導向深度學習的化學實驗結構化教學

［摘 要］現行化學常態課中，說實驗、背實驗等現象很常見。這樣的課堂教學，缺乏知識建構過程，缺少深度思考，課堂互動與評價缺位，與新課改的育人目標不符。文章結合刑偵案情創設情境，基于化學實驗教學“四要素”設計范式進行教學設計，探究墨水中亞鐵離子含量的測定在辨別文書真偽方面的重要意義，培育學生的社會責任感和決策能力，讓學生的學習從探究性學習走向深度學習。

［關鍵詞］深度學習；要素；化學實驗教學；亞鐵離子

［中圖分類號］ ? ?G633.8 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）11-0070-03

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力［1］。

現行化學常態課中，說實驗、背實驗等現象很常見，即使偶有實驗，也多以演示實驗為主。這樣的課堂教學，缺乏知識建構過程，缺少深度思考，課堂互動與評價缺位，與新課改的育人目標不符。這樣的課堂教學是淺層化的［2］。

胡久華將化學學科的深度學習界定為：在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，開展以化學實驗為主的多種探究活動［3］。 然而化學實驗的影響因素、研究維度頗多，如何進行探究呢？本校化學課題組基于四個動態要素對化學實驗教學的內容設計和過程控制進行結構化處理，構建了化學實驗教學“四要素”設計范式［4］。

一、化學實驗教學“四要素”設計范式

如圖1所示，化學實驗教學設計的“四要素”分別是品質點、探究點、異常點和生成點。“品質點”是教學育人觀，統攝課堂教學，應優先設置；“探究點”是實驗教學主線，是核心要素；“異常點”指向化學實驗創新，可根據學情進行適切處理；“生成點”為教學主線服務，側重知識關聯，提升知識遷移能力。教學評價重視學生認識思路的結構化、外顯化，聚焦學科核心素養［5］。

二、基于化學實驗教學“四要素”設計范式的“刑偵學中的‘鐵證”教學

（一）教學內容分析

“刑偵學中的‘鐵證”是人教版高中化學教材必修第一冊第三章第一節“鐵及其化合物”知識的整合運用。通過鞣酸與硫酸亞鐵、硫酸鐵的反應實驗，啟發學生通過對象變換等探究操作來研究反應，探究墨水久置變色的原理，體驗科學實驗探究過程；用溶氧傳感器測定亞鐵離子轉化成鐵離子的過程中溶解氧的濃度變化以及用分光光度法模擬測定字跡留存時間等的實驗，促進化學與信息技術的融合，培養學生嚴謹的科學態度和求實精神，提升學生的探究素養。同時，通過探究性實驗，讓學生掌握從定性檢驗到定量測定的研究元素化合物的方法，并能運用價類二維圖模型分析設計測定墨水中鐵元素含量的實驗方案，為后續的學習發展奠定基礎。

（二）學情分析

從知識內容角度分析，學生在第一節“鐵及其化合物”前面課時的學習中已建構了鐵元素價類二維圖模型，對物質分類觀和轉化觀有了一定的認識，但對價類二維圖的運用還不夠熟練，特別是對坐標系的理解還不夠深入；在第一、二章學習了物質分類、離子反應和氧化還原反應等理論，以及鈉、氯元素及其化合物和物質的量的計算方法后，有了一定的問題分析能力和計算能力。從實驗操作角度分析，學生對實驗操作的興趣很高，而且在學習鈉、氯元素及其化合物內容時，做過一些實驗，有一定的操作經驗和能力，但部分學生的實驗操作還不太規范，對實驗現象的觀察和分析還不夠深入，不善于利用各種變換進行實驗探究。

（三）“四要素”設計目標及方法分析

針對化學實驗教學“四要素”，可設計如表1所示的目標與方法。

（四）教學過程

環節一：情境引入

【創設情境】播放電視劇《案發現場》片段。

【品質點設計】通過創設辦案真實情境，培育學生的社會責任感和決策能力。

【問題設計】案件中辦案人員是如何辨別遺書真偽的？

【互動交流】通過墨水字跡鑒定書寫時間。

評析：通過電視劇《案發現場》片段創設情境，激發學生的學習興趣；遺書中墨水字跡的書寫時間鑒定既是案情分析線索也是課堂教學線索，讓課堂充滿活力和正能量，能很好地培育學生的社會責任感和決策能力，引導學生樹立公平正義的價值取向。

環節二：原因分析，實驗探究

【問題設計】結合資料卡片，分析墨水由藍變藍黑色的主要原因。

【互動交流】鞣酸和硫酸亞鐵混合最終產生黑色鞣酸鐵沉淀。

【探究點1】 實驗模擬墨水變色過程。

向FeSO4、Fe2（SO4）3溶液中分別滴加鞣酸，現象如表2所示。

【異常點】硫酸亞鐵溶液中加鞣酸變紫黑色并緩慢加深。

【生成點】空氣中的氧氣將Fe（Ⅱ）氧化成Fe（Ⅲ），鞣酸亞鐵轉化成鞣酸鐵。

【探究點2】用溶氧傳感器測定亞鐵離子轉化成鐵離子的過程中溶解氧的濃度變化。

評析：“探究點1”通過鞣酸和硫酸亞鐵、硫酸鐵的反應，模擬探究墨水變色原因。“異常點”是宏觀現象，“生成點”是微觀分析，而“探究點2”則是實驗論證，展現了嚴謹的科學探究過程，發展了學生的結構化思維。“生成點”和“探究點2”由氫氧化亞鐵在空氣中轉化為氫氧化鐵的反應原理模型遷移而來。探究活動突出了對學生實驗觀察與動手操作能力的培養，以及對學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知核心素養的培養，也突出了化學與數字技術的應用價值。

環節三：原理探析，方案設計

【問題設計1】如何利用墨水變色原理確定字跡的書寫時間？

【互動交流】先測定Fe2+的量，再與標準濃度變化表對比，最終確定文件中鞣酸鐵墨水字跡的形成時間，從而判斷遺書的真偽。

【問題設計2】 如何測定FeSO4中的Fe2+含量？請運用所學知識設計模擬方案。

【互動交流】沉淀法。方案1，加堿測氫氧化亞鐵的質量；方案2，先將亞鐵離子轉化為鐵離子，再加堿測氫氧化鐵的質量；方案3，先將亞鐵離子轉化為鐵離子，加堿測氫氧化鐵的質量，再測氫氧化鐵加熱分解后的產物氧化鐵的質量（如圖2）。考慮到測量的準確性，方案3更好。

【問題設計3】1.請分析該轉化過程中每一步所需的試劑。2.請書寫該轉化過程中相關反應的離子方程式。3.步驟②和③中的實驗操作是什么？

【互動交流】步驟①中加過氧化氫；步驟②中加氫氧化鈉，充分反應后過濾、洗滌、干燥；步驟③中加熱至恒重，稱量氧化鐵質量。寫出相關反應的離子方程式（略）。

【問題設計4】此沉淀法的方案能否應用于測定墨水字跡中的Fe2+含量？

【互動交流】操作步驟較多，可能會有損失；墨水中亞鐵離子含量太少，可能測定不準確。

【問題設計5】1.還有其他方案可以更準確地測定Fe2+含量嗎？2.已知KMnO4是常用于測定Fe2+含量的試劑，反應過程中被還原得到Mn2+，該方法能否用于檢測墨水字跡中的Fe2+含量？

【互動交流】墨水本身有顏色，對高錳酸鉀反應過程中顏色變化的觀測有干擾；根據資料卡片信息可知， 藍色有機染料具有一定的還原性，可能會過多消耗高錳酸鉀，使測定不準確。

評析：根據前面的實驗探究得出墨水變色的原因，設計5個有層次、有關聯、有深度的驅動性關鍵問題，形成問題鏈，導向深度學習。問題設計1指向案情分析，揭秘遺書真偽，是后續問題設計的邏輯起點。問題設計2至問題設計5，是對測定FeSO4中的Fe2+含量模擬方案的探討，主要有沉淀法方案和氧化還原法方案。對于沉淀法方案，可從原理科學性、試劑綠色化、操作簡約性、結果準確性等角度進行評價；對于氧化還原法方案，可從原理科學性、試劑干擾性等角度進行評價。問題設計5的探討也是后續拓展性學習的邏輯線索。整個環節的活動設計，有助于提升學生對鐵元素價類二維圖的工具性的認識，使學生學會建構定量測定的實驗方法模型，即物質性質—轉化關系—方案設計與評價—定量測定。對不同方案的評價和分析，突出了對化學思辨能力，分析、解決復雜真實問題的能力以及化學高階思維能力的培養。

環節四：了解方法，模擬測定

【問題設計】基于上述實驗方案存在的局限性，閱讀色度法相關資料，了解定量測定鐵元素的新方法。

【互動交流】1.根據溶液的吸光度與濃度成正比，可以通過測一定濃度梯度的標準溶液，繪制吸光度與濃度的曲線，然后測定待測液的吸光度，從而計算出待測液的濃度。2.色度法適用于有顏色的溶液，濃度越大，顏色越深，吸光度越大。3.在Fe2+、Fe3+共存的情況下，鄰菲羅啉不受Fe3+干擾，可專一識別Fe2+。因此，可利用鄰菲羅啉在Fe2+、Fe3+共存的復雜環境中檢測Fe2+的濃度。4.用色度傳感器進行數據采集。

【探究點】分光光度法模擬測定字跡留存時間實驗。

【學生實驗】處理字樣—配制標準溶液—繪制標準曲線—測定樣品吸光度—對照標準曲線讀數。

【課堂總結】從價類二維圖模型、定量測定實驗方法、育人觀念等角度總結評價，提升學生認知，促進學生發展。

評析：用沉淀法測定存在質量損失，不夠準確，而用氧化還原法測定會有顏色和其他還原性物質的干擾。用色度法測定較為準確，從其測定原理又關聯到更準確的分光光度法，提升了學生對化學與信息技術融合的認識，拓寬了學生的科學視野。

三、教學反思

本節課按化學實驗教學“四要素”設計范式制訂教學流程和教學策略，通過分析遺書真偽的案情創設教學情境，以探究墨水中亞鐵離子的含量為主線索，借助鐵元素價類二維圖模型，建構定量測定的實驗方法模型，提升學生的證據推理和科學探究素養。

本節課“探究點”的設計主要聚焦在墨水的變色原因上，而探究過程中出現的與“應然現象”相沖突的“異常點”現象，催發了微觀分析的“生成點”，進而進入實驗論證。教學過程邏輯嚴密有序，體現了嚴謹的科學探究過程，培養了學生的科學求實精神。通過原理遷移，由色度法測定遷移到分光光度法測定，拓展了學生視野。在“原理探析，模擬方案”環節，主要是從理論上進行方案設計與評價，若能增加證實或證偽的探究性實驗，效果會更好。

本節課“品質點”的設計是為“立德樹人”的育人理念服務的。本節課引入溶氧傳感器、色度傳感器、分光光度計等數字化實驗儀器，呈現了科技發展新成果，培養了學生嚴謹求實的探究精神。通過鑒定遺書真偽的辦案情境，培育了學生的社會責任感和決策能力，正向引導學生樹立公平正義的價值取向。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］ ?楊恒建，貝偉浩.深度學習視角下的高三化學實驗復習教學［J］.中學教學參考，2021（32）：61-63.

［3］ ?胡久華.以深度學習促核心素養發展的化學教學［J］.基礎教育課程，2019（Z1）：70-78.

［4］ ?貝偉浩，藍仁敏，張金恒.化學實驗教學“四要素設計模式”研究［J］.廣西教育，2021（2）：28-30.

（責任編輯 羅 艷）