着金属一个非常核心的禀赋差异——化学活泼性。今天，我们就化身‘金属鉴定师’，通过实验探究，给常见的几种金属的‘活泼程度’排个序，建立我们自己的预测模型。”  1.1问题提出与路径明晰：“我们的核心驱动问题是：如何通过实验比较不同金属的化学活动性强弱，并利用这个规律进行预测？本节课，我们将分三步走：第一步，回顾‘老朋友们’（镁、铁等）与酸的反应，找找比较活泼性的线索；第二步，认识一位‘新朋友’——金属与盐溶液的反应，它会给我们提供更关键的证据；第三步，整合证据，构建‘金属活动性顺序’这个强大的预测工具，并解决一些实际问题。好，让我们先从熟悉的反应开始。”第二、新授环节（28分钟）任务一：回顾与初探——金属与酸反应的快慢之争  教师活动：首先，通过提问唤醒旧知：“实验室制取氢气，我们常用哪种金属和哪种酸？为什么选用它们？”引导学生说出锌和稀硫酸，并提及反应速率适中。接着，提出核心探究问题：“如果换成镁、铁、铜和同样的稀酸，情况会怎样？我们能从反应快慢看出金属活泼性的高下吗？”（拿起镁条和铜片）“大家先别急着做，我们先来预测一下：把这四种金属分别放入稀盐酸中，反应剧烈程度会怎么排序？把你的预测和理由悄悄写在任务单上。”然后，组织学生进行分组实验（A组：镁、锌、铁、铜与稀盐酸；B组：与稀硫酸，实现酸种类的对比）。巡视指导，特别提醒安全规范（如酸液取用、氢气产生时勿靠近明火），并有意询问：“注意观察，除了气泡产生的快慢，气泡产生的总量和持续的时间有没有差异？这暗示了什么？”（选取一组现象特别明显的小组）“来，请这组同学用实物投影展示一下你们刚才的四支试管，给大家说说你们看到了什么‘戏剧性’的差别。”  学生活动：根据任务单提示，进行预测并简要说明理由（可能基于生活经验或已有知识）。以小组为单位，分工合作完成金属与酸反应的对比实验，仔细观察、记录每种金属表面产生气泡的速率、剧烈程度以及最终金属的溶解情况（铜几乎无变化）。通过横向比较，直观感受金属活泼性的差异。在教师引导下，思考反应剧烈程度与金属本质属性的关系，并尝试初步排序：镁>锌>铁>（氢）>铜。与邻组使用不同酸的同学交流，发现规律的一致性。  即时评价标准：  1.实验操作规范性：能否正确使用胶头滴管取用酸液？是否将金属缓慢放入试管，防止液体溅出？  2.观察与记录的细致度：记录单上是否清晰描述了不同金属反应的速率差异（如“迅速产生大量气泡”、“缓慢产生少量气泡”、“几乎无变化”）？  3.推理的逻辑性：在小组讨论初步排序时，结论是否基于观察到的实验现象？能否意识到铜不能置换出酸中的氢？  形成知识、思维、方法清单：  ★1.金属与酸反应规律（置换反应）：活泼金属（通常指在金属活动性顺序中位于氢之前的金属）能与稀盐酸、稀硫酸等反应，生成氢气与相应的盐。其通式为：金属+酸→盐+氢气。（教学提示：强调“活泼金属”和“稀酸”两个条件，为后续学习设伏笔。）  ▲2.反应速率作为活泼性的表征之一：在相同条件下（如酸的种类、浓度、温度相同，金属表面积相近），与酸反应越剧烈的金属，其活动性通常越强。（认知说明：这是定性比较的重要方法，但非唯一标准，且需注意控制变量。）  ★3.氢的参考位置：不能与稀酸反应置换出氢气的金属，其活动性被认为弱于氢。（关键点：此为构建金属活动性顺序表的重要“锚点”。）任务二：突破与建模——金属与盐溶液的“置换游戏”  教师活动：承接任务一：“通过和酸的反应，我们大致排出了镁、锌、铁、铜的顺序。但有些金属，比如金、银，它们连酸都不‘怕’，我们怎么比较它们之间的活动性呢？化学家找到了另一条妙计——金属与盐溶液的反应。”展示硫酸铜溶液和一根光亮的铁钉。“看好了，我把这根铁钉放入蓝色的硫酸铜溶液中，大家猜猜会发生什么？”（演示实验，静置约一分钟后可投影展示）“看，铁钉表面覆盖了一层红色的物质，溶液蓝色变浅。这红色物质是什么？它就是被铁‘置换’出来的铜！这个反应告诉我们，铁的活动性比铜强。”板书：Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu。接着抛出探究任务：“那么，这个规律可以推广吗？如果换成铜丝和硝酸银溶液呢？铜丝和硫酸亚铁溶液呢？请各小组根据任务单上的药品，设计实验进行验证，并思考：什么样的金属能把什么样的金属从它的盐溶液里‘赶出来’？”（巡视中，对探究受阻的小组提示：“想想铁和硫酸铜的反应，谁是‘主动’的一方？它的活动性有什么要求？”）收集各组结论后，引导归纳：“看来，只有活动性较强的金属，才能把活动性较弱的金属从它们的盐溶液里置换出来。这就像一场‘强弱分明’的接力赛。”  学生活动：观察教师演示的铁与硫酸铜反应，描述现象并尝试写出化学方程式。小组合作，利用提供的铜丝、硝酸银溶液、硫酸亚铁溶液等，设计并实施实验（如将铜丝放入硝酸银溶液中，观察是否有银白色物质析出；将铜丝放入硫酸亚铁溶液中，观察是否变化）。记录现象，并尝试用“活动性A>B”的语言解释反应能否发生。通过正反例证（铜能置换银，不能置换铁），自主归纳出金属与盐溶液发生置换反应的条件：前置金属的活动性必须大于盐中金属元素的活动性。  即时评价标准：  1.实验设计的迁移能力：能否模仿教师演示的实验，设计出验证铜与银、铜与铁活动性强弱的对比实验方案？  2.现象解释的科学性：能否用“活动性强弱”准确解释观察到的现象（如铜丝表面出现银白色物质，说明Cu>Ag）？  3.规律归纳的准确性：小组最终能否用清晰的语言概括出金属与盐溶液反应的条件？  形成知识、思维、方法清单：  ★4.金属与盐溶液反应规律（置换反应）：活动性较强的金属能把活动性较弱的金属从其盐溶液中置换出来。通式为：金属A+盐（含金属B）→金属B+新盐（含金属A）。（教学提示：强调A的活动性必须大于B，且该盐必须可溶，为难点深化。）  ▲5.反应条件的双重性：该反应的发生需同时满足两个条件：（1）前置金属（A）的活动性>盐中金属（B）的活动性；（2）盐必须可溶。（易错点提醒：牢记条件，避免误判。）  ★6.微观本质初探：置换反应的实质是金属原子失去电子变为阳离子，同时盐溶液中的金属阳离子得到电子变为原子。活动性强的金属更容易失去电子。（思维提升：将宏观反应与微观粒子变化建立联系，深化理解。）任务三：整合与应用——建构“金属活动性顺序”模型  教师活动：引导知识整合：“现在，我们手握两大证据：金属与酸反应，排出了Mg、Zn、Fe、（H）、Cu的顺序；金属与盐溶液反应，我们又确定了Fe>Cu，Cu>Ag等关系。（在黑板预留区域，边总结边画出一个动态的排序图）能不能把这些散落的关系‘串’起来，形成一个完整的序列？”组织学生以小组为单位，将本课所有实验结果整合，尝试绘制出包含Mg、Zn、Fe、Cu、Ag等金属的活动性强弱顺序图。（展示一两个有代表性的小组成果）“大家排的顺序可能略有差异，但核心部分是一致的。化学家们经过大量实验，总结出了更完整的‘金属活动性顺序表’，它就是我们今天探究成果的结晶。”（投影展示完整顺序表：KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu）“这个表就是我们的预测模型。它告诉我们，位置越靠前的金属，活动性越强，越容易失去电子。”紧接着进行模型应用训练：“现在，我们是‘模型使用师’了。请判断下列反应能否发生，并说明理由：（1）铝和稀硫酸；（2）银和稀盐酸；（3）锌和硫酸亚铁溶液；（4）铜和硝酸银溶液。”（请不同学生回答，并追问判断依据）“大家发现没有，这个模型就像一个‘化学预言书’，让我们有了预测未知反应的底气。”  学生活动：小组合作，整合任务一、二的实验结论，在白板或任务单上绘制金属活动性关系链。对比教师展示的权威顺序表，修正并确认自己的理解。集中注意力理解顺序表的含义（位置关系、氢的标定）。应用金属活动性顺序，判断教师给出的几组反应能否发生，并清晰阐述判断流程（先定位金属在顺序表中的位置，再根据与酸或与盐的反应条件进行判断）。在应用过程中，内化模型的使用方法。  即时评价标准：  1.信息整合能力：绘制的顺序图是否合理整合了酸反应与盐溶液反应的证据？  2.模型理解深度：在应用顺序表判断时，是否能准确找到金属位置，并正确应用反应条件（特别是氢的参考作用）？  3.表达的条理性：在解释判断理由时，语言是否清晰、有条理（如“因为铝在氢前面，所以能与稀硫酸反应生成氢气”）？  形成知识、思维、方法清单：  ★7.金属活动性顺序表（核心模型）：常见金属按活动性由强到弱排列的顺序为：钾钙钠镁铝、锌铁锡铅氢、铜汞银铂金。（记忆口诀：嫁给那美女，锌铁锡铅轻，统共一百斤。强调其作为工具性知识的重要性。）  ★8.模型的主要应用：（1）判断金属与酸能否反应：排在氢前面的金属能置换出稀酸中的氢。（2）判断金属与盐溶液能否反应：排在前面的金属能把排在后面的金属从其盐溶液中置换出来。（核心应用，必须熟练掌握。）  ▲9.模型的局限与特例：该顺序适用于一般情况。特例：①浓硫酸、硝酸与金属反应不生成氢气；②钾、钙、钠等极活泼金属与盐溶液反应时，会先与水剧烈反应，无法直接置换出其他金属。（拓展认知：避免模型绝对化，认识其边界，体现科学思维的严谨性。）第三、当堂巩固训练（8分钟）  设计核心：实施三层级巩固训练，即时反馈。  1.基础层（必做，全体快速完成）：判断题——①铁能与稀硫酸反应生成氢气。（）②铜能与硫酸锌溶液反应得到锌。（）③金属活动性顺序中，银位于氢之后，所以银不能与任何酸反应。（）（设计意图：直接应用核心规律，巩固基本判断。）  2.综合层（小组讨论，代表回答）：情境应用题——“某工厂废液中含有大量的硝酸银和硝酸铜，为了回收贵金属银并减少污染，现向废液中加入过量的铁粉，充分反应后过滤。请问：滤渣中一定含有什么金属？滤液中一定含有什么金属离子？请写出相关反应的化学方程式。”（教师点评：“这道题把我们的模型用在了真实的环保情境中，大家要理清反应的先后顺序和‘过量’的含义。”）  3.挑战层（学有余力学生思考）：开放探究题——“已知金属X能与稀硫酸反应，而金属Y不能。但将X、Y两种金属片用导线连接后同时放入稀硫酸中，发现Y片表面有气泡产生。你能解释这个‘反常’现象吗？这实际上是什么原理的应用？”（提示：这为高中原电池原理埋下伏笔，激发兴趣。）  反馈机制：基础题采用集体回答或手势（如拇指向上下）反馈，快速统计正确率。综合题通过小组讨论后，请23个小组分享答案，其他小组补充或质疑，教师最后总结并展示规范解题步骤。挑战题作为思考题，简要揭示其与电化学的联系，鼓励课后探究。第四、课堂小结（4分钟）  设计核心：学生自主进行结构化总结与元认知反思。  知识整合：“同学们，现在请大家暂停一下，花两分钟时间，对照黑板上的板书和你任务单上的记录，尝试用关键词或简易的思维导图，梳理一下这节课我们探究的主线和获得的核心结论。（挑选一位学生上台简单绘制）看看他是怎么概括的：从问题出发，通过两类实验（与酸、与盐溶液）收集证据，然后归纳整合，建立了金属活动性顺序这个模型，最后学会用它来预测判断。这就是一个完整的科学探究过程。”  方法提炼：“回顾整个过程，我们主要运用了哪些科学方法？”（引导说出：对比实验、控制变量、归纳推理、模型建构）“对，尤其是‘建模’的思想，它让我们把一堆具体的化学反应，升华成了一个简洁有力的预测工具。”  作业布置：“今天的作业是分层‘自助餐’：必做题——完成练习册中关于金属活动性顺序应用的基础习题；选做A（拓展题）——调研并说明‘真金不怕火炼’、‘沙里淘金’等成语中蕴含的金属化学性质知识；选做B（探究题）——设计一个家庭小实验，比较铝（如易拉罐）、铁（如铁钉）、铜（如铜丝）的活动性强弱，写出你的方案和预期现象。下节课，我们将利用这个模型，来解决金属的腐蚀与防护问题，请大家提前思考：铁生锈的条件是什么？我们如何利用今天学的知识来保护金属？”六、作业设计  1.基础性作业（全体必做）：  （1）背诵金属活动性顺序表，并默写一遍。  （2）完成教材课后练习中关于判断金属与酸、金属与盐溶液能否发生反应的题目。  （3）写出镁、锌、铁分别与稀盐酸反应的化学方程式。  2.拓展性作业（鼓励大多数学生完成）：  （1）情境写作：假如你是一块锌片，被投入硫酸铜溶液中。请以第一人称“我”的视角，描述你“身上”发生的变化及你的“感受”（需包含正确的化学变化描述）。  （2）解释生活现象：用金属活动性顺序解释：①为何不能用铁制容器盛放硫酸铜溶液？②铝比铁活泼，但为什么日常生活中铝制品（如铝锅）比铁制品更耐腐蚀？  3.探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：  （1）微型项目：查阅资料，了解“湿法炼铜”的原理和历史（我国古代“胆水浸铜法”），并用金属活动性顺序和化学方程式说明其过程。制作一份简易的科普海报。  （2）挑战推理：有一包固体粉末，可能含有铁粉、铜粉、氧化铁、石墨中的几种。现进行如下实验：a.加入足量稀盐酸，有气泡产生，溶液呈浅绿色；b.过滤，滤渣在空气中充分灼烧，质量不变。请分析推断该粉末的组成成分，并说明推理过程。七、本节知识清单及拓展  ★1.金属的共性化学性质（三条通径）：①与氧气反应（生成金属氧化物，条件不同）；②与稀盐酸、稀硫酸等酸反应（活泼金属生成氢气与盐）；③与某些盐溶液反应（活动性强的金属置换出活动性弱的金属）。  ★2.置换反应定义：一种单质与一种化合物反应，生成另一种单质和另一种化合物的反应。形式：A+BC→AC+B。本课涉及的金属与酸、金属与盐溶液的反应均属此类。  ★3.金属活动性顺序表（KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu）：必须熟记，是核心工具。其活动性从左到右依次减弱。  ★4.顺序表应用一（判金属与酸）：排在氢（H）前面的金属能置换出稀酸（主要指盐酸、稀硫酸）中的氢，生成氢气；排在氢后面的金属则不能。（注意：酸通常指非氧化性酸。）  ★5.顺序表应用二（判金属与盐）：排在前面的金属能把排在后面的金属从其盐溶液中置换出来。（关键前提：盐必须可溶；K、Ca、Na等极活泼金属除外，因它们会先与水反应。）  ▲6.反应剧烈程度的影响因素：比较金属活动性时，需在相同条件下（酸同浓度同体积、金属同形态同表面积）。反应速率快不一定最终产生气体多，活动性本质由得失电子能力决定。  ▲7.金属与盐溶液反应的微观本质：是金属原子（A）失去电子变成阳离子（Aⁿ⁺），同时盐溶液中的金属阳离子（Bᵐ⁺）得到电子变成原子（B）的过程。活动性A>B，即A失电子能力强于Bᵐ⁺得电子能力。  ★8.铁与硫酸铜反应：Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu。现象：铁表面覆盖红色固体，溶液由蓝色变为浅绿色。此为湿法炼铜原理，也是证明铁活动性大于铜的经典实验。  ▲9.铝的“自我保护”：铝在空气中易生成致密的氧化铝（Al₂O₃）薄膜，阻止内部铝进一步被腐蚀。故铝制品抗腐蚀，并非铝不活泼，而是表面发生了“钝化”。  ★10.判断反应能否发生的逻辑步骤：一看反应类型（是否置换）；二查金属位置（在顺序表中的前后关系）；三验反应条件（酸是否为稀酸、盐是否可溶、K/Ca/Na是否特殊）。八、教学反思  （一）教学目标达成度分析本节课预设的知识与能力目标基本达成。通过课堂观察和巩固训练反馈，绝大多数学生能准确背诵金属活动性顺序，并能运用其判断简单的置换反应是否发生。情感目标在小组实验环节体现较好，学生能协作探究，但对资源回收等社会议题的讨论因时间关系深度稍显不足，价值观的渗透可更深入。科学思维目标的达成是亮点，学生经历了较为完整的建模过程，（内心独白：当看到学生自己画出那条活动性强弱箭头时，能感受到他们从具体现象中抽提规律的思维跳跃。）但在“模型局限性”的认识上，仅少数学生能主动提出，多数仍需教师点拨。  （二）教学环节有效性评估导入环节的生活化对比图片迅速抓住了学生注意力，核心问题提出明确。新授环节的三个任务逻辑链条清晰，层层递进。任务一（与酸反应）作为起点，学生参与度高，但部分小组在控制变量（如金属形态不一）上意识不强，影响了比较的严谨性，下次需提供更标准化的金属样品。任务二（与盐溶液反应）是难点突破的关键，演示实验与分组探究结合效果好，（巡视