核心素養(yǎng)下高中化學實驗教學的深度學習

核心素養(yǎng)視角下，深度學習理念應(yīng)該貫穿課堂教學的始終，應(yīng)以關(guān)注學生對知識的深入理解與應(yīng)用為主要目標，讓學生實現(xiàn)深度參與、深度思考、深度理解。本文以“鐵及其化合物的性質(zhì)”這一課為例仔細探究如何實現(xiàn)深度學習。理論課上，學生已經(jīng)從物質(zhì)類別及元素價態(tài)兩個視角認識到物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，學習了鐵及其化合物的化學性質(zhì)。然而，本節(jié)課主要基于富有挑戰(zhàn)性的實驗任務(wù)設(shè)計，引導(dǎo)學生主動探索，然后讓學生在實驗操作和現(xiàn)象觀察的過程中理解鐵的化學性質(zhì)及其化合物在不同條件下的變化規(guī)律，學會鐵離子的檢驗方法，繼而深入分析反應(yīng)條件對產(chǎn)物的影響，把握氧化還原等化學反應(yīng)的實質(zhì)，實現(xiàn)含有不同價態(tài)同種元素的物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化，旨在培養(yǎng)學生的批判性思維，達成深度學習目標。

一、根據(jù)理論課程學習，設(shè)計實驗任務(wù)

學生在初中階段已經(jīng)學習了鐵的物理性質(zhì)以及鐵在氧氣中燃燒、鐵與CuSO4溶液反應(yīng)、鐵及其化合物性質(zhì)（鐵的氧化物、氫氧化物、鐵鹽和亞鐵鹽性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化）等知識，高中階段的化學知識學習更是分模塊、分階段、分年級進行的。對高一有關(guān)這部分的教學，教師要求學生通過觀察“鐵及其化合物性質(zhì)”的實驗，把握實驗發(fā)生的不同限制條件，進一步借助科學手段記錄實驗有關(guān)數(shù)據(jù)，從個別事實出發(fā)，歸納出關(guān)于鐵的一般性的規(guī)律，即從具體的實例中提煉出普遍性的結(jié)論。具體來說，設(shè)計的實驗方案（如圖1所示）讓學生借助實驗展開探究，包括補鐵劑、印刷電路板制作、菠菜中鐵元素的檢驗，能從化學反應(yīng)速率、化學平衡的角度分析實驗的影響效果，能從催化劑反應(yīng)歷程角度發(fā)掘?qū)嶒灥乃俾首饔?，能從鹽類水解的角度完善溶液酸堿度的調(diào)控效應(yīng)。

為降低化學學習中化學物質(zhì)種類多、性質(zhì)各異的知識學習難度，我們可以結(jié)合學生進入高中學習金屬及化合物以來的學習情況和知識結(jié)構(gòu)化理解應(yīng)用程度，立足“鐵及其化合物的性質(zhì)”實驗活動采取結(jié)構(gòu)化教學策略（如表1所示），為學生詮釋“鐵（Fe）是一種具有多種化合價的過渡金屬。它的化學性質(zhì)比較活潑，能夠與多種元素形成化合物”。

對于金屬鐵的“價－類”二維認識，學生需要先理解鐵的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，進而學習鐵元素在不同化合物中所呈現(xiàn)的氧化態(tài)或化合價。鐵主要有兩種穩(wěn)定的氧化態(tài)，即+2價（亞鐵，F(xiàn)e2+）和+3價（鐵，F(xiàn)e3+），兩種價態(tài)的鐵化合物在性質(zhì)上具有顯著差異?；瘜W性質(zhì)的差異在于不同的化學環(huán)境中，鐵的不同價態(tài)的穩(wěn)定性不同，如在強還原環(huán)境中，鐵更傾向于保持+2價態(tài)，在氧化環(huán)境中，+3價態(tài)更穩(wěn)定，而表現(xiàn)不同的化學性質(zhì)和反應(yīng)性，F(xiàn)e2+通常作為還原劑，而Fe3+常作為氧化劑。教師在教學中需要注意引入化學新概念，因為鐵的不同價態(tài)可以形成不同類型的配合物，如Fe2+通常形成［Fe（H2O）6］2+這樣的水合離子，而Fe3+則可以形成［FeF6］3-這樣的配陰離子，這涉及價態(tài)與配位化學的知識。因為考試中一般會遇到配合物的導(dǎo)入，所以教師應(yīng)首先引導(dǎo)學生克服面對新知的畏難心理。

然而鐵的價態(tài)可以在化學反應(yīng)中發(fā)生變化，亞鐵鹽（Fe2+）可以被氧化成鐵鹽（Fe3+），即4FeSO4+O2+ 2H2SO4→2Fe2（SO4）3+2H2O，通常鐵的不同價態(tài)可以通過特定的顏色被直接觀察到，這一物理差異在于亞鐵鹽一般呈現(xiàn)淺綠色，鐵鹽則呈現(xiàn)黃色或棕色。鐵的價態(tài)還會影響鐵的化合物的磁性，如四氧化三鐵（Fe3O4）是一種混合價態(tài)的化合物，具有磁性，正是因為它含有Fe2+和Fe3+。在進行化學分析時，確定鐵的價態(tài)非常重要，我們可以通過多種方法實現(xiàn)，如光譜分析、滴定法、電化學方法等，目前實驗教學需要學生通過滴定法確定溶液中鐵離子的存在。

二、基于“價－類”二維認識深化理論，開展實驗探究

我們在開展這一階段的實驗教學時，需要組織學生定性分析鐵及其化合物在不同條件下的變化規(guī)律，學會鐵離子的檢驗，通過實驗操作，演繹推理歸納出的一般性原則，以推導(dǎo)特定情況下的結(jié)論。在有關(guān)鐵的理論基礎(chǔ)深化上，“鐵及其化合物”的體系化實驗探究學習過程旨在建構(gòu)有關(guān)鐵的轉(zhuǎn)化關(guān)系的知識系統(tǒng)。除此之外，教學中不單單要求學生對“鐵”的性質(zhì)進行學習，我們還需拓展至整個元素周期表中橫行、豎列及金屬與非金屬等的條件歸類分析的教學延伸工作，為學生的整體思維架構(gòu)奠定教學基礎(chǔ)，幫助學生形成知識間相互聯(lián)系、相互作用的自覺意識，通過“價－類”二維的基礎(chǔ)知識學習，將“鐵”及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系內(nèi)化為自己的學科觀念（如表2所示），以便掌握學習元素化合物知識的一般方法，更加有效地進行學習和探索。

“轉(zhuǎn)化觀”強調(diào)了物質(zhì)變化的動態(tài)過程，是化學研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過理解鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化過程，我們可以更好地控制化學反應(yīng)。具體實驗教學中，我們依據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律和離子反應(yīng)規(guī)律指導(dǎo)實驗操作，引導(dǎo)學生從宏觀角度觀察鐵、鐵鹽、亞鐵鹽的實驗現(xiàn)象，結(jié)合理論合理分析并解釋，從微觀角度思考鐵及其化合物化學性質(zhì)的異同點，體會微觀粒子的變化對宏觀物質(zhì)性質(zhì)的影響，為后面元素化合物的系統(tǒng)學習奠定基礎(chǔ)。

實驗準備中我們要確保所有試劑都是新鮮的，并正確標記，對于氧化還原反應(yīng)，控制pH值、溫度、攪拌速度等條件，實驗中觀察并記錄物質(zhì)的顏色變化、沉淀形成、氣體產(chǎn)生等跡象，并形成完整的實驗報告。鐵在氧化還原反應(yīng)中會改變氧化態(tài)，通常從0價變?yōu)?2價或+3價，或從兩種氧化態(tài)變回0價，鐵的腐蝕過程是其在潮濕環(huán)境中與氧氣和水反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為鐵銹（主要成分為Fe2O3·nH2O），發(fā)生反應(yīng)一：4Fe+3O2+6H2O→4Fe（OH）3，繼而發(fā)生反應(yīng)二：2Fe（OH）3→Fe2O3·3H2O+3H2O，而鐵可以與其他元素或化合物反應(yīng)，形成新的鐵化合物（合成反應(yīng)），如鐵與硫反應(yīng)生成硫化鐵（FeS），反應(yīng)為Fe+S→FeS；在工業(yè)過程中，鐵礦石通過高爐冶煉轉(zhuǎn)化為鐵水，進一步轉(zhuǎn)化為各種鋼鐵產(chǎn)品（化學合成），即Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2，生活中有關(guān)化學知識的實用方面均可以在教學中適當拓展。離子反應(yīng)中鐵離子可以與其他離子交換配位體或電荷，形成新的化合物，如與配體（水分子、氨分子、氰化物離子等）形成配位化合物，F(xiàn)e3++6H2O→［Fe（H2O）6］3+，還可以與某些陰離子反應(yīng)形成不溶性的沉淀物，如鐵（III）離子與硫氰酸根離子反應(yīng)生成血紅色的［Fe（SCN）］2+配合物，鐵離子還可以與酸或堿反應(yīng)，改變?nèi)芤旱膒H值。

硫氰酸鉀檢驗鐵離子，向溶液中加入幾滴硫氰酸鉀（KSCN）溶液，如果溶液中沒有Fe3+存在，加入KSCN后不會出現(xiàn)顏色的變化，為將Fe2+氧化成Fe3+，可以加入氧化劑，如氯水（Cl2水）或過氧化氫（H2O2），若溶液中有Fe2+存在，加入氧化劑后，再加入KSCN，溶液會變成血紅色（［Fe（SCN）］2+配合物，F(xiàn)e3+的特征反應(yīng)）表明有Fe3+的生成（或在單獨檢驗三價鐵時用氨水（NH4OH）檢驗，F(xiàn)e3+與氨水反應(yīng)，初步形成紅棕色的Fe（OH）3沉淀，過量氨水可使沉淀溶解，形成深藍色的［Fe（NH3）6］3+配合物），即先前存在Fe2+，也可以向溶液中加入苯酚，酸性條件下，F(xiàn)e2+與苯酚反應(yīng)生成紫色的配合物。需要注意的是，其他離子（如Cu2+、Ni2+等）可能會產(chǎn)生類似的顏色反應(yīng)，因此，我們進行鐵離子檢驗時需要排除其他可能干擾離子，而為確保實驗的準確性，我們可以引導(dǎo)學生使用標準溶液進行對照實驗。如這一階段菠菜中鐵元素檢驗的實際應(yīng)用操作，基于以上實驗教學實踐，我們可以通過講解鐵在菠菜等植物性食物中的存在形式，以及鐵對植物生長的重要性，并介紹以上化學方法檢驗菠菜中的鐵含量的操作流程，以問題導(dǎo)向教學引導(dǎo)學生提出問題，并提取菠菜中的鐵元素開展拓展實驗和探究活動，給學生提供自主講解鐵離子與硫氰酸鉀反應(yīng)的化學原理的機會，增強化學學習的實用性，激發(fā)學生的學習興趣。

三、深入分析反應(yīng)條件影響，把握化學反應(yīng)實質(zhì)

通過以上邏輯推理實驗教學過程，我們需拓展反應(yīng)條件對鐵的相關(guān)產(chǎn)物的影響，幫助學生進一步把握氧化還原等化學反應(yīng)的實質(zhì)，以實現(xiàn)含有不同價態(tài)的鐵元素的物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化，完善從物質(zhì)類別、核心元素的價態(tài)兩個角度認識“鐵及其化合物”化學性質(zhì)的模型，掌握邏輯推理方法，拓展量化應(yīng)用分析，并在小組合作課堂活動中鍛煉自身的表達交流和合作能力，從實驗中感知化學學習的魅力，提高化學學習熱情，豐富研究物質(zhì)的思路與方法（如表3所示）。我們可以讓學生閱讀硫酸亞鐵藥片說明書，以此培養(yǎng)學生獲取信息與初步加工信息的能力，便于其從實際條件出發(fā)，解決生產(chǎn)生活中的簡單問題，進一步感受化學與生活的緊密聯(lián)系以及化學對人類做出的貢獻。

對于“鐵及其化合物”中氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)的理解，我們可以設(shè)計一系列問題，如“為什么鐵在不同條件下會形成不同價態(tài)的化合物”，以激發(fā)學生的好奇心和探究欲。以鐵與氧氣反應(yīng)生成氧化鐵的簡單燃燒實驗，我們需在回顧前置概念之外引導(dǎo)學生觀察鐵的顏色變化，記錄和分析實驗數(shù)據(jù)，并理解反應(yīng)的條件限制和產(chǎn)物的性質(zhì)，運用科學方法分析實驗結(jié)果，即鐵與氧氣或水的反應(yīng)速率受多種因素影響，如溫度、氧氣濃度、水的pH值、鐵的表面積等。潮濕環(huán)境中，水膜促進氧氣的溶解和鐵的腐蝕，鐵的氧化速率加快，因此教學可延伸至鐵離子在水中會發(fā)生水解反應(yīng)，生成氫氧化物沉淀，反應(yīng)速率受離子濃度、溫度和pH值的影響，如Fe3+在水中會迅速水解，形成Fe（OH）3沉淀，反應(yīng)速率隨pH值升高而增加，提出新知鐵及其化合物可以作為催化劑，加速合成氨的化學反應(yīng)速率。其中我們可以深入挖掘增加影響條件的作用與效果，如溫度升高通常會增加反應(yīng)速率，是因為分子運動加快，碰撞頻率增加；反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度變化也會影響反應(yīng)速率和化學平衡；催化劑只是加速達到平衡速率，不改變反應(yīng)平衡的位置。同時，我們可以在鐵與水蒸氣實驗操作中引導(dǎo)學生精確測量反應(yīng)前后鐵的質(zhì)量變化，驗證質(zhì)量守恒定律，由此驗證化學反應(yīng)的規(guī)律，深層次把控氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的定量關(guān)系。

深度學習策略的實施要求實驗活動設(shè)計與深度學習目標融合。在“鐵及其化合物的性質(zhì)”實驗中，我們采用小組合作的方式，讓學生在整個必要課堂環(huán)節(jié)相互討論、合作解決問題，而學生實驗操作技能與科學探究能力的培養(yǎng)是深度學習策略實施的關(guān)鍵。實驗中，我們要求學生規(guī)范操作并準確稱量實驗初始和實驗完結(jié)時鐵的反應(yīng)固體質(zhì)量；引導(dǎo)學生通過課程學習完善實驗設(shè)計方案并探究鐵的不同化合物在特定條件下的穩(wěn)定性，自主展開實驗以收集和分析實驗數(shù)據(jù)；提出“處理與鐵相關(guān)的環(huán)境問題”“生物體中的鐵的作用”“藥物中硫酸亞鐵藥片的效果”等問題，讓學生學會如何從實驗結(jié)果中提取信息，如水中的鐵離子可以通過沉淀反應(yīng)轉(zhuǎn)化為不溶性的鐵化合物。鐵參與血紅蛋白的合成等多種生物化學反應(yīng)，有利于生命體氧氣運輸和細胞呼吸，其形態(tài)在這個過程中會發(fā)生轉(zhuǎn)化；硫酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵等以自身化學性質(zhì)和吸收方式常作為補鐵劑在胃酸的溶解作用中完成轉(zhuǎn)化過程，這一過程通常包含鐵被氧化成鐵離子，即4Fe+3O2→2Fe2O3，鐵離子被還原成鐵原子或亞鐵離子，即Fe3++e-→Fe2+，發(fā)生配位反應(yīng)形成配合物，即Fe3++6H2O→［Fe（H2O）6］3+（可逆反應(yīng)）。在胃酸中，鐵離子被還原成亞鐵離子，即并與胃酸中的氫離子形成可溶性配合物，便于人體吸收，即Fe3++3H+=Fe2++3H2O。

鐵的氧化還原反應(yīng)在電路板制作的電鍍過程中同樣發(fā)揮重要作用，能夠使用鐵鹽溶液進行電路板的化學腐蝕，形成電路圖案，其中鐵可能會作為雜質(zhì)存在于銅的表面或銅板中，在酸性條件下，鐵可能會發(fā)生腐蝕反應(yīng)，生成鐵離子，即Fe+2HCl→FeCl2+H2，鐵還可能會在某些條件下被氧化成鐵離子，尤其是在含氧環(huán)境中，4Fe+3O2→2Fe2O3，而電鍍過程中，如果鐵離子被還原，可能會影響銅的電鍍質(zhì)量，F(xiàn)e3++e-→Fe2+，在某些化學清洗或水處理過程中，鐵離子可能會與陰離子反應(yīng)生成沉淀，這可能會影響清潔效果或水質(zhì)，F(xiàn)e3++3OH-→Fe（OH）3，正是因為“鐵及其化合物”的一系列相關(guān)反應(yīng)，工廠在制作電路板（PCB）的過程中常常會遇到電鍍質(zhì)量下降、腐蝕和沉淀等問題，因此在生產(chǎn)過程中，工廠通常會采取措施去除或控制鐵的含量，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。我們在科學理論教學的同時，可以結(jié)合實際生活實際提升學生的科學探究素養(yǎng)，引導(dǎo)學生運用科學方法解決簡單的實際問題，而這種以數(shù)據(jù)和案例為基礎(chǔ)的分析模型，能夠有效提升學生的核心素養(yǎng)，大幅推進深度學習過程。

四、總結(jié)

在高中化學實驗教學中，深度學習的推進需要教師精心設(shè)計層次問題導(dǎo)向、小組合作、實驗探究、數(shù)據(jù)驅(qū)動等實驗活動，使教學工作與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標緊密對接，從記憶、理解到應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造，逐步提升學生的思維層次，增強學生的團隊協(xié)作能力，促進學生間的知識共享和深度學習，并在不斷反思和教學評估實踐中及時調(diào)整教學策略。

（作者單位：1.寶雞市隴縣第二高級中學；2.寶雞市隴縣中學）

編輯：陳鮮艷