創(chuàng)新實驗融入課堂，提升學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展

周斌強 顧仲良

摘要：以“鐵三角教學(xué)”教學(xué)為例，靈活處理教材，通過拓展其他鹵素與鐵粉的化合及產(chǎn)物檢驗實驗，增設(shè)常見驗證試劑實現(xiàn)亞鐵離子與鐵離子轉(zhuǎn)化的驗證實驗，創(chuàng)新開發(fā)活潑金屬還原鐵鹽和電解亞鐵鹽反應(yīng)的實驗，增強實驗現(xiàn)象和效果，增加教學(xué)資源和素材，建構(gòu)完整的知識體系，使學(xué)生的化學(xué)學(xué)科能力得到提升，核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;創(chuàng)新實驗;鐵三角

文章編號：1008-0546（2022）03x-0046-04??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.011

化學(xué)實驗不僅是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)變化的基本方法，同時也是探究和證據(jù)化學(xué)規(guī)律和化學(xué)理論的重要手段，《普通高中化學(xué)課程標準（2017版）》建議：“教學(xué)中應(yīng)注重運用實驗事實、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變偏差認識”[1]。新人教版《化學(xué)必修·第一冊》[2]“鐵及其化合物”一節(jié)中，“鐵的重要化合物”課時教學(xué)的“思考與討論”欄目要求歸納“鐵三角”關(guān)系模型，下面我們就通過創(chuàng)新實驗來探究歸納Fe、Fe²⁺、Fe³⁺三者之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

此章節(jié)內(nèi)容以多種試劑來實現(xiàn)鐵的不同價態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，并探究鐵鹽與銅的反應(yīng)，但這些相互轉(zhuǎn)化的素材資源，大多是初中單質(zhì)鐵與酸、鹽知識再現(xiàn)，以及前期氯氣教學(xué)內(nèi)容，同時對于亞鐵鹽、鐵鹽被還原轉(zhuǎn)化為鐵單質(zhì)也缺少相關(guān)說明，若能豐富實驗的素材與資源，將更有利于學(xué)生建構(gòu)完整的知識體系。在此，我們靈活處理教材內(nèi)容，適當拓展實驗方案，合理增設(shè)實驗驗證，創(chuàng)新開發(fā)實驗資源，以增強實驗教學(xué)的效果，提升學(xué)生化學(xué)的學(xué)科能力，在重點促進學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”發(fā)展的基礎(chǔ)上，全面發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標與評價目標

（一）教學(xué)目標

1.通過實驗探究鐵單質(zhì)與澳、碘單質(zhì)的反應(yīng)，初步形成不同強度的氧化劑與鐵反應(yīng)時氧化產(chǎn)物的不同，突出可變價態(tài)金屬的化學(xué)特性。

2.通過多種氧化劑實驗驗證亞鐵離子向鐵離子的轉(zhuǎn)化，創(chuàng)建離子間轉(zhuǎn)化與元素價態(tài)的關(guān)聯(lián)性。

3.通過創(chuàng)新實驗探究不同價態(tài)的化合態(tài)鐵元素向游離態(tài)鐵單質(zhì)的轉(zhuǎn)化，感受創(chuàng)新實驗的價值，初步形成物質(zhì)類別、元素價態(tài)、原子結(jié)構(gòu)對物質(zhì)性質(zhì)的預(yù)測和檢驗?zāi)Ｐ汀?/p>

（二）評價目標

1.通過澳單質(zhì)與碘單質(zhì)分別與鐵粉反應(yīng)的產(chǎn)物檢驗，診斷并發(fā)展學(xué)生對鐵離子和亞鐵離子檢驗方法的掌握水平。

2.通過驗證多種氧化劑對亞鐵離子轉(zhuǎn)化為鐵離子的過程，診斷并發(fā)展學(xué)生物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化思路的理解水平。

3.通過對創(chuàng)新實驗的設(shè)計和點評，診斷并發(fā)展學(xué)生實驗探究的水平和對化學(xué)價值觀的理解水平。

（三）教學(xué)重點與難點

重點是鐵離子與亞鐵離子的檢驗，難點是鐵三角轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)模型的建立。

三、教學(xué)設(shè)計策略與教學(xué)流程

經(jīng)過前兩個課時的教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)初步認識鐵單質(zhì)及其不同化合物，掌握了鐵離子與亞鐵離子的檢驗方法，也了解了一些不同價態(tài)鐵元素轉(zhuǎn)化的過程。在教學(xué)中，我們倡導(dǎo)要“用教材教，而不是教教材”[3]，因此“鐵三角教學(xué)”內(nèi)容的教學(xué)，立求基于核心素養(yǎng)，以主題式實驗探究為導(dǎo)向，本教學(xué)設(shè)計通過拓展鐵與澳、碘、硫之間化合及產(chǎn)物檢驗的實驗方案，增設(shè)多種試劑氧化亞鐵離子和還原鐵離子的實驗，創(chuàng)新開發(fā)鋁粉還原鐵鹽反應(yīng)和電解亞鐵鹽溶液，通過學(xué)生自主設(shè)計，主動操作，親身體驗科學(xué)探究的過程，充分調(diào)動學(xué)生的思維，使其成為知識的主動建構(gòu)者，最后建構(gòu)“鐵三角”模型，說明鐵的重要化合物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系與電子轉(zhuǎn)移情況，教學(xué)流程如圖1

1.主題一：拓展實驗、明確強弱——鐵的“擢升”

【引入】我們在初中和本教材的前期學(xué)習(xí)中，知道了下列反應(yīng)。

【多媒體展示】3Fe+2O₂=Fe₃O₄

Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑

Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

2Fe+3Cl₂=2FeCl₃

3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑

【講解】分析這五個反應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)鐵與不同物質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的結(jié)果是不同的，那是因為什么呢？

【作答】因為不同物質(zhì)的氧化性強弱（或氧化能力）不同。

【講解】氧化性弱的物質(zhì)，只能把單質(zhì)鐵氧化到正二價，氧化性強的物質(zhì)，則可把單質(zhì)鐵氧化到正三價，中等氧化性的O₂就能氧化Fe成為Fe₃O₄。我們熟知的氯氣，可以把鐵氧化到高價，那與它同主族的其他鹵素單質(zhì)能把鐵氧化到什么價態(tài)呢，氧化性有多強呢？

【演示實驗】鐵粉與液澳、鐵粉與碘粉的反應(yīng)（見圖2）

【實驗操作】在通風(fēng)條件下，用膠頭滴管取少量液澳于點滴板上，加入過量鐵粉，立即會有澳蒸氣揮發(fā)，這是因為反應(yīng)放熱;將少量鐵粉與過量碘粉混合均勻于點滴板上，然后打濕玻璃棒一端，輕輕攪拌混合物，在水的催化下，發(fā)生激烈反應(yīng)，同時會有紫色的碘蒸氣。

反應(yīng)片刻后，分別用玻璃棒頭部蘸取兩處實驗少許生成物，浸入到預(yù)先準備好的裝有蒸餾水與CCl₄分層液的試管中，使玻璃棒頭部的物質(zhì)溶解。振蕩試管，待上下層液體顏色穩(wěn)定，滴入幾滴KSCN溶液，可以觀察到只有澳與鐵反應(yīng)的生成物的上層溶液立即變血紅色。

【講授】根據(jù)剛才實驗，探究得到了什么樣的結(jié)論？寫出兩個反應(yīng)的化學(xué)方程式。

【作答】澳可以將鐵粉氧化到正三價，碘只能將鐵粉氧化到正二價。

2Fe+3Br₂=2FeBr₃

Fe+I₂=FeI₂

【講授】這也說明了澳的氧化性比碘強。

【小結(jié)】從這個反應(yīng)我們可以得到，F(xiàn)e³⁺的氧化性強弱處于單質(zhì)Br₂和I₂之間，即：Cl₂>Br₂>Fe³⁺>I₂。

設(shè)計意圖：在氯氣與鐵粉的基礎(chǔ)上，通過拓展其他鹵素與鐵粉反應(yīng)及產(chǎn)物檢驗的實驗探究，不僅使學(xué)生眼界得到開闊，F(xiàn)e³⁺、Fe²⁺的檢驗方法這一知識重點得到了鞏固，同時還發(fā)現(xiàn)了不同鹵素單質(zhì)與鐵粉反應(yīng)生成產(chǎn)物狀態(tài)，歸納了同主族非金屬元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。在實驗教學(xué)中，將同類物質(zhì)系統(tǒng)地進行對比反應(yīng)，可以幫助學(xué)生在實驗過程中更好地掌握這些化學(xué)規(guī)律和理論，得到認識上和思維上的雙重提升。

2.主題二：增設(shè)驗證、強化知識——鐵的“遷轉(zhuǎn)”

【引入】用KSCN溶液檢驗Fe²⁺溶液時，滴加幾滴氯水后，立即變血紅色。

【講解】氯水作用：2Fe²⁺+Cl₂=2Fe³⁺+2Cl^-，那我們?nèi)绻肏₂O₂代替氯水會有什么樣的結(jié)果呢？

【作答】H₂O₂也有氧化性，會氧化亞鐵離子。

【講解】我們就用實驗來驗證一下。

【多媒體展示】（如圖3）

【學(xué)生活動】分組操作實驗，驗證推理結(jié)論。

【講解】大家都看到了溶液變血紅色，說明H₂O₂這種氧化劑是可以將亞鐵離子氧化為鐵離子的。我們一起來寫一下此反應(yīng)的離子方程式。

【學(xué)生活動】板演：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O

【講解】H₂O₂是一種常見的綠色氧化劑，它在氧化其他物質(zhì)后變成水，不會引入雜質(zhì)離子。那同學(xué)們還知道哪些物質(zhì)也可以氧化亞鐵離子為鐵離子呢。

【作答】O₂、O₃、KMnO₄、HNO₃等。

【講解】這些都是可以氧化亞鐵離子的氧化劑，它們的氧化性比Fe³⁺強。我們能不能想辦法使溶液中的血紅色褪去呢（結(jié)合化學(xué)方程式）？

【學(xué)生活動】加入鐵粉（或銅粉）。

板演：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺

2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺

【講解】我們可以加入鐵粉、銅粉，它們可以還原溶液中的鐵離子為亞鐵離子，那么鋅粉能不能呢？

【作答】能，因為鋅比鐵活動。

【多媒體展示】（見圖4）

【學(xué)生活動】分組操作實驗，驗證推理結(jié)論。

【講解】我們驗證了鋅也可以像鐵、銅一樣還原鐵離子，寫出此反應(yīng)的離子方程式。

【學(xué)生活動】板演：2Fe³⁺+Zn=2Fe²⁺+Zn²⁺

【設(shè)問】如果我們用非?；顫姷慕饘兮c，能不能將鐵離子還原為亞鐵離子呢？

【作答】不能，鈉會先與水反應(yīng)，生成氫氧化鈉，使鐵離子生成紅褐色的氫氧化鐵沉淀。

【講解】除了金屬鈉，鎂粉、鋁粉加入到氯化鐵溶液中也會出現(xiàn)紅褐色沉淀。這是因為太活潑的金屬可能會與水或氯化鐵溶液中的氫離子反應(yīng)，促進Fe³⁺離子水解生成Fe（OH）₃。

【小結(jié)】亞鐵離子轉(zhuǎn)化為鐵離子需要比較強的氧化劑，鐵離子轉(zhuǎn)化為亞鐵離子可以加入一定活潑性的金屬單質(zhì)或還原性強的離子。

設(shè)計意圖：科學(xué)探究是假設(shè)—推理—驗證—結(jié)論的過程，實驗的驗證功能是科學(xué)探究中的一個重要環(huán)節(jié)，在科學(xué)的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展過程中，正確的科學(xué)規(guī)律除了保留其結(jié)論外，還需要保留其可以不斷地接受驗證[4]。對于H₂O₂的氧化性、單質(zhì)Zn的還原性學(xué)生早已掌握，但這些簡單的實驗，學(xué)生往往也缺乏探索求證的機會，合理安排的驗證實驗，增添了學(xué)生對此內(nèi)容和原理的感性素材，對學(xué)生的思維結(jié)果起到了驗證作用，使學(xué)生心中的疑慮消散。

3.主題三：開發(fā)實驗、創(chuàng)新意識——鐵的“致仕”

【演示】取FeCl₃與鋅粉經(jīng)過較長時間反應(yīng)的試管，用磁鐵來檢驗一下產(chǎn)物。

【學(xué)生活動】發(fā)現(xiàn)有鐵粉生成。

【講解】這是因為鋅粉進一步與Fe²⁺發(fā)生了置換反應(yīng)，生成了鐵粉。那更活潑的鋁粉能不能從化合態(tài)的鐵鹽中置換出單質(zhì)鐵呢？請大家來設(shè)計一下這個實驗。

【學(xué)生活動】討論實驗方案。

【講解】鋁粉與鐵鹽溶液反應(yīng)的實驗由于太耗時了，我們改用鋁粉與FeCl₃晶體混合共熱來試試。

【實驗方案】將兩藥匙鋁粉與FeCl₃晶體均勻混合置于石棉網(wǎng)上，用酒精燈加熱片刻即發(fā)生反應(yīng)，用磁鐵檢驗生成產(chǎn)物。

【學(xué)生活動】觀察實驗，發(fā)現(xiàn)磁鐵上吸有大量鐵粉。

【講解】這是一個復(fù)雜的反應(yīng)過程，還有一些副反應(yīng)尚在研究中。但我們從這個反應(yīng)中都觀察到了有單質(zhì)鐵粉生成，實現(xiàn)了從鐵鹽向單質(zhì)鐵的轉(zhuǎn)化。那除了置換反應(yīng)，還有什么類型的反應(yīng)可以實現(xiàn)化合態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)單質(zhì)呢？提示參考金屬鋁、鎂、鈉的獲得。

【作答】電解法。

【講解】那我們試試電解含有Fe²⁺的溶液看，能不能電解得到鐵單質(zhì)。

【實驗方案】用石墨作為陽極，用一片干凈的純銅片作為陰極，以大于6伏的電壓來電解濃度較高的FeCl₂溶液，電解片刻后，發(fā)現(xiàn)陰極銅片的表面有一層黑色的單質(zhì)鐵出現(xiàn)。（如圖5）

【講解】雖然在放電順序上Fe²⁺排在H⁺的后面，但由于Fe²⁺的濃度比較高，所以發(fā)生了電解。

【小結(jié)】從化合態(tài)的鐵向游離態(tài)的單質(zhì)鐵轉(zhuǎn)化，不僅可以通過CO還原，或者H₂、活潑金屬的置換反應(yīng)，還可以通過電解濃溶液的方法。

設(shè)計意圖：在鐵鹽溶液與鋅置換反應(yīng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)不同價態(tài)鐵鹽向單質(zhì)轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新實驗，拓展學(xué)生化學(xué)知識廣度與深度，延伸置換反應(yīng)與電解反應(yīng)的應(yīng)用，創(chuàng)新實驗既充滿趣味新意，又附有本質(zhì)內(nèi)涵，使學(xué)生在探究過程中體驗到實驗所蘊含的化學(xué)原理，又使建構(gòu)的“變化觀念”模型更趨完善，提升了化學(xué)學(xué)科能力，重點發(fā)展了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

4.主題四：建構(gòu)模型、拓展提升——“鐵三角”圖

【多媒體展示】鐵的價-類二維圖（如圖6）。

【講解】歸納出由鐵的常見物質(zhì)組成的價-類二維圖。實現(xiàn)這些物質(zhì)價態(tài)變化的“鐵三角”關(guān)系。

【學(xué)生活動】制作“鐵三角”圖，討論轉(zhuǎn)化途徑。

【PPT展示】“鐵三角”關(guān)系圖（如圖7）

【小結(jié)】通過“鐵三角”關(guān)系圖的架構(gòu)，可以幫助我們系統(tǒng)理解并記憶鐵及其化合物間的相互轉(zhuǎn)化。

設(shè)計意圖：價-類二維圖是基于物質(zhì)屬性的模型結(jié)構(gòu)，從價-類二維圖出發(fā)，學(xué)生可以自主地整理并歸納“鐵三角”關(guān)系轉(zhuǎn)化，不僅可以清楚地感受物質(zhì)變化的觀念，還可以幫助學(xué)生完善全面的知識體系，建構(gòu)起有序的網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)展學(xué)生的“模型認知”的核心素養(yǎng)。

四、課后反思

新一輪課程改革倡導(dǎo)“用教材教”，要求我們一線教師的教學(xué)活動要從“目標意識”轉(zhuǎn)向“資源意識”，教材中的實驗素材并非唯一的教學(xué)資源，而是引導(dǎo)教學(xué)活動的一個線索[5]，在實際的教學(xué)中，我們可以根據(jù)學(xué)生的具體學(xué)情，靈活地調(diào)整開發(fā)創(chuàng)新教學(xué)實驗，從而達成教學(xué)目標。

實驗探究是化學(xué)研究最重要的方法，是學(xué)生感性認識抽象理論的最好途徑。在以項目主題式實驗探究為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計中，讓學(xué)生通過多個實驗進行有效探究活動，進行深入學(xué)習(xí)，解決綜合復(fù)雜問題，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識，建立運用化學(xué)學(xué)科思想解決問題的思路方法[6]，重點發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)。

參考文獻

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[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書（化學(xué)必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019：64-69.

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[4]解學(xué)仁.淺談驗證性實驗的教育功能[J].教學(xué)月刊（中學(xué)版），2004（03）：46-49.

[5]李寧采，包朝龍.改進實驗設(shè)計，充分發(fā)揮實驗的教學(xué)功能[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（12）：30-31.

[6]洪生鋒，雷范軍.思維導(dǎo)圖在促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)中的應(yīng)用——以“乙醇的催化氧化反應(yīng)和鋁的氧化物教學(xué)”為例[J].教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2019（09）：13-15.