以“核心素養”為本的實驗課程設計

溫曉杰 李傳雄

[摘? ?要]實驗是中學化學教學的重要組成部分，它有助于培養學生的科學思維和創新意識。文章以Fe（OH）3膠體制備實驗為例，詳細闡述了以“核心素養”為本的實驗課程設計。首先，以Fe（OH）3膠體的制備實驗為切入點，采用控制變量法對制備條件進行探究;然后，引導學生通過丁達爾現象區別膠體和溶液，并提出濁液是否具有丁達爾效應的問題;接著，通過探究實驗驗證該觀點，并引出新知——膠體聚沉的條件;最后，將聚沉原理與膠體實際應用——凈水相結合，升華所學知識。

[關鍵詞]Fe（OH）3膠體;制備實驗;核心素養;課程設計

“Fe（OH）3膠體制備實驗”是高中階段的第一堂實驗課，對學生理性思維的啟蒙和實驗探究精神的激發起著重要作用。本節課的課程設計以科學精神為指導，以學生的自主探究為主線，以培養實踐創新能力和社會責任感為目標。課程首先以教材上的演示實驗為出發點，通過控制變量法探究膠體制備的幾個必要條件——蒸餾水、沸水和飽和FeCl3溶液;然后通過丁達爾效應區分溶液和膠體，并提出濁液是否會產生丁達爾效應的問題;最后引導學生以Fe（OH）3膠體為原料制備懸濁液，并對濁液的丁達爾現象進行探究。此過程中還可引出膠體的聚沉方法，并遷移出膠體的實際應用價值（凈水），最后不僅可以培養學生的動手能力和科學態度，還可以發揚創新精神。

一、教學設計

環節一：實驗引入，激發興趣

【實驗引入】參照教材實驗1-1的步驟完成Fe（OH）3膠體的制備實驗，并思考：為何選用這種方法制備膠體？是否可用在FeCl3溶液中滴加NaOH溶液的方法來制備？

【學生回答】根據初中的化學知識，向FeCl3溶液中滴加NaOH溶液并不會制得Fe（OH）3膠體，而是產生Fe（OH）3沉淀，因此不能用此方法來制備Fe（OH）3膠體。教材中的方法制備過程的要求較多，可能跟膠體的特殊性有關。

設計意圖：首先，通過新奇的化學實驗吸引學生的注意力并引入課題;隨后，通過提問的方式引導學生回顧初中化學知識，并引出Fe（OH）3膠體制備條件的苛刻性，為探究Fe（OH）3膠體的制備步驟埋下伏筆。需要注意的是，在新課導入環節中，教師可先略講采用沸水法制備膠體的原因，把它作為懸念，引發學生思考。

環節二：設計實驗，自主探究

【追問】制備Fe（OH）3膠體需要哪些必要條件？請通過實驗進行探究。

【學生A】沸水是制備Fe（OH）3膠體的必要條件。通過對比實驗進行探究：第一組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液;第二組，在蒸餾水中直接滴加5～6滴FeCl3飽和溶液。

【學生B】蒸餾水是制備Fe（OH）3膠體的必要條件。通過對比實驗進行探究：第一組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液;第二組，自來水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液。

【學生C】FeCl3飽和溶液也是制備Fe（OH）3膠體的必要條件。通過對比實驗進行探究：第一組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液;第二組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3稀溶液。

【教師總結】沸水、蒸餾水和FeCl3飽和溶液是制備Fe（OH）3膠體的三個必要條件。它的制備原理為[FeCl3+3H2O△ ]Fe（OH）3（膠體）+3HCl。加熱可以使HCl揮發從而使膠體的制備反應得以發生;如果不加熱，就僅僅是對FeCl3溶液進行稀釋。同時，自來水中含有較多的Cl-、Ca2+、Mg2+等離子，會使Fe（OH）3膠體變成沉淀;而蒸餾水含有的離子數目較少，不會使Fe（OH）膠體沉淀。FeCl3飽和溶液的加入是為了增大FeCl3的濃度，使化學平衡向右移動，有利于Fe（OH）3膠體的生成。

設計意圖：為培養學生捕捉問題的能力和促進學生學會應用控制變量法，該部分內容被設計為探究性實驗。除此之外，教師可通過板書展示化學方程式，提升學生書寫化學方程式的能力。值得注意的是，膠體的制備步驟涉及化學平衡、鹽類水解等復雜的物理化學過程。在授課過程中，教師要把握“先薄后厚”的原則，即先請學生記住Fe（OH）3膠體制備的步驟把知識學“薄”，隨后提供有關化學平衡的資料作為課外學習再把知識學“厚”。

【提問】膠體和溶液都有均一透明的性狀，如何區分兩者呢？

【學生回答】用紅色激光筆照射液體，如果出現光亮的“通路”，則是膠體;反之，則是溶液。

【追問】濁液是否具有丁達爾現象？請利用現有的藥品和器材制備濁液并進行驗證。

【學生活動】實驗探究。（見表1）

【教師總結】濁液沒有丁達爾現象。丁達爾效應與分散質粒子的尺寸相關：當粒子尺寸在1～100 nm時，粒子尺寸與光的波長相近，粒子會對光有散射作用，因此可觀察到光的“通路”;當粒子尺寸小于1 nm時，不能發生光的散射，因此沒有丁達爾現象;當粒子尺寸大于100 nm時，由于粒子尺寸較大，光全被粒子反射了，因此也沒有丁達爾現象。

設計意圖：除了像傳統教學中使用丁達爾現象區分膠體和溶液，本部分增加了探究“濁液的丁達爾效應”的環節。首先，通過Fe（OH）3懸濁液的制備實驗，培養學生“科學探究與創新意識”化學學科核心素養。該部分內容還為膠體聚沉的概念和方法埋下了伏筆。隨后，詳細闡述了丁達爾效應的微觀機理——光的散射，實現了宏觀辨識與微觀探析相結合。

環節三：刨根問底，獲得新知

【追問】產生濁液的原因是什么？請同學們設計實驗進行探究。

【學生活動】歸納實驗探究結果。（見表2）

[ 猜想原因 實驗設計 實驗現象及結論 學生A CuSO4使Fe（OH）3膠體變成沉淀。 對濁液過濾，觀察沉淀顏色;再向沉淀中加入鹽酸，觀察溶液的顏色 沉淀呈棕褐色，鹽酸溶解后的溶液為棕黃色，推測CuSO4使Fe（OH）3從膠體變成沉淀。 學生B CuSO4與Fe（OH）3發生反應并產生沉淀。 沉淀呈棕褐色，鹽酸溶解后的溶液為棕黃色，推測CuSO4沒有與Fe（OH）3發生反應。 ]

【教師總結】CuSO4溶液可以使Fe（OH）3從膠體變成沉淀，像這樣從膠體變成沉淀的過程叫作膠體的聚沉。根據表1的實驗探究結果可知，加入CuSO4、加熱和攪拌都可以使Fe（OH）3從膠體變成濁液。膠體聚沉的方法主要包括加熱、攪拌和加入像CuSO4這樣的電解質。

【追問】三種膠體聚沉方法的微觀機理分別是什么？

【知識拓展】膠體變成濁液的實質是分散質粒子尺寸變大。加熱是通過增加熱運動，使膠體粒子碰撞在一起的機會變大，從而增大粒子尺寸;攪拌是通過增加膠體粒子的碰撞概率，從而增大粒子尺寸;大部分膠體粒子帶電，電解質（異種電荷的離子）的加入會使膠粒聚集，從而增大粒子尺寸，最終變成濁液。

設計意圖：在該環節中，先通過實驗探究的方式引出新知識——膠體的聚沉，不僅使學生印象深刻，還培養了學生的化學實驗能力。隨后，通過知識拓展的形式，從微觀的角度分析了加熱、攪拌和加入電解質三種膠體聚沉方法的微觀機理。整個過程體現了“證據推理與微觀探析”化學學科核心素養。

環節四：歸納總結，回歸應用

【情境創設】膠體在實際生產生活中有很多應用，例如它可作為一種凈水材料。結合本課程所學知識，分析一下膠體凈水的原理。

【學生回答】根據膠體的聚沉原理，膠體可以吸附水中的離子和不溶物，并以沉淀的形式析出，再通過過濾操作，就可以實現凈水的作用。膠體粒徑較小，表面積較大，吸附量也較大，綜合考慮成本和凈水能力，常用于工業和生活凈水。

【教師總結】明礬（KAl（SO4）2·12H2O）常常用于凈水，就是因為它在水中可產生Al（OH）3膠體。除此之外，膠體還可應用于農業生產、醫療衛生、廢水處理、食品工業等領域。

設計意圖：將所學知識與實際應用相結合，培養學生解決實際問題的能力，并使他們感受到化學的魅力和作用，這體現了“科學精神與社會責任”化學學科核心素養。

二、教學反思

化學是一門以實驗為基礎的學科。實驗是化學之魂，古往今來，從拉瓦錫發現氧氣到夏蓬迪埃和杜娜開發的基因編輯技術，都是通過大量嚴謹的科學實驗來實現的。實驗不僅可以促進新理論的發現，還可以推動人類科學技術的發展。然而，實驗技術的提升和科學思維的培養不是一蹴而就的，“不積跬步，無以至千里;不積小流，無以成江海”，因此開展實驗教學，從小培養學生的科學意識十分重要。

在高中階段，學生的智力迅速發展，高中課程實驗教育必不可少，它不僅可以激發學生的學習興趣，還可以培養學生的科學思維和創新意識，這為學生日后的科研和學習奠定了基礎。因此，在課時允許的條件下，應多進行課堂實驗演示、實驗探究和課外實驗活動等。

巧妙提問和即時捕捉課堂生成是實驗課程的關鍵。課堂提問是一門藝術，好的提問不僅可以調動學生的學習積極性，營造良好的課堂氛圍，還有利于教學環節的推進。在制備Fe（OH）3膠體的實驗課程設計中，提問一環扣一環，從“制備Fe（OH）3膠體的必要條件”到“探究濁液的丁達爾效應”。在探究過程中，學生不僅可以獲得新的知識，還鍛煉了動手能力和掌握了科學思維方法。即時捕捉課堂生成也是實驗課程的關鍵。實驗課上往往會出現一些“意外”，如預料之外的實驗現象、一些意外“事故”等，把握住這些“意外”，對生成問題進行探討或拓展，不僅可以加深學生印象，還可以讓學生收獲新知識。在制備Fe（OH）3膠體的實驗課程設計中，“制備Fe（OH）3懸濁液”這一環節的靈感就源自實驗課的一次“意外”：一位學生誤把CuSO4溶液倒進Fe（OH）3膠體中，并觀察到膠體變成了懸濁液。教師即時捕捉課堂生成，進一步講授膠體聚沉的知識，這樣不僅增大了這堂課的知識容量，還滿足了學生的好奇心并解決了疑惑。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 王晶，鄭長龍.普通高中課程標準教科書化學（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]? 金吾倫.科學變革論：拉瓦錫化學革命探究[M].北京：科學出版社，1991.

[3]? DOUDNA J A， CHARPENTIER? E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9[J].Science， 2014（6552）：1077.

（責任編輯 羅 艷）