基于核心素養視域下的化學課堂教學設計

姚明站

摘要：以“鐵肥”為研究對象，基于核心素養視域下，以“項目式學習”為依托，通過設計實驗方案，使用生活化“小”實驗儀器進行實驗求證，構建鐵的價類二維模型，并去解決真實的化學問題，以期培育學生的證據推理和模型認知、變化觀念、科學探究與創新意識等核心素養。

關鍵詞：核心素養;實驗創新設計;控制轉化;實驗微型化

文章編號：1008-0546（2019）04-0046-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.014

一、課程標準

本節教學內容選自蘇教版專題3第二單元《鐵、銅的獲取及應用》，在2017版課程標準[1]中，屬于主題2《常見的無機物及其應用》的內容。在該主題課程標準的[內容要求]里，明確提出：

（1）認識元素在物質中可以具有不同價態，可以通過氧化還原反應實現其的相互轉化;通過化學反應可以探索物質的性質、實現物質的轉化，認識物質及其轉化的重要價值。

（2）結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究鐵的重要化合物的主要性質，了解在生產、生活的應用。

（3）結合實例認識金屬及其化合物的多樣性，了解通過化學反應可以探索物質性質、實現物質轉化，認知物質及其轉化在促進社會文明進步、自然資源綜合利用和環境保護中的重要價值。鐵及其化合物性質的實驗也是必做實驗。

從課標中的要求看，本節內容的學習對于形成元素化合物的核心素養起著重要的作用。

二、教材及學情分析

從本節在《化學1》所處位置看，是在學習了鈉、鎂、鋁相關知識的基礎上，從氧化還原反應和離子反應的視角，進一步認識變價金屬鐵。從教材知識體系上看，打破了以往元素化合物知識學習中的“結構性質——制備——用途”的傳統模式，而是從人們熟悉的這些元素及其化合物在生產生活中的應用事例著手，引發學生產生探究的欲望。這樣使學生在更廣闊的視野下，學習相關知識，培養學生運用化學知識解釋或解決與化學相關的生產生活和社會問題的能力，增強社會責任意識。同時也為教師的教學設計預留了更廣闊的想象空間。

鐵是一種中等活潑程度且有可變價態的金屬，經過初中以及高中入學以來的學習，學生已經學習了鐵和酸反應、鐵的置換反應、鐵和氯氣的反應以及金屬的通性（與非金屬、水、酸、鹽反應），“鐵的重要化合物”主要涉及鐵的氧化物、氫氧化物和鹽。鐵的氧化物知識比較簡單，根據學生的知識儲備，他們能在課前自主學習掌握，所以對本節課內容進行了一些調整，側重于鐵鹽和亞鐵鹽中Fe2+、Fe3+的性質，結合Fe2+與Fe3+的相互轉化的條件來了解氫氧化亞鐵、氫氧化鐵的性質和制備。學生的難點會在實驗方案設計的完整性、試劑選擇的可靠性、現象分析的合理性。

三、教學目標

1.通過探究鐵離子和亞鐵離子的性質及其相互轉化，學習基于證據推理的思維方法，形成化學反應是有條件的，實驗是研究物質的重要方法等觀念，體會同種元素不同價態之間可通過氧化還原反應實現相互轉化。

2.通過氫氧化亞鐵真面目的揭示，體驗物質轉化中選擇條件、控制轉化等的重要意義。

3.體驗“提出問題，猜想假設;設計實驗，科學驗證;分析歸納，方法提升”的科學探究過程，嘗試從化學的視角看待生活中的物質和現象，并運用化學知識解決生產生活中的真實問題，認識物質及其轉化的重要價值，發展學生的證據推理、科學探究、科學精神與社會責任等素養。

四、教學思維導圖

五、教學過程

情境導入

[生]感受美圖（綠色主題的美圖）（好似人間仙境，美的讓人心醉）。

[師]綠色象征著生命，給人新鮮、朝氣、向上、生機勃勃的感覺。“綠色”背后的英雄之一：鐵是葉綠素合成時多種酶的活化劑，植物缺鐵會導致葉綠素合成受阻而患黃化病，施鐵肥后恢復生機，鐵被譽為土壤中的“綠色”元素。

[生]（觀看圖片）感受植物缺鐵時，引發“黃化病”，施用鐵肥后恢復生機。

[師]地殼中鐵含量居第4位，植物為什么還會缺鐵。

資料顯示（資料卡）：

一般認為，Fe2+是植物吸收的主要形式，Fe3+在根系表面轉化成Fe2+才能被吸收。Fe2+易轉化為Fe3+以及堿性土壤會降低鐵的有效性，是植物缺鐵的原因之一。從中可以獲得有關Fe2+、Fe3+的什么信息？

[生]亞鐵離子與鐵離子是可以相互轉化的，且性質也是有差異的。

[設計意圖]通過情境切入本節課學習活動的主角鐵肥（硫酸亞鐵），給學生展示真實的情境，體現了化學源于生活。

環節一初識鐵肥

[師]展示介紹“鐵肥”硫酸亞鐵：“淺綠色”的鐵肥。研磨成粉末后溶于水配成溶液。

[生]觀察新制鐵肥溶液。

[師]投影鐵肥放置于空氣中一個月后發黃（圖片），其原因可能是……

[生]被O2氧化了。

[師]我們必須用實驗來說話。請同學們說說已學過哪些亞鐵鹽和鐵鹽的性質？

[生]展示氯化鐵溶液和硫酸亞鐵溶液，觀察溶液的顏色。討論回答相關性質。

[演示1]各取2mL氯化鐵溶液和硫酸亞鐵溶液，滴加10滴氫氧化鈉溶液，觀察現象。

[演示2]各取2mL氯化鐵溶液和硫酸亞鐵溶液，滴加2滴KSCN溶液，觀察現象。

[生]觀察總結，Fe3+的檢驗（三種檢驗方法：觀察法、NaOH溶液法、KSCN溶液法）。

[演示3]取4mL水，滴加2滴氯化鐵溶液，振蕩后觀察溶液顏色。均分成2份，分別滴加2滴KSCN溶液和10滴氫氧化鈉溶液，觀察現象。

[生]評價Fe3+檢驗的三種方法。

[設計意圖]利用對比的方法，來認識Fe2+與Fe3+的性質以及離子的檢驗是有條件的，靈敏度可信度差異較大。采用觀察法檢驗Fe3+是不靠譜的，黃色溶液不一定是含有Fe3+的，也可能是氯水、溴水等，另外溶液濃度較小時，也難以觀察到溶液顏色;堿法檢驗也要求離子濃度較大，靈敏度較高;而KSCN法檢驗，即使濃度很小也是很靈敏的，應該是首選方案。

環節二探究鐵肥

[過渡]我們就用KSCN溶液和氫氧化鈉溶液來檢驗鐵中的“鐵”。

[學生實驗1]檢驗鐵肥

[生]匯報總結實驗。鐵肥中鐵元素主要是Fe2+，有少量Fe3+。

[師]硫酸亞鐵肥中為什么會有Fe3+？

[生]可能是Fe2+被O2氧化成Fe3+。

[師]從氧化還原反應的視角來看，將Fe2+轉化為Fe3+要提供什么條件？（加入氧化劑），我們可以借助實驗手段來驗證該轉化的發生。

[設計實驗方案]

實驗目的：將Fe2+轉化為Fe3+，并確認該轉化的發生。

提供試劑：鐵肥溶液、KSCN溶液、新制氯水、H2O2溶液、鐵粉、銅粉、VC片。

提出實驗方案，并預測實驗現象。

[師]師生共同分析。

[生]匯報設計，形成方案。

[學生實驗2]

[生]書寫離子方程式，匯報現象，并分析得出結論。

[師]空白對照實驗，是研究物質轉化時常用方法。

[生]通過以上學習，總結證明Fe2+存在的方法。（1）滴入KSCN溶液，無明顯現象或溶液呈淺紅色，加入氧化劑（如雙氧水）后，溶液立即變為血紅色或紅色加深。

2Fe2++Cl2==2Fe3++2Cl-，

Fe3++3SCN-==Fe（SCN）3。

（2）NaOH溶液法。

[師]可否先加氧化劑，再加入KSCN溶液來證明Fe2+的存在？

[生]可以。如果有空白對照實驗即可。

[過渡]展示氫氧化亞鐵沉淀顏色變化，為什么最終變成紅褐色？（被O2氧化），展示有關氫氧化亞鐵的性質[Fe（OH）2在常溫常壓下為白色固體，因易被氧化多呈灰綠色]。

[師]如何制得白色Fe（OH）2沉淀？其關鍵是什么？

[生]除去O2，創造無氧環境。

[師]邊示范邊圖解實驗操作：取1mL新制硫酸亞鐵溶液，將滴管插入氨水液面下，輕輕擠出硫酸亞鐵溶液（不要擠入空氣），觀察現象。

[學生實驗3]氫氧化亞鐵沉淀的制備。

[生]匯報評價實驗。振蕩后再觀察，變成灰綠色。

回顧并總結：（1）實驗成功的關鍵：_______。

（2）具體措施：_______的FeSO4溶液;滴管_______;除去_______的氨水;生成的沉淀_______（沉入或浮于）液面_______（上或下）。

（3）Fe2+遇到OH-的完整現象描述：_______色沉淀迅速變成_______色，最終變為_______色。

[小結]NaOH溶液法證明Fe2+存在的方法：

反應原理：Fe2++2NH3·H2O==Fe（OH）2↓+2NH+4，4Fe（OH）2+O2+2H2O==4Fe（OH）3。

實驗現象：產生白色沉淀迅速變成灰綠色，最終變為紅褐色。

[師]對比鐵肥溶液與Fe（OH）2沉淀變質的快慢，談談酸堿性對Fe*的還原性的影響。

[生]Fe2+在堿性環境下更易被氧化。

[設計意圖]利用氧化還原反應，從本質上認識Fe2+轉化成Fet的原理，結合Fe3+的檢驗，通過實驗驗證這個轉化的發生，并歸納總結證明Fe2+存在的方法，建構與修正離子檢驗模型（直接檢驗與轉化檢驗兩個模型）。讓學生體會同種元素不同價態之間可利用氧化還原反應實現轉化，而物質轉化是需要控制條件的，通過實驗探究，培養學生的變化觀念、科學探究、證據推理和模型認知等素養。

環節三“還原”鐵肥

[過渡]鐵肥中的亞鐵離子易被氧化成鐵離子，而植物主要吸收亞鐵離子，如何提高鐵的吸收率，提出你的設想。

[生]將鐵離子還原為亞鐵離子。需要加入還原劑，常見還原劑有Fe、Cu等。

[設計實驗方案]

實驗目的：將Fe3+轉化為Fe2+，并確認該轉化的發生。

提供的試劑：FeCl3溶液、KSCN溶液、鐵粉、銅粉、VC片。

[生]匯報方案，形成方案。

[學生實驗3]利用學生實驗2的兩份紅色溶液，一份加入VC片，另一份加少量鐵粉（或銅粉），充分振蕩后靜置，觀察現象。

[生]學生實驗，書寫離子方程式，匯報現象，并分析得出結論。2Fe3++Fe==3Fe2+，2Fe3++Cu==2Fe2++Cu2+。

[設計意圖]從氧化還原反應的角度，來指導理解Fe3+的氧化性，提出Fe3+轉化為Fe2+的方法，再次感悟同種元素不同價態之間可通過氧化還原反應實現相互轉化。并逐步完成板書，突出價類二維模型的建構及價值。

[演示4]加VC片褪色的溶液，滴加雙氧水，變紅，振蕩后又褪色。

[應用1]（實驗室中的“Fe”）配制硫酸亞鐵溶液時常加少量鐵粉，且現用現配。為什么？

[生]將被氧氣氧化形成的Fe3+還原為Fe2+。

[應用2]（生產中的“Fe”）常用氯化鐵溶液來腐蝕電路板的銅。

[生]利用Fe3+的氧化性，將銅溶解。

[應用3]（生命中的“Fe”）植物缺鐵的相關原因分析。一般認為，Fe2+是植物吸收的主要形式，Fe3+在根系表面轉化成Fe2+才能被吸收。Fe2+易轉化為Fe3+以及堿性土壤會降低鐵的有效性，是植物缺鐵的原因之

[生]植物缺鐵時會主動產生還原酶，將Fe3+還原為Fe2+以利于植物吸收;堿性土壤致使鐵元素轉化為氫氧化物沉淀而不利于植物吸收。

[應用4]（生命中的“Fe”）人體缺鐵時，補鐵劑常與維生素C同服的原因是什么？

[生]人體能吸收Fe2+，維生素C可以將Fe3+還原為Fe2+。

[小結]物質之間是可以相互轉化的，同種元素不同價態之間能通過氧化還原反應實現轉化，相同價態之間常通過復分解反應實現轉化。在生產生活中，人們可通過選擇條件，控制轉化，進而應用轉化，使化學為人所用。

[設計意圖]通過生產生活中的實例，認識到通過化學反應可以探索物質的性質、實現物質的轉化，認識物質及其轉化的重要價值;體現了“生活即化學，化學即生活”，使學生喜歡上化學，使化學充滿活力，更有趣，體現化學學科價值。

六、教學設計亮點

1.創設真實的問題情境，基于學習活動培養學生素養

本節課沿著“鐵肥”這條線索，設計出：初識鐵肥、探究鐵肥、氫氧化亞鐵的制備、“還原”鐵肥、生產生活中應用等教學過程，在氧化還原理論指導下，實現轉化、確認轉化，通過控制條件，應用轉化，發展了學生的變化觀念.證據推理和模型認知、科學探究、科學精神和社會責任等核心素養。通過實驗室亞鐵鹽溶液的配制、電路板的制作、鐵肥使用和保存、缺鐵性貧血的治療等真實的化學問題的解決，使學生沐浴在真實的情境中，讓化學知識學有所用，體現化學學科價值。

本節課是元素化合物里應用氧化還原反應的典型案例，利用氧化還原反應的特征，分析化合價的變化，分析氧化性和還原性，選擇合適的氧化劑或還原劑實現同一元素不同價態之間的轉化，為不同價態物質的轉化理清了認知結構。通過本節課的學習，從物質類別和元素化合價建立二維模型[2），體現同種元素不同價態間通過氧化還原反應實現轉化，同種元素相同價態間常通過復分解反應實現轉化，為后續S、N等的學習構建模型。當然若是鐵的全部內容學習結束可進一步發展該價類二維模型。

還有，在學習Fe2+和Fe3+的檢驗過程中，也注重建模。Fe3+可用KSCN溶液來檢驗，具有典型現象，是檢驗物質本身;而Fe2+與其它物質反應時通常沒有典型現象，將其先轉化為Fe3+，再檢驗Fe3+以達到目的。構建離子檢驗模型：直接檢驗與轉化檢驗。另外檢驗時，試劑加入順序也是非常有價值的問題。

2.親歷氫氧化亞鐵沉淀短暫一生

實驗設計[3]如下：

（1）取3mL 1mol·L-1氨水和5% Na2SO3（除去氨水中的溶解氧）混合溶液;

（2）用滴管取1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，插入氨水液面下，輕輕擠出（不要擠入空氣），觀察現象;

（3）振蕩，充分接觸空氣，觀察現象。

該實驗成功的關鍵是氫氧化亞鐵不接觸到O2：氨水密度小于FeSO4溶液，產生的沉淀沉入底部;除去氨水中的溶解氧;滴管插入液面下，且不擠入空氣;新制的FeSO4溶液等都是為了隔絕空氣，防止氫氧化亞鐵被氧化。

3.給學生留一扇窗，給思維留下空間

通過實驗，讓學生體驗Fe（OH）2沉淀極易被氧化，而硫酸亞鐵肥的溶液被氧化就慢得多，說明堿性環境下Fe2+更易被氧化，讓學生真正明白控制條件對化學反應的重要意義。但此處并不需要進一步探究，只是給學生打開一扇窗，給學生的思維留下廣闊的空間，鼓勵學生課后查閱資料，進一步學習和探究，決不能固化學生的思維。

4.實驗微型化生活化也是亮點之一

學生實驗使用了塑料眼藥水瓶，控制液體使用量非常便捷;制備氫氧化亞鐵使用了塑料小藥瓶（帶

蓋），藥品使用量少，操作方便，現象非常明顯。使用生活中常見的“小”儀器進行實驗，勢必會激發學生對

化學的興趣，同時也樹立綠色化學的觀念和培養創新精神。

參考文獻

[1]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）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2]吳克勇，蔡子華模型認知解讀及教學思考[J].教學研究與評論（南京），2017（7）：75-78

[3]魏崇啟氫氧化亞鐵制備實驗的創新[J].中學化學教學參考，2018（6）：48