素養(yǎng)為本的線上虛擬化學(xué)實驗教學(xué)
——以《探究補鐵劑的變質(zhì)情況》為例

郭志強，張曉明，王冬明

(1.湖北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖北 黃石 435000；2.湖北省黃石二中，湖北 黃石 435002)

1 問題的提出

受新冠疫情影響，2020年1月27日，教育部發(fā)出通知，要求各地大中小學(xué)校推遲春季開學(xué)時間[1]，并于1月29日發(fā)出倡議：利用網(wǎng)絡(luò)平臺，開展“停課不停學(xué)”[2]。線上教學(xué)改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)的管理方式及信息技術(shù)的地位，教師必須適當(dāng)調(diào)整教學(xué)的方式、方法，以應(yīng)對這些轉(zhuǎn)變，才能確保學(xué)生居家學(xué)習(xí)的質(zhì)量[3]。

2017 年版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)突出強調(diào)教學(xué)要重視學(xué)生核心素養(yǎng)的提升[4]，化學(xué)實驗是化學(xué)教學(xué)的重要組成部分, 不僅具有教育教學(xué)功能, 而且具有發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的功能[5]。但受制于線上教學(xué)的客觀條件，多數(shù)教師都只能采取視頻形式或圖片形式進行實驗教學(xué)內(nèi)容的講解，這樣的實驗教學(xué)，缺乏了實驗探究的過程，不能最大化地發(fā)揮實驗教學(xué)的優(yōu)勢。本文重現(xiàn)了高一上學(xué)期“以探究補鐵劑的變質(zhì)情況”的虛擬實驗教學(xué)，從而向教師介紹如何基于NOBOOK虛擬實驗室平臺開展虛擬實驗教學(xué)，以期線上教學(xué)能夠有效發(fā)揮實驗教學(xué)功能，力爭學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)得到最大化提升。

2 虛擬實驗室簡介

虛擬實驗室 (Virtual Laboratory) 概念，是由美國弗吉尼亞大學(xué) (University of Virginia) 威廉·沃爾夫 (William Wolf) 教授于1989年首次提出，其初衷是為了方便科學(xué)研究工作[6]，而隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實驗室也逐漸被應(yīng)用到日常教學(xué)中。本文所用的NOBOOK虛擬化學(xué)實驗室可以提供初高中課程所需實驗，由于使用了公式算法引擎，可根據(jù)實驗所需更改實驗參數(shù),從而使得實驗更為靈活，更貼近真實實驗，是虛擬實驗室商業(yè)化的代表作[7]，基于自身運用，通過計算機繪圖將NOBOOK虛擬化學(xué)實驗室所含元素及功能進行了繪制(如圖1)。

圖1 NOBOOK虛擬實驗室界面圖

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 教學(xué)內(nèi)容分析

“鐵及其化合物”是人教版必修①“金屬及其化合物”的重要章節(jié)，學(xué)生在此之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)，較之于“鋁及其化合物”的知識，該章節(jié)可以更好地強化學(xué)生對氧化還原反應(yīng)知識的理解和應(yīng)用。同時，學(xué)好本節(jié)內(nèi)容，對后面非金屬及其化合物的學(xué)習(xí)有著深刻的借鑒意義。該章節(jié)在教材中的內(nèi)容可分為三個板塊(見表1)。

表1 鐵及其化合物在教材中的內(nèi)容編排

本文將“鐵的氫氧化物”及“鐵鹽和亞鐵鹽”兩部分教學(xué)內(nèi)容進行組合，借鑒蘇教版教材中的內(nèi)容[8]，以“探究補鐵劑的變質(zhì)情況”為主題，基于NOBOOK虛擬實驗室平臺將學(xué)生置于實驗、問題情境中進行教學(xué)。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是一切目標(biāo)的基礎(chǔ),它對每一學(xué)段、每一課時、每一知識、每一項活動都具有導(dǎo)向功能和評價功能[9]。要發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，首先，教師要學(xué)會從基于“三維目標(biāo)”的教學(xué)設(shè)計轉(zhuǎn)向基于“核心素養(yǎng)”的教學(xué)設(shè)計[10]?；瘜W(xué)五大核心素養(yǎng)各有側(cè)重，本節(jié)課擬重點提升學(xué)生三大核心素養(yǎng)。圖2是本文基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)所制定的教學(xué)目標(biāo)。

圖2 核心素養(yǎng)的課時教學(xué)目標(biāo)

3.3 教學(xué)思路

1)教師利用NOBOOK軟件新建空白試驗，“配置”4種稀釋為無色的不同溶液，每種溶液均“配置”兩份，并對它們進行編號，充當(dāng)“補鐵劑的溶液”。

①——溶質(zhì)全為Fe2(SO4)3(完全變質(zhì)的補鐵劑)

②——溶質(zhì)全為FeSO4(未變質(zhì)的補鐵劑)

③——溶質(zhì)為FeSO4和Fe2(SO4)3(部分變質(zhì)的補鐵劑)

④——溶質(zhì)不含F(xiàn)eSO4和Fe2(SO4)3(偽劣補鐵劑，不含鐵元素)

2)通過化學(xué)實驗檢驗“補鐵劑溶液”中的鐵元素，從而證明“補鐵劑”的變質(zhì)或假冒偽劣情況。在實驗探究過程中，教授本章節(jié)與鐵的氫氧化物、鐵鹽和亞鐵鹽有關(guān)化學(xué)知識，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。具體教學(xué)思路如圖3.

圖3 探究“補鐵劑”中的鐵元素教學(xué)思路

4 課堂教學(xué)

4.1 教授三法檢驗Fe2+和Fe3+

【視頻】播放白紙顯紅字的魔術(shù)視頻。

【教師】這個神奇的魔術(shù)，就是利用我們今天所學(xué)的化學(xué)知識進行的，那么讓我們一起來揭秘魔術(shù)的本質(zhì)吧！

【講解】字呈現(xiàn)為紅色是因為Fe3+與無色KSCN溶液會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后的溶液是血紅色的。

【教師】經(jīng)過剛才的講解，同學(xué)們是否能夠揭開這個魔術(shù)的謎底呢？

【學(xué)生】在白紙上提前用無色的KSCN溶液書寫，再準(zhǔn)備含F(xiàn)e3+的溶液，將溶液進行稀釋，使得溶液變得近乎無色，用噴壺盛裝該溶液對白紙噴灑，即可使得白紙上出現(xiàn)紅字。

【教師】非常好，同學(xué)的回答中有一個關(guān)鍵點，是極為重要的。那就是將含F(xiàn)e3+的溶液稀釋至近乎無色，依舊也可以產(chǎn)生現(xiàn)象。該反應(yīng)的靈敏性很高，所以這個反應(yīng)經(jīng)常用來檢驗無色溶液中是否含有Fe3+.

【教師】我們在之前的學(xué)習(xí)中，還學(xué)習(xí)到有關(guān)于Fe3+的檢驗方法，請同學(xué)們舉手回答。

【學(xué)生】可以直接觀看溶液的顏色，含有Fe3+的溶液是棕黃色。

【學(xué)生】還可以向溶液中滴加NaOH溶液，如果產(chǎn)生紅褐色沉淀，可以證明溶液中含有Fe3+.

【教師】請同學(xué)們書寫NaOH溶液與含有Fe3+溶液反應(yīng)，產(chǎn)生紅褐色沉淀的離子方程式。

【PPT】展示缺鐵性貧血癥的癥狀。

【教師】在生活中，如果被醫(yī)生診斷為“缺鐵性貧血癥”，一般是需要服用補鐵劑來進行治療的。

【PPT】展示補鐵劑說明書

【教師】請大家閱讀說明書，告訴老師該補鐵劑的主要成分是什么？

【學(xué)生】主要成分是硫酸亞鐵，每片補鐵劑中含有硫酸亞鐵0.3g.

【教師】現(xiàn)在小明同學(xué)得了缺鐵性貧血癥，購買了上述補鐵劑，但是服用一周后，病情依舊沒有改善，請大家根據(jù)所學(xué)知識，猜想一下原因。提示大家，補鐵劑中的主要成分是硫酸亞鐵。

【學(xué)生】該補鐵劑的主要成分是硫酸亞鐵，二價鐵才可治療貧血。但是二價鐵并不穩(wěn)定，可能是由于保存不當(dāng)，在空氣中被氧化成三價鐵而失去了效用。

【教師】非常好，那么為了幫助小明同學(xué)檢測所服用補鐵劑的變質(zhì)情況，我們不僅要掌握Fe3+的檢驗方法，同時還需要學(xué)習(xí)Fe2+應(yīng)當(dāng)如何檢驗，那么請大家回答常見Fe2+的檢驗方法。

【學(xué)生】可以直接觀看溶液的顏色，含有Fe2+的溶液是淺綠色。

【教師】與Fe3+相同，F(xiàn)e2+也有其特征顏色。Fe3+可以與NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生紅褐色沉淀，用以檢驗Fe3+.那么Fe2+是否也可以和NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀呢？如果產(chǎn)生沉淀，沉淀的顏色是否還是紅褐色呢？

【NOBOOK虛擬實驗平臺】FeSO4溶液與NaOH溶液反應(yīng)(如圖4)。

圖4 FeSO4溶液與NaOH溶液反應(yīng)現(xiàn)象

【教師】觀察到實驗現(xiàn)象為先產(chǎn)生白色沉淀，緊接著白色沉淀迅速變?yōu)榛揖G色沉淀，最后變?yōu)榧t褐色沉淀。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因和之前同學(xué)們所說的一樣，因為二價鐵的不穩(wěn)定，所以白色的Fe(OH)2沉淀不能在空氣中穩(wěn)定存在，容易被空氣中的氧氣氧化成紅褐色的Fe(OH)3沉淀。請大家書寫出Fe(OH)2在空氣中被氧化為Fe(OH)3的化學(xué)方程式。

【教師】大家氧化還原配平的實際運用能力很棒，那么請問大家如果想要較長時間觀察到白色的Fe(OH)2沉淀，實驗的關(guān)鍵在哪里？

【學(xué)生】由于白色的Fe(OH)2沉淀不能在空氣中穩(wěn)定存在，所以實驗成功的關(guān)鍵應(yīng)該是隔絕Fe(OH)2沉淀與空氣的接觸。

【教師】大家回答得很正確，那么由于Fe2+可以與NaOH溶液反應(yīng)，產(chǎn)生特殊現(xiàn)象，所以也可以用該方法檢驗溶液中的Fe2+.

【PPT】總結(jié)檢驗Fe2+和Fe3+的三種方法、展示本節(jié)課類價二維圖，如圖5、圖6所示。

圖5 檢驗Fe2+和Fe3+的三種方法

圖6 本節(jié)課類價二維圖

4.2 講解三種方法的適用情況

【教師】觀察法與氫氧化物沉淀法均可用于檢驗Fe2+和Fe3+，但是這兩種檢驗方法適用于常量下兩種離子的檢驗。而顯色法中Fe3+與無色KSCN溶液反應(yīng)靈敏度高，故而該反應(yīng)經(jīng)常用來檢驗微量下的Fe3+，但卻不能檢驗Fe2+.(提出疑問：難道真的不能嗎？這么靈敏的反應(yīng)試劑不就無法繼續(xù)發(fā)揮價值了嘛，請大家仔細(xì)看一下本節(jié)課的類價二維圖，創(chuàng)造性的利用KSCN溶液。)

【學(xué)生】可以將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+從而檢驗Fe2+.

【教師】思路是非常正確的，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)換為Fe3+化合價會升高，我們可以通過添加氧化劑的方法實現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換，應(yīng)該添加什么氧化劑呢？在這里又有什么限制呢？請大家舉例。

【學(xué)生】該反應(yīng)最后會變?yōu)榧t色，所以加入的氧化劑必須是無色的，不能有其他顏色干擾。可以加入雙氧水。

【教師】大家分析的很透徹，方法我們都已經(jīng)掌握了，那么我們現(xiàn)在一起來探究如何檢驗補鐵劑的變質(zhì)情況吧！

4.3 虛擬實驗探究“補鐵劑”的變質(zhì)情況

【NOBOOK虛擬實驗平臺】檢驗四種“補鐵劑”的變質(zhì)情況

【PPT】展示8支利用NOBOOK虛擬實驗室配制的四種未知溶液(如圖7)。

圖7 自配補鐵劑

【教師】向盛有4支不同溶液的試管中滴加KSCN溶液，觀察實驗現(xiàn)象(如圖8)。

圖8 滴加KSCN溶液后實驗現(xiàn)象

【教師】向每支試管滴入KSCN溶液后，發(fā)現(xiàn)1號和3號試管溶液變成了紅色，可以證明什么？

【學(xué)生】1號和3號試管中都含有Fe3+.

【教師】那能否得出結(jié)論1號與3號“補鐵劑”完全變質(zhì)了嗎？有沒有可能有其他的情況？

【學(xué)生】如果“補鐵劑”部分變質(zhì)，也可以產(chǎn)生Fe3+，雖然還含有Fe2+，也會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

【教師】大家的推測是完全正確的，那怎樣證明，哪一支試管中的“補鐵劑”是部分變質(zhì)呢？如何證明還存在Fe2+？觀察法和沉淀法顯然不能有效地驗證Fe2+的存在。(給予提示：請大家再觀察一下本節(jié)課的類價二維圖，思考Fe2+具備什么性質(zhì)。)

【學(xué)生】部分變質(zhì)的“補鐵劑”中還存在Fe2+，F(xiàn)e2+有還原性，如果把酸性KMnO4溶液滴入溶液中，酸性KMnO4溶液的紫紅色褪去了，就可以證明原溶液含有Fe2+.

【教師】請問大家是不是向已經(jīng)變紅的溶液中滴加酸性KMnO4溶液？

【學(xué)生】不對，已經(jīng)變紅的溶液中存在顏色干擾，應(yīng)該向編號相同的未滴加KSCN溶液的試管中滴加酸性KMnO4溶液。

【教師】大家防干擾的實驗意識很強，將酸性KMnO4溶液分別滴入備用的1號和3號試管中。請大家觀察實驗現(xiàn)象，并得出結(jié)論(如圖9)。

圖9 滴加酸性KMnO4溶液后實驗現(xiàn)象

【學(xué)生】觀察到1號試管溶液變成了淺紫紅色，而3號試管依舊是無色的，證明1號試管全都為Fe3+，不含F(xiàn)e2+；3號試管既有Fe3+又有Fe2+.所以1號試管“補鐵劑”完全變質(zhì)，3號試管“補鐵劑”部分變質(zhì)。

【教師】大家的分析很正確，該實驗現(xiàn)象利用了Fe2+與酸性KMnO4溶液的氧化還原反應(yīng)，那么我們一起來書寫一樣該反應(yīng)的離子方程式。(利用氧化還原反應(yīng)的缺項配平法講解方程式)

【教師】我們已經(jīng)通過實驗驗證了，1號和3號“補鐵劑”的變質(zhì)情況。2號和4號試管與KSCN溶液反應(yīng)無現(xiàn)象發(fā)生，難道可以直接得出結(jié)論2號和4號試管中未變質(zhì)，都只含有Fe2+嗎？有沒有其他可能？

【學(xué)生】應(yīng)該只有這種可能了。

【教師】那么我們按照同學(xué)們所推論出的知識，向未變色的2號和4號試管中滴加H2O2溶液，請大家觀察實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論。

圖10 滴加H2O2溶液后實驗現(xiàn)象

【學(xué)生】觀察到2號試管溶液變成了紅色，而4號試管依舊是無色的，證明2號試管確實全都為Fe2+，所以2號試管“補鐵劑”未變質(zhì)；但是并不知道4號試管為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

【教師】大家犯了先入為主的錯誤，認(rèn)為老師所配制的“補鐵劑”就一定含有鐵元素，有沒有可能是老師買到了假藥呢？

【學(xué)生】(恍然大悟)4號試管不含有Fe3+和Fe2+，4號試管的“補鐵劑”是偽劣產(chǎn)品，該“補鐵劑”未含鐵元素。

【教師】我們將每支試管的“補鐵劑”變質(zhì)情況都進行了檢驗，“補鐵劑”保存不得當(dāng)會失去藥用。在生活中醫(yī)生經(jīng)常囑咐患者在服用“補鐵劑”時可同時服用抗氧化劑“維生素C”，不僅可以有效的防止“補鐵劑”中的亞鐵元素被氧化，還能將已經(jīng)被氧化的亞鐵元素還原。

【教師】在實驗室中，為了防止含有Fe2+的溶液被氧化，會在試劑瓶中加入鐵粉。這樣的措施也正是利用了Fe3+能在還原劑的作用下還原成Fe2+的氧化還原反應(yīng)原理。

4.4 課堂知識總結(jié)

【教師】今天我們學(xué)到了的Fe3+和Fe2+常見的三種檢驗方法與相互轉(zhuǎn)化。本節(jié)課課堂知識總結(jié)如圖11所示。

圖11 本節(jié)課課堂知識總結(jié)

5 結(jié)語

落實新化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，對于化學(xué)教師來說是一個新的、富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。王后雄教授強調(diào)：“每位教師都應(yīng)當(dāng)積極開展‘素養(yǎng)為本’的化學(xué)教學(xué)[11]”。利用虛擬實驗室開展化學(xué)實驗教學(xué)，并非疫情期間的無奈之舉。在課堂實驗教學(xué)中，也會經(jīng)常出現(xiàn)有害、有危險的實驗(例如濃硫酸與蔗糖反應(yīng))，教師可以將虛擬化學(xué)實驗融入日常的實驗探究教學(xué)中，真正地實現(xiàn)每節(jié)課都以學(xué)生核心素養(yǎng)提升為最終目標(biāo)的教學(xué)。