指向關鍵能力的高中化學實驗項目化學習實踐探究

張引娣

摘 要：文中以“檸檬酸亞鐵的制備與測定”為主題，分析了“檸檬酸亞鐵的制備與純化”“產品中有效成分的檢測”兩個項目任務，探索遵循發現問題→論證推理→實驗驗證→模型建構的認知發展過程，旨在項目化學習中實現知識功能化，彰顯化學學科價值，培育學生關鍵能力。

關鍵詞：項目化學習；關鍵能力；化學實驗

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：高中化學學科核心素養是學生通過化學學習而逐步形成的正確化學學科理念、必備品格和關鍵能力[1]。高考評價以立德樹人為核心，聚焦“關鍵能力”和“思維品質”，關鍵能力主要從理解與辨析、分析與推測、歸納與論證、探究與創新能力四個維度構建。關鍵能力[2]可以通過學會做事的項目來實現，必備品格與價值觀念可以通過學會做人的項目來培養。項目式學習本質上是一種教與學的方式，更強調對知識的深度理解，在做事中形成專家思維，引發跨情境的遷移[3]。項目化學習既可以提升教師的教學能力，也能“實現知、情、意、行相統一的學科育人，切實提高核心素養”[4]。目前，項目化教學被認為是最具有核心素養融合發展效力的教學方式[5]。本文以“檸檬酸亞鐵的制備與測定”的項目實踐為例，探討如何彰顯化學學科價值，培育學生關鍵能力這一重要議題。

一、項目主題分析

（一）項目內容分析和功能價值分析

“檸檬酸亞鐵的制備與測定”是基于《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中主題1：基礎實驗圍繞“物質性質和反應規律的研究”“物質的制備、分離與提純”“物質的檢測”等實驗活動來確定主題。本項目包括兩個任務驅動，任務一是檸檬酸亞鐵的制備與純化，任務二是產品中有效成分的檢測；分3個課時實施，第1課時制備檸檬酸亞鐵并純化，第2課時探尋檢驗Fe3+試劑的選擇模型，第3課時檢測檸檬酸亞鐵產品中的Fe2+。

項目以檸檬酸亞鐵為研究對象，研究了物質的制備、提純、檢驗和測定等實驗方法，承載了物質轉化與應用、實驗原理與方法等必備知識，深化學生類價二維、微粒觀、平衡觀、定量觀等學科觀念認識，培養“理解與辨析，分析與推測、歸納與論證、探究與創新”等關鍵能力，發展“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”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”等核心素養，促進學生德智體美勞全面發展。

（二）項目主體學情分析

本項目適合高二下學生的項目化學習或高三學生的實驗復習，要求學生儲備元素化合物、氧化還原反應、離子反應、元素周期律和表、化學平衡等核心知識，具備一定認識問題的視角和分析問題的方法。

核心知識方面，學生已學習了Na、Cl、Fe、S、N等元素化合物的性質和轉化，掌握了學習化合物的思路和方法，通過“物質結構與性質”“化學反應原理”“有機化學基礎”等選修學習，深化認識了元素化合物的轉化條件，具有一定的化學觀念和理論基礎，積累了一定的實驗方法。

關鍵能力方面，通過必修和選修教學內容的開展，學生已初步掌握了科學研究的一般過程與方法，掌握了一些實驗操作，可以進行簡單的實驗探究和證據推理，形成了良好的實驗習慣和嚴謹求實的科學態度。但在真實復雜的情境中做出合理預測和科學探究，還需教師的支持。

二、項目設計思路

以“檸檬酸亞鐵的制備與測定”為主題，學生在完成“檸檬酸亞鐵的制備與純化”“產品中有效成分的檢測”兩個項目任務過程中，運用“類價二維”預測轉化路徑，分析評價選出合理的途徑。學生基于“證據推理”論證轉化的可能性，通過實驗探究轉化的可行性，自主構建出物質制備與測定的思維模型，以期提升學生的關鍵能力，見圖1。

三、項目教學目標

通過“檸檬酸亞鐵的制備與檢測”項目，幫助學生復習核心知識，建立核心知識與化學觀念的聯系，使知識與認識思路結構化，培養學生的科學思維能力，提升關鍵能力，促進德智體美勞全面發展。為此制訂本項目的教學目標如下：

（一）通過“設計檸檬酸亞鐵的制備與純化”，復習實驗基礎知識，形成物質轉化的認識視角，掌握科學探究的一般思維方法，提升構建物質制備與純化的思維模型的能力。

（二）通過“設計產品中有效成分的檢測”，深化對學科本質的理解，系統認識物質制備、純化與檢測的構建思路和方法。

四、項目教學流程

五、項目學習實施

本項目在廈門大學附屬科技中學高三創新班進行教學實踐，由于篇幅有限，在此僅以第1課時為例具體闡述項目實施過程。

【情境導入】檸檬酸亞鐵作為高效補鐵劑，無論是從吸收率、口感，還是從生物學效價更高方面看，都是值得采用的一種補鐵劑。在實驗室中如何制備檸檬酸亞鐵？

任務一：檸檬酸亞鐵的制備與純化（第1課時）

子任務1：檸檬酸亞鐵粗品的制備

【活動1】基于“類價二維”預測轉化路徑

設計意圖：通過此活動引發學生回憶元素化合物的學習方法，構建鐵元素及其化合物的“類價二維圖”。基于“類價二維圖”探尋轉化路徑，結合查閱資料和已有原料選擇合適的轉化路徑：原料→FeSO4→FeCO3→檸檬酸亞鐵。

【學生匯報】

【學生評價】

學生1：鐵、氧化鐵、四氧化三鐵、氧化亞鐵均可能轉化；這位同學設計的轉化路徑可以優化為鐵與稀硫酸反應生成硫酸亞鐵。

學生2：依據現有原料選擇轉化路徑，在原料選擇中運用物質循環的思想。

學生3：根據資料顯示，檸檬酸亞鐵是可溶性鹽。類比上述轉化，將路徑中硫酸替換為檸檬酸即可。

【教師評價】同學們成功地從“類價二維”視角預測了合理的轉化路徑，還采用了物質循環，有很好的綠色化學思想。在本項目中所用原料是硫酸工業的廢渣，成分復雜。對于上述轉化路徑如何優化？如何實現鐵元素與其他元素的分離呢？

學生：將鐵元素轉化為氫氧化亞鐵沉淀析出。

【教師評價】鐵元素的氫氧化物沉淀為絮狀、顆粒小、易吸附其他成分，故轉化為碳酸亞鐵沉淀效果良好，對產率和純度影響較小。為了節省原料，可以將硫酸亞鐵溶液結晶再轉化為碳酸亞鐵。

【學生成果】

【活動2】基于“熱力學”理論，論證FeSO4轉化FeCO3的可能性

設計意圖：學生通過化學反應原理的學習，已建立起水溶液中的平衡觀，形成了熱力學論證的認識視角。在本活動中引導學生從定性和定量兩個視角認識離子反應，促進學科觀念建構，提升學生的證據推理能力。

【學生匯報】FeSO4→FeCO3轉化的試劑和評價：

學生1：碳酸鈉溶液堿性過強，認為欠妥。

學生2：碳酸氫鈉溶液堿性稍弱，可能可行。

學生3：碳酸氫銨溶液略偏堿性，應該可行。

【學生論證】（說明：本計算超出高中學生的能力范圍，論證計算為競賽學生完成）

【活動3】基于“實證”探究FeSO4轉化FeCO3的可行性

設計意圖：學生基于探究目的設計實驗、優化方案、動手操作，體驗探究過程，準確觀察、記錄實驗現象，得出實驗結論。與此同時，引導學生學會收集證據，并基于證據進行分析推理，能解釋證據與結論之間的關系。

【學生匯報】

【學生評價】

學生1：滴加碳酸氫鈉溶液時，觀察到略顯茶色沉淀。其他現象一致。

學生2：滴加碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液時，出現灰綠色沉淀，滴加碳酸氫銨溶液出現白色沉淀，一段時間后會略顯茶色。

學生3：滴加碳酸鈉溶液沒有觀察到白色沉淀，滴加碳酸氫鈉溶液和碳酸氫銨溶液均出現白色沉淀。大家的實驗結果都合理，三種溶液堿性不同，OH-和CO32-的濃度不同，現象不太一致。

學生4：發現滴加碳酸氫銨出現現象與預期一致，其他不一定。

【教師追問】實踐是檢驗真理的唯一方法。綜合以上分析，你會選擇哪種試劑？

【學生成果】

【活動4】制備檸檬酸亞鐵粗品

設計意圖：了解物質制備的一般過程，自主建構物質制備的思維模型。

【學生成果】

子任務2：檸檬酸亞鐵粗品的純化

【活動1】純化檸檬酸亞鐵粗品

設計意圖：復習物質分離提純的原理與方法，學生能根據產品性質選擇合適的提純方法。

【學生成果】

學生：若溶質溶解度隨溫度升高而降低，則采用蒸發結晶；若溶質溶解度隨溫度升高而升高，則采用降溫結晶。根據資料可知，降溫結晶可以制得檸檬酸亞鐵晶體，后重結晶即可。

【活動2】構建物質制備與純化的思維模型

設計意圖：基于本項目的開展，學生能提取出物質制備與純化的思維模型。

【學生成果】

六、項目教學反思

實踐證明，項目式學習中教師圍繞項目主題來系統地設計驅動性問題和學生活動，讓學生在真實情境中發現問題，在項目活動中設計方案、交流討論、改進實施，能體會科學研究的過程，可以培養關鍵能力。

（一）在情境中培育理解與辨析能力

學生在活動1回憶元素化合物的學習方法，繪制鐵元素及其化合物的“類價二維圖”。類比硫酸亞鐵與檸檬酸亞鐵的性質特點，順利地將硫酸亞鐵的轉化路徑遷移至檸檬酸亞鐵。學生獲取原料為工業廢渣的信息，分析含有多種成分，利用綠色化學思想判斷可能會影響產品純度和產率，聯想海水提溴的工藝加工過程進而提出解決策略：先分離、富集鐵元素，再根據預測轉化路徑具體實施。

（二）在活動中發展歸納與論證能力

項目活動中，學生面臨兩個挑戰：一是如何有效富集鐵元素；二是如何實現硫酸亞鐵轉化為碳酸亞鐵。學生通過查閱資料獲知，鐵的氫氧化物從溶液中析出多以絮狀形態，顆粒小，易吸附其他成分，從而將轉化路徑調整為：FeSO4轉化FeCO3為此迎來第二個挑戰，選擇什么試劑可以高效轉化？學生通過分析，Fe2+、OH-和CO32-微粒之間存在作用，做出預測：碳酸亞鐵沉淀和氫氧化亞鐵沉淀都有可能產生，但這需定量數據來佐證。學生請教化學競賽選手完成了計算論證，證實了預測的科學性，形成了熱力學論證的認識視角，加深了學科觀念理解，發展了學生歸納與論證的能力。

（三）在合作中提升探究與建構能力

學生基于探究目的設計實驗、優化方案、動手操作，準確觀察、記錄實驗現象，得出實驗結論。學生在預測與實證過程中，既體驗了科學探究的一般過程，又體會到真實實驗環境的復雜性，培養了科學研究的思維能力。在項目梳理中，學生用實驗流程圖表示實驗環節，抽提出物質制備的思維模型和純化的一般方法，有力地提升學生模型建構與認知能力。

結束語

總之，本項目要求學生有高中必修和選修的知識儲備，熟練掌握實驗原理和方法，對能力要求較高，在項目實施過程中如何設計高效的驅動性問題，如何診斷、評價關鍵能力發展的層級仍需要繼續探索。

參考文獻

[1]教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：5.

[2]單旭峰.科學命題，深化改革：2018年高考化學試題解析[J].中學化學教育參考，2018（7）：62-65.

[3]夏雪梅.項目化學習設計：學習素養視角下的國際與本土實踐[M].北京：教育科學出版社，2021.

[4]王磊，胡久華，魏銳，等.化學項目式學習的課程、教學與評價系統研究：北京師范大學化學教育研究團隊20年研究歷程與成果[J].化學教育（中英文），2022，43（16）：24-29.

[5]王磊，陳光巨.外顯學科核心素養促進知識向能力和素養的轉化：北京師范大學“新世紀”魯科版高中化學新教材的特點[J].化學教育，2019（17）：9-19.

本文系廈門市第六批基礎教育課程改革研究課題“高中化學主題式項目化實驗教學模式改革研究”（課題批準號：Z675）。