高中化學(xué)中“鐵及其化合物”的項(xiàng)目式教學(xué)研究

鄧梅 高恒飛 李一梅

摘要：以“為缺鐵性貧血人群制定補(bǔ)鐵策略”為項(xiàng)目任務(wù)，開展鐵及其化合物的教學(xué)。教師將總項(xiàng)目拆解為“探明人體中的鐵”“探究人體鐵吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)理”“探究補(bǔ)鐵劑中的鐵”“探究補(bǔ)鐵劑服用注意事項(xiàng)”四個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，以真實(shí)問題驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目，培養(yǎng)了學(xué)生的問題意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從元素價(jià)態(tài)和物質(zhì)類別的角度學(xué)習(xí)亞鐵鹽、鐵鹽以及鐵的氫氧化物的形成和轉(zhuǎn)化，在實(shí)驗(yàn)探究的過程中形成證據(jù)意識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)；高中化學(xué)

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022）11-0029-06

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Bdoi：10.3969/i.issn.1008-0546.2022.11.007

一、項(xiàng)目教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

項(xiàng)目式教學(xué)法以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)問題為出發(fā)點(diǎn)，以學(xué)生為項(xiàng)目學(xué)習(xí)和執(zhí)行的主體，以工程實(shí)際構(gòu)建真實(shí)有意義的“問題”情境，在其中嵌入學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，將項(xiàng)目任務(wù)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的子項(xiàng)目，學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中自主建構(gòu)科學(xué)知識(shí)、掌握科學(xué)方法、提高解決問題的綜合能力。[1]在2017版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)“金屬及其化合物”的學(xué)習(xí)要求中明確提到了“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解鈉、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”。[2]因此，項(xiàng)目教學(xué)法十分契合高中化學(xué)課程中金屬及其化合物的教學(xué)，應(yīng)用真實(shí)情境發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

本文選取高一化學(xué)人教版必修第一冊第三章第一節(jié)鐵及其化合物進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)，以“為缺鐵性貧血人群制定補(bǔ)鐵策略”為項(xiàng)目，重新整合教材內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生在前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化、離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)，已經(jīng)初步掌握了物質(zhì)分類及轉(zhuǎn)化和質(zhì)量守恒的知識(shí)，為本節(jié)課學(xué)習(xí)鐵及其化合物鋪墊了基礎(chǔ)；在學(xué)習(xí)了鈉、氯兩個(gè)主族元素之后，學(xué)生初步具備了元素觀、結(jié)構(gòu)觀、價(jià)態(tài)觀，基本掌握了學(xué)習(xí)元素及其化合物知識(shí)的思路。鐵作為學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個(gè)副族元素和變價(jià)元素，有助于學(xué)生構(gòu)建元素化合物的認(rèn)識(shí)模型，既是再次深度認(rèn)知之前的主族元素鈉和氯，也為之后氮、硫等元素的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本課時(shí)首先通過讓學(xué)生了解全球仍有1/2的人口處于缺乏微量元素的“隱形饑餓”的背景下，了解缺鐵性貧血人群，在完成“為缺鐵性貧血人群制定補(bǔ)鐵策略”項(xiàng)目的過程中，將總項(xiàng)目拆解為各個(gè)子項(xiàng)目，在完成子項(xiàng)目的過程中構(gòu)建起元素及其化合物的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展問題意識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，在實(shí)驗(yàn)探究過程中，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，發(fā)展學(xué)生的合作能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)功能和素養(yǎng)功能的協(xié)調(diào)發(fā)展。

二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

本文根據(jù)2017版課標(biāo)中對該主題的內(nèi)容要求以及學(xué)業(yè)要求和實(shí)習(xí)學(xué)校的實(shí)際情況，制定了以下項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過實(shí)驗(yàn)探究補(bǔ)鐵劑中的鐵元素存在形式，培養(yǎng)學(xué)生收集證據(jù)、猜想假設(shè)的能力，面對檢驗(yàn)多種離子的復(fù)雜實(shí)際問題時(shí)，能夠主動(dòng)分析問題，激活已知，制定改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，形成證據(jù)意識(shí)，發(fā)展學(xué)生問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和合作交流的能力。

（2）通過實(shí)驗(yàn)探究補(bǔ)鐵劑中的鐵元素含量是否合格，促使學(xué)生思維發(fā)散，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力；面對氫氧化亞鐵沉淀顏色變化的實(shí)驗(yàn)“意外”時(shí)，會(huì)從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)的角度分析原因，促進(jìn)科學(xué)探究能力的提升。

（3）根據(jù)資料支持，了解人體吸收鐵的原理，聯(lián)系課堂，觀察、比較、概括出Fe2+與Fe3+的轉(zhuǎn)化模型，學(xué)會(huì)從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)的視角認(rèn)識(shí)變價(jià)元素物質(zhì)間

*通信聯(lián)系人，E-mail：yml116@ahnu.edu.cn的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并建立認(rèn)知模型。

三、項(xiàng)目教學(xué)流程

本項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)思路如表1所示。

四、項(xiàng)目教學(xué)過程實(shí)錄

【創(chuàng)設(shè)情境】同學(xué)們對貧血這種疾病有所了解嗎？請閱讀下述材料。

【情境素材1】世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國兒童基金會(huì)（UNICEF）等國際組織聯(lián)合發(fā)布的《2018年世界食品安全和營養(yǎng)報(bào)告》和《2019年世界兒童狀況：兒童、食物與營養(yǎng)》指出，全球仍有超過1/2的人口正面臨著微量營養(yǎng)素?cái)z取不足，即“隱性饑餓”。[4]微量營養(yǎng)素?cái)z人不足導(dǎo)致的嬰幼兒發(fā)育障礙和成年人免疫下降、肥胖和貧血等問題日趨嚴(yán)重，在人體所需微量元素中鐵元素含量最多，學(xué)齡前兒童、孕齡女性的貧血比例更是高達(dá)1/3。中國營養(yǎng)學(xué)會(huì)推薦的中國居民鐵的攝人量為15～25 mg/天。

【學(xué)生】根據(jù)情境素材和查閱資料得知，缺鐵人群主要有嬰幼兒、孕婦、青少年三類人群，嬰幼兒因生長發(fā)育需鐵量較大，青少年因偏食易缺鐵，孕婦因妊娠需要易缺鐵。

【項(xiàng)目提出】鐵元素對人體來說十分重要，缺鐵人群也各有不同，那么缺鐵性貧血人群應(yīng)當(dāng)如何補(bǔ)鐵？今天請各位“小醫(yī)生”來為缺鐵性貧血人群開具補(bǔ)鐵處方吧。

1．探明人體中的鐵

【項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)性問題】若需要補(bǔ)鐵，需先明確人體中的鐵元素以什么形式存在？

【情境素材2】

（1）細(xì)胞中有兩種形式的鐵：Fe2+和Fe3+。Fe3+性質(zhì)較穩(wěn)定，可以作為鐵的儲(chǔ)存和運(yùn)輸形式；Fe2+可以轉(zhuǎn)移電子，參與人體內(nèi)各種氧化還原反應(yīng)并可充當(dāng)反應(yīng)催化劑。[5]

（2）血紅蛋白（Hb）是血液中運(yùn)輸氧及二氧化碳的蛋白質(zhì)，由球蛋白和血紅素結(jié)合而成。血紅素是由中心Fe2+和配體卟啉衍生物結(jié)合成的大環(huán)配位化合物，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。[6]

【小組匯報(bào)】人體中的鐵元素主要以Fe2+和Fe3+的形式存在，F(xiàn)e3+作為鐵的儲(chǔ)存形式，F(xiàn)e2+則是人體能夠直接吸收的鐵。

2．探究人體鐵的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

【項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)問題】普通人通過食物獲得鐵，缺鐵病人服用補(bǔ)鐵劑補(bǔ)鐵。食物中的鐵都是Fe2+嗎？人體是如何吸收鐵的呢？

【情境素材3】

飲食中的鐵存在于亞鐵血紅素和非亞鐵血紅素中，前者主要來自肉制品，后者來自肉類和植物。亞鐵血紅素為可溶性二價(jià)鐵，可被腸粘膜細(xì)胞直接吸收。非亞鐵血紅素主要以鐵離子（Fe3+）的形式存在于食物中，這些鐵離子必須被還原成亞鐵離子（Fe2+）才能運(yùn)輸?shù)侥c細(xì)胞中。

當(dāng)食物進(jìn)入人體時(shí)，胃酸中的HCl將食物中的鐵轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+和Fe3+，至腸道處，F(xiàn)e3+首先被細(xì)胞膜上的十二指腸細(xì)胞色素B（金屬還原酶）還原為可溶性的Fe2+，然后被細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)（DMTl）轉(zhuǎn)運(yùn)至腸細(xì)胞內(nèi)。Fe2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，一部分成為鐵蛋白儲(chǔ)存起來，一部分透過細(xì)胞膜進(jìn)入血液，經(jīng)銅藍(lán)蛋白氧化成Fe3+，與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合后轉(zhuǎn)運(yùn)到組織，再與轉(zhuǎn)鐵蛋白分離并還原成Fe2+，參與形成血紅蛋白。[7-8]腸道鐵吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)理圖根據(jù)教學(xué)實(shí)際稍作修改，如圖2所示。[7]

【教師】根據(jù)這段素材，請你從化學(xué)的角度分析腸道中Fe3+與Fe2+的相互轉(zhuǎn)化。

【小組討論】從元素價(jià)態(tài)上看，F(xiàn)e3+處于鐵元素的最高價(jià)態(tài)，具有氧化性，可被還原劑還原為Fe2+；Fe2+處于鐵元素的中間價(jià)態(tài)，既具有還原性又具有氧化性，可被氧化劑氧化為Fe3+。

【小組匯報(bào)】

氧化劑：KMnO4（H+）、H2O2、新制氯水等

還原劑：Cu、Fe等

【小結(jié)】從元素價(jià)態(tài)一物質(zhì)類別的角度，總結(jié)Fe2+與Fe3+的轉(zhuǎn)化模型。

3．探究補(bǔ)鐵劑中的鐵

【藥品展示】市面常見補(bǔ)鐵劑有乳酸亞鐵、硫酸亞鐵等，以FeSO4為例，見圖3。

【項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)問題】該補(bǔ)鐵劑中的鐵元素是以什么形式存在的？是Fe2+還是Fe3+呢？如何檢驗(yàn)？該補(bǔ)鐵劑中鐵的含量是否符合標(biāo)準(zhǔn)呢？

【小組討論】制定檢驗(yàn)補(bǔ)鐵劑是否合格的實(shí)驗(yàn)方案，見圖4。

【小組匯報(bào)】根據(jù)硫酸亞鐵片的說明書，其主要成分為FeSO4，F(xiàn)e2+易被氧化，推測出樣品溶液中存在三種可能性：①溶液中只有Fe2+；②溶液中只有Fe3+；③同時(shí)含有Fe2+和Fe3+。

【小組實(shí)驗(yàn)】將5片硫酸亞鐵片（m=2.6 g）研碎溶于200mL水中，加入約2 mL HCl，制得樣品溶液3份。

【教師】溶液中可能既存在Fe2+，也存在Fe3+。如何檢驗(yàn)這兩種離子呢？

【學(xué)生1】溶液中可能含有Fe2+和Fe3+兩種離子，可先檢驗(yàn)Fe2+，再檢驗(yàn)Fe3+。

【學(xué)生2】Fe2+鹽溶液為淺綠色，F(xiàn)e3+鹽溶液為棕黃色，可以通過觀察樣品溶液的顏色來判斷。

【學(xué)生3】如果溶液中只有少量的Fe2+被氧化為Fe3+，顏色變化不明顯，無法判斷溶液中存在何種離子。

【教師】同學(xué)們說得都有理，通過顏色觀察來判斷樣品溶液中離子的種類暫時(shí)不可行。還有沒有其他的方法可以在溶液中可能存在Fe3+的情況下檢驗(yàn)出Fe2+是否存在呢？

【小組討論】根據(jù)之前學(xué)習(xí)檢驗(yàn)氯氣的方法——淀粉碘化鉀試紙，從氧化還原的角度出發(fā)，F(xiàn)e2+處于鐵元素的中間價(jià)態(tài)，F(xiàn)e2+具有還原性和氧化性，F(xiàn)e3+處于鐵元素的較高價(jià)態(tài)，F(xiàn)e3+主要體現(xiàn)氧化性，因此，選擇紫色的酸性高錳酸鉀溶液來鑒別。實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象：將樣品溶液I加入KMnO4（H+）中，若紫色褪去，則證明含有Fe2+。

【追問】Fe3+又該如何檢驗(yàn)?zāi)兀?/p>

【資料支持】含有Fe3+的鹽溶液遇到KSCN溶液時(shí)變成紅色，可用來檢驗(yàn)Fe3+。[3]

【教師】同學(xué)們，光說不練假把式。請同學(xué)們依據(jù)剛才的猜想完成實(shí)驗(yàn)（見表2）。

【小組實(shí)驗(yàn)】分組實(shí)驗(yàn)，完成表2相關(guān)內(nèi)容。

【小結(jié)】應(yīng)用物質(zhì)類別一元素價(jià)態(tài)模型，總結(jié)檢驗(yàn)Fe2+和Fe3+的方法。

【教師】現(xiàn)已驗(yàn)證樣品溶液中同時(shí)存在Fe2+和Fe3+，該如何測量溶液中鐵元素的質(zhì)量呢？

【小組討論】鐵元素在溶液中以離子形式存在，難以測量。可將溶液中的亞鐵離子、鐵離子轉(zhuǎn)化為沉淀，易于稱量。

【教師】耳聽為虛，眼見為實(shí)。請同學(xué)們完成Fe（OH）2和Fe（OH）3的制備實(shí)驗(yàn)，并完成表3。

【資料支持】部分酸、堿和鹽的溶解性表：Fe（OH）2白色沉淀，F(xiàn)e（OH）3紅褐色沉淀。[3]

【小組實(shí)驗(yàn)】分組實(shí)驗(yàn)，并完成表3。

【學(xué)生】實(shí)驗(yàn)1中觀察到生成了灰綠色沉淀，最終變?yōu)榱思t褐色，未看到白色沉淀。實(shí)驗(yàn)2中觀察到生成了紅褐色沉淀Fe（OH）3，實(shí)驗(yàn)3中生成灰綠色沉淀，最終變?yōu)榧t褐色。Fe（OH）2沉淀難道不是白色嗎？

【演示實(shí)驗(yàn)】在盛有FeSO4溶液的試管中覆蓋一層煤油，加入一小塊鈉。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，見圖7。

【小組討論】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鈉在煤油層和水層中來回跳動(dòng)，產(chǎn)生氣泡，生成了白色沉淀。實(shí)驗(yàn)原理：煤油密封試管，隔絕O2。p（H2O）>p（Na）>p（煤油），鈉在油層和水層之間來回跳動(dòng)，遇水生成了NaOH，與FeSO4反應(yīng)生成了白色沉淀Fe（OH）2。

【追問】為什么Fe（OH）2的顏色會(huì)發(fā)生變化呢？

【小組討論】Fe2+為+2價(jià)，屬于鐵元素的中間價(jià)態(tài)，具有還原性，據(jù)此推測，F(xiàn)e（OH）2也具有還原性，易被空氣中的O2氧化成Fe（OH）3。

【追問】Fe（OH）2易被氧化成Fe（OH）3，為了計(jì)算方便能否將兩種沉淀轉(zhuǎn)化為一種呢？

【成果展示】見圖8。

【教師】這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案哪一個(gè)更好？

【小組討論】方案二更好，操作簡便。

【教師】拿出事先干燥稱量好的Fe2O3，m（Fe2O3）=0.3 g，m（樣品）=2.6 g。

【小組討論】補(bǔ)鐵劑中鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為：

【小組匯報(bào)】計(jì)算出補(bǔ)鐵劑中w（Fe）=11.54%>11.36%（說明書中的w（Fe）），該補(bǔ)鐵劑質(zhì)量合格。

【教師】除了沉淀法測量補(bǔ)鐵劑中鐵元素的含量之外，還有其他方法可以測量。如：氧化還原滴定法、比色法、原子發(fā)射光譜法……。

4．探究補(bǔ)鐵劑服用的注意事項(xiàng)

【項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)問題】補(bǔ)鐵劑為什么不能與濃茶同服，卻與維生素C同服效果更好？

【實(shí)物展示】硫酸亞鐵片說明書，如表4所示。

【教師講解】茶水中含有大量的鞣酸，易與Fe2+反應(yīng)生成鞣酸亞鐵，鞣酸亞鐵化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易被氧化為藍(lán)黑色的鞣酸鐵，人體難以吸收。而維生素C可以將Fe3+重新還原為Fe2+，抑制Fe2+的氧化。

【小組討論】制定茶水與FeSO4片實(shí)驗(yàn)方案：向茶水中加入FeSO4片粉末，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再加入維生素C粉末，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加入KSCN，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再加入H2O2，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【小組實(shí)驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖9所示。

5．項(xiàng)目任務(wù)：為缺鐵性貧血人群制定補(bǔ)鐵策略

經(jīng)過探究人體中的鐵、人體吸收鐵的過程、補(bǔ)鐵劑中的鐵，了解了補(bǔ)鐵劑服用的注意事項(xiàng)和課后查閱資料，部分小組項(xiàng)目成果展示見圖10。

五、項(xiàng)目教學(xué)效果與反思

本項(xiàng)目以“為缺鐵性貧血人群制定補(bǔ)鐵策略”為任務(wù)，將總項(xiàng)目拆解為四個(gè)獨(dú)立且相關(guān)的子項(xiàng)目，在查閱文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合下，發(fā)展學(xué)生猜想與假設(shè)和收集證據(jù)的探究能力，通過抓住實(shí)驗(yàn)過程中的“意外”，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。在拆解總項(xiàng)目、完成各個(gè)子項(xiàng)目的過程中，使同學(xué)們形成宏觀與微觀相結(jié)合來研究物質(zhì)的基本思路，并且學(xué)會(huì)從元素價(jià)態(tài)、物質(zhì)類別兩個(gè)視角來認(rèn)識(shí)變價(jià)元素物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并建立認(rèn)知模型，從而解決生產(chǎn)生活中簡單的化學(xué)問題。

本項(xiàng)目在取得一些成效的同時(shí)，也暴露出了一些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題和項(xiàng)目本身的不足之處。如面臨檢驗(yàn)樣品溶液中多種離子存在的問題時(shí)，部分小組在制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃時(shí)，思考不夠全面，變量控制意識(shí)薄弱，需要進(jìn)一步強(qiáng)化科學(xué)探究能力。此外，由于本項(xiàng)目中涉及人體內(nèi)鐵吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的醫(yī)學(xué)知識(shí)，較為復(fù)雜，多由教師提供，需要繼續(xù)挖掘科學(xué)技術(shù)真實(shí)與學(xué)科知識(shí)間的聯(lián)系，加深問題解決與學(xué)習(xí)知識(shí)之間的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善該項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)。

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