指向關(guān)鍵能力的高中化學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)實踐探究

張引娣

摘 要：文中以“檸檬酸亞鐵的制備與測定”為主題，分析了“檸檬酸亞鐵的制備與純化”“產(chǎn)品中有效成分的檢測”兩個項目任務(wù)，探索遵循發(fā)現(xiàn)問題→論證推理→實驗驗證→模型建構(gòu)的認(rèn)知發(fā)展過程，旨在項目化學(xué)習(xí)中實現(xiàn)知識功能化，彰顯化學(xué)學(xué)科價值，培育學(xué)生關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：項目化學(xué)習(xí)；關(guān)鍵能力；化學(xué)實驗

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過化學(xué)學(xué)習(xí)而逐步形成的正確化學(xué)學(xué)科理念、必備品格和關(guān)鍵能力[1]。高考評價以立德樹人為核心，聚焦“關(guān)鍵能力”和“思維品質(zhì)”，關(guān)鍵能力主要從理解與辨析、分析與推測、歸納與論證、探究與創(chuàng)新能力四個維度構(gòu)建。關(guān)鍵能力[2]可以通過學(xué)會做事的項目來實現(xiàn)，必備品格與價值觀念可以通過學(xué)會做人的項目來培養(yǎng)。項目式學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一種教與學(xué)的方式，更強調(diào)對知識的深度理解，在做事中形成專家思維，引發(fā)跨情境的遷移[3]。項目化學(xué)習(xí)既可以提升教師的教學(xué)能力，也能“實現(xiàn)知、情、意、行相統(tǒng)一的學(xué)科育人，切實提高核心素養(yǎng)”[4]。目前，項目化教學(xué)被認(rèn)為是最具有核心素養(yǎng)融合發(fā)展效力的教學(xué)方式[5]。本文以“檸檬酸亞鐵的制備與測定”的項目實踐為例，探討如何彰顯化學(xué)學(xué)科價值，培育學(xué)生關(guān)鍵能力這一重要議題。

一、項目主題分析

（一）項目內(nèi)容分析和功能價值分析

“檸檬酸亞鐵的制備與測定”是基于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中主題1：基礎(chǔ)實驗圍繞“物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)規(guī)律的研究”“物質(zhì)的制備、分離與提純”“物質(zhì)的檢測”等實驗活動來確定主題。本項目包括兩個任務(wù)驅(qū)動，任務(wù)一是檸檬酸亞鐵的制備與純化，任務(wù)二是產(chǎn)品中有效成分的檢測；分3個課時實施，第1課時制備檸檬酸亞鐵并純化，第2課時探尋檢驗Fe3+試劑的選擇模型，第3課時檢測檸檬酸亞鐵產(chǎn)品中的Fe2+。

項目以檸檬酸亞鐵為研究對象，研究了物質(zhì)的制備、提純、檢驗和測定等實驗方法，承載了物質(zhì)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用、實驗原理與方法等必備知識，深化學(xué)生類價二維、微粒觀、平衡觀、定量觀等學(xué)科觀念認(rèn)識，培養(yǎng)“理解與辨析，分析與推測、歸納與論證、探究與創(chuàng)新”等關(guān)鍵能力，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展。

（二）項目主體學(xué)情分析

本項目適合高二下學(xué)生的項目化學(xué)習(xí)或高三學(xué)生的實驗復(fù)習(xí)，要求學(xué)生儲備元素化合物、氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、元素周期律和表、化學(xué)平衡等核心知識，具備一定認(rèn)識問題的視角和分析問題的方法。

核心知識方面，學(xué)生已學(xué)習(xí)了Na、Cl、Fe、S、N等元素化合物的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化，掌握了學(xué)習(xí)化合物的思路和方法，通過“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“化學(xué)反應(yīng)原理”“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”等選修學(xué)習(xí)，深化認(rèn)識了元素化合物的轉(zhuǎn)化條件，具有一定的化學(xué)觀念和理論基礎(chǔ)，積累了一定的實驗方法。

關(guān)鍵能力方面，通過必修和選修教學(xué)內(nèi)容的開展，學(xué)生已初步掌握了科學(xué)研究的一般過程與方法，掌握了一些實驗操作，可以進(jìn)行簡單的實驗探究和證據(jù)推理，形成了良好的實驗習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。但在真實復(fù)雜的情境中做出合理預(yù)測和科學(xué)探究，還需教師的支持。

二、項目設(shè)計思路

以“檸檬酸亞鐵的制備與測定”為主題，學(xué)生在完成“檸檬酸亞鐵的制備與純化”“產(chǎn)品中有效成分的檢測”兩個項目任務(wù)過程中，運用“類價二維”預(yù)測轉(zhuǎn)化路徑，分析評價選出合理的途徑。學(xué)生基于“證據(jù)推理”論證轉(zhuǎn)化的可能性，通過實驗探究轉(zhuǎn)化的可行性，自主構(gòu)建出物質(zhì)制備與測定的思維模型，以期提升學(xué)生的關(guān)鍵能力，見圖1。

三、項目教學(xué)目標(biāo)

通過“檸檬酸亞鐵的制備與檢測”項目，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)核心知識，建立核心知識與化學(xué)觀念的聯(lián)系，使知識與認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升關(guān)鍵能力，促進(jìn)德智體美勞全面發(fā)展。為此制訂本項目的教學(xué)目標(biāo)如下：

（一）通過“設(shè)計檸檬酸亞鐵的制備與純化”，復(fù)習(xí)實驗基礎(chǔ)知識，形成物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)識視角，掌握科學(xué)探究的一般思維方法，提升構(gòu)建物質(zhì)制備與純化的思維模型的能力。

（二）通過“設(shè)計產(chǎn)品中有效成分的檢測”，深化對學(xué)科本質(zhì)的理解，系統(tǒng)認(rèn)識物質(zhì)制備、純化與檢測的構(gòu)建思路和方法。

四、項目教學(xué)流程

五、項目學(xué)習(xí)實施

本項目在廈門大學(xué)附屬科技中學(xué)高三創(chuàng)新班進(jìn)行教學(xué)實踐，由于篇幅有限，在此僅以第1課時為例具體闡述項目實施過程。

【情境導(dǎo)入】檸檬酸亞鐵作為高效補鐵劑，無論是從吸收率、口感，還是從生物學(xué)效價更高方面看，都是值得采用的一種補鐵劑。在實驗室中如何制備檸檬酸亞鐵？

任務(wù)一：檸檬酸亞鐵的制備與純化（第1課時）

子任務(wù)1：檸檬酸亞鐵粗品的制備

【活動1】基于“類價二維”預(yù)測轉(zhuǎn)化路徑

設(shè)計意圖：通過此活動引發(fā)學(xué)生回憶元素化合物的學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建鐵元素及其化合物的“類價二維圖”?；凇邦悆r二維圖”探尋轉(zhuǎn)化路徑，結(jié)合查閱資料和已有原料選擇合適的轉(zhuǎn)化路徑：原料→FeSO4→FeCO3→檸檬酸亞鐵。

【學(xué)生匯報】

【學(xué)生評價】

學(xué)生1：鐵、氧化鐵、四氧化三鐵、氧化亞鐵均可能轉(zhuǎn)化；這位同學(xué)設(shè)計的轉(zhuǎn)化路徑可以優(yōu)化為鐵與稀硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵。

學(xué)生2：依據(jù)現(xiàn)有原料選擇轉(zhuǎn)化路徑，在原料選擇中運用物質(zhì)循環(huán)的思想。

學(xué)生3：根據(jù)資料顯示，檸檬酸亞鐵是可溶性鹽。類比上述轉(zhuǎn)化，將路徑中硫酸替換為檸檬酸即可。

【教師評價】同學(xué)們成功地從“類價二維”視角預(yù)測了合理的轉(zhuǎn)化路徑，還采用了物質(zhì)循環(huán)，有很好的綠色化學(xué)思想。在本項目中所用原料是硫酸工業(yè)的廢渣，成分復(fù)雜。對于上述轉(zhuǎn)化路徑如何優(yōu)化？如何實現(xiàn)鐵元素與其他元素的分離呢？

學(xué)生：將鐵元素轉(zhuǎn)化為氫氧化亞鐵沉淀析出。

【教師評價】鐵元素的氫氧化物沉淀為絮狀、顆粒小、易吸附其他成分，故轉(zhuǎn)化為碳酸亞鐵沉淀效果良好，對產(chǎn)率和純度影響較小。為了節(jié)省原料，可以將硫酸亞鐵溶液結(jié)晶再轉(zhuǎn)化為碳酸亞鐵。

【學(xué)生成果】

【活動2】基于“熱力學(xué)”理論，論證FeSO4轉(zhuǎn)化FeCO3的可能性

設(shè)計意圖：學(xué)生通過化學(xué)反應(yīng)原理的學(xué)習(xí)，已建立起水溶液中的平衡觀，形成了熱力學(xué)論證的認(rèn)識視角。在本活動中引導(dǎo)學(xué)生從定性和定量兩個視角認(rèn)識離子反應(yīng)，促進(jìn)學(xué)科觀念建構(gòu)，提升學(xué)生的證據(jù)推理能力。

【學(xué)生匯報】FeSO4→FeCO3轉(zhuǎn)化的試劑和評價：

學(xué)生1：碳酸鈉溶液堿性過強，認(rèn)為欠妥。

學(xué)生2：碳酸氫鈉溶液堿性稍弱，可能可行。

學(xué)生3：碳酸氫銨溶液略偏堿性，應(yīng)該可行。

【學(xué)生論證】（說明：本計算超出高中學(xué)生的能力范圍，論證計算為競賽學(xué)生完成）

【活動3】基于“實證”探究FeSO4轉(zhuǎn)化FeCO3的可行性

設(shè)計意圖：學(xué)生基于探究目的設(shè)計實驗、優(yōu)化方案、動手操作，體驗探究過程，準(zhǔn)確觀察、記錄實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論。與此同時，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會收集證據(jù)，并基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系。

【學(xué)生匯報】

【學(xué)生評價】

學(xué)生1：滴加碳酸氫鈉溶液時，觀察到略顯茶色沉淀。其他現(xiàn)象一致。

學(xué)生2：滴加碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液時，出現(xiàn)灰綠色沉淀，滴加碳酸氫銨溶液出現(xiàn)白色沉淀，一段時間后會略顯茶色。

學(xué)生3：滴加碳酸鈉溶液沒有觀察到白色沉淀，滴加碳酸氫鈉溶液和碳酸氫銨溶液均出現(xiàn)白色沉淀。大家的實驗結(jié)果都合理，三種溶液堿性不同，OH-和CO32-的濃度不同，現(xiàn)象不太一致。

學(xué)生4：發(fā)現(xiàn)滴加碳酸氫銨出現(xiàn)現(xiàn)象與預(yù)期一致，其他不一定。

【教師追問】實踐是檢驗真理的唯一方法。綜合以上分析，你會選擇哪種試劑？

【學(xué)生成果】

【活動4】制備檸檬酸亞鐵粗品

設(shè)計意圖：了解物質(zhì)制備的一般過程，自主建構(gòu)物質(zhì)制備的思維模型。

【學(xué)生成果】

子任務(wù)2：檸檬酸亞鐵粗品的純化

【活動1】純化檸檬酸亞鐵粗品

設(shè)計意圖：復(fù)習(xí)物質(zhì)分離提純的原理與方法，學(xué)生能根據(jù)產(chǎn)品性質(zhì)選擇合適的提純方法。

【學(xué)生成果】

學(xué)生：若溶質(zhì)溶解度隨溫度升高而降低，則采用蒸發(fā)結(jié)晶；若溶質(zhì)溶解度隨溫度升高而升高，則采用降溫結(jié)晶。根據(jù)資料可知，降溫結(jié)晶可以制得檸檬酸亞鐵晶體，后重結(jié)晶即可。

【活動2】構(gòu)建物質(zhì)制備與純化的思維模型

設(shè)計意圖：基于本項目的開展，學(xué)生能提取出物質(zhì)制備與純化的思維模型。

【學(xué)生成果】

六、項目教學(xué)反思

實踐證明，項目式學(xué)習(xí)中教師圍繞項目主題來系統(tǒng)地設(shè)計驅(qū)動性問題和學(xué)生活動，讓學(xué)生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題，在項目活動中設(shè)計方案、交流討論、改進(jìn)實施，能體會科學(xué)研究的過程，可以培養(yǎng)關(guān)鍵能力。

（一）在情境中培育理解與辨析能力

學(xué)生在活動1回憶元素化合物的學(xué)習(xí)方法，繪制鐵元素及其化合物的“類價二維圖”。類比硫酸亞鐵與檸檬酸亞鐵的性質(zhì)特點，順利地將硫酸亞鐵的轉(zhuǎn)化路徑遷移至檸檬酸亞鐵。學(xué)生獲取原料為工業(yè)廢渣的信息，分析含有多種成分，利用綠色化學(xué)思想判斷可能會影響產(chǎn)品純度和產(chǎn)率，聯(lián)想海水提溴的工藝加工過程進(jìn)而提出解決策略：先分離、富集鐵元素，再根據(jù)預(yù)測轉(zhuǎn)化路徑具體實施。

（二）在活動中發(fā)展歸納與論證能力

項目活動中，學(xué)生面臨兩個挑戰(zhàn)：一是如何有效富集鐵元素；二是如何實現(xiàn)硫酸亞鐵轉(zhuǎn)化為碳酸亞鐵。學(xué)生通過查閱資料獲知，鐵的氫氧化物從溶液中析出多以絮狀形態(tài)，顆粒小，易吸附其他成分，從而將轉(zhuǎn)化路徑調(diào)整為：FeSO4轉(zhuǎn)化FeCO3為此迎來第二個挑戰(zhàn)，選擇什么試劑可以高效轉(zhuǎn)化？學(xué)生通過分析，F(xiàn)e2+、OH-和CO32-微粒之間存在作用，做出預(yù)測：碳酸亞鐵沉淀和氫氧化亞鐵沉淀都有可能產(chǎn)生，但這需定量數(shù)據(jù)來佐證。學(xué)生請教化學(xué)競賽選手完成了計算論證，證實了預(yù)測的科學(xué)性，形成了熱力學(xué)論證的認(rèn)識視角，加深了學(xué)科觀念理解，發(fā)展了學(xué)生歸納與論證的能力。

（三）在合作中提升探究與建構(gòu)能力

學(xué)生基于探究目的設(shè)計實驗、優(yōu)化方案、動手操作，準(zhǔn)確觀察、記錄實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論。學(xué)生在預(yù)測與實證過程中，既體驗了科學(xué)探究的一般過程，又體會到真實實驗環(huán)境的復(fù)雜性，培養(yǎng)了科學(xué)研究的思維能力。在項目梳理中，學(xué)生用實驗流程圖表示實驗環(huán)節(jié)，抽提出物質(zhì)制備的思維模型和純化的一般方法，有力地提升學(xué)生模型建構(gòu)與認(rèn)知能力。

結(jié)束語

總之，本項目要求學(xué)生有高中必修和選修的知識儲備，熟練掌握實驗原理和方法，對能力要求較高，在項目實施過程中如何設(shè)計高效的驅(qū)動性問題，如何診斷、評價關(guān)鍵能力發(fā)展的層級仍需要繼續(xù)探索。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：5.

[2]單旭峰.科學(xué)命題，深化改革：2018年高考化學(xué)試題解析[J].中學(xué)化學(xué)教育參考，2018（7）：62-65.

[3]夏雪梅.項目化學(xué)習(xí)設(shè)計：學(xué)習(xí)素養(yǎng)視角下的國際與本土實踐[M].北京：教育科學(xué)出版社，2021.

[4]王磊，胡久華，魏銳，等.化學(xué)項目式學(xué)習(xí)的課程、教學(xué)與評價系統(tǒng)研究：北京師范大學(xué)化學(xué)教育研究團(tuán)隊20年研究歷程與成果[J].化學(xué)教育（中英文），2022，43（16）：24-29.

[5]王磊，陳光巨.外顯學(xué)科核心素養(yǎng)促進(jìn)知識向能力和素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化：北京師范大學(xué)“新世紀(jì)”魯科版高中化學(xué)新教材的特點[J].化學(xué)教育，2019（17）：9-19.

本文系廈門市第六批基礎(chǔ)教育課程改革研究課題“高中化學(xué)主題式項目化實驗教學(xué)模式改革研究”（課題批準(zhǔn)號：Z675）。