基于物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀的教學(xué)新思考

馬媚媚

摘要：梳理元素化合物的教學(xué)（以鐵及其化合物為例）的相關(guān)文獻(xiàn)，文獻(xiàn)中呈現(xiàn)的教學(xué)案例都能注重核心知識(shí)的教學(xué)和發(fā)展學(xué)生的思維能力、科學(xué)探究能力。文章試圖從情境教學(xué)、學(xué)科理解和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)三個(gè)方面闡述對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化教學(xué)的一些新的思考。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)轉(zhuǎn)化;情境教學(xué);科學(xué)精神;學(xué)科理解

文章編號(hào)：1008-0546（2022）07-0014-03中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.003

“物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀”是化學(xué)學(xué)科觀念之一，化學(xué)的核心問題是物質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）在主題2“常見的無機(jī)物及其應(yīng)用”中要求“結(jié)合實(shí)例認(rèn)識(shí)金屬、非金屬及其化合物的多樣性，了解通過化學(xué)反應(yīng)可以探索物質(zhì)的性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在促進(jìn)社會(huì)文明進(jìn)步、自然資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)中的重要價(jià)值”[1]。在教學(xué)中以典型的元素及其化合物為代表，學(xué)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化、制備、檢驗(yàn)、除雜及應(yīng)用等內(nèi)容，學(xué)生不僅可以探尋物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，還可以學(xué)習(xí)相關(guān)概念原理知識(shí)，建構(gòu)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的科學(xué)理論，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)探究能力。

高中化學(xué)必修1 的“鐵及其化合物”這一內(nèi)容是非常典型的元素化合物課型，也是非常典型的氧化還原反應(yīng)的重點(diǎn)課。筆者對(duì)近十年的核心期刊文獻(xiàn)中關(guān)于“鐵及其化合物”的課堂實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中教師都能借助真實(shí)情境素材開展系列的探究活動(dòng)，教學(xué)的核心知識(shí)都是 Fe2+、Fe3+的檢驗(yàn)及 Fe2+和 Fe3+的相互轉(zhuǎn)化。從學(xué)科的角度再來思考這節(jié)課，有很多新的想法與大家分享。

一、情境教學(xué)的思考

在教學(xué)中需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生在真實(shí)的情境中來解決具體的化學(xué)問題，教師設(shè)計(jì)真實(shí)情境下不同層次的問題，來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、討論交流等活動(dòng)，找出解決問題的方法，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。

新課標(biāo)中給出了許多鐵及其化合物的情境素材建議，如：補(bǔ)鐵劑;實(shí)驗(yàn)室中硫酸亞鐵的保存與使用;印刷電路板的制作;打印機(jī)（復(fù)印機(jī)）使用的墨粉中的鐵的氧化物（利用磁性性質(zhì)）;菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)等[1]。課堂中老師還可以使用青磚紅磚、紫砂泥、植物補(bǔ)鐵花肥、食品脫氧劑等情境素材，可謂是眼花繚亂。如何利用好情境素材，讓情境素材發(fā)揮它應(yīng)有的功能，筆者認(rèn)為主要應(yīng)從三方面思考。

1.提高情境的選擇力

情境素材一定要有所取舍，找到一個(gè)核心情境貫穿到底，不要被光怪陸離的情境所迷惑，要回到學(xué)科的本位來思考。教學(xué)中最怕的是情境的大拼盤，每解決一個(gè)學(xué)科問題就展示一個(gè)情境，沒有一個(gè)完整的解決問題的主情境。情境的使用是為了讓問題更有價(jià)值，是為了引導(dǎo)問題的產(chǎn)生，是為了使教學(xué)活動(dòng)順利展開，是為了使學(xué)生的思維不斷提升。因此，選擇一個(gè)好的情境相當(dāng)重要。

如某案例以實(shí)驗(yàn)室里變質(zhì)的綠礬晶體作為情境素材，以感知綠礬—檢驗(yàn)綠礬—保存綠礬作為教學(xué)主線，通過設(shè)置問題情境將整個(gè)教學(xué)內(nèi)容融合其中。表1是設(shè)計(jì)的問題情境和蘊(yùn)含的素養(yǎng)目標(biāo)。

這個(gè)案例選取的情境簡(jiǎn)潔直觀，與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的綠礬試劑保存息息相關(guān)，以往對(duì)于綠礬的情境使用，僅僅在介紹應(yīng)用的時(shí)候閃現(xiàn)一下，而本節(jié)課在教學(xué)中從始至終圍繞綠礬設(shè)計(jì)了一系列的“問題串”，緊扣主題，讓學(xué)生不斷在“為什么”和“是什么”的問題思考中，激起自主探究的欲望。

2.突出學(xué)科本質(zhì)

在這節(jié)課的教學(xué)中會(huì)遇到這樣一個(gè)問題，如何檢驗(yàn) Fe2+？學(xué)生通過 Fe3+的檢驗(yàn)很容易想到用 KSCN溶液，那么先加 KSCN溶液還是先加氯水氧化呢？這里面就涉及化學(xué)檢驗(yàn)當(dāng)中的邏輯問題，F(xiàn)e2+檢驗(yàn)中先加 KSCN溶液，有兩個(gè)功能：一是作為未來產(chǎn)品的檢驗(yàn)試劑，即用于生成的產(chǎn)物Fe3+的檢驗(yàn)。二是作為排除劑，排除檢驗(yàn)的試劑中有沒有Fe3+。學(xué)生理清這兩個(gè)功能后，就很容易得出先加氯水、雙氧水等氧化劑顯然違背了物質(zhì)檢驗(yàn)的邏輯。

緊接著拋出另一個(gè)問題，F(xiàn)e2+和Fe3+混合溶液中，如何檢驗(yàn)Fe2+？學(xué)生如果還用Fe2+的檢驗(yàn)邏輯是行不通的，學(xué)生會(huì)想到排除干擾，可不可以把Fe3+除去再檢驗(yàn)?zāi)兀炕瘜W(xué)學(xué)科的本質(zhì)就是科學(xué)邏輯問題，物質(zhì)檢驗(yàn)的核心問題就是排除干擾。

3.體現(xiàn)科學(xué)精神

什么是科學(xué)精神？堅(jiān)持以科學(xué)的態(tài)度看待問題、評(píng)價(jià)問題而不借用非科學(xué)或偽科學(xué)的手段?？茖W(xué)精神的核心是實(shí)事求是、開拓創(chuàng)新，這需要實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)格檢驗(yàn)和理性的無情審查。所以科學(xué)精神的兩大支柱是實(shí)證精神和理性精神?？茖W(xué)需要實(shí)證。要證明溶液中有 Fe3+，借助 KSCN 溶液，看到有血紅色產(chǎn)生，說明溶液中一定有Fe3+。在化學(xué)教學(xué)中，有獨(dú)特的實(shí)證精神，就是用物質(zhì)來證明物質(zhì)，如 SCN-遇到 Fe3+有血紅色現(xiàn)象，就是用SCN-證明Fe3+的存在?？茖W(xué)需要理性。理性是靠縝密的邏輯，如Fe2+的檢驗(yàn)，當(dāng)學(xué)生先加氯水，再加 KSCN溶液，發(fā)現(xiàn)溶液也變成血紅色，說明一定有Fe3+，但是不代表Fe3+就是氧化生成的Fe3+，F(xiàn)e3+怎么來的？也有可能是溶液中本身就存在Fe3+，你得到了你所想要的現(xiàn)象不一定能夠證明Fe3+的存在，這就是科學(xué)的理性。理性精神促進(jìn)科學(xué)的誕生和發(fā)展，科學(xué)的成長(zhǎng)又反過來發(fā)揚(yáng)光大理性精神。讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究不斷地對(duì)已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行實(shí)證，并不斷地進(jìn)行理性思考是我們教學(xué)的最終目標(biāo)。

二、學(xué)科理解的思考

化學(xué)學(xué)科理解是指教師對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，它不僅僅只是對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，還包括對(duì)具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解[1]。站在學(xué)科理解的高度，鐵及其化合物這節(jié)內(nèi)容在教材中的地位不容小覷，最重要的核心地位就是在氧化還原反應(yīng)中怎么實(shí)現(xiàn)Fe2+和Fe3+的相互轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化的動(dòng)力問題。

1.轉(zhuǎn)化的認(rèn)知

在 Fe2+和 Fe3+的相互轉(zhuǎn)化這一環(huán)節(jié)教學(xué)中，教師習(xí)慣于先提供試劑給學(xué)生，提供常見的氧化劑和常見的還原劑，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分析方案的可行性后，學(xué)生再動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生能夠設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化是基于學(xué)生對(duì) Fe2+和 Fe3+的性質(zhì)的掌握，性質(zhì)掌握后驅(qū)動(dòng)它的應(yīng)用，通過探究轉(zhuǎn)化的方式進(jìn)行應(yīng)用，對(duì) Fe2+和 Fe3+的轉(zhuǎn)化應(yīng)作為一個(gè)系統(tǒng)，不要把它割裂開，在應(yīng)用中整合，性質(zhì)、轉(zhuǎn)化、應(yīng)用三者之間靠什么驅(qū)動(dòng)，就是邏輯（見圖1）。

2.轉(zhuǎn)化的動(dòng)力

Fe2+和 Fe3+的相互轉(zhuǎn)化背后的推手是什么？轉(zhuǎn)化后面有什么樣的規(guī)律？轉(zhuǎn)化的動(dòng)力是什么？是我們這節(jié)課需要深入思考的點(diǎn)。通過這一節(jié)課，我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了氧化性和還原性，氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱問題應(yīng)該要得到鞏固和加強(qiáng)，由此可以引導(dǎo)學(xué)生思考這樣的問題：Fe2+有還原性，F(xiàn)e2+→Fe3+的轉(zhuǎn)化是很容易自發(fā)的，比如在空氣中被氧化，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)知道氯氣、雙氧水、溴水可以把Fe2+氧化，通過這些反應(yīng)可以得出這幾種氧化劑的氧化性與Fe3+的關(guān)系，這幾種氧化劑之間也有強(qiáng)弱順序，值得進(jìn)一步深思，這一節(jié)課有個(gè)基本的序：MnO4->Cl2>Br2>Fe3+，應(yīng)該在教學(xué)中讓學(xué)生明白。Fe3+→Fe2+的轉(zhuǎn)化要控制還原劑的種類，從還原性的序可以得出：Mn2+

三、相關(guān)實(shí)驗(yàn)的思考

在這節(jié)課的教學(xué)中涉及很多的探究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中的細(xì)節(jié)處理也是不容忽視的。

1.Fe粉與FeCl3溶液的反應(yīng)

教學(xué)中講到 Fe3+→Fe2+的轉(zhuǎn)化時(shí)不可避免地要讓學(xué)生做 Fe粉與 FeCl3溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)短時(shí)間內(nèi)想要看到Fe2+的淺綠色很難，由于鐵粉的原因會(huì)渾濁一片，如何處理呢？如果教室里有個(gè)離心機(jī)或者直接過濾，溶液的淺綠色看得很明顯，很多時(shí)候條件是不允許的，這時(shí)如果用一團(tuán)小棉花或者濕紙巾，往里面搗一搗，就達(dá)到過濾的效果了，快速便捷。還是這個(gè)反應(yīng)，在教學(xué)中讓學(xué)生觀察現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生會(huì)說有氣泡產(chǎn)生，與你想要的答案相差甚遠(yuǎn)，怎么辦？很多老師在教學(xué)中視而不見、不回答。這個(gè)現(xiàn)象不能視而不見，為什么有氣泡？是什么氣泡呢？或直接告訴學(xué)生這個(gè)氣泡是氫氣，為什么會(huì)有氫氣？顯然 FeCl3溶液是酸性，而且酸性比較強(qiáng)，F(xiàn)e 粉加入以后不僅和 Fe3+反應(yīng)，還和 H+反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)開始，沒有所謂的先后，因?yàn)镠+作為質(zhì)子，擴(kuò)散速率是很高的。

2.Cu粉與FeCl3溶液的反應(yīng)

銅還原 FeCl3溶液的實(shí)驗(yàn)，蘇教版教材中設(shè)計(jì)了如下活動(dòng)與探究：用毛筆蘸取少量30%的 FeCl3溶液，在銅片上畫一個(gè)“+”，放置片刻后，用少量水將銅片上的溶液沖至小燒杯中。學(xué)生能夠觀察到的現(xiàn)象是：“+”處有明顯的被腐蝕痕跡，沖洗后的溶液藍(lán)色不是很明顯。

現(xiàn)行人教版必修1教材中設(shè)計(jì)如下的實(shí)驗(yàn)：取一小塊覆銅板，用油性筆在覆銅板上畫上設(shè)計(jì)好的圖案，然后浸入盛有 FeCl3溶液的小燒杯中。過一段時(shí)間后，取出覆銅板并用水清洗干凈，學(xué)生能夠觀察到的現(xiàn)象是：油性筆未畫過的覆銅板被腐蝕了，但是小燒杯中的FeCl3溶液其實(shí)短時(shí)間內(nèi)變化不明顯。

這兩個(gè)方案的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是反應(yīng)物量的問題，在教學(xué)中可以換用 Cu粉與 FeCl3溶液的試管實(shí)驗(yàn)，溶液中的藍(lán)色可以很清晰地看出，如果進(jìn)一步追問怎么檢驗(yàn)反應(yīng)后的溶液中是否含有 Fe3+？顯然滴加 KSCN 溶液，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，產(chǎn)生白色沉淀，白色沉淀是什么呢？會(huì)不會(huì)是CuCl？會(huì)不會(huì)是CuSCN？這里0價(jià)的銅被氧化的過程中，價(jià)態(tài)升高的時(shí)候不一定全部變成了+2價(jià)的銅，主要與 FeCl3溶液的濃度有很大關(guān)系。當(dāng)然通過比較CuSCN的Ksp=4.8×10-15，CuCl的Ksp=1.72×10-7，溶液中 SCN-的濃度太低，Cl-濃度大得多，生成CuSCN可能性不大。

3.H2O2溶液與FeCl2溶液的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)探究 Fe2+→Fe3+的轉(zhuǎn)化時(shí)，氧化劑如果選擇 H2O2溶液，先滴加 KSCN溶液，再滴加 H2O2溶液，往往血紅色溶液看不出，顯然不是Fe2+不被H2O2溶液氧化，而是又發(fā)生氧化還原反應(yīng)，KSCN被 H2O2溶液氧化為硫氰酸根（SCNO-），在教學(xué)中可以與學(xué)生探討是 Fe3+繼續(xù)被氧化了，還是SCN-被氧化了？只需向溶液中繼續(xù)滴加KSCN溶液，如溶液變成血紅色，則可以證明。

化學(xué)知識(shí)是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體，在現(xiàn)行的課堂教學(xué)中，對(duì)化學(xué)教師的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求，要求教師進(jìn)一步增進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解。這節(jié)課關(guān)于實(shí)驗(yàn)方面的細(xì)節(jié)點(diǎn)還有很多，當(dāng)然一節(jié)課也不一定要把細(xì)節(jié)都處理掉，教學(xué)是無止境的。

美國(guó)課程專家埃里克森認(rèn)為“學(xué)生的學(xué)習(xí)重心應(yīng)該從記憶事實(shí)轉(zhuǎn)移到可遷移的核心觀念和對(duì)更為根本的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層理解，培養(yǎng)和發(fā)展思維能力”[2]。元素化合物的知識(shí)是進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化教學(xué)的有效載體，在教學(xué)中不能單純只記憶相關(guān)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物質(zhì)、反應(yīng)方程式，更多地要結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后蘊(yùn)藏的化學(xué)原理、化學(xué)本質(zhì)，用反應(yīng)原理來解釋物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般邏輯，使學(xué)生的認(rèn)識(shí)能夠基于知識(shí)又超越知識(shí)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)事物方式的轉(zhuǎn)變和加強(qiáng)對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解，這是提升學(xué)生解決問題能力和化學(xué)思維能力的重要教學(xué)策略[3]。

參考文獻(xiàn)

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[2] 田長(zhǎng)明.基于“物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀”的元素化合物教學(xué)——以“奇妙的碘”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2016（7）：47-49.

[3] 何彩霞，余麗蓉.多角度地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2014（9）：3-7.