基于真實(shí)情境促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以“草酸亞鐵的制備及檢測”為例

竇 卓 劉炯明 江合佩

（1、2.廈門雙十中學(xué)，福建 廈門 361009；3.廈門市教育科學(xué)研究院，福建 廈門 361001）

一、項(xiàng)目內(nèi)容的提出

實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)課程的重要內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建構(gòu)及實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的實(shí)施，是化學(xué)課程與教學(xué)改革的重要組成部分［1］。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般安排在高二下學(xué)期。此時(shí)，學(xué)生已掌握高中化學(xué)的大部分學(xué)科知識(shí)，亟待提升化學(xué)的實(shí)驗(yàn)綜合能力。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多是碎片式、無關(guān)聯(lián)的，導(dǎo)致學(xué)生面臨實(shí)驗(yàn)問題時(shí)，無法形成很好的綜合探究能力?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》指出，“真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)”［2］。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為主體，鏈接真實(shí)情景的學(xué)習(xí)方式。［3-4］通過共同解決真實(shí)復(fù)雜的問題和完成綜合性任務(wù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而形成很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)探究能力，獲得學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。文章以水合草酸亞鐵為載體，探討項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)和組織。

二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)和項(xiàng)目流程

本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)為：通過對(duì)水合草酸亞鐵的制備、組成測定的研究，體會(huì)化學(xué)在探索人類未來方面的重要價(jià)值，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任；學(xué)會(huì)從原理的角度判斷化學(xué)反應(yīng)的可行性，培養(yǎng)變化觀念與平衡思想；建構(gòu)物質(zhì)制備、檢驗(yàn)的一般思維模型，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)；強(qiáng)化定量研究的觀念，培養(yǎng)宏微結(jié)合的能力；根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

形成解決實(shí)際問題的科學(xué)思維，進(jìn)一步發(fā)展和落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。具體教學(xué)流程如圖1 所示，圍繞兩個(gè)任務(wù)，三個(gè)問題展開。

圖1 教學(xué)流程

三、教學(xué)過程

（一）任務(wù)1 水合草酸亞鐵制備

【問題引入】近年來，4G 手機(jī)、電動(dòng)汽車等便攜儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展促使鋰電行業(yè)的飛速發(fā)展。而草酸亞鐵是磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的原材料，市場前景十分廣闊。因此，草酸亞鐵近幾年成為研究熱點(diǎn)之一。

探究問題1：如何制備水合草酸亞鐵？

【學(xué)生活動(dòng)1】見表1 信息，小組討論交流，匯總?cè)缦聝蓚€(gè)方案：

表1 探究問題需要的試劑和信息

方案1：Na2C2O4溶液與硫酸亞鐵溶液反應(yīng)；

方案2：H2C2O4溶液與硫酸亞鐵溶液反應(yīng)。

1.探究實(shí)驗(yàn)方案的可行性

（1）探究方案1 的可行性

見表2，引導(dǎo)學(xué)生思考在Na2C2O4溶液中Fe2+是否容易氧化、水解。通過學(xué)生共同定量計(jì)算（所需數(shù)據(jù)見表1）發(fā)現(xiàn)，在一定濃度的堿性Na2C2O4溶液中，F(xiàn)e2+容易被氧化，在生成草酸亞鐵沉淀的同時(shí)可能生成Fe（OH）2沉淀，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不純，因此該方案不合理。

表2 探究方案的可行性

（2）探究方案2 的可行性

見表2，引導(dǎo)學(xué)生思考Fe2+是否容易氧化、草酸亞鐵是否容易生成。在Fe2++H2C2O4+nH2O ?FeC2O4·nH2O↓+2H+這個(gè)反應(yīng)中，學(xué)生經(jīng)計(jì)算分析，K=（Ka1·Ka2）/Ksp=12。綜合分析來看，F(xiàn)e2+不易被氧化，且正向反應(yīng)程度較大，該方案更合理。

為盡量降低溶液的pH，可將硫酸亞鐵改成更穩(wěn)定的硫酸亞鐵銨。學(xué)生得出制備流程，見圖2。

圖2 FeC2O4·xH2O 制備流程設(shè)計(jì)

2.實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化

［教師］如何分離提純FeC2O4·xH2O？

［學(xué)生］根據(jù)表1 信息，F(xiàn)eC2O4·xH2O 難溶于水，用過濾的方法分離，用蒸餾水洗去表面可溶性雜質(zhì)，晾干得到產(chǎn)品。

［教師］水洗后，為了加快產(chǎn)物表面水分蒸干，可采取什么操作？

［學(xué)生］水洗后，可再用乙醇洗滌產(chǎn)品。不僅可除去產(chǎn)品表面水分，同時(shí)乙醇易揮發(fā)，利于晶體快速干燥。得到再優(yōu)化的制備流程，見圖3。

圖3 FeC2O4·xH2O 制備流程設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

【學(xué)生活動(dòng)2】分成若干小組，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)［5］，見圖4。練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，獲得產(chǎn)品，計(jì)算產(chǎn)率。

圖4 學(xué)生制備草酸亞鐵晶體過程

［教師］為什么反應(yīng)過程中要不斷地加熱攪拌？

［學(xué)生］討論，交流，得出結(jié)論：①攪拌可增大反應(yīng)物的接觸面積，加熱加快反應(yīng)速率；②使沉淀由小顆粒變成大顆粒，加快聚沉，利于形成沉淀。

學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境中，在一個(gè)個(gè)任務(wù)問題的驅(qū)動(dòng)下，團(tuán)結(jié)協(xié)作，自主參與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等過程，嘗試像科研工作者一樣思考、解決問題。以往物質(zhì)制備的實(shí)驗(yàn)更多關(guān)注的只有儀器、原料的選擇和實(shí)驗(yàn)的操作等淺層問題，對(duì)原理考慮不足。而在項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，無論是實(shí)驗(yàn)藥品的選擇、還是反應(yīng)可行性的判斷，以及實(shí)驗(yàn)過程中的條件控制等，都滲透了變化觀念與平衡思想。學(xué)生開始從更高的理論高度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的制備原理，體會(huì)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的價(jià)值，從關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)階到原理統(tǒng)率。形成制備物質(zhì)的一般思路：原料選擇（從原理角度）→實(shí)驗(yàn)操作→分離提純→產(chǎn)率計(jì)算。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、思維能力都得到一定程度的提升。

（二）任務(wù)二水合草酸亞鐵的組成測定

1.探究問題2：如何定性檢測水合草酸亞鐵中的Fe2+與C2O42-？

【學(xué)生活動(dòng)1】分析表1 提供試劑和信息，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，交流研討，得出不同的方案設(shè)計(jì)，并不斷地改進(jìn)優(yōu)化，見表3。

表3 檢驗(yàn)Fe2+與C2O42-的實(shí)驗(yàn)方案

【學(xué)生活動(dòng)2】根據(jù)合理的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)兩種離子，如圖5。

圖5 學(xué)生檢驗(yàn)Fe2+與C2O42-的實(shí)驗(yàn)

與FeSO4、Fe2（SO4）3等簡單體系相比，草酸亞鐵中的C2O42-也有還原性。而由于C2O42-的干擾，使Fe2+的檢驗(yàn)變得復(fù)雜，從簡單的理想體系進(jìn)階到真實(shí)復(fù)雜體系。學(xué)生充分發(fā)揮集體智慧，通過對(duì)提出的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析，不斷發(fā)現(xiàn)問題和不足，不斷控制單一變量，考慮問題越來越全面。通過檢驗(yàn)過程建構(gòu)物質(zhì)檢驗(yàn)的思想方法模型，即選擇藥品→排除干擾因素→確定檢驗(yàn)順序→注意用量問題，進(jìn)而培養(yǎng)證據(jù)推理和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

2.探究問題3：如何確定草酸亞鐵中（nFe2+）：（nC2O42-）？

【學(xué)生活動(dòng)1】分析表1 信息，小組交流討論，用滴定法操作簡便，實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確。用高錳酸鉀滴定，可先測定C2O42-和Fe2+總量；再選擇適量試劑Zn［6］，將Fe3+還原為Fe2+；最后進(jìn)行二次滴定，測定Fe2+含量?？梢缘贸鲈O(shè)計(jì)流程，如圖6。

圖6 測定草酸亞鐵組成的流程設(shè)計(jì)

【學(xué)生活動(dòng)2】進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。［7］注意實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，記錄V1和V2。根據(jù)氧化還原配平，可知5Fe2+～MnO4-、5C2O42-～2MnO4-，推出n（Fe2+）：n（C2O42-）=，見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)測定草酸亞鐵中n（Fe2+）：n（C2O42-）部分?jǐn)?shù)據(jù)匯總

［教師］①滴定過程中有什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？說明了什么題？②為什么滴定時(shí)要加熱至60-80℃？

［學(xué)生］根據(jù)表1 中的信息，交流，討論：①滴定時(shí)，溶液先變成黃綠色，說明生成了草酸鐵，即Fe2+先被氧化。顏色又變淺說明C2O42-后面逐漸被氧化。②草酸根氧化比較慢，需要加熱，加快反應(yīng)速率，但是草酸在85℃易分解，因此加熱溫度不易太高。

［教師］分析表4 誤差比較大的原因是什么呢？

【學(xué)生活動(dòng)3】小組討論分析，匯總結(jié)論見表5。

表5 造成實(shí)驗(yàn)誤差的原因分析

該任務(wù)環(huán)節(jié)使研究從定性提升到定量，通過觀察滴定實(shí)驗(yàn)中的顏色變化，準(zhǔn)確判斷出氧化順序和氧化終點(diǎn)，使測量草酸亞鐵中的陰陽離子的組成得以實(shí)現(xiàn)。體會(huì)到定量實(shí)驗(yàn)的重要價(jià)值。通過誤差分析，學(xué)會(huì)了如何合成產(chǎn)率高、純度高的草酸亞鐵產(chǎn)品，培養(yǎng)了宏微結(jié)合的核心素養(yǎng)。

四、項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)將物質(zhì)的制備合成、分離提純、定性檢驗(yàn)和定量分析，性質(zhì)探究、反應(yīng)條件的控制等若干實(shí)驗(yàn)整合成一個(gè)有機(jī)的整體。從碎片化課時(shí)任務(wù)進(jìn)階到單元整體教學(xué)，具有較強(qiáng)的遷移性和推廣性。在一個(gè)個(gè)項(xiàng)目任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性被激發(fā)。在不斷的探索中，學(xué)生經(jīng)歷復(fù)雜推理、思辨決策等綜合性、復(fù)雜性的問題解決過程，獲得實(shí)驗(yàn)探究能力、遷移創(chuàng)新能力、合作溝通能力等，學(xué)科觀念、思維方法逐漸形成。學(xué)生深刻體會(huì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要價(jià)值，化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅颂嵘?，形成了分析信息、設(shè)計(jì)方案、評(píng)價(jià)改進(jìn)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、分析現(xiàn)象、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論等解決實(shí)驗(yàn)問題模型。

作者經(jīng)過一年多的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)每個(gè)探究問題需要一個(gè)課時(shí)完成，也可以適當(dāng)延長課時(shí)?？傊?，項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰昂诵乃仞B(yǎng)起到一定的促進(jìn)作用。