基于化學(xué)學(xué)科“具體化的元素觀念”培養(yǎng)的高三復(fù)習(xí)課例研究

魏良怡　劉敏

摘要：“元素觀”是化學(xué)的核心觀念，是學(xué)習(xí)元素化合物的基本方法。根據(jù)高三一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)經(jīng)驗，在學(xué)生已有“鐵、銅及其化合物”的具體知識與觀念認識基礎(chǔ)上將“元素觀”進一步建構(gòu)。依靠問題鏈的問題驅(qū)動、比較推理、實驗探究等方法，緊貼高考考試說明的要求和高考方向，將鐵、銅及其化合物的“元素觀”具體演變成“價態(tài)觀”、“強弱觀”、“水解觀”，以此幫助學(xué)生實現(xiàn)元素化合物知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和解題能力的提高。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)； 化學(xué)學(xué)科觀念；元素觀

文章編號：1008-0546（2017）07-0061-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.018

一、教材及教情、學(xué)情分析

蘇教版化學(xué)《必修1》將“鐵、銅的獲取及應(yīng)用”編排在專題3“從礦物到基礎(chǔ)材料”的第二單元。在學(xué)習(xí)教材內(nèi)容“鐵、銅及其化合物的應(yīng)用”編寫上來看，首先從回顧初中已學(xué)過的鐵、銅的基本性質(zhì)引入，再重點探究三個知識點：（1）從氧化還原角度分析Fe2+和Fe3+的相互轉(zhuǎn)化；（2）Fe3+的檢驗方法；（3）Cu與FeCl3反應(yīng)的應(yīng)用——制作印刷電路板。經(jīng)過多個課時學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠建立鐵及其化合物相互轉(zhuǎn)化的知識網(wǎng)絡(luò)，例如鐵三角關(guān)系、鐵及其化合物的二維關(guān)系（圖1和圖2）[1]。金海宏[2]、黃朝霞[3]等老師利用思維導(dǎo)圖和框圖構(gòu)建進行教學(xué)，內(nèi)容豐富多彩，對學(xué)生新課時的學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)有很大的幫助。但在高考題中涉及“鐵、銅及其化合物”知識點主要集中在兩種題型：（1）實驗選擇題（如Fe2+和Fe3+的檢驗、Fe（OH）2制備、Fe3+和Cu2+的水解問題等）；（2）化工流程題（其中氧化還原反應(yīng)方程式書寫為必考內(nèi)容），這就要求高三學(xué)生能學(xué)以致用，對已有的知識進行升華和提煉才能解決高考題中的相關(guān)問題?；瘜W(xué)元素觀是化學(xué)觀念中的核心觀念[4]，筆者根據(jù)高三化學(xué)一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)情況和內(nèi)容，努力將學(xué)生的“元素觀”進行具體化地拓展（圖3和圖4），發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維，幫助學(xué)生實現(xiàn)化學(xué)學(xué)科觀念的建構(gòu)[5-7]，實現(xiàn)“元素及其化合物”問題的高得分率。

二、基于“元素觀”的三維目標

1. 知識與技能

掌握鐵、銅及其化合物的性質(zhì)和應(yīng)用，能從氧化還原反應(yīng)的角度書寫相關(guān)方程式，加強實驗操作技能。

2. 過程與方法

通過Fe2+與Fe3+的相互轉(zhuǎn)化、Fe （OH）2的制備、Fe3+與HCO3-的雙水解等問題，運用歸納、總結(jié)、類比、實驗等方法促進鐵、銅及其化合物的“價態(tài)觀”“強弱觀”“水解觀”的建立。

3. 情感態(tài)度與價值觀

（1）學(xué)科價值：鐵、銅是典型的金屬元素，對鐵、銅化合物的學(xué)習(xí)也有利于其他金屬元素的學(xué)習(xí)。

（2）認識價值：在已有的元素觀（組成和價態(tài)）知識體系上對鐵、銅化合物進行更深層次的學(xué)習(xí)和討論，提高學(xué)生的認識能力和水平。

（3）生活價值：鐵、銅是生活中應(yīng)用較為廣泛的金屬，它們與工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、百姓生活有著密切的聯(lián)系，它們是我們“最親密的金屬”之一。

三、教學(xué)過程和設(shè)計

1. 引入

【問題驅(qū)動1】將FeCl3溶液滴加到淀粉-KI試紙上為何變藍？

【問題驅(qū)動2】向FeBr2溶液中通入Cl2為何先氧化Fe2+？

【問題驅(qū)動3】 如何除去CuSO4溶液中混有少量Fe3+？

【生1】2Fe3++2I- ■ I2+2Fe2+，F(xiàn)e3+將I-氧化成I2，淀粉遇碘變藍。（體現(xiàn)價態(tài)觀）

【生2】由2Fe2++Br2■2Fe3++2Br-可知，還原性Fe2+>Br-。（體現(xiàn)氧化性/還原性的強弱觀）

【生3】 利用Fe3+的水解平衡原理，F(xiàn)e3++3H2O■Fe （OH）3+3H+，可以加入CuO、CuCO3、Cu（OH）2、Cu2（OH）2 CO3消耗H+，增大溶液的pH值，由于Cu（OH）2和Fe（OH）3的Ksp差異，可使得Fe3+的水解程度增大直至生成

Fe（OH）3沉淀而不使Cu2+沉淀，最終除去Fe3+。（體現(xiàn)Fe3+的水解觀）

【設(shè)計意圖】通過已具備的鐵、銅及其化合物“元素觀”知識來解決三個角度的問題，引導(dǎo)學(xué)生將知識網(wǎng)絡(luò)進行延伸，實現(xiàn)由“學(xué)”向“用”，由“是什么”向“為什么”的轉(zhuǎn)變。讓學(xué)生從每個問題中體會“具體的”元素觀（價態(tài)觀、強弱觀、水解觀），掌握思考和答題的方法。

2. 價態(tài)觀

【投影】展示多種相同價態(tài)和不同價態(tài)的鐵、銅化合物和Fe2+與Fe3+的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系（圖5和圖6）。

【設(shè)計意圖】根據(jù)元素組成找到物質(zhì)所屬類別，學(xué)習(xí)物質(zhì)的通性；根據(jù)核心元素的化合價，可判斷物質(zhì)的氧化性和還原性[5]，而“具體化的元素觀”-“價態(tài)觀”直觀地引導(dǎo)學(xué)生體會和預(yù)測已學(xué)過和未學(xué)過物質(zhì)的性質(zhì)，為下面的鐵、銅化合物參與氧化還原反應(yīng)的方程式書寫做好鋪墊。

【問題驅(qū)動1】下列離子的檢驗方法合理的是（D）

A.向某溶液中滴入KSCN溶液呈紅色，說明不含F(xiàn)e2+

B.向某溶液中加入酸性KMnO4溶液，溶液褪色，說明原溶液中一定含F(xiàn)e2+

C.向某溶液中加入NaOH溶液，得紅褐色沉淀，說明溶液中一定不含F(xiàn)e2+

D.向某溶液中加入NaOH溶液得白色沉淀，又觀察到顏色逐漸變?yōu)榧t褐色，說明該溶液中含有Fe2+，可能含有Mg2+。

【問題驅(qū)動2】請同學(xué)們分析氫氧化亞鐵的制備原理（圖7）。

【問題驅(qū)動3】請寫出下列反應(yīng)的離子反應(yīng)方程式。

1. 向Fe（NO3）2溶液中加入稀硫酸的反應(yīng)。

2. FeCl3溶液吸收H2S氣體，得到S單質(zhì)的反應(yīng)。

3. K2FeO4是一種新型的凈水劑，利用FeCl3與KClO在強堿條件下可制取K2FeO4。凈水時，K2FeO4與水反應(yīng)生成紅褐色沉淀和O2（兩個反應(yīng)）。

4. 銅與稀硫酸不反應(yīng)，加入H2O2后溶液很快變成藍色。

5. Cu2O在稀硫酸中不穩(wěn)定，有Cu單質(zhì)生成，溶液成藍色。

6. CuSO4溶液中加入一定量的Na2SO3和NaCl溶液，加熱生成CuCl沉淀。

【 設(shè)計意圖】此處設(shè)計了三個問題：（1）Fe2+和Fe3+的檢驗；（2）氫氧化亞鐵的制備；（3）含有不同價態(tài)鐵、銅化合物的離子反應(yīng)方程式的書寫。問題1是對所學(xué)知識的回顧，目的是做到“溫故而知新”。問題2目的是培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維，通過思考“如何防止氫氧化亞鐵被空氣氧化而保持長時間的白色沉淀狀態(tài)”的問題，并貫穿復(fù)分解反應(yīng)（氫氧化亞鐵的制備）→氧化還原反應(yīng)（氫氧化亞鐵的不穩(wěn)定性）→電解池（電化學(xué)）知識，將問題層層遞進來提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。問題3目的是理解和感受高考題中有關(guān)化工流程問題“氧化還原反應(yīng)方程式”的書寫，而離子反應(yīng)方程式又是反應(yīng)的本質(zhì)，通過書寫練習(xí)引導(dǎo)學(xué)生利用“價態(tài)觀”來解決問題，將“元素觀”的認知進行具體化和擴大化。

3. 強弱觀

【師】Fe3+和Cu2+都具有氧化性，如何比較二者的氧化性強弱呢？

【生】利用FeCl3溶液腐蝕Cu電路板的原理比較：2Fe3++Cu■2Fe2++Cu2+，在同一氧化還原反應(yīng)里，氧化劑的氧化性大于氧化產(chǎn)物，即Fe3+>Cu2+。

【問題驅(qū)動1】請大家利用這一結(jié)論思考一下這一問題。

FeCl3、CuCl2的混合溶液中加入鐵粉，充分反應(yīng)后仍有固體存在，則下列判斷不正確的是（C）

A. 加入KSCN溶液一定不變紅色

B. 溶液中一定含F(xiàn)e2+

C. 溶液中一定含Cu2+

D. 剩余固體中一定含銅

【生】剩余固體是Cu或Fe和Cu，因為先發(fā)生Fe + 2Fe3+■3Fe2+，后發(fā)生Fe + Cu2+■Fe2+ + Cu，F(xiàn)e3+一定沒有剩余，有鐵必有銅，故選C。

【問題驅(qū)動2】在FeCl3、CuCl2、FeCl2的混合溶液中，F(xiàn)e3+、Cu2+和Fe2+的物質(zhì)的量之比為3∶2∶1，現(xiàn)加入適量鐵粉，使溶液中三種離子的物質(zhì)的量之比變化為1∶2∶4，則參加反應(yīng)的鐵粉與原溶液中Fe3+的物質(zhì)的量之比為（C）

A.2∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶4

【生】因氧化性：Fe3+>Cu2+>Fe2+，從離子比的變化可以看出Fe3+有剩余，則Cu2+、Fe2+沒有參加反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)的定量關(guān)系可以判斷C是正確的。

【設(shè)計意圖】為了加強學(xué)生的“強弱觀”，此處設(shè)置了如下的“問題鏈”——根據(jù)氧化還原反應(yīng)的組成：氧化劑+還原劑=氧化產(chǎn)物+還原產(chǎn)物，利用氧化還原反應(yīng)規(guī)律比較不同價態(tài)物質(zhì)的氧化性和還原性強弱（Fe3+>Cu2+）→問題1從定性的角度進行運用→問題2從定量的角度分析理解不同的價態(tài)鐵微粒間的相互轉(zhuǎn)化。

4. 水解觀

【實驗探究1】對于Fe2+、Fe3+、Cu2+在水溶液中存在水解情況，所以我們除了要掌握它們的“價態(tài)觀”、“強弱觀”，還要考慮它們的“水解觀”。如泡沫滅火器原理是AlCl3與NaHCO3溶液的雙水解反應(yīng)迅速生成Al（OH）3和CO2，那么FeCl3與NaHCO3溶液混合有什么現(xiàn)象呢？

【現(xiàn)象1】在試管底部生成紅褐色沉淀[Fe（OH）3]，有氣體生成（CO2）。

【實驗探究2】將鎂條放入硫酸銅溶液中有什么現(xiàn)象呢？

【現(xiàn)象2】反應(yīng)劇烈，有藍綠色沉淀[Cu（OH）2]和大量氣泡生成（H2）。

【生1】根據(jù)水解原理——Fe3++3H2O■Fe（OH）3+3H+、HCO3-+H2O■H2CO3+OH-，二者的水解互相促進生成Fe （OH）3沉淀和CO2氣體，即Fe3++3HCO3-■Fe（OH）3↓+3CO2↑。

【生2】Cu2++2H2O■Cu（OH）2+2H+，Mg消耗H+反應(yīng)生成H2，從而促進Cu2+生成Cu（OH）2沉淀，即Mg+Cu2++2H2O■Mg2++Cu（OH）2↓+H2↑。

【問題驅(qū)動1】已知Fe2+生成Fe（OH）2開始沉淀的pH為5.8，沉淀完全的pH為8.8，F(xiàn)eSO4+Na2CO3■FeCO3↓+Na2SO4，請回答：制備FeCO3時，選用的加料方式

C （填字母），原因是防止生成Fe（OH）2沉淀。

A.將FeSO4溶液與Na2CO3溶液同時加入到反應(yīng)容器中

B.將FeSO4溶液緩慢加入到盛有Na2CO3溶液的反應(yīng)容器中

C.將Na2CO3溶液緩慢加入到盛有FeSO4溶液的反應(yīng)容器中

【問題拓展2】將溶液中的Cu2+、Fe2+、Fe3+沉淀為氫氧化物，需溶液的pH分別為6.4、9.6、3.7。現(xiàn)有含F(xiàn)eClx雜質(zhì)的氯化銅晶體（CuCl2·2H2O），為制取純凈的CuCl2·2H2O，首先將其制成水溶液，然后按圖示步驟進行提純。

（1）加氧化劑的目的為將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，便于除去，本實驗最適合的氧化劑X是 C 。

A.K2Cr2O7 B.NaClO C.H2O2 D.KMnO4

（2）加入CuO調(diào)節(jié)溶液的pH來除去Fe3+，pH值范圍為 [3.7，6.4]。

（3）除去Fe3+的離子方程式為 3H2O+2Fe3++3CuO■2Fe（OH）3+3Cu2+。

（4）溶液Ⅲ能不能直接蒸發(fā)結(jié)晶得到CuCl2·2H2O晶體？不能。

若不能，應(yīng)如何操作？向CuCl2溶液中通入HCl氣體后進行加熱濃縮、降溫結(jié)晶、過濾得到晶體。

【設(shè)計意圖】化學(xué)學(xué)習(xí)過程需要通過實驗獲取宏觀現(xiàn)象，并從微觀視角探討其本質(zhì)，從而得出物質(zhì)及其變化的基本規(guī)律。離子的“水解觀”是高考考查的重點，它是“微觀微?！卑l(fā)生“宏觀可觀察”反應(yīng)的內(nèi)在動力。通過FeCl3與NaHCO3溶液混合的現(xiàn)象幫助學(xué)生理解離子間“雙水解”的意義。通過鎂條與硫酸銅溶液的反應(yīng)現(xiàn)象，能幫助學(xué)生在已有的認知（Mg將Cu置換出來）基礎(chǔ)上進一步理解Cu2+的“水解觀”作用。通過對問題驅(qū)動1（2013年江蘇高考化學(xué)第19題）的思考，要求學(xué)生能運用Fe2+和CO32-的水解來解決FeCO3的制備問題。問題拓展2是典型的高考化工流程題的考查，主要考查Fe2+與Fe3+的轉(zhuǎn)化、利用“水解觀”調(diào)節(jié)溶液的pH值除雜的原理和溶液中晶體獲得的方法三個知識點，這同時也是對前面知識的綜合總結(jié)和應(yīng)用。

四、教學(xué)反思

筆者通過一節(jié)課的設(shè)計和“45分鐘”的教學(xué)，前后經(jīng)歷了多樣的復(fù)雜心情，本著打破傳統(tǒng)元素化合物的復(fù)習(xí)教學(xué)為目標，致力幫助學(xué)生建構(gòu)元素及其化合物的化學(xué)基本觀念“元素觀”、培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維，提升學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)為宗旨。

1. “問題驅(qū)動”是“問題鏈”的“具體”呈現(xiàn)

問題鏈是教師在特定的環(huán)境下，為實現(xiàn)某一特定的教學(xué)目標而設(shè)計的問題組合。隨著“問題鏈”的呈現(xiàn)，學(xué)生或獨立思考，或合作交流，或師生共同探討，將學(xué)生的思維一次一次推向高潮，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，突出學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中的主體地位，鼓勵學(xué)生獨立思考、大膽質(zhì)疑中既解決了問題，又獲得了知識和方法[8]。

（1）“價態(tài)觀”中的問題鏈

Fe2+和 Fe3+的檢驗與轉(zhuǎn)化[Fe（OH）2的不穩(wěn)定性]→ Fe（OH）2的制備（從復(fù)分解反應(yīng)到電解）→多樣價態(tài)的鐵、銅化合物發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。

（2）“強弱觀”中的問題鏈

Fe3+的氧化性為何大于Cu2+？→若同時加入鐵粉或銅粉有何影響（定性分析）？→由定量的反應(yīng)給予我們什么啟示？

（3）“水解觀”中的問題鏈

FeCl3與NaHCO3溶液的混合為何類似于AlCl3與NaHCO3溶液的混合？Mg與CuSO4溶液反應(yīng)為何劇烈？→制備FeCO3或Fe（OH）2時需要注意什么？→如何除去溶液中的Fe2+、Fe3+？→如何從溶液中獲得鐵鹽或銅鹽晶體？

2. “具體化的元素觀”是化學(xué)基本觀念的“立體”呈現(xiàn)

化學(xué)基本觀念主要包括元素觀、微粒觀、變化觀、實驗觀、分類觀和化學(xué)價值觀等?；瘜W(xué)基本觀念是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的五大基本要素之一，是化學(xué)學(xué)科與化學(xué)教育有機結(jié)合的“阿基米德支點”之一[6]?！熬唧w化的元素觀”是對化學(xué)基本觀念的“具體”塑造和“立體”呈現(xiàn)，它是學(xué)生在學(xué)習(xí)“具體”的元素化合物時，通過“價態(tài)”、“強弱”、“水解”的角度對鐵、銅及其化合物的深刻理解，它是一種獨特的視角。通過對鐵、銅化合物的性質(zhì)有一定的認識之后，還能對它們的化合物的保存、制備、分離、提純、應(yīng)用有一定的了解，乃至在生產(chǎn)和生活中都能體現(xiàn)它們的化學(xué)學(xué)科價值。

3. “化學(xué)實驗”是化學(xué)素養(yǎng)的“直觀”呈現(xiàn)

學(xué)生通過化學(xué)實驗?zāi)軌蚣由罾斫饽承┗瘜W(xué)概念，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與動力，能夠提高問題解決的能力和理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。由于課堂的時間有限，遺憾的是沒有進行學(xué)生實驗，采用的是老師演示實驗。引導(dǎo)學(xué)生將“FeCl3與NaHCO3溶液的反應(yīng)與AlCl3與NaHCO3溶液的反應(yīng)”通過知識的遷移進行預(yù)測反應(yīng)結(jié)果，再從實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)問題的價值并為之尋找合理的解釋。Mg與CuSO4溶液的反應(yīng)是在已有的知識體系上進行“拉伸”提高，通過實驗現(xiàn)象分析探討產(chǎn)生的可能因素并得到明確的結(jié)論?？傊瘜W(xué)實驗不僅引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)探究活動，還能培育學(xué)生的知識、技能和價值觀。

參考文獻

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