高中化學主題作業(yè)設計的實踐與反思

陳斐 張賢金

摘要： 分析高中化學主題作業(yè)的內涵和價值，對主題作業(yè)設計的研究現(xiàn)狀進行梳理。以“認識Fe3O4”主題作業(yè)設計為例，對Fe3O4從多角度分析教學價值并設計習題，圍繞古籍中的Fe3O4、生活中的Fe3O4、神奇的Fe3O4納米粒子等子情境將習題串聯(lián)整合形成主題作業(yè)，探討Fe3O4主題作業(yè)設計的思路和整體結構。實踐后反思：針對主題的深度挖掘是前提，圍繞主題的情境串聯(lián)是關鍵，引領主題的評價目標是靈魂。

關鍵詞： 高中化學； 主題作業(yè)； 作業(yè)設計； Fe3O4主題

文章編號： 10056629（2024）01007905

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學作業(yè)是課堂的延續(xù)和拓展，是課程的重要組成部分。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在教學與評價建議中指出：教師應充分發(fā)揮課后作業(yè)對學生化學學科核心知識的復習、鞏固、評價、診斷和發(fā)展功能；精心編制的課后作業(yè)，才能有效開展化學日常的學習評價，實施“教學評”一體化，促進化學學科核心素養(yǎng)的落地［1］。隨著課程改革的推進，作業(yè)及試題的情境化研究已較為深入和廣泛，作業(yè)或試題幾乎做到“題題有情境”，但也存在無效情境、情境濫用等問題；同時從作業(yè)整體結構看，大多數(shù)情境只針對單一題目，情境雖多但之間缺乏聯(lián)系，只會增加學生學習負擔，不利于知識鞏固和能力提升。因此，進一步優(yōu)化作業(yè)結構，從整體的角度對作業(yè)進行主題化設計，注重習題之間情境素材、任務解決、評價目標等的有機關聯(lián)，是作業(yè)設計研究的一個方向。

1 高中化學主題作業(yè)的內涵及研究現(xiàn)狀

1.1 高中化學主題作業(yè)的內涵與價值

化學主題教學是以化學學科核心概念或化學學科思想觀念為引領，充分發(fā)揮主題對教學的統(tǒng)攝作用，通過對各類資源的挖掘整合，創(chuàng)設學習情境及驅動性問題，促進學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展為目標的一種教學模式［2］?；瘜W主題作業(yè)是將主題教學的思想融入作業(yè)設計，以一個特定的主題統(tǒng)攝整份作業(yè)，將一系列與該主題關聯(lián)緊密的真實情境下的問題解決以習題的形式呈現(xiàn)，再以一定的編排思路對習題進行串聯(lián)整合的作業(yè)設計模式。主題作業(yè)情境、知識和認知角度三線并行，有機融合，將習題任務與化學核心知識的實踐應用相結合，從而優(yōu)化作業(yè)結構，提高作業(yè)完成的有效性，有助于實現(xiàn)“教學評”一體化。

1.2 主題作業(yè)設計的研究現(xiàn)狀

在中國知網進行相關文獻搜索發(fā)現(xiàn)，與高中化學相關的“主題教學”“主題命題”“作業(yè)設計”均有較多論述，尚未在高中化學作業(yè)設計中出現(xiàn)“主題作業(yè)”這一提法，但有相似觀點的論述。呂天恩以“烴的衍生物”單元作業(yè)為例，提出將情境化與作業(yè)設計相結合的“情境化作業(yè)”，并提出情境化作業(yè)設計應主題化、結構化、項目化和層次化［3］。胡樂萌以“溴和碘的提取”單元教學為例，設計基于真實情境的開放性、實踐性的新型作業(yè)，涉及實驗操作、文獻閱讀、調查走訪和研究報告撰寫等，從多角度培養(yǎng)學生多層次的綜合能力［4］?？傊?，鮮有對高中化學作業(yè)進行主題化設計的研究報道。

2 高中化學主題作業(yè)設計的實踐案例

2.1 Fe3O4主題作業(yè)設計的背景

蘇教版化學必修第二冊（2020版）教材將“鐵及其化合物性質”安排在“專題九”，是必修部分學習的“壓軸出場”，專題及單元標題名稱為“探究鐵及其化合物的轉化”“反應的合理選擇”和“反應條件的控制”。教學目標是以鐵及其化合物轉化的探究為載體，學會根據(jù)化學反應規(guī)律和物質性質特點從多方面對制備路線進行選擇，對反應條件進行控制。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》必修課程主題２的情境素材建議欄目中，提出可用打印機（或復印機）的墨粉（含有Fe3Ｏ4）創(chuàng)設真實的教學情境，展開鐵及其化合物的性質與應用的教學［5］。

Fe3O4具有豐富的教學價值。Fe3O4的性質、用途、制備、提純等幾乎涵蓋鐵及其化合物不同價態(tài)及不同類別間的所有典型轉化，有助于鞏固形成“價態(tài)和類別”的無機物認識角度；沉淀法制備Fe3O4路線在方案設計、反應條件的控制與優(yōu)化等實驗過程涉及多種化學實驗基本操作的綜合運用，有助于鞏固無機物制備的思維模型，提升實驗方案設計、優(yōu)化等能力，其中，對磁性的運用如磁性檢驗、磁性分離是Fe3O4的特色，豐富了高中化學的物質分離方法。

2.2 Fe3O4主題作業(yè)設計的思路和整體結構

本主題作業(yè)為面向高一學生的“探究鐵及其化合物的轉化”專題復習作業(yè)，以“認識Fe3O4”為主題（整體結構如表1），以“性質→用途→制備”認識無機物一般思路為主線，串聯(lián)“古籍中的Fe3O4”“生活中的Fe3O4”“神奇的Fe3O4納米粒子”等子情境，每個子情境均設計若干真實問題解決的習題任務，并以不同角度、難度、題型加以呈現(xiàn)。每個習題承載著相應的評價目標，并串聯(lián)成整個主題作業(yè)的總目標。學生在完成作業(yè)、解決問題的過程中，鞏固鐵及其化合物知識，形成無機物的認識角度，促進核心素養(yǎng)的多維發(fā)展，通過了解一種物質，擴大知識面，使作業(yè)兼具科普性和趣味性。

2.3 Fe3O4素材挖掘和作業(yè)設計示例

2.3.1 古籍中對Fe3O4的記載

主要成分為Fe3O4的礦石古稱“慈石”，現(xiàn)稱“磁石”。磁石始載于《神農本草經》，“慈石取鐵，如慈母之招子，故名”。磁石為常用中藥，歷版《中國藥典》均有收載。磁石炮制的主要方法是“火煅醋淬后研末水飛”。現(xiàn)代研究認為“火煅”能降低有害元素錳、鉛、鉻、鋇等的含量?！按状恪笨墒硅F氧化物變?yōu)槿芙舛容^大的醋酸鐵，增加溶出率?！八w”是固體在濕潤條件下研磨，再利用粗細粉在水里不同的懸浮性進一步提純而取得極細粉末［7］。

例1 “慈石”，現(xiàn)稱“磁石”，始載于《神農本草經》：“慈石取鐵，如慈母之招子，故名”。磁石是一味中藥，多采用醋淬的炮制方法，更有利于藥效的發(fā)揮。宋《圣濟總錄》記載：煅，醋淬七遍搗研如粉。下列說法不正確的是（? ）。

A. 磁石的主要成分是Fe2O3

B. “煅”是高溫煅燒，可能是為了除去某些雜質

C. “醋淬”利用了鐵的氧化物可以和酸反應的性質

D. “慈石取鐵，如慈母之招子”指慈石具有磁性

答案：A

設計意圖：將本草古籍作為素材融入化學學習，用化學的視角和化學知識對古籍進行解讀，增添化學學習的人文色彩，弘揚中醫(yī)藥文化。

2.3.2 Fe3O4的用途

Fe3O4的用途主要源于其磁性、硬度大、化學性質相對穩(wěn)定等特點。利用硬度大可作磨料、拋光劑、剎車片等；利用化學性質穩(wěn)定制作底漆和面漆、鋼鐵的“烤藍”以減慢銹蝕等；利用磁性可用作磁記錄材料、打印機墨粉等。此外，利用Fe3O4晶胞剩余空隙以及Fe2+與Fe3+間電子的相互轉移可作為催化劑載體或催化劑如鐵觸媒等。

材料科學尤其是納米技術的發(fā)展使得Fe3O4煥發(fā)出新的生機，它不僅化學性質穩(wěn)定、磁性優(yōu)良、催化活性高、環(huán)境友好、生物相容性好，而且來源豐富、價格低廉、制備工藝簡單，在環(huán)境治理、生物醫(yī)藥、催化合成、功能性材料制備等領域都有廣泛的研究和應用。磁性給它帶來獨有的優(yōu)點——易于定向控制和分離，使得它在眾多納米材料中脫穎而出，引起了高度關注。吸附污染物后，利用磁性能從溶劑中快速分離，克服了傳統(tǒng)吸附劑分離困難和二次污染的問題；做催化劑或催化劑載體后，利用磁性快速分離得以循環(huán)使用；作為藥物載體在磁場作用下定向進入生物體特定區(qū)域，并在當撤去磁場后即被機體清除不產生殘留。此外，F(xiàn)e3O4也被研究應用于特殊材料如電池電極材料、磁性液體、微波吸附材料、磁性密封材料等領域［8］。

例2 鐵鍋、槍支常經過“烤藍”處理而呈現(xiàn)黑色。烤藍的原理是在鋼鐵表面生成一定厚度和強度的致密的Fe3O4氧化層，從而防止鐵生銹。

（1） 把一片銀白色刀片“烤藍”，只需用水潤濕后放在火上灼燒片刻，刀片變黑，烤藍完成。該過程中發(fā)生反應的化學方程式是 。

（2） 工業(yè)上用NaOH、 NaNO2、 NaNO3等配制成“烤藍液”在一定溫度下將零件放入烤藍液中浸泡一段時間從而對鐵質零件進行批量烤藍，發(fā)生反應的化學方程式如下：

① 3Fe+NaNO2+5NaOH3Na2FeO2+H2O+NH3↑

②?? Fe+? NaNO3+? NaOH+? H2O? Na2Fe2O4+? NH3↑

③ Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2OFe3O4+4NaOH

反應①中NaNO2的作用是??? ；配平反應②的方程式（直接寫在橫線上）；反應③是??? （填“氧化還原反應”或“非氧化還原反應”）。

答案：（1） 3Fe+4H2O（g）高溫Fe3O4+4H2；

（2） ①氧化劑；②8， 3， 5， 2， 4， 3；③非氧化還原反應

例3 Fe3O4中含有Fe（Ⅱ）、 Fe（Ⅲ），以Fe3O4/Pd為催化材料，可實現(xiàn)用H2消除酸性廢水中的致癌物NO－2，其反應過程如圖1所示。下列說法錯誤的是（? ）。

A. Fe（Ⅱ）與Fe（Ⅲ）的相互轉化起到了傳遞電子的作用

B. 反應過程中NO-2被Fe（Ⅱ）還原為N2

C. 該反應的總方程式為3H2+2NO-2+2H+N2↑+4H2O

D．用該法處理后水體的pH降低

答案：D

設計意圖：以鋼鐵“烤藍”和Fe3O4/Pd催化下用H2消除廢水污染為背景，通過對兩種Fe→Fe3O4的轉化途徑和Fe3O4催化反應機理的分析，提升運用“價態(tài)”的角度分析問題及運用“氧化還原反應”解決問題的能力，促進無機物認識角度的形成。

2.3.3 Fe3O4的化學性質及制備方法

Fe3O4既有氧化性又有還原性：在空氣中加熱可被氧化成Fe2O3，可被濃硝酸等強氧化性酸溶解并氧化；可被氫氣、CO、鋁高溫下還原為鐵單質；可以與鐵單質在900℃至1000℃時歸中為Fe2O3。天然磁鐵礦與鹽酸反應速率十分緩慢，但粉碎后加熱也可溶出；工業(yè)合成Fe3O4粒徑小、比表面積大，與鹽酸和硫酸在通常條件下均可反應［9］。

制備納米Fe3O4的方法總體上可分為固相法和液相法。固相法操作簡單、工藝成熟，但產品品質較低且能耗高；液相法在溶液中經過沉淀、脫水和結晶等過程得到納米Fe3O4能耗低、產物品質高，其中主要有沉淀法、微乳液法、水熱法和溶膠法等。沉淀法應用最為廣泛，是目前制備納米Fe3O4的主要方法。沉淀法設備簡單、反應條件溫和、原料價格低廉、工藝流程短，易于工業(yè)化生產。沉淀法還分為共沉淀法、氧化沉淀法和還原沉淀法［10］，見圖2。

粉末粒徑和磁學性能是重要指標，影響因素較多。如堿性條件下，二價鐵極易被氧化使得產物中Fe2+和Fe3+的比例很難控制為1∶2；又如Fe3O4的磁性易導致納米粒子發(fā)生“團聚”而使產品粒徑過大；反應溫度、反應物濃度、鐵鹽的類型、沉淀劑的種類及加入方式、反應終點的pH等都會影響產品品質，需要對生產條件做精細的控制［11］。

例4 磁流體是磁性納米粒子用表面活性劑處理后，均勻分散在溶液中形成的穩(wěn)定膠體懸浮液。它既有液體的流動性，又有固體磁性材料的磁性，是一種新型的功能材料。某探究小組準備制備Fe3O4磁流體，實驗方案如下［12］：

① 取20mL mol·L-1 FeCl3、5mL mol·L-1 FeCl2溶液于燒瓶中，開啟磁力攪拌器；

② 用恒壓滴液漏斗向燒瓶中加入一定濃度氨水，得到黑色渾濁液體混合物；

③ 將黑色渾濁液體混合物倒入燒杯中，分離、洗滌；

④ 加入適量表面活性劑，用強磁鐵在燒杯底部來回運動使其充分混合，即制得Fe3O4磁流體。

（1） 寫出制備反應的離子方程式????????????? 。

（2） 步驟③中得到的液體混合物中，F(xiàn)e3O4顆粒較小，過濾很慢。該實驗小組利用Fe3O4特性采取了一個方法可加速Fe3O4沉降過濾，該方法可能是??? 。

（3） 氨水濃度會影響沉淀顏色和磁響應性（見表2），氨水的最佳濃度是??? 。

（4） 設計實驗方案，證明制得的黑色沉淀物同時含有+2價和+3價的Fe元素：

答案：（1） 2Fe3++Fe2++8NH3·H2OFe3O4↓+8NH+4+4H2O；

（2） 用強磁鐵吸附黑色沉淀使其快速沉降后，用傾析法傾倒出上層液體，得到黑色沉淀；

（3） 2mol·L-1；

（4） 取少量黑色沉淀并洗滌至檢驗不出Fe3+、 Fe2+后，加入鹽酸，充分反應后，取上層溶液，分別滴加硫氰化鉀和鐵氰化鉀溶液，若分別出現(xiàn)血紅色溶液和藍色沉淀，則證明同時含有+2價和+3價的Fe元素。

設計意圖：Fe3O4納米粒子的制備實驗綜合體現(xiàn)含鐵物質的轉化關系，涉及分離提純、定性檢驗和反應條件的控制等多種化學實驗基本操作和基本方法，有助于無機物認識視角的形成與鞏固、解決無機物問題綜合能力的提高以及多維度核心素養(yǎng)的提升。

3 高中化學主題作業(yè)設計的實踐反思

3.1 針對主題的深度挖掘是主題作業(yè)設計的前提

主題作業(yè)設計前盡可能對主題做好全面而深入的價值挖掘，從中精選出合適的素材進行整合。以具體物質為主題時，可從結構、性質、用途、制備、古籍文獻記載、相關習題等角度進行挖掘與素材搜集。了解足夠透徹，才能選取到足夠合適的素材承載相應的評價目標。如本作業(yè)主題物質Fe3O4所選素材中，磁石的炮制方法運用了常見的原理處理提取方法；Fe3O4納米材料的制備原理、分離檢驗、Fe3O4催化機理等均充分體現(xiàn)了鐵及其化合物的轉化關系。同時，對主題物質深入挖掘才能保證其真實性和科學性，如常見關于“Fe3O4可以和氧化性酸及還原性酸反應”的習題，并無太大的應用價值，是缺乏真實情境的。

3.2 圍繞主題的情境串聯(lián)是主題作業(yè)設計的關鍵

主題作業(yè)是情境化的，真實、多樣且有效的情境才能帶給學生真實且多面的學科體驗。本作業(yè)中涉及古代科技文獻情境、實驗探究情境、工業(yè)生產情境、生產生活情境，新科技情境等多種真實情境。同時，主題作業(yè)是結構化的，應關注情境之間的關聯(lián)，所有情境圍繞同一個主題，不論是一題一情境，或是多題一情境，情境間均不是簡單的拼盤，而是相互關聯(lián)的——前面的情境作業(yè)是對后面情境作業(yè)的鋪墊，或后面情境是對前面情境的深入探究，這樣才能促使學生帶著濃厚的興趣進入后續(xù)的情境。本作業(yè)從古代科技文化中關于Fe3O4的記載引入對Fe3O4性質進行預測，接著運用性質分析Fe3O4的用途，再進一步探究Fe3O4的制備。

3.3 引領主題的學習目標是主題作業(yè)設計的靈魂

鮮明的主題、結構化的情境都是為了達成一定的學習目標。設計前先根據(jù)課標、教材和學情制訂可測評的學習目標，再結合教學過程規(guī)劃出主題作業(yè)的功能價值，謀篇布局，合理編排，確保目標的覆蓋和重難點的合理分布。本作業(yè)以鞏固發(fā)展“結構決定性質、性質決定用途”“價類二維”素養(yǎng)目標貫穿始終，涵蓋絕大多數(shù)鐵及其化合物的必備知識，解決的問題涉及反應原理分析、工藝流程分析、實驗探究等多種類型，情境有熟悉有陌生，問題有簡單有復雜，有定性有定量，能力要求應符合對應學段的學生能力水平。學生在完成作業(yè)的過程中，對學科知識的運用由生疏到熟練，知識得到鞏固，解決問題的方法由單一到綜合，能力得到提升，在深度思考中建立解決復雜化學問題的思維框架，形成學科思想與認識角度，多維度地提升學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

［1］房喻， 徐端鈞主編. 普通高中化學課程標準解讀［M］. 北京： 高等教育出版社， 2020： 104～105.

［2］王懷文， 張春燕. 高中化學主題教學研究文獻綜述及教學啟示［J］. 中學化學教學參考， 2022， （3）： 5～9.

［3］呂天恩， 占小紅， 林美鳳. 高中化學情境化作業(yè)設計研究［J］. 化學教育（中英文）， 2022， （5）： 62～67.

［4］胡樂萌. 基于真實情境的“溴和碘的提取”新型作業(yè)設計［J］. 化學教學， 2022， （5）： 78～82.

［5］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 16.

［6］單旭峰. 高考化學學科關鍵能力的建構思路、基本內涵和考察實施途徑［J］. 課程·教材·教法， 2022， （6）： 139～146.

［7］傅興圣， 劉訓紅， 吳德康等. 磁石的本草考證及研究概述［J］. 現(xiàn)代中藥研究與實踐， 2011， （1）： 18～21.

［8］［10］［11］朱脈勇， 陳齊， 童文杰等. 四氧化三鐵納米材料的制備與應用［J］. 化學進展， 2017， （11）： 1366～1394.

［9］邵傳強， 葉依叢. 四氧化三鐵與酸反應的文獻考證與實證研究［J］. 化學教育， 2021， 42（21）： 94～98.

［12］許亮亮， 張知為， 王簡文等. 基于STEAM理念的高中化學創(chuàng)新實驗研究［J］. 化學教育， 2020， （9）： 84～86.