科學思維：化學探究實驗的靈魂

白建娥　吳瓊英

摘要： 科學思維是化學探究實驗的靈魂。對鐵釘與CuSO4溶液反應pH降低的“異常”現象進行深入探究，設計成時長80分鐘的高三復習課。沿著“發現異?！O計方案→分析解釋→又見異常→系統梳理→模型內化”六個教學環節層層遞進，促進核心知識、認識思路和學科觀念結構化，全面提升學生的思維品質。

關鍵詞： 科學思維； 探究實驗； 鐵與硫酸銅反應； 高三復習

文章編號： 10056629（2023）10005006 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

科學思維是在化學學習中基于事實與邏輯進行獨立思考和判斷，對不同信息、觀點和結論進行質疑與批判，提出創造性見解的能力；是從化學視角研究物質及其變化規律的思路方法；是從宏觀、微觀、符號相結合的視角探究物質及其變化規律的認識方式［1］?？茖W思維是化學探究實驗的靈魂。

由鐵釘與CuSO4溶液反應后pH降低，推測發生了反應：4Fe2++O2+10H2O4Fe（OH）3↓+8H+，該“異常”現象此前并未引起太多關注，相關文獻只搜索到一篇［2］，文獻作者在九年級“質量守恒定律”一節的演示實驗中發現鐵釘與CuSO4溶液反應后pH下降的現象，通過對比實驗得出異常現象產生的原因是Fe2+被O2氧化，建議演示實驗時鐵釘與CuSO4溶液的反應裝置應該密閉。筆者改進了該實驗，發現了更多的探究點，于是設計成一堂高三實驗探究課，以進一步發展學生的高階思維。

1 情境素材的教學價值

基于課標、學情及探究實驗過程，筆者梳理了Fe與CuSO4溶液反應蘊含的教學價值，如圖1所示。

Fe與CuSO4溶液的反應涵蓋了一系列科學探究要素：提出問題（鐵釘與硫酸銅溶液反應后為什么pH下降）→作出假設［Fe3+水解生成Fe（OH）3］→設計實驗［檢驗Fe（OH）3］→依據一系列現象論證觀點、評估和改進觀點等。經歷80分鐘的探究過程，可使這個真實的情境素材最大限度地發揮其功能價值，促使學生的核心知識、認識思路和核心觀念進一步系統化、結構化，促進科學思維的發展。

2 資料卡片的呈現方式

在Fe與CuSO4溶液反應實驗現象的分析過程中，要用到相應的支撐數據或事實性知識。高三復習階段，若還像新授課或一輪復習課那樣在需要的環節呈現所用信息，則腳手架太過明顯，反而會限制學生的思維。本節課模擬高考探究實驗題中“資料”的呈現方式，將可能用到的信息集中給出，讓學生根據解決問題的需要，適時選取合適的數據或事實。相當于給學生提供一個“工具箱”，至于要用到什么工具，什么時候使用，均由學生自行決定。這樣，既給了學生自由度，同時也帶來挑戰，有利于分析、綜合、評價、創新等高階思維的發展。表1、2是本節課的“資料卡片”。

K4［Fe（CN）6］與Fe3+產生藍色沉淀、與Cu2+產生紅棕色沉淀。

3 教學目標及流程

教學目標：

（1） 通過實驗探究鐵釘與硫酸銅溶液反應后pH降低的原因，建立從熱力學和動力學兩個角度研究化學反應的視角，糾正對鹽類水解程度的偏差認識，發展系統思維、批判思維，提升宏微結合、變化平衡等學科核心素養。

（2） 在Fe3+水解產物Fe（OH）3的檢驗過程中，發展對“分散系”概念的科學認識，強化識別和排除干擾因素的能力，反復將證據與結論進行邏輯關聯，提升證據推理學科核心素養。

（3） 結合具體實驗和試題對探究過程建立分析解釋“異?！爆F象的思維模型，促使核心知識、認識思路與核心觀念進一步結構化，全面提升思維品質。

探究實驗教學流程如圖2所示。

4 課堂實錄

4.1 發現異常

［驅動性任務］預測鐵釘與CuSO4溶液反應過程中的實驗現象、溶液pH的變化，并說明依據。

課堂上教學活動過程沿著圖3所示的順序展開。

在之前的學習中，學生已經建構了“物質性質類”和“反應規律類”探究試題的問題解決思維模型，因此在教師提供證據（溶液的pH從4.19降到2.83）之前，有個別學生想到Fe2+可能被O2氧化，但隨即被同伴否定，認為Fe、 Cu存在的情況下，Fe3+會被還原為Fe2+。教師提供證據后，新的質疑再次產生：鹽類水解程度很弱，Fe3+水解產生的H+能夠彌補Fe、 O2反應消耗的H+且還能“綽綽有余”嗎？

經過多輪次思維碰撞與簡單計算，學生形成了科學的觀點：Fe、 Cu與Fe3+的反應是自發反應，但是由于反應速率較慢，故可以在相當長的時間內大量共存；水解程度不是一成不變的，溶液越稀，水解程度越大，pH為2.83時，Fe3+基本水解完全。

注：Fe3+在水中以［Fe（H2O）6］3+形式存在，水解可生成［Fe（H2O）5OH］2+、 ［Fe（H2O）4（OH）2］+等，水解后還可能發生締合作用產生雙聚體［3］。為適應高中生的認知水平，水解產物一律用Fe（OH）3表示，后文也將水解產物統稱為Fe（OH）3。

4.2 設計方案

［驅動性任務］設計實驗證實反應體系中存在Fe（OH）3，用流程圖呈現實驗方案，方框內為實驗對象，箭頭上標明試劑和操作。

此環節讓學生獨立設計并將方法、思路以流程圖的形式進行顯性化表達，促使其對實驗過程產生身臨其境的“畫面感”，盡可能全面地考慮細節問題，避免思維碎片化。教師巡視過程中對學生的方案做出評價，并指定一位中等程度的學生上講臺板書其方案，隨后同伴點評，板書的學生認可后作改進，最終形成如圖4的方案（兩次過濾后的濾液和濾渣用數字1和2區分）。

學生首先想到Fe（OH）3為沉淀，應該與反應生成的Cu一起存在于紅色固體1中，加入H2SO4將其溶解，過濾掉Cu（紅色固體2）后，向濾液2中加入KSCN｛依據資料卡片還可以加入K4［Fe（CN）6］、 Na2S｝檢驗Fe3+；但是開始并未想到沉淀會吸附Fe3+干擾后續檢驗，經過互動、補充，確定紅色固體1要進行“洗滌”。有幾位思維靈活的學生立即想到Fe（OH）3具有膠體性質，于是推測濾液1中可能也有Fe（OH）3，便設計了用激光筆照射濾液1以檢驗是否產生“光亮的通路”。

4.3 分析解釋

科學思維是化學探究實驗的靈魂和聚焦點。二輪復習的課時有限，圖4實驗方案并未讓學生動手實施，由教師提前在實驗室完成并拍成視頻和照片，課堂上作為證據呈現，讓學生將證據與結論進行邏輯關聯。

當然，規范操作是實驗成功的保證，基礎實驗操作亦不可忽視。例如，學生對如何過濾比較熟悉，但對如何洗滌沉淀卻頗感陌生。于是，教師播放洗滌紅色固體1的實驗視頻，強調“淋洗、浸沒”等關鍵點，幫助學生內化基本技能，學生表現興致盎然。

此環節的重點是發展學生的批判性思維。實驗現象與結論進行關聯的過程中，學生需作深入思考：現有證據是否足夠充分支持這個觀點？現有證據還有哪些其他解釋？課堂上的獨立思考、敏銳發現、大膽猜想和周密論證等此起彼伏、精彩不斷。

教學片斷一：

［師］怎樣證明紅色固體1已洗滌干凈？

［生A］取最后一次洗滌液檢驗是否含Fe3+。

［生B］我認為不能馬上檢驗Fe3+，因為紅色固體中含有Fe（OH）3，洗滌過程中可“溶解”出Fe3+。

［師追問］如何排除干擾？

［生C］可以另取純凈的Fe（OH）3固體于試管中，加水溶解，滴加KSCN溶液看是否變紅。

［生D］也可以依據Fe（OH）3的Ksp計算一下溶解出的Fe3+是否可以使KSCN溶液變紅。

［師］兩位同學從定性、定量兩個角度給出了很好的建議。那么，檢驗其他離子能證明沉淀中吸附的Fe3+已洗凈嗎？

［生E］加BaCl2檢驗SO2-4，若沒有SO2-4，則原體系中其他離子也都已洗凈。

［師追問］為什么？

［生E］因為這是CuSO4溶液，部分變成了FeSO4，溶液中SO2-4濃度應該最大。濃度最大的離子都沒了，濃度小的就更甭提了。

學生紛紛點頭，教師也為生E的創新思維點贊！

教師繼續呈現證據：取三份濾液2，分別加入KSCN、 K4［Fe（CN）6］、 Na2S溶液，依次出現溶液變紅、生成藍色沉淀、有氣泡且出現黃色渾濁的現象，均證實了固體中存在Fe（OH）3。學生逐一寫出相關反應的化學（離子）方程式。

［生C質疑］加入Na2S產生黃色沉淀不能證明溶液中存在Fe3+，空氣中的O2也可能將S2-氧化。

［師追問］那如何排除干擾？

［生F］可以做一個對比實驗，向等體積蒸餾水中滴加同樣多的Na2S溶液，看是否產生相同的現象。

［師］思維縝密，系統考慮了反應體系中可能存在的微粒，特別棒！

教學片斷二：

［師］反應后濾液1產生丁達爾效應（見圖5），由此你可以得出什么結論？

［生F］濾液1中有Fe（OH）3膠體。

［師講解］Fe3+水解生成Fe（OH）3分子，多個Fe（OH）3分子聚集“長大”，當聚集體直徑達到1～100nm范圍內，形成Fe（OH）3膠體；沉淀則是聚集體進一步“長大”導致的結果?？梢?，同一種物質在不同的條件下可以分散成溶液、膠體和濁液。

［生G］我認為Cu（OH）2也可能形成膠體，所以有丁達爾效應不一定能證明濾液中有Fe（OH）3。

［生H］那就排除Cu2+的干擾，向濾液1中加入Na2S溶液，Cu2+會生成CuS黑色沉淀。

［生I］CuS沉淀過程中會不會也有長不到沉淀尺度范圍的膠體粒子呢？

［生J］而且Fe3+也可與S2-發生氧化還原反應。

全班陷入沉默、思考中……

見無人發言，教師提供加入鐵釘前用激光筆照射CuSO4溶液的照片（見圖6），沒有丁達爾效應。

［生G］真是大道至簡呀，我怎么就沒有想到呢！

［師］加入鐵釘前后對比，可以說明問題了嗎？

［生J］可以。加入鐵釘之前，Cu2+濃度大，水解產生的Cu（OH）2濃度也大，此時尚且沒有丁達爾效應。反應后Cu2+濃度降低，水解產生的Cu（OH）2濃度也降低，更不可能產生丁達爾效應。所以，反應后丁達爾效應一定是Fe（OH）3膠體所致。

［生K］反應后溶液pH=2.83，根據Ksp數據計算，此時Cu2+、 Fe2+還未開始沉淀，Fe3+則已幾乎沉淀完全，所以丁達爾效應確實能證明含有Fe（OH）3膠體。

4.4 又見異常

Fe（OH）3由Fe3+水解產生，該反應可逆，故學生推測濾液1中有“游離”的Fe3+存在，加入KSCN溶液理應變紅。教師播放濾液1中加入KSCN溶液的視頻，溶液立即變紅，但紅色很快褪去，產生了白色沉淀。請學生利用化學用語解釋該“異常”現象。

結合已有知識與資料卡片，生L上臺板書寫出兩個反應的方程式：

（1） Fe3++3SCN-Fe（SCN）3

（2） 2Cu2++4SCN-2CuSCN↓+（SCN）2

兩個反應解釋了溶液變紅和生成白色沉淀。

［生M舉手］我發現剛滴入KSCN溶液立即變紅，說明反應（1）速率快；隨著白色沉淀生成，紅色褪去，說明反應（2）限度大。

［師］思維敏捷，考慮全面！不僅解釋了實驗結果，還解釋了實驗過程。一般來說，氧化還原反應的活化能較大，反應速率較慢；而復分解反應活化能較小，反應速率較快。

本環節用實驗視頻代替照片，目的就是讓學生不能只關注結果，還要關注反應過程，穩固從熱力學和動力學研究反應的兩個角度，再次呼應環節1中Fe、 Cu與Fe3+既能相互反應（熱力學角度），又可以共存的事實（動力學角度）。

4.5 系統梳理

教師呈現對比實驗：將等質量鐵粉加入等濃度、等體積的CuSO4溶液，反復振蕩使其充分反應，一段時間后溶液pH升高。取等量的三份上層清液于試管中，分別加入K3［Fe（CN）6］、 K4［Fe（CN）6］和KSCN溶液，現象如圖7所示。

［師］依據實驗現象，可得出什么結論？

［生D］鐵釘換為鐵粉后，產物中鐵元素主要為Fe2+｛加入K3［Fe（CN）6］產生深藍色沉淀，圖7左｝，由于鐵粉過量且在振蕩之下充分反應，Fe3+濃度已經很小，加入KSCN溶液，溶液只能變黃（圖7右）；K4［Fe（CN）6］檢驗Fe3+相對靈敏，出現藍色沉淀（圖7中）。

［師］為什么其他條件相同時，鐵釘與鐵粉產生不同的現象？

［生N］（眉飛色舞地）鐵粉與Cu2+在不斷振蕩下充分接觸，反應速率快。生成的Fe2+一旦被O2氧化為Fe3+， Fe3+在鐵粉的橫沖直撞下又被還原，故Fe3+濃度很小。消耗H+的反應為主要矛盾，Fe3+水解為次要矛盾，反應后pH升高；而鐵釘在燒杯底部紋絲不動，任由Fe2+被O2氧化，生成的Fe3+絕大多數接觸不到鐵釘，不會被還原，體系中Fe3+濃度較大，水解成為主要矛盾，導致溶液pH下降。

全班學生情不自禁、熱烈鼓掌！

有了生動的感性體驗，接下來讓學生對Fe與CuSO4溶液的探究過程進行復盤。此環節是對環節2的呼應。如果說環節2是實驗前的“紙上談兵”，那么環節5則是實驗后的總結提煉。復盤的目的是促使學生反思問題解決過程中如何運用知識、如何提取信息分析問題以及如何探索問題的解決方案。教師點請學生當眾發言或表達，鼓勵學生不受干擾地說出完整的話，使其準確、流暢地把內隱的方法、思維均逐步外顯出來。這既是對學生學習效果的診斷，也是對同伴的一種尊重和示范。

4.6 模型內化

［驅動性任務］圖8是小艾同學對反應中出現的“異?，F象”的分析解釋和思路方法的總結，請你結合本節課Fe與CuSO4溶液的反應以及近期完成過的典型探究實驗題談談對該思路方法的理解。

往常的教學是教師帶領學生完成探究之后建立模型，此環節筆者以班級“小艾”同學之名將模型給出，讓學生結合本節課的探究進一步理解模型的內涵。因此，設計這個活動是希望學生能將零散知識和解決問題的方法、觀念進行系統整理，將其統攝在模型框架之下。語言表達過程中，同伴之間的觀點交鋒、教師適時的點撥鼓勵均能夠促進深度思維，從而獲得具有概括性和高度遷移性的知識和觀念，穩固分析解釋“異?！爆F象的認識角度與思維路徑。

5 教學反思

5.1 “整”任務比“碎”任務有利于學生深度思考

Fe與CuSO4溶液反應的再探究中，筆者設計的所有驅動性任務均為“整”任務，需學生獨立地進行系統思考、長程推理，并且以流程圖、化學方程式或大段的語言表述充分外顯其思維過程，而不是“一問一答”、你一言我一語的“碎”任務?！八椤比蝿杖菀自斐芍R和思維的割裂，相當于總是拄著拐杖走路?！罢比蝿胀瓿珊螅趯W生回答或展示過程中，教師耐心聆聽，不僅不“越位”提示，而且還延時評價，給同伴相互補充、多輪次思維碰撞創造機會。學生每提出一個猜想或判斷，教師都要進行追問，促使其深度思考，然后將認識角度和思維路徑顯性化，供同伴評價或借鑒，達到生生之間相互學習的目的。

5.2 探究“課”比探究“題”更能夠提升思維品質

探究實驗課將紙面探究轉化為真實探究［4］，為學生外露思維提供了契機。與探究題相比，探究課主題更聚焦、證據更直觀（實驗視頻和照片）。在教師的精心設計下，課堂節奏更適合充分思考、研討交流與觀點表達。Fe與CuSO4溶液反應產生的諸多現象既在“意料之外”，也在“情理之中”，看似尋常卻最奇崛。既促進了核心知識、認識思路和學科觀念的結構化，又有助于思維敏捷性、深刻性、批判性、創新性的全面提升。課后筆者對部分學生做了訪談，學生普遍反映通過這堂課“刷新了對鐵與硫酸銅溶液反應的認知”，感覺“知識更系統、理解更透徹”。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022： 6.

［2］包義才， 龍琪. 鐵與硫酸銅溶液反應的異常現象探究［J］. 化學教育（中英文）， 2023， 44（1）： 120～122.

［3］北京師范大學等. 無機化學（第四版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2018： 773.

［4］曾璐， 鐘曉媛. 建立復雜體系綜合實驗探究的解題策略——以高三實驗探究復習課為例［J］. 化學教學， 2022，（9）： 89～93.