張雄鷹

摘要：以學(xué)科大概念理念為指導(dǎo)思想，通過微項目“定性和定量探究黑木耳中的鐵元素”的教學(xué)研究，探討微項目教學(xué)設(shè)計在鞏固必備知識、提高關(guān)鍵能力、發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)等方面的優(yōu)勢，并通過這些優(yōu)勢使元素及其化合物知識結(jié)構(gòu)化，提高學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：大概念;鐵元素;定性;定量;微項目

文章編號：1008-0546（2021）08-0023-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.007

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）明確指出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“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”5個方面。5個方面立足高中學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)過程，各有側(cè)重，相輔相成[1]。項目式教學(xué)被認(rèn)為是最具核心素養(yǎng)融合發(fā)展效力的教學(xué)方式。該教學(xué)模式通過創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，轉(zhuǎn)變教與學(xué)的方式，融合發(fā)展學(xué)生素養(yǎng)[2]。微項目學(xué)習(xí)是將項目式學(xué)習(xí)微型化，打破傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)模式，在保證學(xué)習(xí)效率的前提下將微項目學(xué)習(xí)作為突破口，使師生理解并掌握知識內(nèi)容及能力[3]。微項目學(xué)習(xí)是一種新型學(xué)習(xí)模式，相對于項目式學(xué)習(xí)來說，微項目學(xué)習(xí)占用的課時時間少，可在較短的時間內(nèi)快速引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。

一、微項目教學(xué)主題分析

鐵是課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)習(xí)的典型金屬元素之一。對于這一重要的金屬及其化合物知識，人教2019版教材單獨安排了一節(jié)內(nèi)容，即必修第一冊第三章第一節(jié)“鐵及其化合物”。介紹了鐵及其化合物的基本知識后，教材更是依托多種真實情境設(shè)計了多個欄目。如其中的“研究與實踐”欄目，教材選擇了常見食品作為研究對象，通過研究檢驗這些食品中是否含有鐵元素，既可達(dá)到檢測學(xué)生對于鐵及其化合物的必備知識的認(rèn)識水平，又可充分發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。根據(jù)分析，該情境的設(shè)計主要是基于定性探究的學(xué)科大概念思想。

在實驗中如果僅僅是讓學(xué)生按照已有方案實施的實驗活動，就不是探究活動，更不是深度學(xué)習(xí)，是傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，或者叫作淺表式學(xué)習(xí)[5]。事實上，在此前的教學(xué)中學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了質(zhì)量、物質(zhì)的量等跟定量有關(guān)的概念以及計算方法，因此，筆者認(rèn)為，若以學(xué)科大概念理念為指導(dǎo)思想，以價類二維圖為引子，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度進(jìn)行思考交流，學(xué)生是可以進(jìn)一步設(shè)計出定量檢測方案的。若能基于高一學(xué)情，進(jìn)行黑木耳中鐵元素的定量探究，則學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)可以得到更好的落實。

最終，筆者決定以“定性和定量探究黑木耳中的鐵元素”作為微項目，和學(xué)生們一起展開探究。通過該微項目的教學(xué)，不但可以鞏固學(xué)生對Fe2+、Fe3+的認(rèn)識，還可提升學(xué)生對不同價態(tài)鐵元素相互轉(zhuǎn)化的認(rèn)識，同時促進(jìn)了元素及其化合物知識模型構(gòu)建觀念的形成，在發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)方面有著一定的優(yōu)勢。

二、微項目教學(xué)目標(biāo)

1.通過獲取黑木耳提取液的實驗設(shè)計，診斷認(rèn)識物質(zhì)的水平，促進(jìn)化工思想的形成，增強科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任素養(yǎng)。

2.通過黑木耳中鐵元素的定性檢驗，診斷實驗探究的水平和認(rèn)識物質(zhì)的水平，形成物質(zhì)探究的一般思路，增強宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

3.通過黑木耳中鐵元素的定量測定，診斷對物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化思路的認(rèn)識水平，解決實際問題的能力水平，建立物質(zhì)性質(zhì)與測量方法的關(guān)聯(lián)，提升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)知素養(yǎng)。

三、微項目任務(wù)及教學(xué)流程

微項目任務(wù)及教學(xué)流程見表1。

四、微項目實施過程和學(xué)生學(xué)習(xí)成果

【教師提出項目驅(qū)動性任務(wù)】鐵是人體必需的微量元素。食用富含鐵元素的食品，可以補充人體所需的鐵元素。據(jù)說黑木耳中鐵元素含量豐富。該從哪些角度對此進(jìn)行驗證？

【學(xué)生拆解驅(qū)動性任務(wù)】（1）驗證有沒有鐵元素（定性）;（2）驗證鐵元素的含量（定量）。

【教師提出子任務(wù)l】該如何獲得黑木耳提取液？實驗的依據(jù)是？

【學(xué)生提出方案1】水浸：取新鮮黑木耳109，將木耳剪碎后放在研缽中研磨，然后倒入燒杯中，加入30mL蒸餾水，攪拌。將上述濁液過濾，得到的濾液作為試驗樣品。該方案是模仿教材中菠菜提取液的獲得方法。

【學(xué)生提出方案2】酸浸：取新鮮黑木耳10g，將木耳剪碎后放在研缽巾研磨，然后倒入燒杯中，加入30mL稀鹽酸，攪拌。將上述濁液過濾，得到的濾液作為試驗樣品。根據(jù)生活經(jīng)驗，黑木耳難溶于水，水浸效果可能較差，結(jié)合鐵及其化合物的性質(zhì)，用酸浸的成功率可能更高。

【教師評價】大家的設(shè)計思路是正確的。事實上，在化工生產(chǎn)中，水浸和酸浸都是常用的原料預(yù)處理方法。這兩種方法是從物質(zhì)的溶解性出發(fā)的。除了水浸和酸浸之外，有些物質(zhì)還可以考慮使用堿浸的方法。

【教師追問】根據(jù)生活經(jīng)驗，思考浸泡時間是否對提取液中鐵元素的濃度產(chǎn)生影響？稀鹽酸濃度呢？

【學(xué)生觀點1】浸泡時間的長短會影響提取液中鐵元素的濃度，這就好像煮湯一樣，熬的時間越長，湯就越濃。

【學(xué)生觀點2】稀鹽酸的濃度會影響提取液中鐵元素的濃度，這就好像洗衣服一樣，放的洗衣液越少，漂白效果就越差。

【教師評價并提出子任務(wù)2】很好。依據(jù)大家的方案，老師為大家提供了以下幾種黑木耳提取液：（1）用水浸泡了12h的水浸提取液;（2）用Imol/L的鹽酸浸泡了1h的酸浸提取液;（3）用4mol/L的鹽酸浸泡了th的酸浸提取液。請大家根據(jù)Fe2+和Fe3+的檢驗方法，設(shè)計出鐵元素的檢驗方法，完成黑木耳中鐵元素的定性檢驗。

【設(shè)計實驗并完成子任務(wù)2】在三種提取液中先加入KSCN溶液，觀察，若無明顯現(xiàn)象，再加入H2O2溶液，觀察現(xiàn)象。

【現(xiàn)象及結(jié)論】（l）黑木耳水浸提取液加入KSCN溶液，無明顯現(xiàn)象，再加入H2O2溶液，仍舊無明顯現(xiàn)象，說明黑木耳中的含鐵物質(zhì)不溶于水。（2）用Imol/L的鹽酸浸泡得到的酸浸提取液，加入KSCN溶液，無明顯現(xiàn)象，再加入H202溶液，通過空白對照實驗，發(fā)現(xiàn)溶液變成淺紅色，說明黑木耳中含有鐵元素，且以二價鐵的形式存在。（3）用4mol/L的鹽酸浸泡得到的酸浸提取液，加入KSCN溶液，無明顯現(xiàn)象，再加入H2O2溶液，溶液變紅，說明黑木耳中含有鐵元素，且以二價鐵的形式存在。

【教師追問】目前我們所學(xué)過的關(guān)于鐵元素的檢驗主要有兩種方法，除了KSCN溶液外，也可以用NaOH溶液。本實驗可否用NaOH溶液來檢驗鐵元素的存在形式？

【學(xué)生觀點】不可以，因為得到的氫氧化亞鐵沉淀很容易被空氣中的氧氣氧化，從而無法準(zhǔn)確判斷黑木耳中鐵元素的存在形式。

【教師評價】很好。可見我們在進(jìn)行物質(zhì)的定性檢驗時，要充分考慮離子間的相互干擾。

【教師提出子任務(wù)3】測定黑木耳中鐵元素的含量要考慮什么問題？如何達(dá)到實驗?zāi)康模?/p>

【學(xué)生觀點】測定黑木耳中鐵元素的含量要確保鐵元素完全被浸出。由于鹽酸濃度不同，浸泡效果不同，所以應(yīng)該逐步增加鹽酸的濃度，直到滴入KSCN和H2O2后，溶液顯色效果不再出現(xiàn)明顯變化，才可認(rèn)為浸泡已經(jīng)達(dá)到最好效果。

【教師評價】上述方法是一種較為科學(xué)的方法。除此以外，我們同樣可以借鑒化工生產(chǎn)中的經(jīng)驗。在化工生產(chǎn)中，除了水浸、酸浸和堿浸等方法外，灼燒、焙燒也是常用的原料預(yù)處理方法。事實上，在黑木耳中，鐵的存在形式為有機鐵。有機鐵灼燒后可轉(zhuǎn)化為鐵的氧化物。因此黑木耳灼燒灰化后，再用鹽酸浸泡，其中的鐵元素便能充分浸取出來。

【教師追問】有了黑木耳濃縮提取液，又該如何實現(xiàn)黑木耳中鐵元素含量的測定呢？請設(shè)計實驗方案，并在價類二維圖（圖1）中將方案中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程用箭頭標(biāo)出來。

【學(xué)生提出方案1】加入氧化劑，如H202，將Fe2+全部氧化為Fe3+，然后加入NaOH溶液，使Fe3+完全轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵沉淀，過濾，洗滌，干燥，稱量，通過鐵元素守恒，可計算出黑木耳中鐵元素的含量。

【教師追問】評價該方法存在什么缺陷？應(yīng)該如何改進(jìn)？

【學(xué)生觀點】氫氧化鐵在烘干過程中容易分解?？梢酝ㄟ^兩種方法改進(jìn)：第一，可以在低溫下烘干;第二，可將氫氧化鐵灼燒至恒重，使之完全轉(zhuǎn)成氧化鐵，再稱量。

【學(xué)生提出方案2】加入還原劑，如鋅粉，將鐵元素全部還原為鐵單質(zhì)，過濾，洗滌，干燥，稱量。

【教師追問】評價該法存在什么缺點，如何處理？

【學(xué)生觀點】用鋅做還原劑，為了使提取液中鐵元素全部被置換出來，鋅粉要過量，會影響鐵質(zhì)量的稱量結(jié)果。應(yīng)用磁鐵將鐵粉分離出來。

【教師評價】很好。上述兩種方案都是利用了稱量沉淀的方法。主要缺點在于轉(zhuǎn)化步驟多，過程中損失的鐵元素較多，所以會有一定誤差。除了這兩種方法外，高年級的同學(xué)還為我們提供了以下方法，請大家評價一下這些方法。

【學(xué)習(xí)評價】滴定法：酸浸后的溶液，先利用還原劑將Fe3+轉(zhuǎn)化成Fe2+，再利用已知濃度的高錳酸鉀與Fe2+按照特定比例發(fā)生氧化還原反應(yīng)計算Fe2+的量。（ SFe2++Mn04+8H+=5Fe3++Mn2++4H2O）。該法的關(guān)鍵在哪里？是否還有其他干擾？

【學(xué)生觀點l】關(guān)鍵在還原劑的選擇，不能用鋅，過量的鋅會將亞鐵離子還原成鐵單質(zhì)，不能用鐵，會引入鐵元素。應(yīng)選擇銅。

【學(xué)生觀點2】酸浸后的溶液含有氯離子等還原性物質(zhì)會對實驗造成干擾。

【教師評價】通過上述方法，我們知道了利用物質(zhì)轉(zhuǎn)化是可以達(dá)到定量檢測的目的的。不過，我們也發(fā)現(xiàn)了這些方法均有一定缺陷。所以如果我們想要更加準(zhǔn)確地測定黑木耳中鐵元素的含量，還應(yīng)該使用更加好的方法，如比色法。至于比色法怎樣操作，大家課后可以去查閱資料了解。

【課后評價】胃可舒是一種常見的胃藥，其主要成分如下：含氫氧化鋁400g、碳酸鈣250g、碳酸鎂150g、碳酸氫鈉200g、顛茄浸膏2.5g、薄荷油2.89mL，混合制成散劑。請根據(jù)上述資料，設(shè)計實驗定性和定量探究胃可舒中的氫氧化鋁。（用流程圖表示）。已知：Al（ OH）3+3 H+ =Al3++3H20

Al（ OH）3+0H-=A102-+2H20

五、教學(xué)效果與反思

本項目的實施對象是高一學(xué)生，教學(xué)效果的探查主要來自課堂表現(xiàn)和課后評價兩方面。課堂表現(xiàn)方面，從學(xué)生對于三個子任務(wù)的完成度，可以判斷項目式學(xué)習(xí)的開展有利于幫助學(xué)生形成深度思考，使學(xué)生對于知識的理解外顯化，讓學(xué)生和教師之間有著更深入的交流。課后評價方面，是模仿本項目的探究方向，以定性和定量探究胃可舒巾的氫氧化鋁作為真實情境。雖然都是定性和定量探究，但該情境所需要的必備知識來源于新信息，因此并非簡單的模仿，只有對本項目真正了解并能遷移應(yīng)用，才有可能較好地完成探究任務(wù)。從反饋結(jié)果來看，學(xué)生對于定性和定量實驗的方案設(shè)計有了較為深刻的理解。主要表現(xiàn)在他們能考慮到雜質(zhì)的干擾，懂得利用物質(zhì)的特性實現(xiàn)氫氧化鋁的檢驗，以及懂得利用物質(zhì)的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)氫氧化鋁的定量檢測。這說明學(xué)科大概念理念正在他們的思維中生根發(fā)芽，學(xué)科素養(yǎng)通過該項目的實施得到了較好的落實。

該項目的實施過程中，主要要考慮三個問題。第一，黑木耳提取液的獲得需要較長的時間，要提前為學(xué)生做準(zhǔn)備。但是如果教師直接準(zhǔn)備，則少了探究的味道。因此，在實施過程中，針對不同層次的班級，準(zhǔn)備了兩個方案，一個是通過課前預(yù)習(xí)的方法，讓學(xué)生設(shè)計方案，然后教師再根據(jù)學(xué)生的方案進(jìn)行提取液的準(zhǔn)備;另一個是教師通過大概念理念的引導(dǎo)方式，使學(xué)生在課堂上所設(shè)計的方案盡量靠近教師的方案，然后通過對學(xué)生的進(jìn)一步指導(dǎo)，完善方案。兩種過程各有千秋。這也說明了教無定法，只要教學(xué)目標(biāo)明確，做到以生為本，素養(yǎng)為本，則是成功的做法。第二，價類二維圖使用的必要性。事實證明，在使用了價類二維圖后，學(xué)生能較容易地將物質(zhì)的性質(zhì)與測量方法關(guān)聯(lián)起來。價類二維圖在元素及其化合物的學(xué)習(xí)中，尤其是項目式學(xué)習(xí)的落實過程中，起著很好的橋梁作用。而價類二維圖正是學(xué)科大概念理念下的產(chǎn)物。由此可見，基于學(xué)科大概念理念的項目式教學(xué)對于鞏固必備知識、提高關(guān)鍵能力、發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)有著天然的優(yōu)勢，因此應(yīng)該盡量推廣。第三，項目式學(xué)習(xí)的開展，必須要有針對性。不同年級的學(xué)生，其學(xué)習(xí)能力水平是不同的，再加上選科要求的不同，課時安排，教學(xué)難度也會發(fā)生變化。對于高一學(xué)生而言，他們所掌握的化學(xué)知識還比較有限，因此開展微項目教學(xué)是更合理的選擇。

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本文系2020年度中小學(xué)教師教育教研能力提升計劃項目階段成果（項目編號2020YQJK403）。