基于真實(shí)情境的價(jià)類(lèi)二維模型認(rèn)知圖的應(yīng)用

馬續(xù)瑩 竇金雨

摘要：以菠萊中鐵元素檢測(cè)為目標(biāo)，通過(guò)不斷調(diào)用物質(zhì)類(lèi)別一價(jià)類(lèi)二維模型認(rèn)知圖，設(shè)計(jì)基于含鐵元素化合物轉(zhuǎn)化視角的檢驗(yàn)方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案交流與點(diǎn)評(píng)，最終實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論。菠菜中鐵元素檢測(cè)不僅是真實(shí)情境中鐵及其重要化合物的主要性質(zhì)的應(yīng)用實(shí)例，而且是學(xué)生應(yīng)用化學(xué)知識(shí)解決陌生問(wèn)題的思維方法的提升過(guò)程，促進(jìn)了學(xué)生“宏觀辨識(shí)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(shí)”學(xué)科核心素養(yǎng)的完善和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：價(jià)類(lèi)二維認(rèn)知模型;鐵元素檢測(cè);實(shí)驗(yàn)方案;點(diǎn)評(píng)交流;核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）07-0011-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.003

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）提出“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過(guò)實(shí)驗(yàn)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]。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提出能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行定性研究。能建立認(rèn)識(shí)模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。基于上述指導(dǎo)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(xué)科教學(xué)研究現(xiàn)場(chǎng)會(huì)時(shí)，圍繞“菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)”情境素材展開(kāi)，引導(dǎo)學(xué)生在價(jià)類(lèi)二維認(rèn)知模型的指導(dǎo)下，認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在食品檢驗(yàn)中的重要價(jià)值。

一、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)情分析

“菠菜中鐵元素檢驗(yàn)的研究與實(shí)踐”選自人教版化學(xué)必修第一冊(cè)第三章研究與實(shí)踐欄目“檢驗(yàn)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(xué)理論（物質(zhì)分類(lèi)及其轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)）認(rèn)識(shí)元素化合物性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系，本節(jié)課既是對(duì)鐵元素及其化合物性質(zhì)的高水平的綜合應(yīng)用，也是對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究能力的發(fā)展和提升。因此，開(kāi)展基于菠菜中鐵元素檢驗(yàn)的研究與實(shí)踐活動(dòng)具有真實(shí)的教學(xué)價(jià)值。

本節(jié)課之前，對(duì)實(shí)驗(yàn)班47人進(jìn)行前測(cè)，測(cè)試結(jié)果（如圖1所示）表明：64%學(xué)生已經(jīng)具備物質(zhì)類(lèi)別和氧化還原兩個(gè)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的意識(shí)，能分析、解釋、預(yù)測(cè)一些簡(jiǎn)單物質(zhì)的性質(zhì)[3]。由于學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)遷移能力會(huì)比較薄弱，因此，在面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，當(dāng)需要用化學(xué)知識(shí)去解決陌生問(wèn)題時(shí)，學(xué)生很難形成一個(gè)系統(tǒng)的思維過(guò)程和方法。所以，在解決真實(shí)情境中的真問(wèn)題時(shí)，學(xué)生就會(huì)表現(xiàn)出不能很好地預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)，并根據(jù)性質(zhì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

綜上所述，本節(jié)課既是對(duì)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(duì)學(xué)生知識(shí)遷移能力的提升。

二、教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)鐵元素及其化合物性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的應(yīng)用，體會(huì)價(jià)類(lèi)二維模型認(rèn)知圖的價(jià)值。

（2）通過(guò)菠菜中鐵元素檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)，提升探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)能力。

（3）通過(guò)對(duì)食品中鐵元素檢測(cè)的延伸，再次感受價(jià)類(lèi)二維模型認(rèn)知圖的價(jià)值，初步形成元素檢測(cè)的一般思路和方法。

2.評(píng)價(jià)目標(biāo)

（1）通過(guò)菠菜中鐵元素的檢測(cè)，診斷學(xué)生基于化合價(jià)和物質(zhì)類(lèi)別認(rèn)識(shí)元素化合物性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的水平。（模型認(rèn)知）

（2）通過(guò)對(duì)菠菜樣品處理和檢測(cè)的方案交流與點(diǎn)評(píng)，診斷并發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究水平。（科學(xué)探究、定性水平）

（3）通過(guò)對(duì)食品中鐵元素的檢測(cè)流程設(shè)計(jì)，發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。（學(xué)科價(jià)值視角、社會(huì)價(jià)值視角、學(xué)科和社會(huì)價(jià)值視角）

三、教學(xué)重難點(diǎn)

1.教學(xué)重點(diǎn)

基于價(jià)類(lèi)二維認(rèn)知模型，進(jìn)行鐵及其化合物的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的綜合應(yīng)用。

2.教學(xué)難點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、交流與點(diǎn)評(píng)的能力。

四、教學(xué)與評(píng)價(jià)流程

教學(xué)與評(píng)價(jià)流程圖（表1）。

五、教學(xué)過(guò)程

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

[創(chuàng)設(shè)情境]動(dòng)畫(huà)片大力水手的形象至今讓人印象深刻，他一吃菠菜就會(huì)變得力大無(wú)窮;生活中我們聽(tīng)過(guò)“菠菜補(bǔ)鐵”這樣的說(shuō)法，同學(xué)們知道鐵元素在人體中的重要作用嗎？

[學(xué)生]組成血紅蛋白的重要元素。

[追問(wèn)]鐵元素對(duì)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(bǔ)鐵方式嗎？

[學(xué)生]吃菠菜、紅肉、大棗等（食補(bǔ)）;吃補(bǔ)鐵劑（藥補(bǔ)）。

【任務(wù)一】本節(jié)課以菠菜為代表物，學(xué)習(xí)食品中鐵元素的檢測(cè)。假設(shè)你是食品檢驗(yàn)員，請(qǐng)規(guī)劃?rùn)z測(cè)菠菜中鐵元素，需要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)？

[學(xué)生]收集菠菜樣品;浸泡菠菜、研磨榨汁。

[教師反饋]同學(xué)們的角度很好。實(shí)驗(yàn)前，需要考慮樣品的采集問(wèn)題和處理問(wèn)題，繼續(xù)思考，處理樣品后檢驗(yàn)鐵元素有哪些方面工作呢？

[學(xué)生]定性檢驗(yàn)，定量分析。

[歸納總結(jié)]食品中元素提取（富集）的一般步驟和方法[4]：采集樣品→樣品預(yù)處理→檢驗(yàn)Fe元素（定性、定量）

設(shè)計(jì)意圖：明確學(xué)習(xí)主題和目標(biāo)。引導(dǎo)學(xué)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(bǔ)鐵。建立實(shí)施在后，計(jì)劃先行的問(wèn)題解決意識(shí)。

環(huán)節(jié)二：基于認(rèn)知模型，方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

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

[方案展示]：

第一小組：

第二小組：

第三小組：

[引導(dǎo)評(píng)價(jià)]請(qǐng)同學(xué)們對(duì)比這三組實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，說(shuō)說(shuō)你們的想法。

[學(xué)生]因?yàn)椴げ酥蓄伾赡軙?huì)干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，所以我覺(jué)得第二、三組將濾液脫色考慮很?chē)?yán)謹(jǐn);第一、二組的定性檢驗(yàn)方法比較好，靈敏，直觀，干擾可能會(huì)小。

[教師追問(wèn)]“干擾可能小”的原因是什么，能說(shuō)說(shuō)你的想法嗎？

[學(xué)生1]因?yàn)槲疫€不知道菠菜中有沒(méi)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(jià)鐵氧化，另外，如果氯水加過(guò)量還會(huì)把硫氰化鉀氧化，對(duì)鐵元素的檢驗(yàn)帶來(lái)干擾。

[學(xué)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(xué)也存在這樣的疑惑，我們請(qǐng)第三小組派個(gè)代表來(lái)給我們說(shuō)說(shuō)原因。

[學(xué)生3]因?yàn)閯倓倢W(xué)過(guò)鐵的化合物知識(shí)，從含鐵元素的物質(zhì)類(lèi)別來(lái)看，我們感覺(jué)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(xué)生4]不是所有鐵鹽都能溶于酸，所以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還是說(shuō)不準(zhǔn)？

[教師反饋]首先，表?yè)P(yáng)各小組精心的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以及同學(xué)們積極的分享想法和見(jiàn)解。其次，經(jīng)過(guò)方案的評(píng)價(jià)和反思，同學(xué)們都已經(jīng)關(guān)注到了從物質(zhì)類(lèi)別角度和價(jià)態(tài)兩個(gè)角度實(shí)施物質(zhì)轉(zhuǎn)化和檢測(cè)。最后，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)老師提供的試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器：試管若干、膠頭滴管）

[學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果]（表2）

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

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

[教師追問(wèn)]同學(xué)們同意這位同學(xué)的觀點(diǎn)嗎？還有其他想法或補(bǔ)充的嗎？

[學(xué)生2]我認(rèn)為還有可能是菠菜中鐵元素含量太低了，所以無(wú)明顯變化，沒(méi)有檢出。

[教師反饋]很好，同學(xué)們經(jīng)過(guò)思考不僅可以從存在狀態(tài)角度思考問(wèn)題，而且還關(guān)注到了“量”的因素進(jìn)行反思評(píng)價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：在相對(duì)應(yīng)的學(xué)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(jì)常見(jiàn)物質(zhì)分離、提純、檢驗(yàn)等簡(jiǎn)單任務(wù)的方案。能從物質(zhì)類(lèi)別和元素價(jià)態(tài)變化的視角說(shuō)明物質(zhì)的轉(zhuǎn)化途徑”。以無(wú)機(jī)鐵鹽為檢測(cè)目標(biāo)，通過(guò)菠萊中含鐵元素物質(zhì)類(lèi)別和價(jià)態(tài)的分析，推測(cè)物質(zhì)性質(zhì)，尋找預(yù)處理方案，解釋可行性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的原因。

環(huán)節(jié)三：基于轉(zhuǎn)化原理，設(shè)計(jì)實(shí)施檢測(cè)

[教師引導(dǎo)]基于已有知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路，我們已經(jīng)對(duì)菠菜中的鐵元素有了初步的認(rèn)識(shí)，接下來(lái)，我們需要查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料進(jìn)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(yíng)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(jī)鐵化合物。無(wú)機(jī)鐵化合物包含常見(jiàn)的鐵的氧化物、氫氧化物、鹽。

[教師提問(wèn)]同學(xué)們知道哪些有機(jī)化合物？它們具有的化學(xué)通性是什么？

[學(xué)生]甲烷、酒精等，可以燃燒。

[教師追問(wèn)]根據(jù)“資料”，如何檢驗(yàn)有機(jī)鐵化合物？

[學(xué)生]將菠菜灼燒后檢驗(yàn)。

【任務(wù)三】基于焙燒方案，思考如下三個(gè)問(wèn)題：

①如何焙燒菠菜更高效？

②焙燒后，鐵的存在形式？推測(cè)依據(jù)？

③焙燒后如何實(shí)現(xiàn)Fe3+或Fe2+的檢測(cè)？

[學(xué)生小組討論并匯報(bào)]

[學(xué)生1]將菠菜曬干讓其失水，加快灼燒速率。

[學(xué)生2]由于是在空氣中焙燒，所以鐵元素主要會(huì)以氧化物的形式存在。

[學(xué)生3]焙燒后的灰燼用硫酸溶解，然后過(guò)濾取濾液進(jìn)行Fe3+或Fe2+的檢測(cè)。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]（實(shí)驗(yàn)藥品：焙燒后酸浸的汁液、硫氰化鉀溶液、鐵氰化鉀溶液;實(shí)驗(yàn)儀器：試管若干、膠頭滴管）

[學(xué)生匯報(bào)]焙燒后酸浸液檢測(cè)出二價(jià)鐵，也可能含有三價(jià)鐵。

[教師追問(wèn)]為什么結(jié)果是“可能”含有三價(jià)鐵？

[學(xué)生補(bǔ)充]可能是二價(jià)鐵在酸浸過(guò)程中被空氣中的氧氣氧化而產(chǎn)生的。

[教師反饋]這位同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋很?chē)?yán)謹(jǐn)，考慮到了干擾問(wèn)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(cè)到Fe3+，請(qǐng)同學(xué)們思考硝酸的作用是什么？

[學(xué)生回答]將有機(jī)物氧化，破壞有機(jī)鐵化合物的結(jié)構(gòu)。

[教師反饋]同學(xué)們運(yùn)用類(lèi)比的思路理解硝酸的作用類(lèi)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(yàn)方法。

多媒體展示：（圖3）

設(shè)計(jì)意圖：從元素化合物類(lèi)別轉(zhuǎn)化角度思考（有機(jī)鐵→無(wú)機(jī)鐵→Fe3+或Fe2+），通過(guò)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，說(shuō)明可能的化學(xué)變化，反應(yīng)原理。學(xué)會(huì)通過(guò)類(lèi)比遷移的思想，分析解釋實(shí)驗(yàn)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(cè)，你有什么思路和想法？

[學(xué)生1]可以選擇直接提取、濃縮、轉(zhuǎn)變形態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

[學(xué)生2]檢驗(yàn)食品中的元素要結(jié)合該元素的主要存在形態(tài)以及價(jià)態(tài)，并查閱相關(guān)的信息，進(jìn)行合理方案設(shè)計(jì)。

[教師總結(jié)]同學(xué)們的認(rèn)識(shí)角度再一次豐富和完善，關(guān)于鐵元素的定量測(cè)定我們留到下一課時(shí)進(jìn)行討論。

六、教學(xué)反思

1.以真實(shí)情境為課程載體，重視真實(shí)問(wèn)題的創(chuàng)設(shè)

“假設(shè)你是食品檢驗(yàn)員，請(qǐng)規(guī)劃?rùn)z測(cè)菠菜中鐵元素，需要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)？”“菠菜樣品如何進(jìn)行預(yù)處理？”“如何進(jìn)行定性檢驗(yàn)？”這些真實(shí)且具有驅(qū)動(dòng)性的問(wèn)題，促使學(xué)生調(diào)用已有價(jià)類(lèi)二維模型認(rèn)知圖、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和討論交流，并在這一過(guò)程體會(huì)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值。

2.突顯認(rèn)知思維模型的應(yīng)用，開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)

價(jià)類(lèi)二維模型認(rèn)知圖是鐵元素及其化合物相關(guān)知識(shí)與菠菜中鐵元素檢測(cè)的橋梁與紐帶;在教學(xué)過(guò)程中，有關(guān)菠菜中鐵元素的存在形態(tài)的預(yù)測(cè)，以及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)的問(wèn)題，學(xué)生可以主動(dòng)調(diào)用價(jià)類(lèi)二維模型認(rèn)知圖分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生“模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)的完善和發(fā)展。

3.注重“教-學(xué)-評(píng)”一體化

通過(guò)前測(cè)了解學(xué)生情況，制定本節(jié)課的教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)，課后進(jìn)行后測(cè)，對(duì)學(xué)生掌握情況進(jìn)行即時(shí)反饋。通過(guò)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、小組討論、方案分享點(diǎn)評(píng)等方式，對(duì)學(xué)生探究思維和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展水平給予準(zhǔn)確把握，充分發(fā)揮了化學(xué)日常學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的診斷與發(fā)展功能。

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*本文系北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題：基于核心素養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的實(shí)踐研究（立項(xiàng)編號(hào)：CD-DB18176）;中國(guó)化學(xué)會(huì)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“核心素養(yǎng)視域下高中化學(xué)選修課程建設(shè)與實(shí)施”（項(xiàng)目編號(hào)：HJ2020-0026）階段性研究成果。