资源简介

3.2 《金属材料》课时教案
学科 化学 年级册别 高一上册 共1课时
教材 人教版高中化学必修第一册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于人教版高中化学必修第一册第三章第二节，是“铁、铜及其化合物的应用”之后对金属材料的系统拓展。教材从生活中常见的金属材料引入，重点介绍了合金的概念、性能特点及常见合金如钢、铝合金、铜合金等的实际应用，体现了“从生活走向化学，从化学回归社会”的课程理念。内容结构清晰，图文并茂，注重科学性与实用性结合，为学生理解材料科学打下基础。
学情分析
高一学生已具备一定的元素化合物知识基础，了解铁、铝、铜等金属的性质，但对“合金”这一概念仍停留在模糊认知阶段。他们思维活跃，乐于参与实验和讨论，但抽象概括能力尚弱，容易将合金简单理解为“混合物”。此外，学生对材料在科技与生活中的作用感知强烈，但缺乏系统认识。因此，教学需通过真实情境激发兴趣，借助实验观察与数据分析突破认知障碍，引导其建立“结构决定性质，性质决定用途”的化学观念。
课时教学目标
化学观念
1. 理解合金是由一种金属与其他金属或非金属熔合而成的具有金属特性的物质，掌握合金相较于纯金属在硬度、强度、耐腐蚀性等方面的优越性能。
2. 能结合实例说明合金的组成、结构与其物理性质之间的关系，形成“成分—结构—性质—用途”一体化的认知模型。
科学思维
1. 通过对比纯金属与合金的性能差异，运用归纳与推理方法分析合金性能优化的本质原因，提升逻辑思维能力。
2. 在解决实际问题中（如选择合适材料），能基于证据进行判断与决策，发展批判性思维与系统思维。
科学探究与实践
1. 能设计并完成简单的对比实验（如硬度测试），收集数据并分析结果，体验科学探究的基本过程。
2. 通过查阅资料、小组合作等方式开展项目式学习，提升信息整合与动手实践能力。
科学态度与责任
1. 认识金属材料在国家重大工程（如高铁、航天）中的关键作用，增强民族自豪感与社会责任感。
2. 关注资源利用与环境保护问题，树立可持续发展的科学观，理解绿色材料研发的重要性。
教学重点、难点
重点
1. 合金的概念及其基本特征，常见合金（钢、铝合金、青铜等）的组成与用途。
2. 合金在力学性能、抗腐蚀性等方面优于纯金属的原因。
难点
1. 从微观结构角度解释合金性能优于纯金属的本质原因（原子排列不规则导致位错运动受阻）。
2. 建立“成分—结构—性质—用途”之间的逻辑关联，并应用于实际问题解决。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法、实验演示法
教具准备
多媒体课件、实物样品（不锈钢勺、铝合金窗框、黄铜钥匙）、砂纸、小锤、硬度测试装置、视频资源
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入：大国重器背后的材料密码
【5分钟】 一、播放视频，引发思考 （1）、播放“中国高铁”运行画面与“C919大飞机”首飞瞬间的短视频片段。
视频展示列车以350公里/小时飞驰在广袤大地，机翼划破云层，阳光洒落在银白色的机身之上。教师同步解说：“这是中国速度，这是中国制造的骄傲。同学们，请注意这些庞然大物的关键部位——高铁的轨道与车体，飞机的发动机与机翼，它们都由什么材料构成？为什么普通铁块无法胜任？”
（2）、提出驱动性问题，激发探究欲望。
教师提问：“如果用纯铁制造高铁轨道，会发生什么？它会像面团一样被压扁吗？如果用纯铝做飞机翅膀，会不会在空中就断裂？”引导学生回忆纯金属的局限性——硬度低、强度差、易变形。
接着出示一张“古代青铜剑”与“现代不锈钢刀”的对比图：“三千年前的古人用青铜打造利器，今天我们的厨房里却用不锈钢菜刀。同样是金属，为何跨越千年，材料发生了如此巨变？”
（3）、引出课题，构建学习主线。
教师总结：“正是因为人类掌握了‘合金’这项伟大技术，才让金属材料实现了从‘软弱’到‘坚韧’的飞跃。今天，我们就一起揭开‘金属材料’的秘密，走进合金的世界，探寻那些支撑起现代文明骨架的神奇物质。”板书课题：3.2 金属材料——合金的奥秘。 1. 观看视频，感受科技魅力。
2. 思考并回答教师提问。
3. 联系已有知识，产生认知冲突。
4. 明确学习主题，进入探究状态。
评价任务 观察能力：☆☆☆
问题意识：☆☆☆
兴趣激发：☆☆☆
设计意图 以国家重大科技成果为背景创设真实情境，激发民族自豪感；通过古今材料对比与极端假设引发认知冲突，促使学生主动思考“材料性能”与“实际应用”之间的矛盾，自然引出“合金”这一核心概念，使学习具有明确的目的性和现实意义。
活动探究一：身边的合金——发现与分类
【8分钟】 一、实物展示，感知多样性 （1）、分发实物样本，组织观察比较。
教师将准备好的不锈钢勺、铝合金窗框碎片、黄铜钥匙、生铁片等实物分组发放，要求学生用手触摸、用眼观察、尝试弯曲（注意安全），记录其颜色、光泽、硬度、是否易锈蚀等特点。
提供表格模板： 材料名称 外观特征 手感硬度是否生锈可能用途
鼓励学生调动多感官参与，如轻敲听声、刮擦留痕等。
（2）、引导归纳，建立合金概念。
各小组汇报观察结果后，教师汇总数据，重点指出：“这些看似普通的物品，都不是单一金属制成的。比如不锈钢，主要成分是铁，还加入了铬、镍等元素；铝合金是在铝中加入铜、镁、硅等。这种由两种或两种以上金属（或金属与非金属）熔合而成的、具有金属特性的物质，我们称之为‘合金’。”
强调合金必须具备两个条件：一是熔合过程（高温液态混合），二是保持金属特性（导电、导热、延展、金属光泽）。举例说明某些混合物（如铁粉与硫粉混合）不是合金，因其未发生熔合且无金属特性。
二、案例分析，梳理常见合金 （1）、结合教材图表，系统讲解典型合金。
课件展示教材P67页“常见合金及其组成”表格内容：
- 钢：铁 + 少量碳及其他元素（Mn、Cr、Ni等）→ 强度高、韧性好 → 建筑、机械
- 不锈钢：铁 + 铬(≥13%) + 镍 → 抗腐蚀性强 → 医疗器械、厨具
- 青铜：铜 + 锡 → 硬度大、耐磨 → 古代兵器、艺术品
- 黄铜：铜 + 锌 → 易加工、色泽美 → 乐器、装饰品
- 硬铝：铝 + Cu/Mg/Mn/Si → 密度小、强度高 → 飞机、航天器
逐项解释每种合金的成分比例变化如何影响其性能与用途，突出“微量添加，显著改性”的特点。
（2）、联系生活，拓展认知边界。
提问：“你还知道哪些合金？它们用在哪里？”预设答案：焊锡（电子焊接）、白铜（钱币）、钛合金（人造关节）、形状记忆合金（眼镜架）等。适时补充前沿材料如“超导合金”“储氢合金”，拓宽视野。 1. 分组观察实物，填写记录表。
2. 汇报观察结果，参与全班交流。
3. 理解合金定义，辨析概念边界。
4. 归纳常见合金，建立初步分类。
评价任务 观察记录：☆☆☆
概念理解：☆☆☆
生活联系：☆☆☆
设计意图 通过实物感知强化直观印象，避免抽象讲解；利用表格工具规范观察行为，培养科学记录习惯；在归纳中明确合金的核心定义，并通过正反例辨析加深理解；结合教材图表与生活实例，构建系统的知识网络，体现化学与生活的紧密联系。
活动探究二：合金之强——实验验证与原理剖析
【12分钟】 一、动手实验，对比性能差异 （1）、设计并实施硬度对比实验。
教师演示实验步骤：取相同厚度的纯铝片、硬铝合金片各一块，平放于木板上。用同一支铅笔（HB）以相同力度在其表面划动三次，然后用放大镜观察划痕深浅。
邀请两名学生代表上台操作，其余学生记录现象。结果显示：纯铝片划痕明显且深，硬铝合金片几乎无痕或极浅。
追问：“这说明了什么？”引导得出结论：合金的硬度大于其成分金属。
（2）、补充延展性与抗腐蚀性实例。
展示一组对比图片：纯铁钉在潮湿环境中一周后严重生锈，而不锈钢钉光亮如新；纯铜丝反复弯折几次即断裂，而黄铜弹簧可长期压缩回弹。
提问：“这些现象又说明合金在哪些方面优于纯金属？”引导学生总结：抗腐蚀性强、延展性和弹性更好。
二、深入微观，揭示性能本质 （1）、动画演示，构建微观模型。
播放三维动画：首先展示纯金属内部原子整齐排列成规则晶格结构，当外力作用时，原子层之间容易发生滑移，导致塑性变形甚至断裂。
接着展示合金中，外来原子（如碳原子嵌入铁晶格间隙，或铬原子取代部分铁原子位置），破坏了原有的规则排列，造成晶格畸变。
动态模拟外力作用下，位错（晶体缺陷）在移动过程中遇到异类原子阻碍，难以继续滑移，从而增强了材料的强度和硬度。
（2）、类比讲解，降低理解难度。
教师比喻：“就像一支整齐列队的士兵，一旦有人站错位置或插入陌生人，整个队伍就不容易整体移动了。同样，合金中的‘异类原子’就像这支队伍里的‘障碍者’，阻止了原子层的大规模滑移，使得材料更难被破坏。”
强调：“正是这种微观结构的改变，赋予了合金远超纯金属的综合性能。”
三、归纳提升，构建认知模型 （1）、引导学生绘制“四维关联图”。
在黑板上画出四个圆圈：“成分”“结构”“性质”“用途”，请学生举例填充。
例如：加入铬和镍 → 晶格畸变、形成致密氧化膜 → 耐腐蚀性强 → 制作医疗器械。
帮助学生建立“成分决定结构，结构决定性质，性质决定用途”的系统思维模型。
（2）、回应导入问题，实现闭环教学。
回到开头提出的“高铁轨道为何不用纯铁？”引导学生用新知回答：“纯铁太软，承受不了高速列车的巨大压力，而钢作为铁碳合金，强度和硬度大幅提升，足以支撑重载交通。” 1. 观察实验现象，记录数据。
2. 分析实验结果，得出初步结论。
3. 观看微观动画，理解结构原理。
4. 参与模型构建，形成系统认知。
评价任务 实验操作：☆☆☆
现象分析：☆☆☆
模型建构：☆☆☆
设计意图 通过亲手实验获得直接证据，增强说服力与参与感；利用动画将抽象的微观机制可视化，破解学习难点；采用类比法使复杂原理通俗易懂；最终引导学生自主构建“成分—结构—性质—用途”的逻辑链条，实现深度理解和迁移应用，完成科学思维的进阶。
活动探究三：我是材料工程师——项目挑战
【10分钟】 一、发布任务，明确角色 （1）、设定真实工程项目情境。
教师宣布：“现在你们都是某新材料公司的研发工程师。公司接到三项紧急订单，需要你们根据客户需求推荐最合适的合金材料，并说明理由。”
投影任务卡：
① 某城市拟建造跨海大桥，桥墩长期浸泡在海水中，需选用耐腐蚀、高强度的结构材料。
② 某无人机企业希望减轻飞行器重量以延长续航时间，同时保证机体足够坚固。
③ 某高端手表品牌欲打造一款永不褪色、耐磨抗刮的表壳，面向国际市场销售。
（2）、提供支持资源，指导探究路径。
发放“合金性能参数参考表”，包含密度、硬度、抗拉强度、耐腐蚀等级、成本等数据；允许使用平板电脑查阅可信网络资料。
要求小组讨论后填写“材料选择报告单”：推荐材料名称、主要成分、性能优势、适用原因。
二、小组协作，方案设计 （1）、巡视指导，促进深度思考。
教师巡视各组，提问引导：“海水腐蚀主要是氯离子侵蚀，哪种合金能形成保护膜？”“减重要优先考虑哪个指标？密度还是强度？”“美观性之外，佩戴舒适度是否要考虑生物相容性？”
鼓励学生质疑与辩论，如“钛合金虽好但太贵，是否有替代方案？”
（2）、组织汇报，开展互评质疑。
邀请三组代表依次上台展示方案：
- 组1推荐“低合金高强度钢”用于桥墩，因其含铬钼等元素，抗海水腐蚀能力强，且价格适中。
- 组2选择“7075硬铝”或“碳纤维复合材料”用于无人机，强调其高强度重量比。
- 组3建议“316L不锈钢”或“钛合金”制作表壳，突出其耐汗液腐蚀、光泽持久。
其他小组可提出疑问或补充建议，如“是否考虑焊接工艺性？”“能否做表面处理增强耐磨？” 1. 接受任务，明确角色定位。
2. 查阅资料，分析需求条件。
3. 小组讨论，制定解决方案。
4. 展示汇报，接受同伴质询。
评价任务 方案合理性：☆☆☆
论证充分性：☆☆☆
合作有效性：☆☆☆
设计意图 通过角色扮演与真实项目驱动，将知识应用于复杂情境，培养学生的问题解决能力与工程思维；小组合作促进交流与协作；公开汇报与互评锻炼表达与批判性思维；任务设计涵盖不同维度（环境、轻量化、美学），体现材料选择的综合性与权衡思想。
课堂升华：材料强国梦
【7分钟】 一、回顾历程，感悟发展 （1）、串联历史脉络，展现材料演进。
教师讲述：“从石器时代到青铜时代，再到铁器时代，人类文明的每一次跃迁，本质上都是材料革命的成果。今天的我们站在‘新材料时代’的门槛上，高温合金让火箭冲破大气层，半导体材料让芯片运算飞速发展，纳米材料正在重塑未来。”
展示中国自主研发的“航空发动机单晶叶片”照片：“这小小的叶片，由镍基高温合金制成，能在1600℃下稳定工作，是我国航空工业突破‘心脏病’难题的关键。”
（2）、引用名言，升华情感价值。
引用科学家师昌绪院士的话：“材料是工业的骨骼，是科技进步的基石。”并补充：“没有先进的材料，就没有强大的国防，就没有高质量的发展。”
二、寄语未来，担当使命 （1）、联系自身，激发责任意识。
教师深情结语：“同学们，你们今天所学的不只是合金的知识，更是打开未来世界的一把钥匙。也许将来你会成为一名材料科学家，在实验室里合成出更轻更强的新物质；也许你会成为工程师，用智慧设计出更环保耐用的产品。无论何种职业，希望你们记住：真正的创新，源于对基础知识的深刻理解，源于对国家需求的深切关怀。”
“让我们以今日之所学，铸明日之国器。愿每一位同学都能成为推动中国从‘材料大国’迈向‘材料强国’的坚实力量！” 1. 聆听材料发展史。
2. 观看科技成就图片。
3. 感悟科学家精神。
4. 树立远大志向。
评价任务 历史认知：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
价值认同：☆☆☆
设计意图 通过梳理材料文明史，帮助学生建立宏观视野；结合我国科技突破案例，增强民族自信与爱国情怀；引用科学家话语提升思想高度；结尾寄语将个人成长与国家命运相连，实现情感、态度与价值观的深度融合，达成“立德树人”的根本目标。
作业设计
一、基础巩固：填空与选择
1. 合金是指由__________与其他__________（或非金属）经熔合而成的具有金属特性的物质。
2. 下列不属于合金的是（ ）
A. 不锈钢 B. 黄铜 C. 水银 D. 生铁
3. 硬铝常用于制造飞机外壳，主要是因为其（ ）
A. 密度小、强度高 B. 导电性好 C. 成本低 D. 光泽美丽
二、能力提升：简答与分析
4. 为什么青铜器比纯铜制品更适合作为武器和工具？请从硬度和耐磨性角度解释。
5. 查阅资料，比较普通碳素钢与不锈钢在成分上的主要区别，并说明不锈钢不易生锈的原因。
三、拓展探究：调查与写作
6. 走访家中或校园，找出至少三种不同的合金制品，记录其名称、用途，并推测可能的合金类型。撰写一份《身边的合金调查报告》（不少于300字）。
7. 阅读一篇关于“新型合金材料”（如形状记忆合金、超导合金）的科普文章，摘录关键信息，并谈谈你对未来合金发展的想象。
【答案解析】
一、基础巩固
1. 一种金属；金属
2. C（水银是单质汞，属于纯金属）
3. A
二、能力提升
4. 青铜是铜锡合金，由于锡原子的加入导致晶格畸变，阻碍位错运动，因此硬度更高、更耐磨，适合制作需要锋利和耐用的武器与工具。
5. 普通碳素钢主要含铁和碳，而不锈钢含有较高比例的铬（通常≥13%）。铬能在表面形成一层致密的氧化铬（Cr O ）保护膜，阻止氧气和水分进一步侵蚀内部金属，因而耐腐蚀性强。
板书设计
3.2 金属材料——合金的奥秘
【左侧】
一、什么是合金？
→ 定义：金属 + 金属/非金属 → 熔合 → 金属特性
→ 特点：硬度↑ 强度↑ 耐蚀性↑
【中部】
二、常见合金举例
钢（Fe+C+...）——建筑机械
不锈钢（Fe+Cr+Ni）——厨具医疗
硬铝（Al+Cu/Mg...）——飞机航天
青铜（Cu+Sn）——古兵器
【右侧】
三、为什么合金更强？
微观解释：
纯金属：原子规整排列 → 易滑移
合金：异类原子 → 晶格畸变 → 阻碍位错 → 强度↑
【底部中心】
“成分 → 结构 → 性质 → 用途”
↓
材料强国，吾辈担当！
教学反思
成功之处
1. 以“大国重器”为切入点，有效激发学生兴趣与民族自豪感，实现了知识传授与价值引领的有机融合。
2. 实验设计简洁有力，硬度对比直观呈现合金优势，配合微观动画破解难点，学生反馈理解度高。
3. “我是材料工程师”项目任务贴近真实情境，小组合作热烈，展现了良好的问题解决能力和团队协作精神。
不足之处
1. 实验环节时间略紧，部分学生未能亲自操作，可考虑增加平行实验组或提前录制操作视频辅助教学。
2. 对合金成本、回收利用等经济与环保维度涉及较少，可在拓展作业中加强引导。
3. 微观结构讲解仍有一定抽象性，个别学生表示“位错”概念较难，后续可引入更多实物模型或互动游戏辅助理解。

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