情境引線，制備型實驗方案設(shè)計教學(xué)研究
——以“含鐵凈水劑的制備”為例

西安交通大學(xué)蘇州附屬中學(xué)（215000）尹 之

一、高中化學(xué)制備型實驗方案設(shè)計的教學(xué)背景及學(xué)情分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》明確指出，應(yīng)選取真實的、具有意義的、能夠激起學(xué)生興趣的思考和探究性問題，強調(diào)高層次思維的過程。因此在實驗方案設(shè)計教學(xué)過程中，需要確立一條結(jié)構(gòu)化思路，設(shè)計一連串挑戰(zhàn)性問題，以調(diào)動學(xué)生的高階思維。

江蘇省新高考重點考查學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)新能力，實驗方案設(shè)計類問題作為江蘇省新高考化學(xué)試題的熱點與難點，一般位于綜合題最后一小題。該類試題情境新穎，考點靈活，開放性、探究性、創(chuàng)新性較強，一般涉及基于真實的情境進行物質(zhì)的制備和提純內(nèi)容，考查學(xué)生的信息獲取與加工能力、對實驗原理和操作方法的綜合運用能力、對實驗條件的控制和優(yōu)化能力以及規(guī)范表達實驗方案的能力。這類試題關(guān)涉信息獲取與方案表達等，對學(xué)生的思維能力要求較高。學(xué)生在答題時常出現(xiàn)跳步漏步、回答不完整、毫無頭緒、畏難退縮等問題。

情境教學(xué)的倡導(dǎo)者布朗認為，知識唯有在其產(chǎn)生和應(yīng)用的情境中才會發(fā)揮出意義。筆者提出用情境引線，將知識線與情境線相融合的課堂教學(xué)理念，從真實的生活情境問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)視角看問題，凸顯學(xué)生的主體性，并通過討論、實驗等環(huán)節(jié)，強化學(xué)生解決問題的能力，實現(xiàn)學(xué)生思維的深度發(fā)展，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。下面，以“含鐵凈水劑的制備”實驗方案的設(shè)計教學(xué)為例，深入探究情境引線式高中化學(xué)制備型實驗方案設(shè)計教學(xué)。

二、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引入課程

【情境一】太湖是國家一級水源地，太湖水能否直接飲用？若不能，該如何凈化？

【出示資料】氯化鐵、硫酸亞鐵等都被認為是優(yōu)良的凈水劑。

【設(shè)問】氯化鐵之所以能用于凈水的原因是什么？如何才能獲取鐵元素？

【出示資料】自然界中，鐵元素大多以鐵礦石的形式存在于地殼中。

【引出課題】如何設(shè)計用鐵礦石制備含鐵凈水劑的實驗方案？

設(shè)計意圖：化學(xué)源于生活，本環(huán)節(jié)從學(xué)生熟悉的真實情境出發(fā)，從自然水過渡到水的凈化，引出課題。

（二）基于考題，自主嘗試

教師先出示相關(guān)考題，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，嘗試書寫方案，再進行有針對性的指導(dǎo)，然后選出典型方案，通過希沃系統(tǒng)進行展示，最后讓學(xué)生對比多種設(shè)計方案，評價各方案的優(yōu)劣。

【出示考題】某研究團隊想要從硫鐵礦燒渣（主要化學(xué)成分為Fe2O3、SiO2、Al2O3）出發(fā)，制備綠礬（FeSO4·7H2O）。表1 列出了相關(guān)金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH。請你根據(jù)圖表信息，補充完整下列實驗步驟：向一定量燒渣中加入足量的稀硫酸充分反應(yīng)，____________，得到FeSO4溶液，___________，得到FeSO4·7H2O 晶體。過濾，用冰水洗滌固體2～3 次，低溫干燥。（可選試劑：H2SO4溶液、NaOH溶液、鐵粉）

表1

圖1

設(shè)計意圖：基于高考真題創(chuàng)設(shè)的真實情境，讓學(xué)生自主嘗試書寫實驗設(shè)計方案。通過展示、交流與評價學(xué)生設(shè)計的方案，顯露出學(xué)生思維的缺陷，為下一階段的設(shè)計模型構(gòu)建打下基礎(chǔ)。

（三）確定流程，初建模型

針對學(xué)生方案中的不足進行討論，讓學(xué)生分享方案設(shè)計中的難點與困惑，引導(dǎo)學(xué)生尋找信息與方案之間的中間媒介——制備流程。如何確定制備流程呢？需要對三個問題進行進一步探討：（1）從原料鐵礦石到產(chǎn)品硫酸亞鐵凈水劑，如何依據(jù)核心轉(zhuǎn)化反應(yīng)確定流程主線？（2）實驗過程中每一步的試劑選擇和實驗條件控制各有什么需要注意的？（3）需要用到哪些添加試劑以及操作方法？

通過討論，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，要將鐵礦石轉(zhuǎn)化為FeSO4·7H2O，主要流程應(yīng)包括除去SiO2、Al2O3雜質(zhì)，進行還原Fe3+的核心反應(yīng)，分離硫酸亞鐵結(jié)晶這三個主要步驟。在操作時還需考慮試劑選擇、實驗條件控制、實驗操作方法等方面。如除Al3+雜質(zhì)時，需使用NaOH 溶液，并將pH 控制在5.0～5.8，因此可以使用“邊滴邊攪拌”的操作方法將Al3+完全轉(zhuǎn)化為A（lOH）3沉淀，再過濾除去；在分離提純時，可以通過搜集相關(guān)信息，確定蒸發(fā)濃縮和降溫結(jié)晶的溫度。教師進一步指導(dǎo)學(xué)生將思考成果繪制為流程圖（如圖2）。

圖2

制備型實驗方案的流程模型可由一條流程主線和試劑選擇、操作方法、條件控制等模塊組成。具體模型如圖3所示。

圖3

設(shè)計意圖：通過構(gòu)建流程模型，引導(dǎo)學(xué)生將流程轉(zhuǎn)化為文字方案，確定相對較好的實驗方案。

（四）反饋修正，模型加工

【情境二】在空氣中，F(xiàn)eSO4晶體易被氧化，難以長期存儲，需尋找可替代它的凈水產(chǎn)品。

【出示資料】FeSO4與（NH4）2SO4以等物質(zhì)的量混合即可制得摩爾鹽［（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O］。摩爾鹽的主要化學(xué)性質(zhì)如下：它易溶于水，不溶于乙醇，接近100 ℃時易失去結(jié)晶水，性質(zhì)上相對于普通硫酸亞鐵鹽更加穩(wěn)定。相關(guān)物質(zhì)的溶解度曲線如圖4所示。

請補充完整由久置于空氣中的FeSO4·7H2O樣品合成摩爾鹽的實驗步驟：將樣品溶于適量的硫酸溶液中，加熱使其溶解，然后向其中加入_____________。（可選試劑：蒸餾水、飽和硫酸銨溶液、3%H2O2、銅粉、鐵粉、無水乙醇）

設(shè)計意圖：結(jié)合真實情境，讓學(xué)生補充完整操作細節(jié)，規(guī)范實驗方案表達。同時通過問題，引導(dǎo)學(xué)生對初步構(gòu)建好的流程模型進行進一步加工。

圖4

（五）拓展延伸，模型應(yīng)用

【情境三】普通凈水方法還需通入Cl2以達到消毒效果，是否有一種凈水劑，能夠同時起到凈化和消毒作用？［引出多功能凈水劑高鐵酸鉀（K2FeO4），分析其可以起到消毒作用的原因。］

【出示資料】以綠礬（FeSO4·7H2O）為原料制備高效水處理劑高鐵酸鉀（K2FeO4）的部分生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。

圖5

【設(shè)問】請補充提純K2FeO4粗產(chǎn)品［含有Fe（OH）3、KCl等雜質(zhì)］的實驗方案：將一定量的K2FeO4粗產(chǎn)品溶于冷的3 mol·L-1KOH溶液中，______________。

設(shè)計意圖：通過拓展延伸，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用制備型實驗方案設(shè)計的思維模型，嘗試總結(jié)的條件控制及操作方法，如試劑用量、溫度控制、pH 控制、添加試劑等，學(xué)會歸納知識線，規(guī)范方案表達。

三、教學(xué)思考

(一)情境引線，構(gòu)建知識

化學(xué)源于實際生活，真實的化學(xué)情境可激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情和積極性。創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的核心內(nèi)涵是引導(dǎo)知識建構(gòu)，將知識線和情境線相融合，推動學(xué)生的知識構(gòu)建。將教學(xué)情境視為引出知識和構(gòu)建知識的重要載體，能夠起到有效開展和拓展教學(xué)的作用。在化學(xué)課堂中創(chuàng)設(shè)真實情境，可以讓學(xué)生體驗到知識獲取的樂趣，有效解決化學(xué)知識運用時可能出現(xiàn)的困難和問題。

本節(jié)課以含鐵凈水劑的制備過程為牽引，從自然水如何凈化開始，引入用鐵礦石制備含鐵凈水劑的制備流程；通過分析硫酸亞鐵凈水劑的性質(zhì)，由其易被氧化有所不足，引出新型含鐵凈水劑摩爾鹽的制備；通過凈水過程包含消毒步驟，引出多功能含鐵凈水劑高鐵酸鉀的制備。教學(xué)過程中，知識線與情境線相互穿插，通過三個教學(xué)情境巧妙地將制備型實驗方案的設(shè)計方法串聯(lián)在了一起，構(gòu)建了制備型實驗方案設(shè)計的思維模型，促進了學(xué)生思維能力的提升。本節(jié)課的明線是含鐵凈水劑的制備方案，暗線是制備型實驗方案設(shè)計的思維模型構(gòu)建。

此外，教學(xué)情境要讓學(xué)生獲得正面積極的情感體驗。教師在創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境前可以自由選取和提煉一些與主題有關(guān)的素材，還可以補充相關(guān)課外教學(xué)內(nèi)容，以使創(chuàng)設(shè)的真實情境能更好地與知識內(nèi)容有機融合在一起。如本節(jié)課教師創(chuàng)設(shè)了含鐵凈水劑的制備這一情境，并以其為引線，不僅提升了學(xué)生的興趣，開闊了學(xué)生的視野，還激發(fā)了學(xué)生探索和研究的動機。

（二）引入媒介，構(gòu)建模型

新情境下制備型實驗方案設(shè)計類試題對學(xué)生思維能力要求較高，學(xué)生不僅要獲取相關(guān)信息，還要表達方案，這對他們來說較為困難。對此，可借助中間媒介——流程圖，將信息轉(zhuǎn)化為流程再規(guī)范表達為方案來分解問題難度，構(gòu)建制備型實驗方案設(shè)計的思維模型。

本堂課引入典型問題，對學(xué)生進行訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生通過自主討論分析問題的特點和答題所需條件，加深學(xué)生印象。同時，引入中間媒介，開闊學(xué)生思路，引導(dǎo)學(xué)生弄清各種物質(zhì)、各個步驟、各種操作的意義和功能，再用語言文字來補充方案的細節(jié)，有效地構(gòu)建思維模型，分解難點。層層遞進、螺旋上升的教學(xué)，符合學(xué)生邏輯思維的特點，便于學(xué)生進行深入學(xué)習(xí)。

（三）培養(yǎng)思維，提升素養(yǎng)

化學(xué)中的模型認知素養(yǎng)主要包括認識、感悟化學(xué)模型，利用模型學(xué)習(xí)化學(xué)，評價和創(chuàng)建模型，以及運用建模解決問題等方面，體現(xiàn)了模型認知素養(yǎng)由低到高的四個層次。本節(jié)課通過典型考題嘗試建模、借助制備流程初建模型、通過反饋修正加工模型、通過拓展延伸應(yīng)用模型四個步驟，完善了制備型實驗方案設(shè)計的思維模型，凸顯了模型認知素養(yǎng)的四級水平。

高三學(xué)年段的課堂專題復(fù)習(xí)更需要有效地幫助學(xué)生激活、深化和整合所學(xué)知識，提高其運用所學(xué)知識和方法解決實際問題的能力。傳統(tǒng)的高三復(fù)習(xí)課偏向于做題，并以特定的主題講授的形式進行。而本節(jié)課圍繞含鐵凈水劑的制備實驗方案的設(shè)計來重新組織教學(xué)內(nèi)容，以綜合性學(xué)習(xí)目標(biāo)和任務(wù)來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，通過任務(wù)驅(qū)動式的學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生在體驗知識形成的過程中培養(yǎng)高級思維能力，提升科學(xué)探究素養(yǎng)。

無論是從學(xué)生的終身發(fā)展還是從眼前的教學(xué)成績來看，基于真實情境解決實際問題，對培養(yǎng)學(xué)生高階思維和提升學(xué)生相關(guān)素養(yǎng)都是真實有效的，這為高三教學(xué)的優(yōu)化提供了一個新的突破口。