一、问题的提出2017年江苏省高中化学青年教师基本功大赛的一组模拟授课环节教学主题是“无机非金属材料的主角——硅”，本主题对于选手来说创新难度较大，所选用的教学线索和情境资源大同小异；对主题背后的学科问题挖掘更浅，尤其面对硅制备原理的反常，大部分选手避而不谈，有位选手指出焦炭还原二氧化硅来制备粗硅的另一种产物为一氧化碳的原因是反应热（“焓变”）——放热更多，这种解释存在科学性错误。那么为什么焦炭还原二氧化硅只能得到一氧化碳而不是二氧化碳呢？制备单质硅只有这一种方法吗？如何从科技文献中汲取新的材料来促进师生的学科视野与时俱进？ 河流健康功能得到改善，有效修复了生态。在实施增效扩容改造时，重庆市对纳入改造的非季节性河流电站均按规定完善了生态流量泄放措施，提高了水资源环境的承载能力，有效改善和恢复了202条河流流域生态功能，保护了河流健康。通过改造新增了清洁能源供应量，每年可减少燃煤75万t，减少排放二氧化碳191万t、二氧化硫近3万t和烟尘5万余t。 二、文献中的“硅”资源已有的教学文献中有哪些“硅”主题的课程资源？在CNKI高级搜索里以“硅”在篇名里检索，获取高中化学课程改革（2004-2018）这14年来发表在中学化学教育类影响力比较大的五大期刊中相关文献，共搜得25篇文献，并对其按照“教学设计”、“知识拓展”、“课堂观察”、“其它类别”进行分类。详见表1。 能源与环境问题是制约我国可持续发展的重要问题,优化能源结构,提高能源利用率、降低环境污染已成为能源发展的重点方向。区域分布式供能系统具有高效的能源利用率、灵活的运行方式、良好的调峰性能等优点，符合我国能源发展现状,具有广阔发展前景。大虹桥区域性分布式供能研讨会聚焦区域性分布式供能示范案例和创新应用，探讨区域能源多元化有机结合发展途径，通过思维碰撞，产生新思路、新途径和新方案。 由表1可见，《中学化学教学参考》发表“硅”主题文献数量最多，主要集中在“教学设计”类，“教学设计”与“课堂观察”的差异在于前者为作者表达对课堂的设计思路和过程，而后者主要是在观摩、分析他人课堂基础上的研究。“知识拓展”指的是文章围绕教科书学科知识难点进行深入剖析或拓展，“其它类别”主要包括命题研究、知识总结和问卷调查等，但是总量较少。 由图2b可知：3410.11 cm-1νOH、2929.84 cm-1νC-H、1429.23 cm-1δC-H、1732.05 cm-1νC=O、1068.55 cm-1νC-O和1010.68 cm-1νC-O的吸收，表明72%vol红枣白兰地致浊物中可能含有糖类化合物。3410.11 cm-1νOH、1642 cm-1νC=C、1271.07 cm-1ν=C-O，表明 72%vol酒的致浊物中可能含有水溶性的酚类化合物。结果表明，高度酒的致浊物可能是糖类及水溶性酚类化合物。 表1 化学教学类期刊中的“硅”主题文献  期刊教学设计3篇1篇4篇7篇0篇15篇《化学教育》《化学教学》《化学教与学》《中学化学教学参考》《中学化学》总计知识拓展1篇3篇0篇1篇0篇5篇课堂观察0篇0篇0篇2篇0篇2篇其它研究0篇1篇1篇0篇1篇3篇总计4篇5篇5篇10篇1篇25篇 为了更好地分析目前“硅”制备的研究，将有关“硅”制备的12篇文献中的情境资源（社会、生活、科技进展等相关内容）和学科资源（联系学科前沿，从教材层面加深的理论问题）分别提取出来，详见表2。 表2 文献中的“硅”制备的研究资源分类  《化学教育》期刊文献情境资源实验室制取单质硅的实验设计［1］无学科资源创新实验：选用镁粉和石英砂为原料得到单质硅，再用过量盐酸在二氧化碳的氛围下除杂，最终所得产品单质硅，利用量气法测定硅含量 续表  期刊文献无无机非金属材料“硅”的教学设计［2］《化学教学》情境资源观看单晶硅的生长过程视频（石英砂和碳反应生成块状硅）；新中国第一家生产单晶硅的洛阳单晶硅厂无粗硅制取的反应热力学知识对“硅”教学中几个疑问的探讨［3］以硅材料为背景的两道原创题［4］迷人的景 憾人的性 动人的情——“二氧化硅 硅酸”教学课堂实录与简析［5］晶体硅的制取步骤无无由半导体工业中流行的“从沙滩到用户”制粗硅《化学教与学》稳定的“硅世界”——高三“硅元素及其化合物”的复习教学［6］无无工业炼硅；传统炼硅为金属硅；提纯后可得精制硅；结合铁与铜的冶炼原理和冶炼铝的设备制备硅从结构模型角度讲述二氧化硅还原到粗硅提纯的化学原理废旧的CPU中硅芯片观察活动探索“从沙子制硅”的学生实验《中学化学教学参考》无学科思维与社会生活的融合——“硅和硅的化合物”教学实践与思考［7］对中学化学自主学习课堂的几点思考——基于对华南师大附中“硅”的同课异构课例的观摩分析［8］浅析“硅”教学中一种尴尬和两种常见的错误解释［9］让硅担当起不可或缺的角色——硅的教学设计案例［10］让化学课堂成为充满诗意的激情课堂——“硅”教学实录及反思［11］新手教师个性化教学案例对比分析——基于“硅”的同课异构校际教研活动［12］无从热力学教学对二氧化硅与碳反应产物之一为一氧化碳进行解释粗硅和高纯硅的工业制法（传统内容）学科资源制取单晶硅的视频无由二氧化硅制备硅单质的视频无 从表中可以看出，“硅”制备的文献中课程资源比较单薄，可能是因为《普通高中化学课程标准（实验）》中的要求侧重于硅及其化合物的主要性质，而没有提及相关制法。三版高中教材中只有鲁科版和苏教版稍稍提及“硅”的制备，而更为习惯人教版的化学老师对于硅的制备可能知之甚少。 不过，课程标准只是一线教学最低限度的要求，属于基本性的要求，即使课标和教材要求不高，作为高中化学教师，仍然需要对教学内容背后的学科知识进行深挖，保证教学科学性，此外在学科视野上进行拓展，关注科学发展中的变化与不确定性。 三、硅单质的制备课程资源分类正如前文提及，化学学科课程资源，一方面来自包括大学教材和科技文献在内的教材理论的深入探讨，既可以给教师阅读学习、实验探索，也可以提供给学有余力的学生自学；另一方面是来自于社会生活、科技前沿报道等相关素材的情境资源。 防灾预案分为县（市、区）、镇（乡）和村三级编制。县级山洪灾害防御预案由县级防汛指挥机构负责组织编制，由县级人民政府负责批准并及时公布。乡（镇）级、村级山洪灾害防御预案由乡（镇）级人民政府负责组织编制，由乡（镇）级人民政府批准并及时公布，报县级防汛指挥机构备案。县级防汛指挥机构负责乡（镇）级、村级山洪灾害防御预案编制的技术指导和监督管理工作。山洪灾害防御预案应根据区域内山洪灾害灾情、防灾设施、经济社会和防汛指挥机构及责任人等情况的变化，及时修订。 1.制备硅的学科理论深化 学科知识是教师执教某一学科课程的基础和根本，而化学学科知识是发展化学学科素质的基础，强化学科知识是化学教师安身立命的基础，是与其他学科教师比较所表现出的本质区别［13］。 （1）大学化学教材中的冶炼原理分析——Ellingham图和化学热力学关系 最有意思的是，陆游总带着以故乡吴越文化压倒梁益文化的好胜心理。譬如晚唐罗隐曾在《魏城逢故人》(《罗昭谏集》卷三)，诗中夸赞绵州的一个县驿风景优美，陆游颇有点不服气，作《绵州魏成县驿，有罗江东诗云“芳草有情皆碍马，好云无处不遮楼”，戏用其韵》：“未许诗人夸此地，茂林修竹忆吾州。”有意用王羲之《兰亭集序》中的话语来夸耀家乡的自然风貌，以表达故乡自魏晋以来人文即已兴盛的优越感。 冶炼单质一般基于Ellingham图分析，该图表示消耗1mol O2生成氧化物的过程中吉布斯自由能ΔG随着温度T的变化关系。根据吉布斯—亥姆霍兹公式ΔG=ΔH-TΔS和Ellingham图可知：图中横坐标表示自变量温度T；纵坐标表示因变量化学反应的自由能变化ΔG；由于ΔH、ΔS在不发生相变的一定温度范围内可看作为定值，因此ΔG-T图应是一条直线，斜率为-ΔS；不同反应，熵变不同，其斜率也不同。 碳与氧气反应的关系是Ellingham图中重要的研究对象，主要是因为焦炭常用于工业炼铁、制粗硅、制电石等冶炼工业，其氧化产物CO气体也是重要的冶金还原剂。碳与氧气的相关反应主要指以下三个：  根据反应式判断，其反应自由能变ΔG对T的关系应是三条斜率不同的直线： 反应①ΔS=0，即ΔG几乎不随温度而改变，相应直线基本与横轴平行。 反应②ΔS＞0，即随着温度T的升高，ΔG的值变小（CO的热稳定性增强），相应直线的斜率为负，直线向下倾斜。 反应③ΔS＜0，即随着温度T的升高，ΔG的值变大，相应直线的斜率为正，直线向上倾斜。 在CO和CO2的形成过程中，生成CO的自由能变化曲线与生成CO2的自由能变化曲线在700℃附近有交点。在低于700℃时，ΔG（CO）＞ΔG（CO2），焦炭生成CO2的反应更易进行，此范围内主要氧化产物为CO2；同理，高于700℃时，ΔG（CO）＜ΔG（CO2），生成CO的反应更易进行，主要氧化产物为CO。  图1 Ellingham图 在给定温度下，图中生成自由能ΔG较低的还原态物质会还原图中自由能较高的氧化态物质。例如C可以将SiO2还原成Si单质，C本身被氧化成CO。已知下列两个反应：  由两个反应相减而得：  由于反应物均为固态，且产物中有气体，所以该反应体现熵增特征： 不同酒精度五粮液中共检测到的香气物质有52种，其中醇类4种、酸类8种、酯类16种、醛类2种、芳香族类11种、内酯1种、其他6种（酮、缩醛、呋喃、含硫化合物等）、未知4种。  若要满足ΔG=ΔH-TΔS＜0，计算可得反应温度T需约大于1600℃；因此当反应温度约高于1600℃时，观察图线：ΔG（SiO2）＞ΔG（C），C能够将SiO2还原。 由Ellingham图可以看出：在约低于1600℃时，C→CO 线位于 Si→SiO2线之上，表明ΔG（SiO2）比ΔG（CO）负，所以C不能用作SiO2的还原剂。但当温度约超过1600℃时，生成CO的吉布斯自由能变ΔG比SiO2生成吉布斯自由能变ΔG更负，所以C在约大于1600℃时能从SiO2中夺取氧而使SiO2还原。 以上学科理论资源对于高一学生来说难度较大，在此基础上可以深入浅出地让学生知道制备反应中的异常。 就高一学生已有的知识基础，C还原SiO2的结果会带来很大的认知冲突——学生很自然地会把反应氧化产物写成CO2。建议采取以下模式避开热力学原理进行解释［7］。 固定资产投资项目信息化管理系统建设模式，采用B/S（浏览器/服务器）结构，实现多级管控，系统为不同级别的用户提供不同的管理功能、信息展现和查询统计报表模式。系统业务范围包括从投资项目立项开始，到项目实施和竣工验收过程中的批复信息管理、文件管理、大事件管理、投资计划管理和实施进展信息管理等方面。系统主要应用群体是单位内各级、各类固定资产投资项目工作相关人员和各级领导。 表3 C还原SiO2的教学建议  教学建议让学生观察SiO2和Si的晶体结构模型想象将O原子从SiO2结构中脱离出来的难度让学生尝试着推导反应条件引导学生想象并思考问题“一个O原子从SiO2中脱离出来以后，还有能力再使一个O原子脱离出来吗？”设计意图发现原子排列相似性和差异性探索由结构到性质的类比阐明反应难易与温度高低的关系联系产物气体CO离开SiO2逸出特征，强调不利于继续夺氧的可能性 在以上过程中，学生得以思考反应的艰难与物质的状态变化，有利于理解C还原SiO2的反应氧化产物为CO；从结构与物质状态变化的角度，深入浅出、形象直观，说明反应产物的可能性。除此，从高中生的角度，还可从平衡体系在高温条件下低价氧化物比较稳定的角度加以解释，或从吉布斯自由能角度对反应相关的焓变和熵变之间的相互抗衡加以阐述。 （2）文献中的机理分析 ①硅单质冶炼过程中的中间产物 布朗预测，不用几年，消费者将再也不会担心基因编辑的农作物与传统农作物之间的区别。在现代农业中，这是最具有革命性的几次创新之一。 硅的冶炼是一个复杂的多相系热力学反应过程，冶炼过程中可能发生许多主反应、副反应［14］，在传统的教材中很少提及。硅冶炼的最终反应产物是硅和一氧化碳，过程中的气氛除了CO还有气态的SiO，过程产物中还有大量的SiC。 通过观察Ellingham图，我们可以找到反应2Si（s）+O2（g）=2SiO（s）的自由能图线，可以作为以上反应的证据。研究表明当温度约为1500℃～1700℃时，会发生反应 若焦炭已经完全反应，则发生下式反应：SiC（s）+ 每个反应能否发生不仅取决于ΔG与温度的关系，也与CO、SiO气体分压及反应的动力学过程有关。因此有些反应从热力学角度看是可以发生的，但实际过程中不一定能发生。 ②硅单质冶炼过程中的反应机理分析 两种材料粘在一起时会互相扩散，但是速度不一定相同，这是材料学中关注的柯肯达尔效应，反映了置换原子的扩散机制，常用扩散偶［15］方法进行研究。研究者通过将C（石墨）和SiO2制成扩散偶，在高温环境下探讨SiO2的还原机理，得到以下结论［16］： 对于影像学检查和介入超声技术仍无法做出准确诊断，且患者症状较重、体征明显，而患者本人又有强烈治疗愿望时，可试行剖腹探查术或腹腔镜探查术。手术可以直接对囊肿组织进行观察，并可在直视下进行活体组织检查，外科医师可以对病变组织进行初步评估，又可以在病理结果出来后直接行外科干预[19]。相对于传统的剖腹探查术，微创手术并发症少，患者疼痛较轻，体表无明显手术瘢痕，心理打击小，术后恢复较快，目前已广泛应用于临床，并取得了良好的诊疗效果[20]。但需注意的是，剖腹探查术或腹腔镜探查术存在一定的麻醉和手术风险及阴性探查的可能性，应用时应充分评估患者情况，向患者及家属做好解释工作，严格把握适应证。 Ⅰ.SiO2的还原反应受到C的扩散过程的影响。弱氧化气氛下，SiO2的还原初期由界面反应SiO2（s）+2C（s）→Si（s）+2CO（g）控制；中后期由C的扩散过程控制； Ⅱ.生成物Si的层厚在最初的2小时线性生长机理占优势，反应为界面反应控制；超过临界值后，生成层以抛物线机理生长，反应为扩散控制。 2.创新制备的技术进展——科技中的情境资源 《傲慢与偏见》和《南方与北方》都为我们提供了了解当时英国社会思想变化的契机：工业革命给当时传统保守的英国社会带去了新思潮，帮助英国突破了封建思想的束缚，并倡导实干精神，信仰自由和女权主义，使其成为19世纪的工业强国。 高中教材中对于硅的制备介绍其实还是一种古老的方法。其实在教学过程中可以适当拓展到科技前沿的介绍——前沿研究中涉及到的新反应、新物质、新结构可以让师生不再拘泥于现有的视野，能赋予一种与时俱进的观念指导和深度理解的机会［17］。 （1）硅烷的气相沉积法 所有硅烷的热稳定性都很差，其中相对分子质量大的稳定性更差。将硅元素含量较高的硅烷适当地加热，它们即分解为低级硅烷，低级硅烷如SiH4在温度高于773K即分解为单质硅和氢气 将RDX对应的摩尔质量、标准生成焓代入式(4)--式(7)计算得到：为7.506 km·s-1,pCJ为21.42 GPa。利用通断靶测量了柔爆索爆速的平均值为7 420 m·s-1，实验测量值与理论计算值的偏差为1.1%。由此，求得单位体积能量E0=ρ0Qv=8.9 GPa。 （2）整合多反应的耦联法 制高纯硅的另一种方法就是用SiCl4和H2反应：  （3）低温镁热还原法 关于硅的制备研究成果已经获得了Nature的青睐。2007年一种低温镁热还原方法在650℃即可将二氧化硅转换成硅［18］。该反应着眼于生物功能的迁移，美国乔治亚理工学院材料与工程学院的研究人员将视角投向一类具有色素体的单细胞植物——硅藻，根据硅藻独特、复杂的三维壳结构，将硅藻细胞外覆硅质的二氧化硅转化成硅单质，这种被转化的壳仍然保留原先的三维结构和纳米级特征，还能用作电池电极、化学纯化器等。 反应中二氧化硅通过与气态Mg的反应，转化为含MgO/Si的复合产物Mg2Si，并在此基础上创造出一种新型的气体传感器。相关化学反应如下： （4）其它制备方法 历年文献中还有一些由SiO2制备Si的其它方法，各有优缺点，罗列如下供化学教师参考： 汽车报废的动力电池渐成规模，其回收和再利用成为当务之急。本文对动力电池报废后的电极材料的回收利用模式及其经济价值进行分析，得到以下结论： 表4 文献中其它制备单质硅的方法 方法F2和SiO2反应路线制备半导体多晶硅铝热还原SiO2［19］过程及评价结果：生成的多晶硅包含几种混合物，分别为硼受主混合物浓缩物、碳浓缩物、混合物溶剂和表面浓缩物优点：避免向工业厂房和大气中倾倒有毒化学物质；技术方法密封，避免了从外部使用反应物（无反应物技术）；高设备生产能力；商业产品成本低廉；资本投入低缺点：过程腐蚀性，毒性，潜在污染性；反应剧烈，难以控制应用硅酸盐矿渣废料（磷工业废料、粗铝锭）在NaCl-KCl-AlCl3熔盐中发生反应4Al（l）+3SiO2（s）=3Si（s）+2Al2O3（s）结果：主要杂质含量为B 10ppm，Al 7ppm，P 2ppm，纯度处于实验室阶段缺点：未达到太阳级硅标准，消耗大量铝，间接电耗巨大，纯化过程有待加强 续表 方法H-Ar热等离子体还原［20］过程及评价原料采用光纤废料高纯SiO2制备太阳级纯度硅（＞99.9999%），采用H-Ar热等离子体反应系统，反应4H-（aq）+SiO2（s）→Si（s）+2H2O（aq）结果：产率为17%，反应条件较高FCC方法-高温熔盐电化学脱氧还原制备半导体多晶硅［21］直接电解SiO2生产太阳级硅［22］阴极反应：SiO2（s）+4e→Si（s）+2O2-（aq）设计流程：低纯度SiO2→SiO2粉末（低P、B）→Si（低P、B）→太阳级硅（纯度高达99.80%） 重视教材之外的课程资源获取和积累，有利于化学教师的知识储备更新，拓展教师的学科视野，保持学科理解与时俱进；此外，课程资源的挖掘，也有助于高中命题创新设计的思路拓展；当这些课程资源能为学生所用，终究有利于他们的科学素养提升。 参考文献 ［1］ 周泽宇，曾友良，曹奉洁.实验室制取单质硅的实验设计［J］.化学教育（中英文），2015，36（11）：52-53 ［2］ 席宗超.无机非金属材料“硅”的教学设计［J］.化学教学，2011（9）：26-29 ［3］ 白涛，魏群，陈荣.对“硅”教学中几个疑问的探讨［J］.化学教学，2008（3）：72-73 ［4］ 朱水东.以硅材料为背景的两道原创题［J］.化学教学，2013（3）：69-70 ［5］ 胡凤银，董颖超.迷人的景 憾人的性 动人的情——“二氧化硅 硅酸”教学课堂实录与简析［J］.化学教与学，2015（6）：30-32 ［6］ 褚幼萍.稳定的“硅世界”——高三“硅元素及其化合物”的复习教学［J］.中学化学教学参考，2014（8）：35-37 ［7］ 江敏.学科思维与社会生活的融合——“硅和硅的化合物”教学实践与思考［J］.中学化学教学参考，2016（z1）：1-4 ［8］ 刘秀苑，郭飞红，吴青.对中学化学自主学习课堂的几点思考——基于对华南师大附中“硅”的同课异构课例的观摩分析［J］.中学化学教学参考，2013（6）：26-30 ［9］ 钟辉生.浅析“硅”教学中一种尴尬和两种常见的错误解释［J］.中学化学教学参考，2010（5）：42-43 ［10］李惠娟.让硅担当起不可或缺的角色——硅的教学设计案例［J］.中学化学教学参考，2009（7）：36-38 ［11］田永报.让化学课堂成为充满诗意的激情课堂——“硅”教学实录及反思［J］.中学化学教学参考，2015（12）：39-40 ［12］李荣华，董素静.新手教师个性化教学案例对比分析——基于“硅”的同课异构校际教研活动［J］.中学化学教学参考，2014（10）：69-70 ［13］陈凯，马宏佳，许萌萌.关注学科知识的职前化学教师自主研修——基于“化学师范生备课组”的活动个案［J］.化学教育，2017，38（18）：48-54 ［14］阎俊德.硅冶炼过程反应机理的探讨［J］.铁合金，1991（4）：6-9 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量焦炭存在的情况下，且温度约为1550℃时，发生反应
