高中化學主題式實驗活動課的實踐探索

王曼兒 陳菲菲 郭大俊

摘要：本節(jié)實驗活動課，以“模擬工業(yè)流程題中除鐵的過程”為教學主題情景，依托數(shù)字化實驗手段，利用問題導(dǎo)學，啟發(fā)學生自主實驗探究，解決高中化學測定鐵離子、亞鐵離子的沉淀范圍的教學難點，將工業(yè)流程題中除鐵的過程可視化，落實學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：主題式教學；自主實驗探究；問題導(dǎo)學；化學核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0017-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.004

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）明確提出，必修課程內(nèi)容依據(jù)主題組織，提高課程實施的整體性，倡導(dǎo)基于學科核心素養(yǎng)實施主題式教學。[1]主題式教學是圍繞某主題，讓學生借助各種探究活動以及與主題相關(guān)的各種資源，使學生的認知發(fā)生遷移，提高學生解決問題的能力以及科學探究精神的有效教學方式。[2]主題式教學的實施，是落實發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的教學目標的必要途徑，有利培養(yǎng)學生的綜合能力和終身學習習慣，有利改進教師的教學行為，促進教師的專業(yè)化發(fā)展。

通過調(diào)節(jié)pH進行工業(yè)廢水中除鐵元素的考察是高考熱點之一。對于Fe2+、Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍的判定，教材中利用Kp進行理論計算可得，該知識點本身不難，但大部分學生仍難以接受三價鐵元素在溶液酸性仍為較強的條件下即與氫氧根結(jié)合沉淀完全的計算結(jié)果，對于工業(yè)廢水中除鐵的相關(guān)問題更僅限于紙上談兵，缺乏客觀實驗事實依據(jù)。

數(shù)字化實驗有著微型、便捷、綠色、直觀等優(yōu)勢，廣受中學化學教學研究者的青睞，特別在2011年各地高考出現(xiàn)相關(guān)命題后，已成為中學化學實驗課堂的研究熱點之一。

四重表征法是宏觀一微觀一符號一曲線四種維度的表征方式，能夠給學生提供對化學實驗進行分析的有序指引，促進學生對化學實驗多層次、多維度的表征能力的發(fā)展。[3]

本節(jié)實驗活動課是基于人民教育出版社（2017版）高中化學選擇性必修1第三單元第四節(jié)“沉淀溶解平衡”一課中關(guān)于“沉淀溶解平衡的應(yīng)用”的深度延伸，以“模擬工業(yè)流程題中除鐵元素的過程”為教學主題情景，依托數(shù)字化實驗手段，通過V（NaOH溶液）-pH滴定曲線可視化呈現(xiàn)，應(yīng)用四重表征分析，利用問題情景導(dǎo)學，啟發(fā)學生自主實驗探究，解決高中化學測定鐵離子、亞鐵離子沉淀范圍的教學難點，模擬工業(yè)流程除鐵元素的生產(chǎn)實際，落實學生化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、教學流程整體設(shè)計展示

本課主要教學流程如表1所示。

教學重點：實驗法測定Fe2+、Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍

（“V（NaOH溶液）-pH曲線”與沉淀關(guān)系的模型建立與應(yīng)用）

教學難點：模擬工業(yè)流程除鐵元素的實驗設(shè)計

二、教學片段展示與分析

1．實驗法初探Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍

[學生活動]課前閱讀資料1，思考以下問題：

材料1：小王在做工業(yè)流程題時，在信息表格里看到Fe3+理論沉淀范圍pH為2.2-3.2，他很是疑惑：在酸性比較強的環(huán)境下，F(xiàn)e3+如何沉淀完全？他經(jīng)過Ksp理論計算，確實可得該理論數(shù)據(jù)，但是沒有客觀事實依據(jù)，他總是不斷質(zhì)疑。于是，他的老師做了以下實驗：測定Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍。實驗裝置如圖1所示。

向50 mL 0.02 mol/L FeCl，溶液（用鹽酸調(diào)節(jié)pH為1.5- 1.7）逐滴加入0.1 mol/L NaOH溶液。具體操作為：取用0.1 mol/L NaOH溶液潤洗50.00 mL滴定管，往滴定管中加入0.1 mol/L NaOH溶液。量取50.00 mLFeCl3溶液于250 mL燒杯中備用。調(diào)試傳感器，設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率為ls/次。如圖1所示連接實驗裝置，開啟磁力攪拌器，點擊采集數(shù)據(jù)按鈕，觀察記錄燒杯中溶液和沉淀的顏色變化。當體系pH穩(wěn)定之后，開始滴加NaOH溶液。實驗完成，得到如圖2所示實驗數(shù)據(jù)。

問題1：通讀材料，聯(lián)系圖2曲線與表2中信息，完成表2中（1）、（2）、（3）空白處。

問題2：實驗1測定的Fe3+沉淀范圍是

。對比理論計算該實驗Fe3+理論沉淀范圍pH為2.2～3.2，[4]可證明該實驗方法可用于判定Fe3+沉淀范圍。

問題3：思考pH-V（NaOH）曲線中，拐點與平臺的意義，建立從曲線獲取沉淀范圍的模型？

設(shè)計意圖：通過問題1和問題2引導(dǎo)學生自主閱讀文獻材料和圖表分析，pH為2.20-3.03時，宏觀實驗現(xiàn)象出現(xiàn)沉淀、pH變化趨于平緩、微觀粒子在3.03之后不再有Fe3+，可得所發(fā)生的主要反應(yīng)為（1）HCl+NaOH=NaCl+H2O、（2） FeCl3+3NaOH=Fe（ OH）3↓+3NaCl、（3） HCl+NaOH=NaCl+H20；可得Fe3+沉淀范圍是2.20-3.03，符合理論值，驗證該實驗方法的科學性。通過問題3引導(dǎo)學生觀察曲線拐點和平臺，分析可得溶液中與NaOH反應(yīng)的離子有H+、Fe3+：在曲線上升期時，為酸堿中和階段；在曲線為平緩段時，為Fe3+沉淀階段。進而引導(dǎo)學生自主小結(jié)建立通過pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型：平臺兩端拐點，即為Fe3+開始沉淀和沉淀完全的標志，平緩段即沉淀范圍。

本教學環(huán)節(jié)設(shè)計于課前進行，讓學生有充足的時間進行通讀陌生材料，處理陌生圖表信息。該信息材料有著“人口難，出口易”的特點，表面上看文獻資料深奧難懂，進而在層層遞進的簡單問題串推動下，逐一攻破，逐步形成新知模型。該設(shè)計著眼于克服學生遇到新材料新信息的排斥心理，培養(yǎng)學生信息獲取能力，通過四重表征學習法提升學生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

實驗1通過“宏觀一微觀一符號一曲線”四重表征的形式，直觀呈現(xiàn)Fe3+與NaOH反應(yīng)歷程，將“沉淀范圍”這一理論知識進行可視化處理，用客觀實驗事實為學生釋疑。

2．實驗法二探Fe“與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍

問題4：參考材料1的實驗方案，小組討論設(shè)計課堂實驗，測定Fe2+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍，并猜想預(yù)測pH-V（NaOH）實驗曲線特征。

學生1：僅更換0.02 mol/L FeCl3溶液（用鹽酸調(diào)節(jié)pH為1.5-1.7）為0.02 mol/L FeSO4溶液（用硫酸調(diào)節(jié)pH約為2.4），其他操作保持不變。

學生2：預(yù)測pH-V（NaOH）實驗曲線將僅出現(xiàn)一個pH數(shù)值在7.4-8.3（理論值）的平臺，即為Fe2+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍。

學生3：預(yù)測可能會有2個平臺出現(xiàn)，分別是Fe2+、Fe“與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍。

學生4：哦，那是因為Fe2+容易被氧化為Fe3+。

學生5：那我們進行實驗優(yōu)化，開展兩組實驗對比，另一組添加維生素C防止Fe2+發(fā)生氧化反應(yīng)。

選派一個四人小組按實驗方案進行課堂實驗展示，將實驗現(xiàn)象與曲線表征在電教屏幕上進行全班直播。

問題5：請仔細觀察、對比實驗2、實驗3的實驗現(xiàn)象和曲線特征，小組討論，完成表4、表5四重表征。

問題6：觀察圖3所示實驗2的曲線，學生2和學生3哪個推測正確？對比實驗2和實驗3的四重表征，可得測得Fe2+的沉淀范圍為____。

問題7：對于實驗法測定Fe2+的沉淀范圍的操作，有何注意事項？

設(shè)計意圖：通過問題導(dǎo)學，引導(dǎo)學生設(shè)計實驗一猜想實驗一推測實驗一優(yōu)化實驗一驗證實驗的自主實驗探究歷程，本實驗利用pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型，可得實驗2曲線出現(xiàn)兩個沉淀平臺，分別為pH為7.73-8.49、2.00-2.71的平臺，對比理論值，結(jié)合實驗現(xiàn)象，可知分別是實驗測得的Fe2+、Fe2+的沉淀范圍；圖4所示實驗3加入維生素C僅出現(xiàn)一個pH為7.36-8.08的平臺，對比Fe2+的沉淀理論值pH為7.4-8.3．[5]結(jié)合現(xiàn)象出現(xiàn)灰綠色沉淀，可知該平臺為Fe2+的沉淀平臺；對比實驗2，加入維生素C后Fe3+沉淀平臺幾乎消失，說明維生素C有效防止Fe2+被氧化，因此測定Fe“的沉淀pH范圍，需要添加還原劑進行防氧化。

通過小組討論完成四重表征，培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析的素養(yǎng)；本實驗利用pH-V（NaOH）曲線獲取Fe2+的沉淀范圍，鞏固新知模型的認知，培養(yǎng)學生證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)；在學生自主討論、自主設(shè)計并優(yōu)化實驗等實驗探究學習法的實踐，培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識。

3．實驗?zāi)M工業(yè)流程除鐵元素

問題8：以4人小組為單位，以材料1的實驗試劑，完成工業(yè)廢水中除鐵元素的實驗?zāi)M并驗證其有效性。（ 25.00 mL 0.02 mol/L FeS04和25.00 mL 0.02 mol/LFeCl，的混合溶液模擬為工業(yè)廢水）

學生：開展實驗4模擬工業(yè)廢水除鐵，應(yīng)選擇試劑：模擬工業(yè)廢水溶液，添加10滴100-/0 H202溶液進行氧化，再逐滴加入0.1 mol/L NaOH溶液，得到的pH-V（NaOH溶液）曲線4。

為了實驗科學嚴謹，再開展實驗5作為空白參照組，不加10滴10% H202溶液。此時需要控制變量，實驗5需要增加10滴去離子水，保持實驗4和實驗5的鐵元素濃度一致。

學生按表6實驗方案實驗，并將實現(xiàn)現(xiàn)象和曲線展示在電教屏幕上。實驗結(jié)束思考問題9和問題10。

問題9：已知棕黑色沉淀為Fe（ OH）3沉淀和Fe （OH）2沉淀混合的顏色。實驗4和實驗5的曲線分別得到哪些平臺？

問題10：對比實驗1和實驗4，對比實驗4和實驗5，分別可獲取什么結(jié)論？

設(shè)計意圖：通過問題引導(dǎo)，啟發(fā)學生觀察實驗5出現(xiàn)兩個pH平臺，實驗測得Fe3+的沉淀范圍是pH為2.35-2.87，基本符合理論值；Fe2+的沉淀范圍是pH為6.14-7.49，與理論值（7.4-8.3）較為符合。經(jīng)添加H202處理后的實驗4曲線，僅出現(xiàn)一個pH為2.26-3.39的沉淀平臺，結(jié)合現(xiàn)象為紅褐色沉淀，可得該平臺為Fe3+的沉淀范圍。

問題引導(dǎo)啟發(fā)學生對比實驗4、5，發(fā)現(xiàn)加入H2O2溶液Fe3+沉淀平臺變長，F(xiàn)e2+沉淀平臺幾乎消失，鐵元素在實驗5需pH達7.49才完全除去，在實驗4 pH僅達3.39即可，說明添加H2O2處理后，鐵元素在pH較低處可被完全除去，符合工業(yè)流程中的需求，幫助學生理解工業(yè)流程題中鐵元素除雜過程。

問題引導(dǎo)啟發(fā)學生對比實驗1、4，發(fā)現(xiàn)實驗4曲線與實驗1曲線基本一致，說明實驗4模擬工業(yè)流程除鐵元素過程的實驗比較成功，進一步加深理解除鐵過程：混合溶液中Fe2+先被H2O2轉(zhuǎn)化為Fe3+，再進行的Fe3+沉淀反應(yīng)。

本實驗再次利用四重表征，強化宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)；啟發(fā)學生應(yīng)用pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型，幫助分析實驗歷程，培養(yǎng)學生證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)；利用對比法、控制變量法等實驗方法，提升學生探究與創(chuàng)新意識；實驗?zāi)M聯(lián)系生活生產(chǎn)，體會微型數(shù)字化技術(shù)的綠色觀，培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任感。

三、教學反思與啟示

反應(yīng)歷程可視化。本實驗借助數(shù)字化技術(shù)，通過圖表和數(shù)據(jù)直觀、定量地呈現(xiàn)Fe2+、Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)時溶液pH的變化情況，將反應(yīng)過程可視化，解決課本中理論計算沉淀范圍，缺乏客觀事實直觀體驗的教學難點。

探究實驗新優(yōu)化。本節(jié)課中三個實驗的學習深度與自主探究程度具有遞進性。實驗1為完整實驗方案的文字材料呈現(xiàn)，著力培養(yǎng)學生獲取新信息和自主建立新知模型的能力；實驗2以小組實驗探究呈現(xiàn)，完整貫穿“實驗猜想一實驗預(yù)測一討論一實驗優(yōu)化一實驗驗證”五個實驗探究環(huán)節(jié)，著力培養(yǎng)實驗探究能力；實驗3以小組實驗設(shè)計呈現(xiàn)，通過對比法、控制變量法等常見的實驗手段，模擬工業(yè)流程除鐵元素并驗證其有效性。

主題內(nèi)容問題化。本節(jié)課緊緊圍繞“模擬工業(yè)流程除鐵元素”為情景，分為三個子主題進行探索：測定Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的pH沉淀范圍；測定Fe2+與NaOH溶液反應(yīng)的pH沉淀范圍；模擬工業(yè)流程除鐵元素（即測定Fe2+、Fe3+混合溶液與NaOH溶液反應(yīng)的pH沉淀范圍）。三個子主題的學習過程，均用環(huán)環(huán)相扣的問題串引導(dǎo)自主學習、自主實驗，逐步深化。

陌生信息方法化。在pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型學習上，先通過實驗1進行信息獲取新知的方式，總結(jié)拐點、平臺的規(guī)律，建立模型；再通過實驗2加深認知模型；最后通過實驗3應(yīng)用模型，驗證生產(chǎn)中實際的問題——用H2O2溶液進行工業(yè)除鐵的有效性。整個教學設(shè)計通過層層遞進的問題串，幫助學生完整經(jīng)歷建立模型—認知模型一應(yīng)用模型的知識構(gòu)建過程，培養(yǎng)學生深度學習的能力，真正做到授之以魚，不如授之以漁。pH-V（NaOH）曲線本身非高中階段必學圖表，相對于知識點本身而言，本節(jié)課更側(cè)重于培養(yǎng)學生對于陌生信息、陌生圖表的信息獲取，幫助學生在考試中遇到陌生圖表的分析問題能力的提升。

知識運演結(jié)構(gòu)化。本節(jié)課選用四重表征進行實驗分析，利用四重表征的有序思維和內(nèi)在關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學生對實驗宏觀現(xiàn)象、微觀粒子與反應(yīng)、圖像表征等多角度的信息進行有序思考與內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系的梳理，進而推進知識運演結(jié)構(gòu)化。

參考文獻

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