基于SOLO分類理論的“鐵鹽及亞鐵鹽”教學設計研究

蘇 容,朱朝菊

(1.西昌學院理學院,四川 西昌 615000; 2.四川文理學院 化學化工學院,四川 達州 635000)

SOLO 是分類理論“Structure of the Observed Learning Outcome”的英文簡稱,是一種評價學生認知發展水平的理論,[1]由心理學家Biggs 于1982年提出,源自皮亞杰認知發展理論.[2]該理論將學生的學習結果按思維發展的情況由低到高分為不同維度:前結構→單點結構→多點結構→關聯結構→抽象拓展結構(見圖1).[3]當遇到具體問題時,學生的思維層次有其對應的學習行為,指向不同的認知結構.

圖1 SOLO 分類理論層次水平

教師可根據SOLO 分類理論評價學生學習前對知識的認知水平,為教學提供指導.將“鐵鹽及亞鐵鹽”作為教學案例,以SOLO 分類理論為指導,進行分析,通過設計創設情境、分組實驗、建構觀念、生活遷移四個教學過程,從而培養學生科學探究與創新意識,證據推理與模型認知的化學學科核心素養.

1 教學內容及學情分析

“鐵鹽及亞鐵鹽”選自2019 版人教版化學教材必修一第三章第二節《鐵及其化合物》.基于教材編排,與前一章鈉、鋁同為元素化合物知識,為后面元素周期律的學習提供素材.其具體內容及學生認知結構根據SOLO 分類理論作學前分析,見表1.

表1 “鐵鹽及亞鐵鹽”學前情況分析

表1可知學生的認知結構處于SOLO 分類理論前三個水平,多來源于基于生活化的經驗和前面零碎知識的學習,而目標思維水平要求均在后三水平上.對學生的思維層次劃分有利于教師判斷學生思維水平,進行針對性的教學.

2 教學目標的確定

教學目標指明了整個教學的方向,是教學設計中的重要一環.[3]2017 版《普通高中化學學科核心素養中》對于不同主題內容學習也出現“認識”“了解”“掌握”等層次要求.基于SOLO 分類理論及學科核心素養要求,可將具體目標確定,見表2.

表2 分類教學目標

3 教學方法

隨著多媒體和短視頻的發展,教學的輔助手段越來越多.在不同的教學階段和環節中使用恰當的教授方法指導學生的學習,有利于學生的學科知識的學習及核心素養的培養.根據SOLO 分類理論,分析不同教學環節學生需鍛煉的認知水平,可為教師的教學方法提供指導, 見表3.

表3 教學方法指導分析

4 教學過程

基于以上根據SOLO 分類理論對于教學內容、學生情況、教學目標、教學方法的分析.遵循學生身心發展規律和知識的邏輯順序,將教學過程主要分為以下四個環節進行:

4.1 環節一:創設情境,引入新課

“血手印”視頻的背景是算命大師騙人有血光之災獲取錢財.用揭示騙局引課既能激發學生學習興趣,又能培養學生探索未知、追求真理的科學態度.基于真實生活情境“菠菜中是否含鐵離子”的驗證,鞏固學生對于Fe3+的鑒定認知.用KSCN 試劑與用NaOH 鑒定Fe3+,形成了對Fe3+的鑒定知識的多點結構水平.

教師:播放“血手印”視頻,解釋視頻中血紅色手印出現原因,進行演示實驗KSCN 試劑與Fe3+的反應.講解KSCN 可與Fe3+發生特征反應溶液變為血紅色,可用于Fe3+的鑒定.展示大力水手與菠菜圖片形象,提問:人們常說菠菜補鐵,菠菜中到底含不含三價鐵離子呢?我們該如何鑒定?

學生:可將菠菜榨汁用KSCN 試劑鑒定,看是否生成紅色溶液.

教師:菠菜汁顏色太深,對紅色特征顯色現象的判斷,有遮避作用,因此需要預先處理.圖片展示預處理過程:晾曬菠菜→馬弗爐灰化→溶解活性炭色素吸附→硝酸氧化→過濾.在所得菠菜處理液中滴加KSCN試劑讓學生觀察現象.

學生:觀察溶液顏色變紅,說明菠菜中確實含有三價鐵離子.

4.2 環節二:科學探究,分組實驗

利用生活中常見補鐵藥品—硫酸亞鐵片創造情境突破本節課重點鐵離子間的轉化.讓我學生自行設計實驗分為兩組:探究實驗1 中“NaOH無法使鐵離子生成沉淀”與學生原有認知形成沖突,而微量Fe3+依然能與KSCN 試劑出現特征反應,因此一般選用KSCN 試劑作為Fe3+鑒定試劑.探究實驗2學生可通過溶液顏色變化判斷溶液中鐵離子的轉變,直觀感受離子間的可逆變化.教師引導從氧化還原角度分析,幫助建立鐵離子知識的關聯結構水平.

教師:菠菜中鐵元素含量為2.9 mg/100g,而人每天所需補充的鐵元素為20 mg 左右,因此不能只靠吃菠菜補鐵,人體缺鐵時常用硫酸亞鐵片進行補鐵,展示硫酸亞鐵片說明書.提問“如何驗證硫酸亞鐵片中的亞鐵離子?”提供實驗儀器及藥品(KSCN 試劑、H2O2溶液,NaOH 溶液,硫酸亞鐵片溶解液),引導學生Fe2+可以轉換為Fe3+進行鑒定,回顧KSCN 試劑與用NaOH 兩種方法鑒定Fe3+,自行設計實驗.

學生:思考交流,自行設計實驗分為兩組:

第一組:硫酸亞鐵片溶解液+ NaOH溶液

第二組:硫酸亞鐵片溶解液+ H2O2+ KSCN試劑

進行實驗,觀察現像,發現一組無明顯實驗現象,二組溶液變紅.

教師:展示說明書每片鐵含凈含量為30 mg,實驗二證明了鐵離子的存在.實驗一中不能鑒定鐵離子,是因為Fe3+,含量較低,生產沉淀現象不明顯.因此鑒定鐵離子常用KSCN試劑.

教師:由上我們也可知道Fe2+可轉化為Fe3+,請同學們從化合價角度,利用氧化還原反應知識分析兩種離子之間的轉化關系.提供試劑(Fe2+溶液、Fe3+溶液、硝酸溶液、H2O2溶液,還原Fe粉,維C溶液),引導學生設計實驗.

學生:自主選擇試劑進行實驗,通過顏色變化總結變化.

4.3 環節三:建構觀念,認知升華

價類二維圖將價態與類別以直觀圖示展現,可以幫助學生找到規律,理清各物質間的關系.設計5條路徑幾乎包含了鐵及其化合物得整節知識,以路徑①為例能幫助學生復習鞏固本堂內容,學生可通過完成②-⑤轉化關系,達到關聯結構水平.

教師:引導學生回顧鐵、鐵的氧化物、鐵的氫氧化物、鐵離子等相關知識,能根據元素價態,物質類別構建鐵的知識網絡圖,并分析內在聯系.[4]建構鐵及其化合物的價類二維圖及路徑,見圖2.

圖2 鐵及其化合物價類二維圖

教師:以路徑①路菠菜中鐵元素的鑒定為例,啟發學生從鐵元素價態觀以及物質類別出發分析鐵的知識脈絡,并形成聯系.

菠菜中的鐵為非血紅素鐵,屬于有機鐵類.[5]在自然氣氛下馬弗爐焙燒后生成氧化鐵,屬于金屬氧化物,與酸反應可得Fe3+,即可用硫氰化鉀試劑鑒定.

學生:教師啟發下,完成路徑②-⑤,形成知識串聯.

4.4 環節四:應用實例,知識遷移

呈現生產生活中應用鐵及其化合物解決問題的實例,如:污水處理給學生展現目前較為新興的芬頓處理技術.使學生感受化學基礎知識在先進工藝領域的應用,形成鐵及其化合物的抽象拓展結構水平.能體會化學與生活的緊密聯系,學有所用,學以致用.

教師:播放系列圖片:使用芬頓法處理污水(Fe3+與Fe2+的轉化)、污水處理中食品脫氧劑(Fe粉還原性,除氧)、植物黃葉病與鐵強化醬油(鐵是動植物不可或缺的重要元素)、鐵紅涂料(Fe2O3為紅棕色粉末)、覆銅板制作圖案(Fe3+的氧化性,銅被刻蝕).

學生:觀看圖片,在每一種與鐵相關知識應用時思考并討論其原理是什么,并能夠舉一反三,思考其它不在圖中與鐵知識有關的應用.

5 教學評價

SOLO 分類理論除了可以指導教學,最重要的功能還有用于評價學習.此前有許多研究就是利用此理論對試題分析及學生學習情況進行評價.如:周純等[1]分析了62 篇文獻在2015-2020年關于SOLO 分類理論在化學教育中的研究的文獻,表明有11 篇用于試題分析,20 篇用于教學評價,其余用于指導教學實踐.因此在本節課上完后,可依據SOLO 分類理論確立的教學目標,制定不同結構水平的試題,評價學生知識獲取和素養培養完成情況,指導后續補充教學.部分樣題如下:

(1)Fe3+與KSCN試劑反應有什么現象?

分析:單點結構.此問題可以提醒學生反應現象是溶液變紅而不是有紅色沉淀生成,易混淆.

(2)鑒定Fe3+的方法有哪些?

分析:多點結構.雖然學生知道KSCN溶液和NaOH 的均可鑒別,但是需要提醒學生微量只能用KSCN溶液,因此KSCN是Fe3+鑒別試劑.

(3)Fe3+與Fe2+的轉化常用哪些試劑?并寫出方程式.

分析:關聯結構.對教學環節二進行延申,鞏固本節重點.

(4)據說木耳中也含有大量的鐵元素,你能查閱資料去驗證它嗎?

分析:抽象拓展結構.在教學環節一中對菠菜含鐵進行了驗證,學生可理清鐵相關知識的基礎上查閱資料自行設計實驗,體會用所學知識解決生活中問題的樂趣.

(5)通過本節課的學習,你能自行設計鐵相關知識的一個價類二維圖嗎?

分析:抽象拓展結構.價類二維圖直觀呈現了知識間的相互聯系,對學生元素無機化學知識的學習很有幫助.要想讓學生自行設計,對學生本身知識要求較高,有利于思維水平的提高.

6 教學反思

SOLO 分類理論將學生的認知水平發展具象化,用具體的詞匯描繪不同思維結構水平,利于對學生進行學習情況分析,進而得到有基于實情的教學目標,從而能夠指導設計教學過程,使得學生思維水平發展能貫穿整個教學過程.基于本節內容屬于元素化合物知識,利用元素價態與元素類別幫助學生建構模型,形成系統認知.此外教學環節中多個真實情境得以運用,有利于學生體會化學與生活的緊密聯系.