高三化學“實驗專題復習”的微項目學習
——以“從污水溶氧量引發的探究”為例

楊蘭芳

微項目學習是項目式學習的靈活應用，是指將教學內容項目化，通過情境化的微型主題任務，讓學習者在實踐探究、內化理解、應用創新中獲得較為完整和具體的知識與技能，從而提高學習者實踐能力和創新能力的學習方法。微項目學習的“微”體現在課堂需完成的項目小、完成項目所需的課時少，一般可在1～2 課時的時間內解決一個項目學習。高三實驗復習課的常態教學消耗的時間多且效果不理想，教學方法多以講授代替動手實驗，背誦代替實驗探究，刷題代替能力培養，這樣的教學必將造成學生的知識固化、思維僵化，實驗素養的培養更是無法落實。《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱為課標）對化學實驗的課程要求是不僅要掌握高中實驗的必備知識，而且能依據探究目的設計并優化實驗方案、完成實驗操作、加工實驗信息、獲得實驗結論、改進實驗設想，注重對化學實驗關鍵能力、實驗思想以及實驗素養的考查。因此，高三實驗復習不能停留在講解和刷題上，特別是對典型難點問題，如定量實驗和性質探究型綜合實驗的復習，不僅要關注結構與性質、變化與平衡等學科核心知識，還需要注重實驗探究、證據推理、模型認知、多重表征等科學方法的綜合運用。高三實驗復習課中運用微項目學習可以很好地落實課標對化學實驗的要求。

現以一節題為“從污水溶氧量引發的探究”高三定量實驗和性質探究型綜合實驗復習課為例，談談如何設計和組織高三化學實驗專題復習課的微項目學習。

一、微項目學習主題的分析

（一）核心知識在實際教學中的價值

核心知識是在讓學生必須掌握、理解的知識中相對處于核心地位的知識，是貫穿教材編寫或教學實施的主線，是聯系全部教學活動的軸心骨，是教學活動之魂的棲息地。化學學科核心知識包含核心概念、科學方法、學科價值等。“從污水溶氧量引發的探究”微項目學習包含測定水中溶氧量、檢驗高鐵酸鉀的性質兩個項目，通過對課標中的課程目標與高中實驗知識結構的梳理，得出這部分教學內容涉及的核心知識包含：結構與性質、速率與平衡等學科概念，實驗探究、證據推理、模型認知、多重表征等科學方法，態度與責任等學科價值。測定水中溶氧量的項目中包含：陌生情境下氧化還原反應離子方程式書寫的多重表征、氧化還原滴定的實驗探究、化學計算等模型運用的學科方法；檢驗高鐵酸鉀的性質的項目中包含：從“價—類”二維角度分析、預測物質性質和運用平衡觀點分析反應影響化學因素等核心概念，運用控制變量、模型等科學方法進行定性實驗設計，實驗現象預測、實驗誤差分析和定性實驗模型建構，分析化學品在生產和使用中對社會和環境可能造成的影響的學科價值判斷。

在面對真實、復雜的情境時需要聚焦核心知識，運用學科思維方法，開展證據與推理、符號與表征等具有化學學科特質的學習活動，在微項目實施過程中促進核心知識的深度理解，幫助學生從本質上認識、理解問題，拓寬學生認識、解決問題的角度和思路，構建定量分析和定性實驗的認知模型，有利于學生將所學知識遷移運用到新的情境中，提高學生分析和解決問題的能力，同時實現復習課問題解決思路化、知識結構化的功能。

（二）教學內容對學生學科核心素養發展的價值

本課題所包含的核心素養發展內容有：“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學態度與社會責任”“科學探究與創新意識”。從學生的學科能力發展來看，通過對實驗室和生活中污水含氧量測定的學習，可鍛煉學生信息分析、整合、提取能力和基于證據的分析推理能力，發展學生證據推理意識，讓學生體會“愛護環境人人有責”的責任感和使命感，培養學生的科學態度與社會責任。通過對凈水劑高鐵酸鉀性質檢驗的學習，使學生能從宏微結合的角度認識化學變化，從變化觀和平衡觀預測和分析實驗現象，建立定性實驗分析和定量實驗問題解決的思維方法、物質性質分析和實驗現象預測的思維方法，發展了定量和定性實驗的思維模型，最終在復雜環境的問題解決過程中實現知識的遷移運用，實現變化觀、平衡觀、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識等學科素養的落實，促進學生科學探究意識與創新能力的提升。

基于此，選擇測定水中溶氧量和檢驗高鐵酸鉀的性質作為微項目學習任務，既能涵蓋核心知識，提升學生核心素養，也更貼近社會和生活，使學生對所學內容更感興趣；并且研究過程所需的時間也短，具有可操作性，研究內容真實且有意義。

二、微項目教學目標與評價目標

（一）教學目標

1.通過小組合作學習、交流討論匯報，形成基于證據的分析推理意識，建立定量實驗的思維模型。

2.通過實驗設計和實驗操作探究高鐵酸鉀的化學性質，形成基于“價—類”二維角度預測和檢驗物質性質的認識模型，形成并發展變量控制的實驗思想，建構性質探究型實驗的思維模型。

3.通過對圖表、關系曲線和文字等資料信息的交流與討論，發展演繹推理、系統思維等思維能力。通過水中含氧量測定實驗的交流、討論，形成綠色應用意識，增強社會責任感。

（二）評價目標

1.通過對水中含氧量測定資料的交流、匯報與點評，診斷和提升學生的能力水平：新情境下氧化還原反應離子方程式的書寫水平，在定量實驗中運用多步反應關系式計算的水平，用數據、圖表、符號描述實驗證據并據此進行分析推理形成結論的水平，定量實驗認識思路的結構化水平。

2.通過高鐵酸鉀的化學性質實驗設計和探究，診斷和提升學生的能力水平：物質性質的實驗探究設計的水平，運用控制變量的方法探究并確定反應條件的水平，性質探究型綜合實驗認識思路的結構化水平。

3.通過對水中含氧量測定和高鐵酸鉀性質與用途介紹資料中相關問題的交流與點評，診斷與提升學生分析和解決問題的能力水平以及對化學價值的認識水平。

三、微項目任務、實施過程與任務成果

本項目分解為兩個任務——任務1“測定水中溶氧量”和任務2“檢驗高鐵酸鉀的性質”，用1～2 課時完成。貫穿兩條線索——顯性線索和隱性線索，顯性線索為任務1、任務2 的完成，隱性線索為定量實驗、性質探究型實驗思維模型的形成。顯性線索以“任務、活動、成果”貫穿于教學過程，形成課堂的外在推動力，隱性線索以“情境、問題、討論、評價”貫穿在教學中，構成課堂的內在驅動力，共同推進教學活動進程和學生的發展。具體的實施過程與任務成果如下：

（一）測定水中溶氧量（任務1）

【評價任務1】診斷和提升學生的能力水平：新情境下氧化還原反應離子方程式的書寫水平，在定量實驗中運用多步反應關系式計算的水平，用數據、圖表、符號描述實驗證據并據此進行分析推理形成結論的水平，定量實驗認識思路的結構化水平，對化學價值的認識水平。

【提供情境】碳9 泄漏的海面清污工作基本完成，但是由于碳9 造成的水體缺氧卻引發了大量的水產品死亡。專家建議：要恢復生產，就要嚴格監測水體中有機物質量與水中溶氧量。

【提出驅動性問題】什么是水中溶氧量？如何測定？

【布置任務】列出不同版本教材對水中溶氧量的介紹，根據實驗室里碘量法測定水中溶氧量的資料完成相關任務。

［資料閱讀一］水中溶氧量的指標和規定。水體中通常含有溶解氧，但是當大量耗氧有機物排入水體后，水中的溶解氧就會急劇減少；含N、P 的物質在分解過程中大量消耗水中溶解的氧，并釋放出養分，從而使藻類和其他浮游生物大量繁殖。

［資料閱讀二］（2017 年高考全國Ⅱ卷28 題改編）碘量法測定水中溶解氧的實驗步驟及測定原理：①用溶解氧瓶采集水樣，取水樣時應盡量避免擾動水體表面，不要在瓶中留有氣泡；②在取樣現場，將吸管插入液面下，加入Mn(OH)堿性懸濁液（含有KI），反應生成MnO(OH)，實現氧的固定；③將固氧后的水樣酸化，MnO(OH)被I還原為Mn，在暗處靜置5 min；④用標準NaSO溶液滴定生成I（2SO+I=2I+SO）。

【學生】以小組為單位對填寫的任務單展開討論，之后進行小組交流和匯報。

【教師設置問題1】寫出實驗過程中相關反應的離子方程式。

學生板書，教師評價、總結準確書寫陌生情境下氧化還原反應離子方程式的步驟。

【教師設置問題2】應采取哪些措施確保溶氧量測定的準確性？

【學生】回答：用溶解氧瓶采集水樣、避免擾動水體表面、不要在瓶中留有氣泡、將吸管插入液面下、在暗處靜置5 min、滴定。

【教師追問1】如何避免試劑本身的溶解氧？

【學生】回答：配制溶液的蒸餾水必須經過煮沸、冷卻后才能使用。

【教師追問2】為什么要在暗處靜置5 min？

【學生】回答：避免碘因光照參與其他反應而造成損失。

教師分析學生的回答并追問，引導學生得出“定量實驗需要準確測量”的結論，使學生的定量實驗思維外顯。

【結論2】采取“精”“準”措施，確保溶氧量測定的準確性。

【教師設置問題3】取100.00 mL 水樣，經固氧、酸化后，用a mol·LNaSO溶液滴定，以淀粉溶液作指示劑，若消耗NaSO溶液的體積為b mL，則水樣中溶解氧（DO）的含量為多少（mg·L）？

【小結】采用關系式法是進行多步反應計算的關鍵。

【教師設置問題4】用碘量法測定的結果是否準確？若水樣中含有大量懸浮物（不參與反應，具有吸附性），會導致測定結果（偏大、偏小或無影響）？

【學生】回答：在實驗室里用碘量法可以準確測定水中溶氧量。若水樣中含有大量懸浮物，懸浮物會吸附水中的I，形成沉淀，從而導致測定結果偏小。

【小結】測定結果受水樣中所含的微粒性質影響而造成測定結果不準確。在實際測定過程中，由于污水中溶有的物質復雜，可能含有氧化性、還原性物質，利用碘量法測定溶氧量就不準確了（引導學生形成“在復雜環境下應從物質性質、實驗操作、反應環境等多角度綜合分析測量實驗數據準確性”的思維方法）。

［設計意圖］通過指導學生閱讀資料，鍛煉學生接受、吸收、整合、處理化學信息的能力。通過水中溶氧量測定，學習陌生環境下化學方程式的書寫、實驗操作的綜合分析、實驗計算及實驗評價等核心知識，體會定量實驗的關鍵——“精”“準”。

【介紹實驗室先進快速測定方法】數字化實驗室系統、便攜式溶氧儀。

［設計意圖］通過介紹實驗室和生產生活中準確、快速測定溶氧量的方法，讓學生體會化學的有趣和有用，提高學習興趣，培養綠色化學思想和社會責任感。

【任務1 成果】①理解實驗室測定水中溶氧量原理，了解實際生活中快速測定水中溶氧量的方法；②建立定量分析型綜合實驗思維模型——“精”益求“準”。

［設計意圖］通過對小組學習的過程性評價和成果性評價，建立定量實驗思維模型。

（二）檢驗高鐵酸鉀的性質（任務2）

【評價任務2】診斷和提升學生的能力水平：物質性質實驗探究設計的水平，運用控制變量方法探究并確定反應條件的水平，性質探究型綜合實驗認識思路的結構化水平，分析和解決問題的能力水平。

【情境討論】市民張先生承包了一片魚塘，經檢測發現魚塘水中溶氧量偏低。如何提高水中溶氧量？（引導學生從化學反應中氧化還原角度來思考）

【學生】回答：物理方法——持續通入O；或化學方法——加入KMnO、HO、HClO、Cl、

HNO。

【教師】介紹市面上售賣比較“火”的某種池塘凈水劑的主要成分為高鐵酸鉀，它可以一次性解決消毒、殺菌、增氧、活水、除臭、凈水等問題，它為什么會這么“神奇”？

【布置任務】閱讀魯科版《化學與生活》第13 頁：高鐵酸鉀的用途和高鐵酸鉀的性質。

［資料閱讀三］一種性能優良的凈水劑——高鐵酸鹽。高鐵酸鹽（NaFeO或KFeO）中的鐵元素是+6 價，具有很強的氧化性，能非常有效地殺滅水中的細菌和病毒，自身被還原成氫氧化鐵。高鐵酸鹽還是一種性能優良的無機絮凝劑，能高效地除去水中的微細懸浮物。由于它同時具有強的氧化作用和絮凝作用，其消毒和凈化效果優于含氯消毒劑。更為重要的是，在它對水消毒和凈化的整個過程中，不會引入對人體有害的有機氯等物質。高鐵酸鹽除了用于飲用水消毒、凈化外，還用于污水處理。

［資料閱讀四］（2018 年高考北京卷11 題改編）高鐵酸鉀的性質：①紫色固體，無臭無味。易溶于水，微溶于濃KOH 溶液。②在0 ℃～5 ℃的強堿性溶液中比較穩定，在酸性或中性溶液中快速產生O。③具有很強的氧化性。資料表明，強酸性溶液中的氧化性FeO＞MnO。

【學生】以小組為單位對填寫的任務單展開討論，之后進行小組匯報和交流。

【教師設置問題1】如何設計實驗探究高鐵酸鉀在不同環境中的穩定性？

【學生】觀點：根據資料信息，分別把高鐵酸鉀加入酸、堿和水中。

【布置任務】設計實驗、說明思路（對照實驗思想）、預測現象、觀察現象、分析產物，最后用離子方程式表達。

【學生活動】在預測現象后，觀看用手機微距拍攝的實驗視頻，觀察實驗現象，推測產物，分析產生不同現象的原因。

【學生】觀點：在高鐵酸鉀遇水時，觀察到的現象是有氣泡產生，預測氣體為O，用燃著的木條檢驗氣體是否為氧氣。

【教師追問1】如何檢驗高鐵酸鉀加入水中反應后的含鐵產物是什么？

【學生】觀點：根據得到的透明紅褐色液體猜測產物為氫氧化鐵膠體。可用一束可見光來檢驗產物是否為氫氧化鐵膠體。由“產生膠體”判斷高鐵酸鉀與水的反應為可逆反應。

【教師追問2】為什么高鐵酸鉀不與堿反應？

【學生】觀點：從平衡的角度來解釋，高鐵酸鉀與水反應為可逆反應，增大OH離子濃度，平衡左移。

【結論1】運用對照實驗法設計實驗驗證高鐵酸鉀在水、酸溶液、堿溶液中的不穩定性。

【教師設置問題2】為探究高鐵酸鉀的某種性質進行了兩個實驗，所得圖像如圖1、圖2所示。通過分析不同pH、不同溫度條件下，高鐵酸鉀溶液中的高鐵酸根離子在不同時間的濃度圖像，你能得出實驗設計的目的與結論是什么？

圖1 不同pH條件下高鐵酸根離子的濃度

圖2 不同溫度下高鐵酸根離子的濃度

【學生】觀點：目的是為了探究高鐵酸鉀在相同溫度不同pH 溶液中和相同pH 不同溫度溶液中的穩定性；結論是在溶液中pH 越小、溶液溫度越高則高鐵酸鉀越不穩定。

【教師歸納、引導】運用控制變量法設計實驗。

［設計意圖］通過對高鐵酸鉀不穩定性的驗證，使學生認識高鐵酸鉀在水、堿溶液、酸溶液中的不穩定，并對高鐵酸鉀不穩定性的認識從定量上升到定性。

【教師設置問題3】如何設計實驗探究高鐵酸鉀的氧化性？

【學生】觀點：用還原性物質，如淀粉KI、碳（共熱）、SO、NaS、HO等。

【教師分析、引導】利用氧化還原理論，用含低價元素的還原性物質與高鐵酸鉀反應（見表1），并用實驗驗證反應的發生和得到的產物（此方法證明可用高鐵酸鉀凈化含硫廢水）。

表1 探究高鐵酸鉀氧化性實驗

【學生活動】觀看高鐵酸鉀分別與NaS、KI、HO反應的手機微距拍攝視頻，觀察現象。通過明顯現象判斷高鐵酸鉀具有氧化性，書寫反應的離子方程式。

【教師追問】如何設計實驗證明強酸溶液中的氧化性FeO＞MnO？

【師生共同分析】根據氧化還原反應理論中關于“氧化劑的氧化性大于氧化產物的氧化性”的論述，利用高鐵酸鉀與含Mn、MnO的物質反應來驗證氧化性強弱，建立以強制弱的思想。

［設計意圖］通過高鐵酸鉀強氧化性驗證實驗建構控制變量實驗設計思維模型。

【教師設置問題4】為研究pH 對高鐵酸鉀去除雜質效果的影響進行了實驗，所得圖像如圖3 所示。高鐵酸鉀去除Mn的最佳pH 是多少？為什么pH 過高或者過低都會影響效果？

圖3 pH對高鐵酸鉀去除Mn2+效果的影響

【學生】觀點：高鐵酸鉀去除Mn的最佳pH是9。pH 過低，高鐵酸鉀不穩定，氧化性不能完全發揮，去除Mn效果不佳。

【教師引導】鑒于學生對pH 過高時高鐵酸鉀去除Mn效果不好的分析有不同意見，引導學生從反應前后溶液中微粒種類的變化去思考問題。

【學生】觀點：當溶液中的氫氧根離子濃度過高時，氫氧根離子與高鐵酸根離子反應生成的Fe直接生成沉淀，使殘留的Mn偏高，去除Mn的效果就不好。

【教師引導】在實際反應過程中，應綜合考量物質的性質，動態地分析化學變化。

【任務2成果】①高鐵酸鉀的性質檢驗：不穩定性和強氧化性；②建立性質探究型綜合實驗思維模型——“簡”單“明”確；③設計定性實驗的方法：控制變量法；④復雜環境：綜合考量。

［設計意圖］鍛煉學生熟練運用氧化還原理論設計實驗、預測實驗現象并書寫氧化還原反應的離子方程式。通過高鐵酸鉀不穩定性以及強氧化性驗證實驗的設計，讓學生體會基于“價—類”二維角度預測物質性質→設計實驗→體驗實驗的探究過程，并體會性質探究型綜合實驗的關鍵點——“簡”“明”。

四、微項目學習教學反思

（一）創設真實情境，促進學生思維方法的掌握和思維模型的建立

學生在此微項目學習中，通過對實驗室測定水中溶氧量、檢驗高鐵酸鉀的性質等問題的探究，運用對照實驗、控制變量、以強制弱、綜合考量的手段設計和分析實驗，培養在定性實驗中從“控制單一變量思維方法”到“復雜環境綜合考量實驗思維方法”的轉變，體驗“基于‘價—類’二維角度設計實驗→預測實驗→觀察現象→證據推理→得出結論”的實驗探究過程，建立定量實驗、定性實驗思維模型。同時，在學習中主動傾聽他人的想法和意見，匯報學習成果，在“真”體驗的過程中，獲取知識，提升學科思維，感受學科魅力。

（二）根據學生的認知水平和課標確定微項目學習的主題

微項目學習教學內容的確定是一節課成功的關鍵，要根據學生的認知水平和課標選擇教學內容。首先，教學內容必須與課標相對應，課標中規定的學習內容不僅是學科核心素養形成的載體，而且參照課標要求可以幫助教師更好地把握教學的深廣度，以確保微項目教學是符合課程要求的教學課，而不是一節開闊眼界的興趣課。本節課包含化學實驗的必備知識以及實驗方法和實驗思想，緊扣課標中對學生的實驗能力和解決綜合實驗問題能力的要求。其次，主題的選擇要符合學生的認知水平和興趣，根據學生的知識基礎和將要學習的內容，并結合生活實際確定研究主題；根據教學目標和學生知識基礎分解項目，構建問題框架。同時，學生已有的互聯網知識和信息技術運用基礎也是微項目學習順利開展的條件之一。學生嫻熟地運用快速、簡便的搜索方法和篩選、解讀文獻的方法，可以獲取更多信息，豐富解決問題的途徑，使微項目學習順利開展。

（三）注重“教、學、評”一體化，確保教學目標的達成

在微項目學習過程中，要緊緊圍繞發展學生化學學科核心素養這一主旨來設置教學目標與評價目標、教學任務與評價任務。根據學生在小組討論、實驗方案設計、實驗探究等活動中的表現，運用提問、追問、點評等方式，準確把握學生化學實驗的學習質量和化學學科核心素養的發展水平，充分發揮化學學習評價的診斷與發展功能，落實“教、學、評”的一致性和一體化，確保教學目標的達成。