指向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以“鐵鹽和亞鐵鹽”為例

龔道玉 孫朋朋

（蚌埠第一中學(xué) 安徽 蚌埠 233000）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出要開展“素養(yǎng)為本”的化學(xué)教學(xué)。“鐵鹽和亞鐵鹽”這一節(jié)課已經(jīng)有許多教學(xué)研究，如袁振東［1］通過趣味性實(shí)驗(yàn)探究鐵鹽和亞鐵鹽的相互轉(zhuǎn)化，葉書林［2］研究補(bǔ)鐵劑中的“紅外套”氧化鐵、“綠身體”硫酸亞鐵，以及鐵鹽和亞鐵鹽的轉(zhuǎn)化，王建林［3］利用含鐵釘和不含鐵釘?shù)腇eCl2溶液研究Fe2+和Fe3+的轉(zhuǎn)化。但這些教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)注具體的知識(shí)而忽略知識(shí)的建構(gòu)過程和知識(shí)所蘊(yùn)含的變化守恒、宏-微結(jié)合等學(xué)科思想方法的傳授，未能充分發(fā)揮其素養(yǎng)功能。此外，許多習(xí)題和科普視頻中提出“酸除鐵銹的原因是鐵銹與酸反應(yīng)”，但實(shí)驗(yàn)表明結(jié)果并非如此。

素養(yǎng)為本的教學(xué)關(guān)注情境的創(chuàng)設(shè)，倡導(dǎo)開展以實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。［4］因此，本節(jié)課設(shè)計(jì)“除鐵銹”這一真實(shí)情境和研究問題，延伸出三個(gè)研究任務(wù)，以任務(wù)為導(dǎo)向、以活動(dòng)為抓手，使學(xué)生經(jīng)歷猜想、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，在解決問題中不僅搭建知識(shí)結(jié)構(gòu)、形成學(xué)科觀念、發(fā)展素養(yǎng)能力，還可以形成對(duì)“酸除鐵銹”原理的正確判斷。此外，“除鐵銹”的情境貫穿于教學(xué)的始終，避免了選取多個(gè)情境導(dǎo)致的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的分散和割裂，最大程度還原真實(shí)問題，利于學(xué)習(xí)遷移。

一、分析教學(xué)內(nèi)容——發(fā)掘育人功能

“鐵鹽和亞鐵鹽”選自魯科版高中化學(xué)必修第一冊(cè)第三章第一節(jié)“鐵的多樣性”，包含F(xiàn)e3+和Fe2+的檢驗(yàn)、Fe3+和Fe2+的相互轉(zhuǎn)化、鐵元素不同價(jià)態(tài)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化模型的構(gòu)建等內(nèi)容。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過“離子反應(yīng)”和“氧化還原反應(yīng)”。

本節(jié)內(nèi)容以初中學(xué)習(xí)的“鐵單質(zhì)與酸的反應(yīng)”“鐵銹與酸的反應(yīng)”為基礎(chǔ)，研究視角從宏觀的物質(zhì)層面深入到微觀的離子水平，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)的進(jìn)階性。從氧化還原視角探究Fe3+和Fe2+相互轉(zhuǎn)化的原理，讓學(xué)生利用變化守恒的思想、經(jīng)歷分析推理的過程，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、開展實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)展學(xué)生的問題解決能力；探究中所涉及的物質(zhì)及離子反應(yīng)，如溶液中Fe3+、Fe2+的來源和數(shù)量，微粒間的相互作用及結(jié)果，［5］可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的理解，深化從微觀視角研究水溶液中物質(zhì)變化的思想，培養(yǎng)微粒觀和變化觀。鐵元素不同價(jià)態(tài)物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的模型的構(gòu)建，幫助學(xué)生形成從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)角度研究物質(zhì)性質(zhì)的思路，發(fā)展分類觀，也為后續(xù)學(xué)習(xí)“硫的轉(zhuǎn)化”“氮的循環(huán)”等元素化合物知識(shí)提供方法基礎(chǔ)。在解決生產(chǎn)生活中除鐵銹的真實(shí)問題時(shí)，感受鐵及其化合物性質(zhì)的重要應(yīng)用，養(yǎng)成從化學(xué)角度思考問題、運(yùn)用化學(xué)原理解決問題的習(xí)慣。

二、制定教學(xué)目標(biāo)——體現(xiàn)素養(yǎng)導(dǎo)向

教學(xué)目標(biāo)規(guī)定著教學(xué)方向、決定著教學(xué)效果，是學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)在課堂層面分解、落實(shí)的操作性指南。制定教學(xué)目標(biāo)需要分析發(fā)掘教學(xué)內(nèi)容與核心素養(yǎng)間的關(guān)聯(lián)、結(jié)合學(xué)生實(shí)際、合理選擇教學(xué)活動(dòng)，以學(xué)生當(dāng)前學(xué)情為起點(diǎn)、以素養(yǎng)目標(biāo)為終點(diǎn)，教學(xué)目標(biāo)見表1。

表1 指向?qū)W科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)

三、設(shè)計(jì)教學(xué)流程——外顯培養(yǎng)思路

“除鐵銹”的情境貫穿教學(xué)過程的始終，問題情境線、知識(shí)線、活動(dòng)線多線并進(jìn)，共同推動(dòng)教學(xué)走向深入，教學(xué)流程見圖1。

圖1 教學(xué)流程

四、開展教學(xué)實(shí)踐——落實(shí)素養(yǎng)發(fā)展

1.任務(wù)1：分析酸除鐵銹的化學(xué)原理

【學(xué)習(xí)任務(wù)】基于已有知識(shí)分析酸除鐵銹的微觀反應(yīng)原理，書寫氧化鐵、鐵與酸反應(yīng)的離子方程式，并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)鐵元素的存在價(jià)態(tài)。

【評(píng)價(jià)任務(wù)】通過分析學(xué)生除銹原理的解讀情況，診斷學(xué)生已有知識(shí)的掌握水平（經(jīng)驗(yàn)水平、基于概念原理水平）。通過分析氧化鐵、鐵與酸反應(yīng)離子方程式的書寫狀況，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)鐵、氧化鐵和酸反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)水平（物質(zhì)水平、微粒水平）。

【情境引入】鐵在日常生活和社會(huì)生產(chǎn)中扮演著重要的角色，但時(shí)間長(zhǎng)了鐵制品容易生銹。每年鐵制品銹蝕都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

【教師】鐵為什么生銹？鐵銹的主要成分是什么？結(jié)構(gòu)上有什么特點(diǎn)？

【學(xué)生】鐵在潮濕的環(huán)境中和水、氧氣共同作用得到氧化鐵，鐵銹疏松多孔。

【教師】生活中如何除銹？

【問卷調(diào)查】課前對(duì)100位同學(xué)進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示40%、18%、14%、13%、10%、5%的同學(xué)分別認(rèn)為白醋、蘇打粉、檸檬水、潔廁靈、可樂、番茄醬可以除銹。

【教師】這些物質(zhì)真的能除銹嗎？觀看科普視頻，并注意解讀其中的除銹的原理，見圖2。

圖2 除銹實(shí)驗(yàn)

【學(xué)生】觀看視頻并解讀原理。白醋、可樂、番茄醬、檸檬、潔廁靈這五種物質(zhì)能除銹，原因是這些除銹劑的水溶液顯酸性，酸電離出氫離子與鐵銹反應(yīng)，從而除銹。

【教師】酸能除鐵銹嗎？

【演示實(shí)驗(yàn)】取一根生銹的鐵釘置于燒杯中，加入稀硫酸模擬酸性環(huán)境。

【教師】從物質(zhì)分類的角度思考氧化鐵為什么可以和酸反應(yīng)？書寫該反應(yīng)的離子方程式。

【學(xué)生】（1）氧化鐵是堿性氧化物，可以和酸反應(yīng)生成鹽和水；書寫氧化鐵和酸反應(yīng)的離子方程式。

【教師】如何進(jìn)行驗(yàn)證？

【演示實(shí)驗(yàn)】取酸與銹釘?shù)姆磻?yīng)液于試管，滴加1～2滴KSCN溶液后變紅，說明溶液中有Fe3+，見圖3（a）。

【教師】溶液中還有什么現(xiàn)象？原因是什么？寫出相應(yīng)的離子方程式。

【學(xué)生】（1）鐵釘表面出現(xiàn)大量的氣泡，鐵釘內(nèi)部的鐵單質(zhì)與酸發(fā)生了反應(yīng)，產(chǎn)生Fe2+和氫氣；寫出鐵單質(zhì)和酸反應(yīng)的離子方程式。

【教師】如何驗(yàn)證有Fe2+？

【演示實(shí)驗(yàn)】取適量反應(yīng)液于試管，加入鐵氰化鉀溶液，出現(xiàn)藍(lán)色沉淀，說明溶液中有Fe2+。見圖3（b）。綜上所述，反應(yīng)液中Fe2+和Fe3+同時(shí)存在。

圖3 （a）滴加硫氰化鉀溶液；（b）滴加鐵氰化鉀溶液

【歸納總結(jié)】Fe2+和Fe3+的檢驗(yàn)方法。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生再次觀察鐵釘?shù)淖兓⒚枋霈F(xiàn)象并分析原因。

【學(xué)生】鐵釘表面的鐵銹減少，變得更加光亮；鐵釘表面有大量氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)劇烈。在試管底部沉積了大量鐵銹，說明鐵銹并未完全與酸反應(yīng)，鐵單質(zhì)和酸反應(yīng)的速度更快。

【教師】“酸除鐵銹”的原理是什么？

【師生討論】酸能與鐵銹反應(yīng)生成Fe3+，由于鐵銹是疏松多孔的結(jié)構(gòu)，因此酸會(huì)透過小孔與內(nèi)部的鐵單質(zhì)反應(yīng)，生成Fe2+和氫氣。鐵單質(zhì)和酸反應(yīng)的速度較快，反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體，進(jìn)一步加速了鐵銹的剝落、提高除銹效率。

2.任務(wù)2：研究除銹液中發(fā)生了哪些變化

【學(xué)習(xí)任務(wù)】依據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)探究Fe2+和Fe3+相互轉(zhuǎn)化的原理，構(gòu)建轉(zhuǎn)化模型。根據(jù)鐵、氧化鐵、鐵鹽、亞鐵鹽在一定條件下的轉(zhuǎn)化關(guān)系，構(gòu)建鐵及其化合物的價(jià)類二維圖。

【評(píng)價(jià)任務(wù)】通過對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的點(diǎn)評(píng)與討論，診斷學(xué)生方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)探究的水平（孤立水平、系統(tǒng)水平）。通過評(píng)價(jià)鐵及其化合物的“價(jià)類”二維圖的構(gòu)建情況，診斷并發(fā)展學(xué)生認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平（孤立水平、系統(tǒng)水平）、研究物質(zhì)性質(zhì)的視角（類別、價(jià)態(tài)單一視角，類別和價(jià)態(tài)雙視角）。

（1）子任務(wù)1：探究除銹液中Fe3+的“消失”

【教師】隨著除銹的進(jìn)行，反應(yīng)液中會(huì)發(fā)生哪些變化？除銹液中Fe3+的濃度將如何變化？如何驗(yàn)證？

【學(xué)生】隨著酸和鐵銹的反應(yīng)，F(xiàn)e3+的濃度將逐漸增大；驗(yàn)證：用KSCN溶液，根據(jù)溶液的顏色深淺判斷Fe3+的濃度，紅色越深、Fe3+濃度越大，紅色越淺、Fe3+濃度越小。

【教師】為了更準(zhǔn)確地比較溶液中Fe3+的濃度，需要注意什么？

【學(xué)生】控制取樣量和加入的KSCN溶液的量相同。

【教師】每隔兩小時(shí)從除銹液中取出等量的溶液（共5組），并新加等量的KSCN，見圖4（a）～（e），觀察溶液的顏色變化并描述現(xiàn)象。

圖4 不同時(shí)間取樣檢測(cè)除銹液中的Fe3+

【學(xué)生】溶液變紅，且紅色先加深、后變淺，說明Fe3+的濃度先增大、后減小。

【教師】（1）提出研究問題：溶液中Fe3+的濃度為什么會(huì)降低？如何驗(yàn)證？（2）引導(dǎo)學(xué)生回顧元素化合價(jià)與物質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系，并從化合價(jià)的角度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

【學(xué)生】+3價(jià)為鐵元素的最高價(jià)，F(xiàn)e3+具有氧化性，鐵釘中有鐵單質(zhì)，可能是Fe3+與Fe反應(yīng)生成Fe2+。

【教師】鐵起什么作用？

【學(xué)生】做還原劑。

【教師】（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：探究還原劑能否將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+；（2）試劑：FeCl3溶液、KSCN溶液、鐵粉、銅粉、淀粉KI溶液。

【學(xué)生】選擇試劑、設(shè)計(jì)并記錄方案。

【教師】論證實(shí)驗(yàn)方案，組織學(xué)生開展小組實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生】分組實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：Fe3+具有氧化性，能在鐵粉、銅粉、KI等還原劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+。

（2）子任務(wù)2：揭秘久置的除銹液中Fe3+的“重現(xiàn)”

【課前準(zhǔn)備】將上述5組溶液靜置一段時(shí)間后觀察其前后變化，見圖5（a）～（e）。引導(dǎo)學(xué)生觀察并描述現(xiàn)象，從化合價(jià)角度分析原因。

圖5 溶液前后對(duì)比

【學(xué)生】一段時(shí)間以后溶液變得更“紅”了，說明溶液中Fe3+的濃度增大，在氧氣的作用下Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+。

【教師】追問：氧氣起什么作用？

【學(xué)生】做氧化劑。

【教師】組織學(xué)生設(shè)計(jì)方案。（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：探究氧化劑能否使Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+；（2）試劑：FeSO4溶液、KSCN溶液、氯水、酸性KMnO4溶液、H2O2溶液；

【學(xué)生】

實(shí)驗(yàn)方案1取適量FeSO4溶液于試管，先加入氧化劑，再滴加KSCN溶液。若溶液變紅，說明氧化劑能將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+。

實(shí)驗(yàn)方案2取適量FeSO4溶液于試管，滴加KSCN溶液，無明顯現(xiàn)象后再加入氧化劑。若溶液變紅，說明氧化劑能將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+。

【教師】選擇哪一種方案更好，為什么？

【學(xué)生】方案2。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄垦趸瘎┠芊駥e2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，因此要先排除Fe3+對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。

【教師】組織學(xué)生開展小組實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生】分組實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：Fe2+具有還原性，能在氯水、酸性KMnO4溶液、H2O2溶液等氧化劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+。

【教師】小結(jié)：鐵單質(zhì)與氧氣、水共同作用會(huì)生成鐵銹（主要成分Fe2O3）；鐵銹會(huì)與酸反應(yīng)生成Fe3+、鐵單質(zhì)會(huì)與酸反應(yīng)生成Fe2+；Fe2+在氧化劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+、Fe3+在還原劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+。

【教師】布置任務(wù)：從物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)兩個(gè)視角構(gòu)建鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。見圖6。

圖6 鐵元素的價(jià)一類二維圖

3.任務(wù)3：討論在生產(chǎn)生活中如何科學(xué)除鐵銹

【評(píng)價(jià)目標(biāo)】應(yīng)用所學(xué)的除鐵銹原理解決實(shí)際問題，設(shè)計(jì)生產(chǎn)、生活中除鐵銹的方案時(shí)能考慮到多種因素。

【評(píng)價(jià)任務(wù)】通過評(píng)價(jià)學(xué)生制定的除銹方案，診斷學(xué)生的問題解決能力（孤立水平、系統(tǒng)水平）和學(xué)科價(jià)值認(rèn)識(shí)水平（學(xué)科、社會(huì)單一視角，社會(huì)和學(xué)科雙視角）。

【教師】生產(chǎn)生活中如何科學(xué)除銹？

【查詢資料】（1）除銹方法分為機(jī)械法和化學(xué)法兩大類，除銹液中的緩蝕劑既不影響制件表面氧化物的清除以保證除銹效率，又能有效地保護(hù)制件基體少被腐蝕。［6］（2）用鹽酸除鐵銹的效果比同濃度硫酸的效果更好，原因是氯離子具有較強(qiáng)的穿透金屬表層或裂縫的能力。［7］（3）升高溫度、反應(yīng)速率加快。

【學(xué)生】小組討論后得出結(jié)論：

（1）在生活中，給家中的鐵制廚具除銹可以使用白醋、可樂、番茄醬、檸檬等家庭食用酸性除銹液，還能通過加熱、加入適量的食鹽提供Cl-的方法提高除銹效率。同時(shí)綜合使用機(jī)械法除銹，比如先用砂紙打磨進(jìn)行人工除銹、再使用酸液浸泡。

（2）在工業(yè)生產(chǎn)中，由于工程量較大，使用機(jī)械法效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此首選化學(xué)法除銹。由于酸會(huì)和鐵單質(zhì)反應(yīng)，對(duì)基建造成腐蝕而產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)，因此在除銹時(shí)加入緩蝕劑保護(hù)內(nèi)部的金屬。

五、教學(xué)反思

在教學(xué)中落實(shí)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，需要關(guān)注知識(shí)、情境、活動(dòng)、實(shí)驗(yàn)等要素。本節(jié)教學(xué)關(guān)注知識(shí)的系統(tǒng)化、教學(xué)情境的生活化和完整化、活動(dòng)探究的系列化、教學(xué)評(píng)的一體化設(shè)計(jì)。

1.知識(shí)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

以鐵離子和亞鐵離子的檢驗(yàn)，鐵、氧化鐵、鐵鹽和亞鐵鹽的相互轉(zhuǎn)化為知識(shí)主體，開展一系列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用了主題式、任務(wù)式、目標(biāo)式的設(shè)計(jì)過程，驅(qū)動(dòng)學(xué)生用化學(xué)知識(shí)探討生活問題，在完成三個(gè)研究任務(wù)的過程中獲取鐵、氧化鐵、鐵鹽和亞鐵鹽的相關(guān)知識(shí)并進(jìn)行構(gòu)建，形成結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)體系，這是學(xué)科核心觀念和學(xué)科方法形成的前提。

2.情境的完整性設(shè)計(jì)

以鐵及其化合物的性質(zhì)為知識(shí)載體，挖掘生活中的真實(shí)情境，充分發(fā)揮情境的教育和遷移價(jià)值。從網(wǎng)絡(luò)上流傳的“實(shí)測(cè)除鐵銹最佳利器”科普小短片出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)解讀酸除鐵銹的原理，激發(fā)學(xué)生的興趣，設(shè)計(jì)了“分析酸除鐵銹的化學(xué)原理、研究除銹液中發(fā)生了哪些變化、討論在生產(chǎn)生活中如何科學(xué)除鐵銹”三項(xiàng)任務(wù)。情境貫穿于教學(xué)的始終，不斷地產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)性任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生深入研究，以獲得知識(shí)和發(fā)展能力。

3.活動(dòng)的系列化設(shè)計(jì)

以發(fā)展學(xué)生探究能力為目標(biāo)、以活動(dòng)為導(dǎo)向，通過任務(wù)和活動(dòng)搭建了知識(shí)與素養(yǎng)間的橋梁，使學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的探索和問題解決過程。在實(shí)驗(yàn)探究中經(jīng)歷預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)證的步驟，發(fā)展推理等高階思維能力。在活動(dòng)中整合學(xué)科知識(shí)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，形成學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)的思路和方法，發(fā)展氧化還原、物質(zhì)分類的研究視角，利于變化觀、守恒觀、分類觀、微粒觀、元素觀等化學(xué)核心觀念的構(gòu)建，為核心素養(yǎng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4.教學(xué)評(píng)的一體化設(shè)計(jì)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，應(yīng)當(dāng)樹立“素養(yǎng)為本”的化學(xué)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)觀。“教學(xué)評(píng)”一體化即教學(xué)目標(biāo)、學(xué)習(xí)任務(wù)、評(píng)價(jià)任務(wù)的整體性、一致性設(shè)計(jì)，可以保證所教即所學(xué)、所教即所評(píng)，所學(xué)即所評(píng)，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)可教、可學(xué)、可評(píng)價(jià)。［4，8］本節(jié)課將一個(gè)完整的教學(xué)主題規(guī)劃為3個(gè)不同的階段，在每個(gè)階段設(shè)計(jì)了探究任務(wù)、學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)和活動(dòng)、評(píng)價(jià)任務(wù)，對(duì)活動(dòng)過程中學(xué)生所體現(xiàn)的知識(shí)掌握和運(yùn)用的狀況、能力發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行診斷，開展及時(shí)性、持續(xù)性的教學(xué)評(píng)價(jià)以促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。