基于真實(shí)情境的“菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)

黃小汀

摘要：以菠菜補(bǔ)鐵為情境，學(xué)生親自經(jīng)歷分析問題，提出猜想，方案設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)證偽，實(shí)驗(yàn)失敗，查閱資料，修正方案，再次證偽，解決問題等真實(shí)的科研工作流程，打破傳統(tǒng)枯燥的元素化合物學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生親自體會(huì)科研工作的困難曲折，樹立尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，勇于試錯(cuò)的科研觀念。

關(guān)鍵詞：真實(shí)情境;菠菜;鐵元素檢驗(yàn);實(shí)證研究

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06x-0030-05?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.008

2019年11月教育部考試中心制定的《中國高考評(píng)價(jià)體系》中，明確了“一核四層四翼”的高考評(píng)價(jià)體系，同時(shí)還規(guī)定了以情境承載考查內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)考查要求[1]。元素化合物知識(shí)是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，高考對(duì)于該知識(shí)點(diǎn)的考察更加靈活全面，它結(jié)合實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)學(xué)生面對(duì)陌生情境的綜合分析能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)元素化合物知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)操作和問題分析能力的多維度考察。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生只有“親歷”“體驗(yàn)”“參與”對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和探索過程，才能促進(jìn)學(xué)習(xí)?！坝H歷”“體驗(yàn)”“參與”的深刻度對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果有不同影響。在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)問題情境，就是給學(xué)生呈現(xiàn)一個(gè)“看得見、摸得著”包含問題的“真實(shí)情境”。因此如果能夠在元素化合物的學(xué)習(xí)中結(jié)合實(shí)驗(yàn)去創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境進(jìn)行教學(xué)，將有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物的興趣和效率，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者以2019 年人教版化學(xué)必修第一冊(cè)“鐵的重要化合物”為主題開設(shè)了一節(jié)“菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)”研討課，探究基于真實(shí)情境的課堂教學(xué)促進(jìn)元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)。

一、內(nèi)容分析

1.教材分析

本課題隸屬于人教版必修第一冊(cè)第三章第一節(jié)“鐵及其化合物”。在這之前，教材已經(jīng)安排學(xué)習(xí)了物質(zhì)的分離及轉(zhuǎn)化、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等核心概念與理論知識(shí);典型金屬鈉、典型非金屬氯的元素化合物知識(shí);鐵單質(zhì)及其常見化合物的性質(zhì)，鐵鹽、亞鐵了“檢驗(yàn)食品中的鐵元素”項(xiàng)目，項(xiàng)目要求學(xué)生自行選擇食品，通過查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最終進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)食品中是否含有鐵元素，并提供了檢驗(yàn)菠菜中鐵元素的實(shí)驗(yàn)方案以供參考。

2.學(xué)情分析

從知識(shí)層面看，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了鐵鹽與亞鐵鹽的性質(zhì)與檢驗(yàn)，為完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù);從能力層面看，學(xué)生有一定實(shí)驗(yàn)探究的經(jīng)歷，初步具備了操作與設(shè)計(jì)，分析與歸納等能力;從心理層面看，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)充滿興趣，樂于思考問題、動(dòng)手操作;從價(jià)值觀念層面，學(xué)生能夠參與與化學(xué)相關(guān)的社會(huì)議題，具有探索未知、崇尚真理的意識(shí)。

學(xué)生缺乏將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決真實(shí)問題的能力，缺乏科研探究的方法和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，實(shí)驗(yàn)操作技能還需要提高。

3.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過實(shí)驗(yàn)探究，掌握Fe2+、Fe3+的檢驗(yàn)方法，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)Fe2+與Fe3+間的相互轉(zhuǎn)化。

（2）通過實(shí)驗(yàn)探究，提高實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性，了解科學(xué)探究的一般方法與規(guī)律。

（3）通過實(shí)驗(yàn)探究，體會(huì)科研工作的困難曲折，培養(yǎng)尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，勇于試錯(cuò)、不斷創(chuàng)新的意識(shí)，樹立學(xué)生正確的科研觀念。

二、設(shè)計(jì)思路

1.整體構(gòu)思

2.學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

本課的教學(xué)評(píng)價(jià)如表1所示。

三、教學(xué)實(shí)錄

1.教學(xué)環(huán)節(jié)一情境導(dǎo)入

[教師]鐵元素是人體不可或缺的微量元素，人體缺鐵將會(huì)導(dǎo)致記憶能力、免疫能力和對(duì)溫度的適應(yīng)能力等生理功能下降。如果體內(nèi)的鐵不足以供給生命活動(dòng)的需要，就會(huì)發(fā)生缺鐵性貧血，為了滿足生理需要，成人每天鐵的攝入量為15-20 mg。市面上有各種各樣的有關(guān)補(bǔ)鐵的營養(yǎng)品（PPT展示各種補(bǔ)鐵劑圖片）。

問：大家平時(shí)購買過這些商品嗎？大家是怎么補(bǔ)鐵的？

[學(xué)生]沒有購買。通過攝入食物就可以補(bǔ)鐵。[教師]那大家知道哪些食物富含鐵元素嗎？[學(xué)生]動(dòng)物內(nèi)臟、菠菜、蛋黃……

[教師]我們這節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)探究一下，食用菠菜是否能夠補(bǔ)鐵。

設(shè)計(jì)意圖：以學(xué)生熟悉的補(bǔ)鐵現(xiàn)象引入，貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，借助真實(shí)情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生了解本節(jié)課在社會(huì)生活中的價(jià)值，為學(xué)生展開實(shí)驗(yàn)探究做好鋪墊。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)二初次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

PPT展示資料信息：鐵元素是人體必不可少的元素之一，人體補(bǔ)鐵需補(bǔ)充二價(jià)鐵。每100g菠菜中，平均含鐵量是2.9 mg，這個(gè)數(shù)值在蔬菜家族中絕對(duì)算是佼佼者。

[教師]我們知道鐵元素有多種價(jià)態(tài)，資料顯示菠菜富含鐵元素，大家大膽猜想一下菠菜中的鐵元素是以什么價(jià)態(tài)形式存在？

[學(xué)生1]假設(shè)一含二價(jià)鐵;假設(shè)二含三價(jià)鐵。

[學(xué)生2]假設(shè)三既有二價(jià)鐵又有三價(jià)鐵。

[教師]大家分小組討論，設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證菠菜中鐵的存在形式。請(qǐng)代表闡述你們小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案和預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[學(xué)生活動(dòng)]圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_深度討論。

[學(xué)生]取新鮮的菠菜剪碎后放在研缽中研磨，倒入燒杯，加蒸餾水，攪拌，過濾，取濾液加入試管中，加入稀硝酸，再滴加KSCN溶液，震蕩，觀察到溶液變紅，說明菠菜中含有二價(jià)鐵。

[教師]你的方案中加蒸餾水，攪拌，過濾，取濾液的目的是什么？證明菠菜中含有二價(jià)鐵的原理是什么？

[學(xué)生]可以將菠菜中的鐵元素提取到水中，方便后面檢驗(yàn)鐵元素;用稀硝酸將二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵，用KSCN檢驗(yàn)三價(jià)鐵的存在。

[教師]大家覺得他的方案可行嗎，其他小組有沒有其它方案？

[學(xué)生1]他的方案并不能證明一定含有二價(jià)鐵，可能含有三價(jià)鐵，加稀硝酸和KSCN溶液也會(huì)出現(xiàn)紅色。應(yīng)該先加KSCN溶液觀察顏色，如果變紅說明菠菜含有三價(jià)鐵，如果不變紅繼續(xù)滴加稀硝酸溶液，觀察到顏色變紅，則說明菠菜中含有二價(jià)鐵。5065F5A4-3515-4C21-8EA1-206134B3BACB

[學(xué)生2]他們的方案只能證明假設(shè)一和假設(shè)二，不能證明假設(shè)三的可能，應(yīng)該再取一部分提取液加酸性高錳酸鉀溶液，如果紫色褪色則說明菠菜中既有二價(jià)鐵又有三價(jià)鐵。

[教師]通過大家的討論和補(bǔ)充，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一套較為合理的實(shí)驗(yàn)方案，大家在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)要考慮到邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性，盡可能全面設(shè)想各種可能性。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)猜想和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的討論、補(bǔ)充，一方面讓學(xué)生熟練掌握鐵鹽的檢驗(yàn)和二價(jià)鐵與三價(jià)鐵的轉(zhuǎn)化，讓鐵元素的學(xué)習(xí)更富有趣味性和討論性;另一方面讓學(xué)生更深刻體會(huì)到考慮問題不能片面，在面對(duì)真實(shí)復(fù)雜問題時(shí)更需要考慮多種可能，才能完善實(shí)驗(yàn)方案的合理性。

3.教學(xué)環(huán)節(jié)三實(shí)驗(yàn)證偽

[教師]大家按設(shè)計(jì)好的方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，看看菠菜中到底含有何種形式的鐵元素。

[學(xué)生活動(dòng)]分組完成實(shí)驗(yàn)，八個(gè)小組派代表到講臺(tái)前將他們的實(shí)驗(yàn)成果展示給大家，八個(gè)小組的試管都呈現(xiàn)菠菜的綠色，深淺不一。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)失敗的原因展開討論。

[教師]并沒有出現(xiàn)預(yù)期的紅色，大家覺得是什么原因？

[學(xué)生1]我們的操作不規(guī)范導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

[學(xué)生2]菠菜中不含有鐵元素。

[學(xué)生3]我們?cè)O(shè)計(jì)的方案可能不合理。

[教師]（拿出一瓶菠菜液）這個(gè)是我用榨汁機(jī)提取的菠菜液，我用這個(gè)按大家設(shè)計(jì)的方案操作一次看看，是否是因?yàn)椴僮鞑灰?guī)范導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

（經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，溶液顏色呈現(xiàn)淺綠色）我的實(shí)驗(yàn)中也沒有呈現(xiàn)紅色。通過資料調(diào)查，菠菜中確實(shí)含有鐵元素，應(yīng)該是大家設(shè)計(jì)的方案有不合理的地方，什么地方不合理呢？

[學(xué)生活動(dòng)]討論但沒有尋找到解決方法。

[教師] PPT展示資料信息：

1.菠菜中的鐵元素以草酸亞鐵（FeC2O4）形式存在，草酸亞鐵是一種淡黃色結(jié)晶性粉末，在冷水中的溶解度是0.022 g/100 g，屬于難溶物，高溫下草酸亞鐵分解為氧化亞鐵。

2.菠菜中含有葉綠素，高溫和酸化可以破壞葉綠素。

[學(xué)生]看到資料信息后豁然開朗。

[教師]研究問題時(shí)出現(xiàn)瓶頸，這在科學(xué)探究過程中很正常，通過查閱文獻(xiàn)了解相關(guān)的研究現(xiàn)狀和知識(shí)對(duì)解決問題有很大幫助。

設(shè)計(jì)意圖：經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)失敗，讓學(xué)生體會(huì)到理論分析與實(shí)踐并不一定一致，科研工作需要面對(duì)各種問題，尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生正確的科研觀念，同時(shí)也激發(fā)學(xué)生攻克難題的斗志，為再次實(shí)驗(yàn)探究做好鋪墊。

4.教學(xué)環(huán)節(jié)四修正方案、實(shí)驗(yàn)證偽

[教師]現(xiàn)在大家再重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證菠菜中確實(shí)含有二價(jià)鐵。

[學(xué)生活動(dòng)]小組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

[學(xué)生]將菠菜剪碎研磨，在坩堝中加熱灼燒，加水，過濾，取濾液加稀鹽酸酸化，加KSCN溶液顯無色，加入稀硝酸顯紅色，證明菠菜中含有二價(jià)鐵。

[教師]這個(gè)方案是如何解決之前問題的？

[學(xué)生]通過加熱、酸化將難溶的草酸亞鐵轉(zhuǎn)化為可溶的亞鐵鹽，同時(shí)將干擾觀察三價(jià)鐵檢驗(yàn)的葉綠素破壞掉，再進(jìn)行氧化、利用KSCN溶液檢驗(yàn)鐵元素的存在。

[教師]大家按重新設(shè)計(jì)的方案再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，看看效果如何。

[學(xué)生活動(dòng)]按照優(yōu)化后的方案分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加熱酸化后的菠菜液，綠色變淺呈茶色，加入 KSCN 溶液無明顯變化，加入稀硝酸后溶液顏色變深。各小組派代表再次到講臺(tái)前展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大多數(shù)小組實(shí)驗(yàn)成功。

[教師]投屏圖片展示實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：通過方案優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)證偽進(jìn)一步理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化在元素檢驗(yàn)的應(yīng)用。經(jīng)歷失敗后的成功更能提高學(xué)生的成就感，也對(duì)科研工作的曲折有更深刻的體會(huì)。

5.教學(xué)環(huán)節(jié)五總結(jié)提升、課后作業(yè)

[教師]鐵元素的學(xué)習(xí)要關(guān)注價(jià)態(tài)的變化，通過加入合適的氧化劑或還原劑可以實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)的含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。物質(zhì)的定性檢驗(yàn)要從該物質(zhì)的特性出發(fā)，選擇合適的試劑或方法，出現(xiàn)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且要考慮試劑的添加順序?qū)?shí)驗(yàn)合理性的影響。如果該物質(zhì)無法直接檢驗(yàn)，可以選擇先進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，再進(jìn)行間接檢驗(yàn)。

通過菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究，可以感受到科研工作并不總是一帆風(fēng)順，遇到問題要及時(shí)反思優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?？茖W(xué)探究思路是：?jiǎn)栴}情境→查閱資料→提出猜想→方案設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)探究→實(shí)驗(yàn)證偽→查閱資料→修正方案→實(shí)驗(yàn)探究→問題解決。往往在探究過程中要經(jīng)歷多次的失敗并不斷去修正方案，當(dāng)然最后問題解決取得成功所獲得的喜悅也非同一般。

[教師]布置課后作業(yè)：閱讀文獻(xiàn)《黑木耳鐵含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)探索》[2]節(jié)選，思考定量實(shí)驗(yàn)與定性實(shí)驗(yàn)的不同，在定量測(cè)定鐵元素含量時(shí)使用到什么方法？查閱資料了解常見定量測(cè)定的方法。

設(shè)計(jì)意圖：通過鐵元素知識(shí)的總結(jié)復(fù)習(xí)，拓展提升到所有元素檢驗(yàn)的研究思路。通過科學(xué)探究的思路總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生從事化學(xué)科研工作的意識(shí)和興趣。通過周末作業(yè)的布置，讓學(xué)生從定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)階到定量實(shí)驗(yàn)，對(duì)定量測(cè)定的方法有一定了解，為以后涉及定量實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)打好基礎(chǔ)。

6.板書設(shè)計(jì)

本節(jié)課的板書如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)方案：

四、教學(xué)亮點(diǎn)

1.基于真實(shí)情境——激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的元素化合物教學(xué)往往是羅列各種物質(zhì)的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)更多忙于筆記和記憶，容易感到單調(diào)和乏味。知識(shí)只有在它們產(chǎn)生及應(yīng)用的情境中才能產(chǎn)生意義。知識(shí)絕不能從它本身所處的環(huán)境中孤立起來，學(xué)習(xí)知識(shí)的最好方法就是在情境中進(jìn)行[3]。筆者借助學(xué)生熟悉的補(bǔ)鐵方式創(chuàng)設(shè)情境，實(shí)驗(yàn)探究菠菜是否能夠補(bǔ)鐵，逐漸發(fā)展為對(duì)鐵元素性質(zhì)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用的興趣。在這種氛圍下進(jìn)行學(xué)習(xí)，更容易打破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的枯燥，學(xué)生也在不知不覺中對(duì)鐵元素的檢驗(yàn)和價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化有了更深刻的體會(huì)。

2.基于實(shí)驗(yàn)探究——培養(yǎng)綜合能力

傳統(tǒng)的元素化合物教學(xué)往往導(dǎo)致學(xué)生只是一味地去記憶化學(xué)反應(yīng)方程式，缺乏對(duì)知識(shí)的應(yīng)用。筆者在基于真實(shí)問題的解決中引入實(shí)驗(yàn)探究，通過方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)證偽、問題討論等一系列探究過程，不僅僅加深了學(xué)生對(duì)鐵元素知識(shí)的理解，還鍛煉了實(shí)驗(yàn)操作。更重要的是實(shí)驗(yàn)探究，能針對(duì)真實(shí)問題提出合理假設(shè);能從假設(shè)出發(fā)確定探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證偽;在探究中學(xué)會(huì)合作，面對(duì)“異?！爆F(xiàn)象敢于提出自己的見解，這些正是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)——科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)能力的重要體現(xiàn)。在元素化合物教學(xué)中設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行教學(xué)，對(duì)學(xué)生綜合能力和高階思維的培養(yǎng)有很大幫助。

3.基于實(shí)證研究——培養(yǎng)學(xué)科觀念

實(shí)證研究是指通過收集觀察資料，為提出理論假設(shè)或檢驗(yàn)理論假設(shè)而展開的研究[4]。在元素化合物的學(xué)習(xí)中設(shè)計(jì)真實(shí)問題并通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)證研究，有利于培養(yǎng)學(xué)生正確的化學(xué)學(xué)科觀念。學(xué)生需要親自經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程，面對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，不惟理論，實(shí)事求是，通過查閱文獻(xiàn)，不斷反思、實(shí)驗(yàn)證偽方能得到正確的結(jié)論。該課例中學(xué)生經(jīng)歷方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)證偽、實(shí)驗(yàn)失敗、分析問題、修正方案、再次實(shí)驗(yàn)、最終問題解決。伴隨學(xué)生初遇問題的興趣、實(shí)驗(yàn)失敗的情緒低落、遇到問題的一籌莫展、發(fā)現(xiàn)原因的豁然開朗、最后實(shí)驗(yàn)成功的喜悅，學(xué)生潛移默化地體會(huì)到科研工作的嚴(yán)謹(jǐn)與艱辛，也逐漸對(duì)化學(xué)研究工作有一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)將來從事化學(xué)相關(guān)工作產(chǎn)生興趣。

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