基于深度學(xué)習(xí)發(fā)展科學(xué)探究素養(yǎng)

韓碩　姚文生　彭馨瑤　任坤艷　戴新

摘要：分析了“鐵鹽和亞鐵鹽”在實際教學(xué)中存在的問題：一是缺乏對于學(xué)生在真實情境遷移的訓(xùn)練，二是缺乏對于學(xué)生實際解決問題能力的培養(yǎng)。以“鐵鹽和亞鐵鹽”為例，從深度學(xué)習(xí)的理念出發(fā)，創(chuàng)新性地將趣味實驗“百變果汁”作為教學(xué)情境，將“白紙變色”“流淚的鐵心”等趣味實驗活動作為學(xué)習(xí)評價方式融入教學(xué)，在真實情境中對學(xué)生進行遷移訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，促進學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;深度學(xué)習(xí);真實情境;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）06x-0017-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.004

“鐵鹽和亞鐵鹽”是人教版化學(xué)1（必修）（2017年版）第3章第1節(jié)“鐵及其化合物”的內(nèi)容。許多一線教師和學(xué)者都對該內(nèi)容進行了教學(xué)實踐和研究[1-3]，注意到了真實情境在教學(xué)中的重要作用，但普遍存在兩個問題：一是缺乏對學(xué)生進行真實情境遷移的訓(xùn)練，二是缺乏對學(xué)生實際解決問題能力的培養(yǎng)。多數(shù)教師和學(xué)者選擇通過演示教材實驗或展示趣味實驗來攻克重難點，學(xué)生的實驗探究能力和動手操作能力卻在這一過程中被忽視，這就導(dǎo)致學(xué)生在真實情境中解決實際問題的能力不足，對實驗探究的認知偏向理想化，學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新意識素養(yǎng)未能達到最大化的發(fā)展。

一、教學(xué)思想與設(shè)計創(chuàng)新

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）中明確提出了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[4]，學(xué)科核心素養(yǎng)不僅要教會學(xué)生必備的知識和能力，還要鍛煉學(xué)生在真實情境中知識遷移能力和解決實際問題的能力，更重要的是在這個過程中要樹立正確的價值觀念、形成堅毅的品質(zhì)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度。根據(jù)安富海[5]的深度學(xué)習(xí)理念，卡普爾及劉徽等[6]人將有效失敗理論用于教學(xué)設(shè)計，解決上述教學(xué)現(xiàn)狀中存在的這兩個問題，促進學(xué)生化學(xué)科學(xué)探究能力的提升，促進學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的發(fā)展。本課創(chuàng)新點如下：

1.為學(xué)生提供劣構(gòu)問題。如：“如何設(shè)計白紙顯字魔術(shù)？”“如何設(shè)計流淚的鐵心的實驗？”為學(xué)生提供有效指導(dǎo)，激活學(xué)生思路，增加學(xué)生有效成功的幾率。在教學(xué)實驗方面，從教師演示轉(zhuǎn)向教師演示為輔，學(xué)生自主實驗為主。

2.以實驗的結(jié)果或者效果為教學(xué)評價的標準，并引導(dǎo)學(xué)生對實驗過程進行分析，便于及時進行改正提升。鄭東輝提出將評價融入教與學(xué)之中，通過明暗雙線來推動教學(xué)進程，促進深度學(xué)習(xí)的發(fā)生[7]。根據(jù)這一理念將起著教學(xué)評價作用的遷移實驗作為推動教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)展的一部分。

3.增添學(xué)生在真實情境中的知識遷移環(huán)節(jié)。學(xué)生在“百變果汁”的真實情境中獲得鐵離子與亞鐵離子轉(zhuǎn)化的認知模型。教師播放“流淚的鐵心”實驗視頻，學(xué)生通過觀察視頻思考所用到的原料、涉及到的原理和實驗步驟，進行實驗復(fù)演。通過學(xué)生復(fù)演“流淚的鐵心”的實驗情況，來判斷學(xué)生的知識遷移能力以及解決實際問題的能力水平。

4.增加遷移前測和遷移后測環(huán)節(jié)。遷移前測實驗是原理及操作較為簡單的“白紙顯字”實驗，遷移后測實驗是涉及到原理相對較多，需要學(xué)生動用綜合知識方能完成的“流淚的鐵心”實驗。通過遷移前測實驗和遷移后測實驗的對比，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行評價。

二、教學(xué)目標

1.認識鐵鹽和亞鐵鹽溶液的顏色，知道 Fe2+和 Fe3+檢驗方法，并在過程中發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的能力。

2.通過在真實情境中進行實驗探究的方式，建立“Fe2+和 Fe3+相互轉(zhuǎn)化”的認知模型，并在過程中發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)核心素養(yǎng)。

3.通過在真實情境中對“鐵鹽和亞鐵鹽”有關(guān)知識的遷移，能綜合運用“鐵及其化合物”的有關(guān)知識解決真實情境中的問題，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

4.通過實驗探究掌握科學(xué)探究的一般方法，并在探究過程中使學(xué)生形成正確對待失敗的態(tài)度。

三、教學(xué)過程

1. Fe3+和Fe2+的檢驗與鑒別

[教師]表演魔術(shù)（見圖1），請同學(xué)們通過學(xué)習(xí)探究老師今天做的魔術(shù)的原理，并進行實驗復(fù)演。

[實物展示]展示Fe2（SO4）3溶液、FeCl3溶液、FeSO4溶液、FeCl2溶液、KSCN溶液。

[學(xué)生]Fe2（SO4）3溶液、FeCl3溶液都是鐵鹽，顏色均是黃色。而 FeSO4溶液、FeCl2溶液都是亞鐵鹽，顏色均是淺綠色，KSCN溶液為無色溶液。

[實驗演示]取兩只試管，分別加入少量的 FeCl3溶液、FeCl2溶液，再向兩只試管中各滴入幾滴 KSCN 溶液，觀察并記錄現(xiàn)象。

[學(xué)生1]裝有 FeCl3溶液的試管中在加入 KSCN 溶液后，有明顯的血紅色的沉淀生成。而裝有 FeCl2溶液的試管中，無明顯變化。因此，可用KSCN溶液來檢驗Fe3+的存在。

[學(xué)生2]我們認為在裝有FeCl3溶液的試管中產(chǎn)生的血紅色的物質(zhì)與沉淀的狀態(tài)不一樣，不是血紅色的沉淀。

[教師]FeCl3溶液和 KSCN溶液產(chǎn)生的血紅色物質(zhì)Fe（SCN）3確實不是沉淀，它是一種絡(luò)合物也叫做配位化合物，它一般是指由過渡金屬或離子與含有孤對電子的分子通過配位鍵結(jié)合形成的化合物。

[教師]剛剛我所展示的蜂蜜柚子茶其實就是氯化鐵溶液，請同學(xué)們思考一號杯顏色由黃變紅的原理，小組合作進行實驗復(fù)演。從表演者的角度考慮，如何確保表演成功？影響表演成功的因素有哪些？注意思考在實際操作時可能遇到的問題。

[學(xué)生]一號杯中的實驗原理是：Fe3++3SCN-Fe（SCN）3，為確保表演成功，應(yīng)事先將 KSCN 溶液潤于杯子內(nèi)壁。在實驗中應(yīng)該注意兩種溶液的濃度比，調(diào)試二者在杯子中的含量的配比為1∶4以達到最佳觀看效果。D6BAEDCC-6FC5-43C4-8731-BF345EBEEE52

設(shè)計意圖：以魔術(shù)引入本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，同時將各個知識內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來。通過實驗復(fù)演等方式掌握 Fe2+和Fe3+檢驗方法，知道三種鑒別方式。

2.知識遷移前測——“白紙顯字”

[教師]請學(xué)生利用Fe3+與 KSCN反應(yīng)的原理，設(shè)計一個白紙顯字的魔術(shù)表演。注意思考魔術(shù)有哪些特點？成功的關(guān)鍵是什么？如何能讓觀眾信服？

[學(xué)生1]我們在設(shè)計實驗時，預(yù)先構(gòu)想把FeCl3溶液用毛筆蘸取寫在白色的A4紙上，然后烘干。但是，實驗時才發(fā)現(xiàn)由于氯化鐵溶液是黃色的，烘干后紙張帶有黃色的水跡且紙張褶皺明顯。所以，我們改換將無色的KSCN溶液寫在白色的A4紙上然后烘干，最后用噴壺噴氯化鐵溶液。

[學(xué)生2]我們認為噴壺里的氯化鐵溶液是黃色的，觀眾會直接看穿魔術(shù)。我們在進行實驗時也遇到了紙張變黃褶皺的問題，我們懷疑變黃問題是 FeCl3的濃度過大，因此，我們重新配制了濃度較低的 FeCl3溶液。針對變皺問題，我們更換了濾紙代替白色的 A4紙，因為濾紙比 A4紙有更好的吸水性。我們將整張濾紙浸入 FeCl3溶液，再小心取出放在玻璃片上趕走氣泡，緩慢烘干。這樣得到的濾紙整體呈現(xiàn)一致的顏色，局部變皺的問題也得到了改善，實驗成果見圖2。

設(shè)計意圖：通過小組合作，將知識遷移到真實情境中，對學(xué)生在真實情境中解決實際問題的能力進行初步的評價。

3. Fe3+和Fe2+之間的轉(zhuǎn)化

[教師]實驗演示：向試管中加入適量的 FeCl3溶液，再向其中加入適量的鐵粉，振蕩試管。充分反應(yīng)后，滴入幾滴KSCN溶液。

[學(xué)生]觀察并記錄實驗現(xiàn)象。試管中沒有血紅色物質(zhì)生成，分析是由于Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+。

[教師]可見 Fe3+可以轉(zhuǎn)化為 Fe2+，剛剛老師所展示的二號杯中發(fā)生的正是這一原理。但是，很顯然老師在二號杯中放入的不是鐵粉。那么，除此之外，還有哪些物質(zhì)可以將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+呢？請同學(xué)們進行實驗探究，并復(fù)演二號杯實驗。

[學(xué)生3]我們認為將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+的物質(zhì)是一種還原劑，具有還原性的物質(zhì)有Fe、Cu、Zn等金屬，都可以將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+。二號杯內(nèi)含有的物質(zhì)我們推測可能是維生素C溶液，為此我們進行了二號杯復(fù)演實驗，并取得了成功。

[學(xué)生4]我們也用維生素 C進行了復(fù)演實驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效果較好。我們用的是口服維生素 C 片，將其研磨成粉末，再溶于水后溶液呈現(xiàn)乳白色，加熱后維生素 C 也沒有完全溶解。通過和其他小組的交流，我們發(fā)現(xiàn)維生素 C 片中還含有淀粉等其他不溶于水的物質(zhì)，所以在進行實驗時應(yīng)該將溶液過濾，除去淀粉。

[教師]實驗演示：將上述實驗試管中的上層清液倒入另一支試管中，再滴入幾滴氯水。

[學(xué)生]觀察并記錄實驗現(xiàn)象。試管中有血紅色物質(zhì)生成，分析原因是Fe2+轉(zhuǎn)化成了Fe3+，F(xiàn)e3+與KSCN 溶液反應(yīng)生成Fe（SCN）3。

[教師]可見 Fe2+也可以轉(zhuǎn)化為 Fe3+，剛剛老師所展示的二號杯與三號杯混合后有 Fe3+生成，也是這一原理。那么，請同學(xué)們猜想三號杯盛放的紫色試液是什么呢？除此之外，還有哪些物質(zhì)可以將 Fe3+轉(zhuǎn)化為 Fe2+呢？請大家進行實驗探究，并復(fù)演二號杯實驗。

[學(xué)生5]我們認為將Fe2+轉(zhuǎn)化為 Fe3+的物質(zhì)是一種氧化劑，常見的氧化劑酸性高錳酸鉀溶液、濃硫酸、硝酸、氯水都可以將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+。我們認為三號杯盛裝的是酸性高錳酸鉀溶液，并成功進行了實驗復(fù)演。

設(shè)計意圖：通過小組合作分析設(shè)計實驗，構(gòu)建Fe3+和Fe2+間的轉(zhuǎn)化模型，通過動手實驗，加深學(xué)生的印象，同時鍛煉學(xué)生在真實情境中的動手能力。

4.知識遷移后測——“流淚的鐵心”

[教師]播放“流淚的鐵心”視頻，請同學(xué)們利用今天所學(xué)的知識以及以往所學(xué)的知識，對這一實驗進行實驗復(fù)演。請同學(xué)們思考影響實驗成功的變量有哪些？提示同學(xué)可以從反應(yīng)的原理、反應(yīng)發(fā)生的順序、藥品選擇、藥品含量等方面進行思考。

[學(xué)生4]分析實驗原理：鐵心表面有氣泡說明有氣體產(chǎn)生，猜測應(yīng)該是單質(zhì)鐵與某種酸溶液反應(yīng)生成 Fe2+和氫氣。然后 Fe2+與氧化劑反應(yīng)生成 Fe3+，最后， Fe3+與 SCN-反應(yīng)生成紅褐色的 Fe（SCN）3。依據(jù)猜測繪制實驗原理（圖3）。

[學(xué)生5]討論實驗藥品：在試劑選擇上，為使實驗效果明顯，所有試劑都應(yīng)該使用無色溶液，且無其他影響實驗效果的反應(yīng)發(fā)生，所以可以選擇鹽酸、過氧化氫溶液、硫氰酸鉀溶液進行實驗。實驗中使用的鐵絲應(yīng)該事先進行打磨，確保去除表面鐵銹。為了保證Fe2+能夠被完全氧化成Fe3+，氧化劑過氧化氫的含量應(yīng)該略高一些，因此可以將過氧化氫溶液作為主體試劑。為保證實驗視覺效果好，也應(yīng)加入多一點的硫氰化鉀試劑。由于除鐵絲外所用試劑均為液體且互相不發(fā)生反應(yīng)，因此在試劑加入順序上，為了方便控制實驗的進行，應(yīng)該最后加入鐵心，設(shè)計實驗流程圖見圖4，實驗作品見圖5。

設(shè)計意圖：小組合作分析實驗原理，設(shè)計實驗方案及流程圖并進行實驗，考查學(xué)生綜合運用鐵及其化合物知識的能力。與遷移前測對比，考察學(xué)生在真實情境中解決實際問題的能力是否提升，以此來判斷學(xué)生是否進行高階思維，深度學(xué)習(xí)是否發(fā)生。

四、總結(jié)

以深度學(xué)習(xí)為指引，促進學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的發(fā)展，讓學(xué)生在真實情境中進行一系列實驗復(fù)演和科學(xué)探究，在這一過程中學(xué)生的知識遷移及創(chuàng)新意識得以發(fā)展，提升了解決問題的能力。關(guān)于教學(xué)評價的設(shè)計不僅要能診斷學(xué)習(xí)效果，更要能夠及時地對教學(xué)效果進行反饋，推進教學(xué)環(huán)節(jié)地進行，將教學(xué)評價貫穿課堂始終，讓教學(xué)評價是評更是教。在教學(xué)實施的過程中，要給予學(xué)生充分的時間思考與探究，準許學(xué)生有效地試誤，這樣才能促進學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展和深度學(xué)習(xí)的產(chǎn)生，才能更好地落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻

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