馬續(xù)瑩 竇金雨

摘要：以菠萊中鐵元素檢測為目標，通過不斷調(diào)用物質(zhì)類別一價類二維模型認知圖，設(shè)計基于含鐵元素化合物轉(zhuǎn)化視角的檢驗方法，并進行實驗方案交流與點評，最終實驗驗證得出結(jié)論。菠菜中鐵元素檢測不僅是真實情境中鐵及其重要化合物的主要性質(zhì)的應(yīng)用實例，而且是學生應(yīng)用化學知識解決陌生問題的思維方法的提升過程，促進了學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”學科核心素養(yǎng)的完善和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：價類二維認知模型;鐵元素檢測;實驗方案;點評交流;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2021）07-0011-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.003

普通高中化學課程標準（2017年版）提出“結(jié)合真實情境中的應(yīng)用實例或通過實驗探究，了解鐵及其重要化合物的主要性質(zhì)，了解這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用”[1]?；瘜W學科核心素養(yǎng)提出能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用實驗方法進行定性研究。能建立認識模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。基于上述指導思想和理論依據(jù)，筆者在執(zhí)教北京市教育綜合改革背景下學科教學研究現(xiàn)場會時，圍繞“菠菜中鐵元素的檢驗”情境素材展開，引導學生在價類二維認知模型的指導下，認識物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在食品檢驗中的重要價值。

一、教學內(nèi)容與學情分析

“菠菜中鐵元素檢驗的研究與實踐”選自人教版化學必修第一冊第三章研究與實踐欄目“檢驗食品中的鐵元素”[2]。以鐵元素及其化合物作為典型代表物，是第一次系統(tǒng)地應(yīng)用化學理論（物質(zhì)分類及其轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)）認識元素化合物性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系，本節(jié)課既是對鐵元素及其化合物性質(zhì)的高水平的綜合應(yīng)用，也是對化學實驗探究能力的發(fā)展和提升。因此，開展基于菠菜中鐵元素檢驗的研究與實踐活動具有真實的教學價值。

本節(jié)課之前，對實驗班47人進行前測，測試結(jié)果（如圖1所示）表明：64%學生已經(jīng)具備物質(zhì)類別和氧化還原兩個角度認識物質(zhì)性質(zhì)的意識，能分析、解釋、預測一些簡單物質(zhì)的性質(zhì)[3]。由于學生學習元素化合物知識遷移能力會比較薄弱，因此，在面對復雜問題時，當需要用化學知識去解決陌生問題時，學生很難形成一個系統(tǒng)的思維過程和方法。所以，在解決真實情境中的真問題時，學生就會表現(xiàn)出不能很好地預測物質(zhì)性質(zhì)，并根據(jù)性質(zhì)設(shè)計實驗去實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

綜上所述，本節(jié)課既是對元素化合物性質(zhì)和轉(zhuǎn)化關(guān)系的思維模型的建立，又是對學生知識遷移能力的提升。

二、教學與評價目標

1.教學目標

（1）通過鐵元素及其化合物性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的應(yīng)用，體會價類二維模型認知圖的價值。

（2）通過菠菜中鐵元素檢測方案的設(shè)計，提升探究實驗的設(shè)計、評價能力。

（3）通過對食品中鐵元素檢測的延伸，再次感受價類二維模型認知圖的價值，初步形成元素檢測的一般思路和方法。

2.評價目標

（1）通過菠菜中鐵元素的檢測，診斷學生基于化合價和物質(zhì)類別認識元素化合物性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的水平。（模型認知）

（2）通過對菠菜樣品處理和檢測的方案交流與點評，診斷并發(fā)展學生實驗探究水平。（科學探究、定性水平）

（3）通過對食品中鐵元素的檢測流程設(shè)計，發(fā)展學生對化學價值的認識水平。（學科價值視角、社會價值視角、學科和社會價值視角）

三、教學重難點

1.教學重點

基于價類二維認知模型，進行鐵及其化合物的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的綜合應(yīng)用。

2.教學難點

實驗方案設(shè)計、交流與點評的能力。

四、教學與評價流程

教學與評價流程圖（表1）。

五、教學過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)

[創(chuàng)設(shè)情境]動畫片大力水手的形象至今讓人印象深刻，他一吃菠菜就會變得力大無窮;生活中我們聽過“菠菜補鐵”這樣的說法，同學們知道鐵元素在人體中的重要作用嗎？

[學生]組成血紅蛋白的重要元素。

[追問]鐵元素對人體健康和發(fā)育都有重要影響，其中最大的影響就是缺鐵性貧血，大家知道哪些補鐵方式嗎？

[學生]吃菠菜、紅肉、大棗等（食補）;吃補鐵劑（藥補）。

【任務(wù)一】本節(jié)課以菠菜為代表物，學習食品中鐵元素的檢測。假設(shè)你是食品檢驗員，請規(guī)劃檢測菠菜中鐵元素，需要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)？

[學生]收集菠菜樣品;浸泡菠菜、研磨榨汁。

[教師反饋]同學們的角度很好。實驗前，需要考慮樣品的采集問題和處理問題，繼續(xù)思考，處理樣品后檢驗鐵元素有哪些方面工作呢？

[學生]定性檢驗，定量分析。

[歸納總結(jié)]食品中元素提?。ǜ患┑囊话悴襟E和方法[4]：采集樣品→樣品預處理→檢驗Fe元素（定性、定量）

設(shè)計意圖：明確學習主題和目標。引導學生了解鐵元素在人體中的生理作用，以及缺鐵性貧血如何補鐵。建立實施在后，計劃先行的問題解決意識。

環(huán)節(jié)二：基于認知模型，方案設(shè)計評價

[任務(wù)二】基于上述分析，小組合作討論菠菜樣品的預處理方式及定性檢驗方法。

[方案展示]：

第一小組：

第二小組：

第三小組：

[引導評價]請同學們對比這三組實驗方案設(shè)計，說說你們的想法。

[學生]因為菠菜汁有顏色可能會干擾實驗現(xiàn)象的觀察，所以我覺得第二、三組將濾液脫色考慮很嚴謹;第一、二組的定性檢驗方法比較好，靈敏，直觀，干擾可能會小。

[教師追問]“干擾可能小”的原因是什么，能說說你的想法嗎？

[學生1]因為我還不知道菠菜中有沒有其他還原性物質(zhì)，所以加一滴管氯水可能不足以將二價鐵氧化，另外，如果氯水加過量還會把硫氰化鉀氧化，對鐵元素的檢驗帶來干擾。

[學生2]第三組為什么用硫酸浸泡呢？目的是什么？

[教師組織]可能其他同學也存在這樣的疑惑，我們請第三小組派個代表來給我們說說原因。

[學生3]因為剛剛學過鐵的化合物知識，從含鐵元素的物質(zhì)類別來看，我們感覺鐵元素在菠菜中不一定是鐵的可溶鹽存在形式，還可能是其他鐵的化合物。比如可能是鐵的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽的存在形式，都可以溶于酸，溶出亞鐵或鐵離子，所以我們就考慮用稀硫酸浸泡。

多媒體展示：（圖2）

[學生4]不是所有鐵鹽都能溶于酸，所以實驗現(xiàn)象還是說不準？

[教師反饋]首先，表揚各小組精心的實驗方案設(shè)計，以及同學們積極的分享想法和見解。其次，經(jīng)過方案的評價和反思，同學們都已經(jīng)關(guān)注到了從物質(zhì)類別角度和價態(tài)兩個角度實施物質(zhì)轉(zhuǎn)化和檢測。最后，請同學們根據(jù)老師提供的試劑進行實驗驗證。

（實驗藥品：未脫色菠菜汁、脫色菠菜汁、酸化脫色菠菜汁、硫氰化鉀溶液、鐵氰化鉀溶液;實驗儀器：試管若干、膠頭滴管）

[學生展示實驗結(jié)果]（表2）

[教師提問]能否解釋上述實驗現(xiàn)象的原因以及可能得到的結(jié)論？

[學生1]未脫色菠菜汁無明顯變化可能是顏色干擾;活性炭脫色后的菠菜汁無明顯變化可以推測菠菜中的鐵元素不是自由離子;酸化脫色菠菜汁無明顯變化，可以推斷菠菜中鐵元素不是常見的鐵的氧化物、氫氧化物或者能溶于稀硫酸的鹽。

[教師追問]同學們同意這位同學的觀點嗎？還有其他想法或補充的嗎？

[學生2]我認為還有可能是菠菜中鐵元素含量太低了，所以無明顯變化，沒有檢出。

[教師反饋]很好，同學們經(jīng)過思考不僅可以從存在狀態(tài)角度思考問題，而且還關(guān)注到了“量”的因素進行反思評價。

設(shè)計意圖：在相對應(yīng)的學業(yè)要求中，指出“能利用典型代表物的性質(zhì)和反應(yīng)，設(shè)計常見物質(zhì)分離、提純、檢驗等簡單任務(wù)的方案。能從物質(zhì)類別和元素價態(tài)變化的視角說明物質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑”。以無機鐵鹽為檢測目標，通過菠萊中含鐵元素物質(zhì)類別和價態(tài)的分析，推測物質(zhì)性質(zhì)，尋找預處理方案，解釋可行性，并通過實驗驗證，分析解釋實驗現(xiàn)象背后的原因。

環(huán)節(jié)三：基于轉(zhuǎn)化原理，設(shè)計實施檢測

[教師引導]基于已有知識儲備和實驗方案設(shè)計思路，我們已經(jīng)對菠菜中的鐵元素有了初步的認識，接下來，我們需要查閱相關(guān)文獻和資料進行下一步探究。

[資料]菠菜富含蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、鈣、磷、鐵、維生素A、維生素B1、維生素B2、煙酸、維生素C、維生素K、輔酶Q10等多種營養(yǎng)素。菠菜中的鐵元素是以非血紅素鐵（鐵與蛋白質(zhì)結(jié)合）的形式存在，屬于有機鐵化合物。無機鐵化合物包含常見的鐵的氧化物、氫氧化物、鹽。

[教師提問]同學們知道哪些有機化合物？它們具有的化學通性是什么？

[學生]甲烷、酒精等，可以燃燒。

[教師追問]根據(jù)“資料”，如何檢驗有機鐵化合物？

[學生]將菠菜灼燒后檢驗。

【任務(wù)三】基于焙燒方案，思考如下三個問題：

①如何焙燒菠菜更高效？

②焙燒后，鐵的存在形式？推測依據(jù)？

③焙燒后如何實現(xiàn)Fe3+或Fe2+的檢測？

[學生小組討論并匯報]

[學生1]將菠菜曬干讓其失水，加快灼燒速率。

[學生2]由于是在空氣中焙燒，所以鐵元素主要會以氧化物的形式存在。

[學生3]焙燒后的灰燼用硫酸溶解，然后過濾取濾液進行Fe3+或Fe2+的檢測。

[學生實驗]（實驗藥品：焙燒后酸浸的汁液、硫氰化鉀溶液、鐵氰化鉀溶液;實驗儀器：試管若干、膠頭滴管）

[學生匯報]焙燒后酸浸液檢測出二價鐵，也可能含有三價鐵。

[教師追問]為什么結(jié)果是“可能”含有三價鐵？

[學生補充]可能是二價鐵在酸浸過程中被空氣中的氧氣氧化而產(chǎn)生的。

[教師反饋]這位同學對實驗現(xiàn)象解釋很嚴謹，考慮到了干擾問題。

【任務(wù)四】遷移思考：如果將菠菜直接用濃硝酸浸泡，也可以檢測到Fe3+，請同學們思考硝酸的作用是什么？

[學生回答]將有機物氧化，破壞有機鐵化合物的結(jié)構(gòu)。

[教師反饋]同學們運用類比的思路理解硝酸的作用類似“灼燒”，非常好。用與硝酸直接反應(yīng)也是一種常用的元素提取檢驗方法。

多媒體展示：（圖3）

設(shè)計意圖：從元素化合物類別轉(zhuǎn)化角度思考（有機鐵→無機鐵→Fe3+或Fe2+），通過實驗證據(jù)，說明可能的化學變化，反應(yīng)原理。學會通過類比遷移的思想，分析解釋實驗現(xiàn)象。

小結(jié)：總結(jié)提升，分享收獲

[組織分享]其他食品中含鐵元素的檢測，你有什么思路和想法？

[學生1]可以選擇直接提取、濃縮、轉(zhuǎn)變形態(tài)進行檢測。

[學生2]檢驗食品中的元素要結(jié)合該元素的主要存在形態(tài)以及價態(tài)，并查閱相關(guān)的信息，進行合理方案設(shè)計。

[教師總結(jié)]同學們的認識角度再一次豐富和完善，關(guān)于鐵元素的定量測定我們留到下一課時進行討論。

六、教學反思

1.以真實情境為課程載體，重視真實問題的創(chuàng)設(shè)

“假設(shè)你是食品檢驗員，請規(guī)劃檢測菠菜中鐵元素，需要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)？”“菠菜樣品如何進行預處理？”“如何進行定性檢驗？”這些真實且具有驅(qū)動性的問題，促使學生調(diào)用已有價類二維模型認知圖、設(shè)計實驗方案和討論交流，并在這一過程體會化學學科的社會價值。

2.突顯認知思維模型的應(yīng)用，開展“素養(yǎng)為本”的教學

價類二維模型認知圖是鐵元素及其化合物相關(guān)知識與菠菜中鐵元素檢測的橋梁與紐帶;在教學過程中，有關(guān)菠菜中鐵元素的存在形態(tài)的預測，以及實驗檢測方案設(shè)計的問題，學生可以主動調(diào)用價類二維模型認知圖分析問題、解決問題，促進學生“模型認知”學科核心素養(yǎng)的完善和發(fā)展。

3.注重“教-學-評”一體化

通過前測了解學生情況，制定本節(jié)課的教學與評價目標，課后進行后測，對學生掌握情況進行即時反饋。通過學生在實驗方案設(shè)計、小組討論、方案分享點評等方式，對學生探究思維和化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展水平給予準確把握，充分發(fā)揮了化學日常學習評價的診斷與發(fā)展功能。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[2]化學課程教材研究發(fā)展中心.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019：71

[3]王磊等.基于學生核心素養(yǎng)的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017

[4]張俊華，王瀾，王磊.引導學生運用元素化合物認識模型解決實際問題的教學研究——以“菠菜補鐵是真的嗎”探究教學為例[J].化學教育，2015，36（5）：22-25

*本文系北京市教育科學“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題：基于核心素養(yǎng)的化學教學實驗創(chuàng)新的實踐研究（立項編號：CD-DB18176）;中國化學會“十三五”規(guī)劃2020年度課題“核心素養(yǎng)視域下高中化學選修課程建設(shè)與實施”（項目編號：HJ2020-0026）階段性研究成果。