基于微項目學習的實驗教學研究

江蘇省前黃高級中學國際分校(213161) 潘桂芬 華麗芬

1 研究背景

《普通高中化學課程標準(2017年版)》提出：要讓學生了解化學實驗是科學探究過程中的一種重要方法；能夠根據化學實驗目的和要求設計實驗方案、正確選用實驗裝置、掌握控制實驗條件的方法、分析或處理實驗數據得出合理結論、評價或改進實驗方案。

2011年海南高考卷第17題是一道有關硫酸亞鐵銨制備的實驗探究題，此類題型一般以物質的組成、性質、制備及含量測定等為背景，加以流程圖、裝置圖、數據圖表等呈現方式，重點考查物質的分離與提純、物質的檢驗、溶液的配制、滴定、反應原理等。此類題型不僅僅要考查實驗操作方面的內容，也考查理論知識在實驗過程中的運用。理論與實踐相結合，對學生的考查是全方面的。因此，學生在日常學習中既要做到“真實驗”“真探究”，同時在解題時也要看清整個實驗的基本原理，結合流程圖或裝置圖，明確發生的變化或裝置的作用，相對陌生的實驗環節要學會用所學知識進行類比遷移，最終使問題迎刃而解。

以這道高考題為背景，設計成基于微項目學習的實驗教學課，通過創設真實問題情境激發學生對化學學科的興趣，讓他們在實際應用中加深對知識本身的理解，培養嚴謹求實的科學態度，提高實踐能力，落實學科素養。

2 研究過程

本項目共包含兩個子項目：一是硫酸亞鐵銨晶體的制備，二是硫酸亞鐵銨樣品純度的測定。子項目1通過“尋找鐵源”“制備原理”“實驗操作”三個環節，體現了元素化合物知識在物質制備過程中的重要應用價值，形成能從問題出發，確定研究目的，設計實驗方案，進行實驗探究的核心能力。子項目2通過對硫酸亞鐵銨樣品的定量分析，實現對物質性質的分析從定性到定量的思維進階。

2.1 硫酸亞鐵銨晶體的制備

2.1.1 尋找鐵源

實驗方案設計的基本原則是原理正確步驟簡單、原料豐富價格低廉、產物純凈污染物少。那么實驗室有哪些常見含鐵物質滿足以上要求可以作為制備硫酸亞鐵銨晶體的原料？教師拋出這個問題后，學生從物質轉化的角度提出了多種答案，主要有鐵粉(鐵粉與硫酸反應可以轉化為亞鐵離子且不引入其他雜質)、綠礬(溶于水就是硫酸亞鐵溶液，操作簡單)。在教師展示鐵粉、綠礬、廢鐵屑的相關價格后，學生指出鐵粉成本太高，可以使用廢鐵屑和綠礬作為鐵元素的來源，但是綠礬久置易變質，所以選用廢鐵屑作為原料在實驗室制備硫酸亞鐵銨晶體比較合理。

2.1.2 制備原理

硫酸亞鐵銨基本的制備原理是以廢鐵屑為原料，首先將其溶于稀硫酸中，制得硫酸亞鐵溶液，反應的化學方程式為：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑；然后再加入一定量的硫酸銨固體使其充分反應，反應的化學方程式為：FeSO4+(NH4)2SO4+6H2O=(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O；最后結晶獲得產品。教師提供三種鹽在水中的溶解度曲線(圖1)，請學生設計硫酸亞鐵銨的結晶方案。對于溶解度隨溫度變化小的鹽溶液，適合用蒸發結晶的方法，而對于溶解度隨溫度變化大的鹽溶液，則適合用冷卻結晶的方法。學生分析曲線后指出，硫酸亞鐵銨的溶解度隨溫度變化較大，且在40 ℃以下，比七水合硫酸亞鐵和硫酸銨的溶解度都小，可以采用蒸發濃縮、冷卻結晶的方法獲得摩爾鹽。

2.1.3 實驗操作

在鐵→硫酸亞鐵→硫酸亞鐵銨的核心物質轉化關系建立之后，接下來就要考慮除雜問題。原料廢鐵屑含油污、硫化物等雜質，如何除去油污？學生很容易想到用熱的純堿溶液。廢鐵屑與硫酸反應的過程中還會產生硫化氫氣體，如何除去硫化氫？學生根據硫化氫所屬類別提出用堿液可以吸收酸性氣體。

實驗條件的控制對物質制備具有至關重要的作用，如何快速獲得中間產物硫酸亞鐵溶液？如何減少硫酸亞鐵的氧化和水解？學生討論后提出以下措施：鐵與硫酸反應時適當加熱，但溫度不能過高，采用水浴加熱的方式容易控制；在酸性條件下反應，抑制亞鐵離子的水解；還剩下少量鐵屑時就迅速趁熱過濾，防止硫酸亞鐵被空氣氧化而導致產品純度降低；在硫酸亞鐵溶液中加少量硫酸抑制亞鐵離子的水解。經過具體討論和方案優化，整個實驗操作流程如圖2所示。

圖1 三種鹽的溶解度曲線

圖2 實驗操作流程圖

在學生實驗過程中，教師對整個操作過程要給予及時關注和必要的指導，如蒸發濃縮時，一開始溶液體積較大，可以直接加熱，后期還剩20 mL左右時建議學生用水浴加熱，這樣才有利于晶膜的形成，也縮短了實驗時間。子項目1結束之后，教師要對學生實驗結果及時評價和反饋，評價內容主要有兩個方面：一是產品外觀、二是產量。

2.1.4 裝置改進

為減少尾氣的污染，使操作更簡便，教師鼓勵學生在常規實驗裝置的基礎上進行改裝，圖3裝置的設計就很巧妙，檢查裝置的氣密性之后，往三頸燒瓶中依次加入過量的廢鐵屑，關閉止水夾K2、打開K1，打開分液漏斗的旋塞并控制好硫酸溶液的滴速，反應一段時間后關閉止水夾K1、打開K2，裝置甲繼續產生的氫氣會將裝置甲中的溶液壓入裝置乙中，這樣三頸燒瓶中的液體就會自動轉移至裝置乙中，當乙中出現大量淺綠色晶體時，關閉分液漏斗的旋塞。最后將裝置乙中所得晶體快速過濾、洗滌和干燥，就能得到產品。裝置丙中的NaOH溶液用于吸收H2S氣體，防止污染空氣，同時形成密閉環境。

圖3 學生改進的實驗裝置圖

2.2 硫酸亞鐵銨樣品純度的測定

表1 硫酸亞鐵銨的標定與純度分析

在子項目2結束之后，教師對學生的實驗結果要給予及時評價，引導學生總結反思、分析得失，培養嚴謹踏實的科學態度，提高實踐能力。

3 研究感悟

基于微項目學習的實驗教學，不僅要提高學生的解題能力，更著眼于學生實驗能力的長期培養。通過扎實開展實驗教學，讓學生有更多的動手操作機會，增強他們的好奇心、激發他們的探索欲望。相信對學生來說，今后不論是否從事科學研究工作，都將受益于通過實驗培養出來的科學方法和科學態度。