基于實驗探究發展學生化學核心素養的教學設計

高佳玉 張援 王偉群

摘要： 科學探究在化學課程發展學生核心素養中處于核心地位，也是學生學習化學課程的重要方式。實驗探究是化學科學探究最重要的形式。基于實驗探究進行“鐵及其化合物”的高三復習課教學，設計了系列實驗探究活動，在幫助學生對知識體系進行重構的過程中，促進學生建立宏微觀念，認識物質變化，建構認知模型，感受學科價值，全面發展學生的學科核心素養。

關鍵詞： 實驗探究; 核心素養; 高三化學復習; 鐵及其化合物

文章編號： 10056629（2020）10005605

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 指導思想

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中素養4“科學探究與創新意識”要求學生認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動;能發現和提出有探究價值的問題;能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行探究;勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新[1]。吳星教授認為“科學探究和創新意識”處于化學學科核心素養的中心位置;“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”以化學科學探究為載體，又是化學科學探究的研究內容和思維視角;“證據推理與模型認知”是化學科學探究形成結論的思維方法;“科學態度與社會責任”是化學科學探究在情感態度和價值觀維度的重要成果[2]。教學中怎樣才能發揮科學探究的中心地位，輻射全面的學科核心素養？本文以“鐵及其化合物”的高三復習課教學為例，通過引導學生開展一系列實驗探究活動，探索基于科學探究全面發展學生化學學科核心素養的路徑。

2 教學分析

高中化學必修1中的“鐵及其化合物”是重要的元素化合物知識，也是生產和生活中最為常見的物質。結合真實情境中的應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，了解它們在生產、生活中的應用[3]，這是課程標準給出的教學最低要求。但高三復習課和新授課的要求肯定不同，再次羅列物質的性質、用途等知識“炒個冷飯”，是遠遠不夠的。利用《物質結構與性質》《化學反應原理》等模塊知識對鐵及其化合物知識進行重構，讓學生站在更高的平臺上去審視鐵及其化合物，進而加深對化學反應原理和物質結構知識的理解，是十分必要的。

高三學生雖有較成熟的心智，但如果處于長時間的題海中還是會身心俱疲。創設生動的教學情境，讓學生通過實驗探究，綜合運用知識解決問題，不僅可以使重構的知識變得鮮活，也能促進學生素養的全面提升。特別是這個階段的學生已經具有一定的探究能力，掌握了較全面的化學知識，具備了較熟練的實驗技能，通過實驗探究引導學生運用知識解決問題，是可行的。

3 教學目標

本節課力求以實驗探究為基礎，將核心素養的發展滲透到“鐵及其化合物”復習課的教學中，并由此設定了課時教學目標，如圖1所示。

4 教學過程

本節課圍繞“鐵及其化合物”的復習，通過實驗探究，將整個學習過程分為4個環節，環環相扣，層層深入，引領學生建立和深化化學基本觀念，提高學生的問題解決能力，發展學生的化學學科核心素養。

4.1 創設情境，揭開美麗之謎

[回顧情境并重復實驗]剛過去不久的學校秋季運動會上，本班方隊經過主席臺時，班長向同學拉起的“空白”橫幅上噴灑FeCl3溶液，橫幅上頓時顯示出不同顏色的文字，組成了班級運動會宣言，這一創意獲得了學校頒發的“最佳創意獎”。

[引導思考]請同學們以小組為單位，討論白色條幅顯現彩色字體的化學原理。

[討論交流]學生提出各種猜測，教師揭秘橫幅上預先寫字所用的溶液，字體顏色和與所用溶液的對應關系如表1所示。

[過渡]鐵元素是一種過渡元素，過渡元素的化合物往往都有顏色，這和過渡元素原子（或離子）的外圍電子排布有關。請同學們分別寫出Fe、 Fe2+、 Fe3+的電子排布式。

[練習書寫]Fe 1s22s22p63s23p63d64s2， ?Fe2+[Ar]3d6， Fe3+[Ar]3d5。

[教師小結]結構決定性質，Fe2+和Fe3+3d軌道上的電子排布是導致其形成不同顏色化合物的原因所在。我們可以將常見含鐵元素的物質顏色及其價態、類別做一個歸納，如圖2所示。

教學分析： 本節課的導入創意新穎別致，通過一個有趣的活動場景，在彰顯化學學科美的同時，很好地激發了學生的學習興趣。但課堂教學并未止步于“美”，而是通過探索“美”的化學本質，復習了Fe、 Fe2+、 Fe3+三者的電子排布知識，通過回憶常見含鐵的化合物的顏色，建立起鐵及其化合物的分類知識網絡，使得“結構決定性質”這一化學觀念得以體現，將學科核心素養中“宏觀辨識與微觀探析”的培養落到了實處。

4.2 引導探究，認識物質反應

[情境創設]“粉墻黛瓦”是姑蘇建筑的重要特征。黛瓦通常指的是青色的磚瓦。紅磚也是一種常見的建筑材料。

[實驗探究]向學生展示紅磚的斷面，磚的外層呈現紅色，內部呈現灰色。

[引導討論]紅磚內外顏色不同，據說是由于其中鐵元素的價態不同引起的，請同學們設計實驗方案來驗證這種說法。

學生甲： 取磚塊外部紅色碎屑，研成細粉，裝入試管中，滴加適量稀鹽酸溶解片刻后過濾，向濾液中滴加KSCN溶液，若溶液變紅，說明溶液中含有Fe3+，則磚塊外部可能含有Fe2O3。

學生乙： 取磚塊內部灰色樣品，研成粉末，裝入試管中，滴加適量稀鹽酸，過濾，向濾液中滴加KSCN溶液，溶液不變紅，再滴加氯水，若溶液變紅色，說明原溶液中含有Fe2+，則磚塊內部可能含有FeO。

學生丙： 檢驗磚內部灰色樣品時不應該滴加KSCN溶液，而應將其滴加入酸性KMnO4溶液中，若溶液褪色，說明溶液中含有Fe2+，則磚塊內部可能含有FeO。

[引導實驗]三位同學設計的方案看起來都是有理有據，但結果怎樣還需要實驗證明。請大家分三組完成三個方案的實驗。

[學生實驗]實施對應學生甲和學生乙實驗方案的小組同學在滴加KSCN試劑后，發現溶液都立即變紅;實施對應學生丙實驗方案的小組同學發現酸性KMnO4溶液褪色。

[引導討論]甲同學和丙同學的實驗方案都得到了驗證，但是乙同學的方案實驗現象與預想的并不一致，請思考如何來解釋？

[教師歸納]雖然從表面上看磚塊外面是紅色里面是灰色，這實際上是由于在燒制過程中，磚塊內外黏土所處的溫度、空氣、水分等環境因素不同造成的，這反映出磚塊內部黑色物質的成分并不單一。因此，在檢驗Fe2+時要考慮其中含有Fe3+的可能性。

學生丁： 既然磚塊內部成分復雜，丙同學實驗方案中酸性KMnO4溶液褪色，也有可能是酸性KMnO4氧化其他還原性物質的結果，不一定是Fe2+。

教學分析： 這個環節也是學生利用“鐵三角”模型解決問題的過程，不僅能加深對鐵單質及其化合物轉化關系的理解，也由于問題融合了實驗設計、分析推理和歸納應用等學習過程，提高了能力。加之這又是一個實際的生產問題，是通過巧妙的設計達到目的，學生在欣賞化學知識解決問題的同時，也感受到化學的學科價值。

5 教學反思

不同于一般的復習課，高三復習不應該是以往知識的簡單梳理和歸納，教學中如果能以元素化合物知識為載體，融通不同模塊的知識，基于實驗進行探究教學，可以幫助學生以不同視角進行知識建構，運用知識解決復雜問題，促進學科核心素養的全面發展。

5.1 復習課可以落實發展學生學科核心素養

復習課不僅為應試，也可以發展學生的學科核心素養，關鍵在教學設計。本節課基于實驗探究，從過渡元素鐵的核外電子排布特征引出“結構決定性質”，進而對“鐵及其化合物”的性質做一系列復習，學生在綜合運用知識解決問題的過程中，學習方式和思維方式得到轉變，發展了化學學科核心素養。

5.2 素養的發展比掌握具體的知識更重要

元素周期表中一百多種元素能形成的化合物不計其數，性質也是千差萬別。就本節課涉及的鐵及其化合物的知識就足以讓我們充分理解這一點。掌握那么多具體的知識對任何一個人都是不可能的，也是不必要的。將教學重心從讓學生掌握具體知識轉向素養的發展，特別是核心素養的發展，是教學的重中之重，包括復習課的教學。因為那些關鍵能力和必備的品格，才是學生發展之本，終身受用。

5.3 “實驗探究”可以成為全面發展學生化學學科核心素養的核心

實驗是化學學科的特點，基于實驗探究合理設計教學可以全面促進學生學科核心素養的發展。在實驗現象的觀察與解釋、實驗結果的分析和推理、實驗方案的設計與實施中，不僅能充分調用學生頭腦中已有的知識解決問題，進行知識的復習，還能在解決問題的過程中，全面提升學生的化學學科核心素養。

參考文獻：

[1][3]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）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]吳星. 對高中化學核心素養的認識[J]. 化學教學， 2017， （5）： 3～7.

[4]陸國琴. “問題鏈”在元素化合物教學中的應用——以“鐵及其化合物的轉化”教學為例[J]. 化學教與學， 2015， （2）： 40～41.