大概念統領的“鐵及其化合物”單元整體教學設計與實施

宋靳紅 申燕 曹璨 丁曉武

摘要：以真實情境“聚合硫酸鐵絮凝劑的制備與應用”為貫穿單元始終的總任務，設計“尋找合適鐵源”、“絮凝劑的制備”及“絮凝劑的應用”三課時的“鐵及其化合物”的單元教學，突出“含有相同元素的物質在一定條件下是可以相互轉化的”大概念對本單元學習的統領作用，并引導學生基于“價類”二維視角認識鐵及其化合物之間的轉化。設計單元整體評價，力求全面診斷學生的學習過程和學習結果。

關鍵詞：大概念；鐵及其化合物；單元教學；“價類”二維

文章編號：10056629（2023）12003007

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

新一輪教學改革中，在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）指導下，以新教材的實施使用為契機，教與學方式的轉變成為當下教學實踐探索的熱點。新課標指出重視開展“素養為本”的教學，更加關注學生在真實情境下通過多感官參與探究活動建構知識體系^［1］。而單元教學是介于課程規劃與課時教學設計之間的中觀層面的教學實踐，通過“瞻前顧后”的聯系將知識適度整合，有效地避免了知識散點化、碎片化，有利于學生階段性學科核心素養的達成。學科大概念在單元教學中發揮統攝作用，是各課時教學內容高度融合的核心，并且大概念本身具有可遷移功能，對學生形成結構化的知識體系、提升舉一反三的能力是大有裨益的。因此，大概念統領的單元整體教學是落實學生素養發展的有效途徑。

本次單元整體教學基于新課標主題2關于“元素與物質”的具體要求，抽提出“含有同種元素的物質在一定條件下是可以相互轉化的”這一大概念，并以此統攝整個教學單元。教學過程中注重整體規劃，創造性地開發了較為新穎又貼近學生的情境總任務“聚合硫酸鐵絮凝劑的制備與應用”，以真實的生產流程情境為明線推進各教學環節，而大概念的建構作為暗線滲透于教學的始終。利用任務和問題驅動，引導學生在真實情境中建構并應用“鐵及其化合物”的相關知識，實現思維的進階發展。

1 教學主題

“鐵及其化合物”是高中化學金屬元素及其化合物中較為典型的教學內容，新課標針對該部分內容更加強調真實情境在學生知識建構與應用中的承載功能，突出元素及其化合物與生產生活的實際關聯，重視氧化還原反應等核心概念的指導作用。同時，元素及其化合物知識的不斷豐富也為發展學生已有核心概念提供了支持，為解釋生產生活現象、解決實際問題提供了依據。

基于學生已有認知，“鈉及其化合物”重點突出從不同物質類別視角研究物質性質，“氯及其化合物”更注重從價態變化視角研究物質性質，而“鐵及其化合物”教學主題，則是集元素價態和物質類別視角于一體，引導學生建構“價類”二維視角。

2 教學思想

2.1 抽提大概念，發揮大概念對教與學的統領作用

本單元教學設計以生產生活中一種重要的“聚合硫酸鐵絮凝劑的制備和應用”為情境貫穿單元始終，充分發揮學科大概念在本單元教學過程中的統領作用，重在引導學生從“價類”二維視角認識鐵及其化合物，逐步完善、應用并發展認識視角。本單元教學的大概念和各層級概念之間的關系如圖1所示。

2.2 創設真情境，引導學生在真實問題解決中建構

新課標頒布后，針對“鐵及其化合物”教學情境的開發，廣大化學教育者進行了大量的探索，如線路板腐蝕液的研究、菠菜中鐵元素的定量測定、各種補鐵劑等。目前開發的教學情境多源于新課標提供的情境素材建議，情境的創新與優化同樣值得研究與探討^［2，3］。

近年來，可持續發展的理念逐漸貫穿于各領域，絮凝劑的市場需求量正逐年增加。聚合硫酸鐵^［4］{［Fe₂（OH）_n（SO₄）_3-n/2］_m}是一種無機高分子高效絮凝劑，被廣泛應用于工業廢水、生活污水等的處理，該物質的制備流程比較貼近高中學生認知發展。以生產硫酸中廢棄的燒渣為原料，經酸溶、催化氧化、聚合等步驟實現其工業制備^［5］，可在課堂上模擬該過程獲得絮凝劑并檢驗其凈水效果。為便于課堂實施，筆者團隊多次優化制備實驗過程^［6，7］，如酸浸后采用離心分離提升了課堂效率；借助微波輔助技術大大縮短了“催化氧化”步驟的時間；摸索懸濁液的最佳配比，便于使用濁度計檢測凈水效果。此外，基于流程將鐵的單質、氧化物、氫氧化物、鹽等知識內容進行整合，使該情境成為本節教學的優良載體。

2.3 評價貫始終，全面診斷學情及時反饋優化教學

本單元教學采用整體評價設計，除鑲嵌于教學各環節中的形成性評價之外，還包括課前測、課時測、課后測及學生訪談（見表1）。

靈活運用活動表現、問卷、學生訪談、紙筆測驗等多樣化的評價方式，通過學生自評、同伴互評與教師評價相結合，發揮多元評價的合力作用。

3 單元教學目標

依據新課標內容要求及學業要求，結合具體的教學設計，梳理出本單元的整體教學目標。

（1）通過對聚合硫酸鐵組成的分析，結合鐵元素在自然界中的存在，從生產實際出發尋找鐵源并設計轉化路線，經過預測、驗證、觀察等過程，建立基于“價類”二維視角研究物質性質的思路模型。

（2）通過合適氧化劑的選擇，聚焦Fe²⁺到Fe³⁺的轉化并確定制備方案，經過試劑選擇、方案設計、實驗驗證、產品檢驗和對比分析等過程，發展基于氧化還原視角設計物質轉化方案的能力。

（3）通過絮凝劑的組成特點、凈水原理分析及凈水效果檢驗的過程，掌握Fe（OH）₂的制備方法，了解定性、定量檢測凈水效果的方法，了解實驗方案設計、條件控制、操作技術等化學調控的重要意義。

4 教學流程

本單元教學以“聚合硫酸鐵的制備與應用”為情境載體，參照制備聚合硫酸鐵的工藝流程路線展開各課時的教學（見圖2）。

第1課時認識聚合硫酸鐵絮凝劑的成分，設計并分析制備方案，最終確定以廢燒渣為原料，初步建構鐵及其化合物“價類”二維模型；第2課時聚焦分析氧化過程，對比不同氧化劑的氧化效果，最終確定氧化方案，通過分組實驗成功制備聚合硫酸鐵絮凝劑產品，并基于“價類”二維視角完善鐵及其化合物的轉化路徑；第3課時從產品組成角度分析工藝過程，分組實驗測試絮凝劑的凈水效果，拓展了解高鐵酸鹽的凈水原理，完整構建基于“價類”二維視角的鐵及其化合物的轉化關系。具體教學流程見圖3。

5 教學實錄

教學實施過程由三位教師合作并連續完成，分別選取三課時中圍繞重點問題解決的師生對話進行梳理。

5.1 情境任務驅動，設計制備方案

通過任務驅動，將鐵單質、鐵的氧化物以及鐵鹽和亞鐵鹽的部分性質融入其中，通過將已有知識及所獲取的新知識作為解決問題的工具，逐步建構知識網絡。具體如下：

［師］經濟發展，離不開對環境的保護，綠水青山的美好，需要化學工作者努力實現，那么如何讓渾濁的污水變成清水呢？

［生］加凈水劑。

教師展示初中教材“自來水廠凈水過程示意圖”，引出本單元教學主題——聚合硫酸鐵絮凝劑的制備及應用。

［師］聚合硫酸鐵中核心元素是什么？

［生］鐵元素。

［師］制備聚合硫酸鐵，我們首先需要尋找鐵源。鐵從何而來？思考自然界中鐵有哪些存在形式？

［生］單質鐵、氧化鐵，礦石……

［師］請同學們梳理常見的鐵及其化合物物質類別，結合之前所學元素及其化合物的認識角度，我們可以基于哪些視角來研究鐵及其化合物？

［生］物質類別和元素價態。

［師］請同學們將你所知道的鐵及其化合物繪制于“價類”二維圖中。

［師］鐵及其化合物種類豐富，哪些物質可用作制備聚合硫酸鐵的中間產物Fe₂（SO₄）₃的原料呢？請同學們設計合理的轉化路線。

學生開展小組討論，并由代表結合“價類”二維圖匯報轉化路線（見圖4）。

［生1］Fe與H₂SO₄反應先轉化為FeSO₄，再氧化生成Fe₂（SO₄）₃。

［生2］Fe先轉化為Fe₂O₃，再與H₂SO₄反應生成Fe₂（SO₄）₃。

［生3］Fe先轉化為Fe₃O₄，再與H₂SO₄反應生成Fe₂（SO₄）₃。

［師］Fe如何轉化為Fe₃O₄？

［生］Fe在O₂中燃燒。

［師］是否還有其他方法？

［生］Fe與H₂O（個別學生回答，應為提前作了預習）。

［師］煉鐵時，熾熱的鐵水或鋼水注入模具前，模具必須充分干燥，不得留有水。這是為什么？高溫下，Fe與H₂O（g）如何反應？產物是什么？我們來驗證一下。

教師演示實驗，引導學生根據實驗現象推導得出結論，并在“價類”二維圖中補充Fe→Fe₃O₄的轉化方式。

［師］除了以Fe為原料實現轉化，是否還有其他的轉化方案？

［生1］可以直接從鐵的氧化物出發，自然界也有鐵的氧化物。

［生2］Fe₃O₄與H₂SO₄反應。

［生3］Fe₃O₄與H₂SO₄反應得到Fe²⁺和Fe³⁺，需要繼續氧化，以赤鐵礦為原料與H₂SO₄反應可以一步實現轉化。

［師］同學們都能基于物質類別和價態視角設計轉化方案！請大家閱讀關于Fe₃O₄的資料信息，你能得到哪些重要信息？

［生］Fe₃O₄的晶型不同，其性質就不同。試劑純的Fe₃O₄可與稀硫酸緩慢反應，但磁鐵礦中的Fe₃O₄及煉鐵燒渣中的Fe₃O₄幾乎不與稀硫酸反應。

［師］除反應原理，其實反應條件、反應速率及成本等都需要在實際工業生產中綜合考慮。請大家根據實際工藝流程，分析工業生產所選擇的轉化方案。

開展分組實驗，以實驗室模擬燒渣和廢鐵屑為原料，完成硫酸亞鐵的制備。

5.2 注重思維培養，完成核心轉化

學生在限選試劑中選擇適合于工業生產的氧化劑并說明理由，多角度綜合考慮實際生產問題，有利于診斷學生應用氧化還原知識分析問題的能力，發展學生的認識視角。

［師］我們已經制得了FeSO₄，然后怎樣實現從Fe²⁺到Fe³⁺的轉化呢？需要加入什么試劑？

［生］需要氧化，加入氧化劑。

在“價類”二維圖中補充此步轉化過程。

［師］請大家在所給試劑中選擇，并設計實驗驗證方案是否可行（見圖5）。

［生1］我們組選擇酸性KMnO₄溶液作為氧化劑，實驗時，酸性KMnO₄溶液紫色退去，滴加KSCN溶液后，溶液變紅。

［生2］我們組選擇氯水、H₂O₂溶液氧化Fe²⁺，再滴加KSCN溶液，觀察到溶液變紅，可以驗證方案可行。

［生3］我們組同樣選擇H₂O₂溶液，除觀察到前面小組同學描述的現象外，我們還觀察到溶液中有氣泡產生。

［師］這個氣泡是什么？為什么會產生該氣體？

［生］應該是H₂O₂分解產生的O₂。

［師］為什么H₂O₂自身分解緩慢，而此時卻快速分解？

［生］Fe³⁺起催化作用。

［師］還有沒有其他方案？

［生4］我們組選擇KClO₃，也是可行的。

［生5］我們組選擇Na₂S，我們認為鈉元素處于+1價（高價態），也應具有氧化性，但我們的實驗沒成功。

［生6］Na₂S是還原劑，其中硫元素為-2價，處于最低價。

［師］Na⁺有沒有氧化性呢？

［生6］有，但是比較弱。鈉單質很容易失去電子，金屬還原性很強，形成Na⁺比較穩定，得電子能力很弱，氧化性弱。

［師］通過實驗方案的設計及驗證，我們初步得出了結論。如果你是工程師，你會選擇哪種方案？

［生1］選擇氯水或者KMnO₄，反應快。

［生2］但是氯水有毒，KMnO₄會引入重金屬，都會產生污染；我們選H₂O₂溶液，綠色環保。

［生3］但是H₂O₂分解會導致大量損失浪費，我們選擇KClO₃。

［師］同學們從多重角度進行了利弊分析，實際工藝中，選擇KClO₃作氧化劑。此外，我們在課堂上模擬此過程時還可借助微波輔助加快反應速率。

5.3 控制變量，檢驗絮凝效果

利用所制得的絮凝劑完成對高嶺土懸濁液的絮凝凈化，結合數字化儀器（濁度計）定量測定濁度值的變化。讓學生真切地感受到通過小組合作制得的絮凝劑的使用價值，從實驗的成功中獲得成就感。

［師］制得的聚合硫酸鐵絮凝劑的凈水效果如何？請同學們對高嶺土懸濁液進行絮凝凈化，并用濁度計測定使用絮凝劑前后的濁度值，判斷凈水效果。

教師介紹濁度計的使用方法，并示范測量使用絮凝劑前的濁度值為483.3NTU。隨后，學生分組實驗，記錄實驗數據，匯報實驗結果。

［生1］我們小組凈水后，濁度值是330NTU，降濁效果不是特別好，可能是操作失誤導致的，因為取樣時，取到了底部的雜質，導致數據出現偏差。但從現象上可以明顯看出絮凝沉降效果。

［生2］我們小組吸取上層清液，測出的濁度值為140.0NTU。

［師］在課堂有限的時間內，雖靜置時間較短，但我們已經看到了所制得絮凝劑的凈水效果。老師在課前的實驗摸索中，發現污水樣本的濁度可以降至28.5NTU，這是符合國家城鎮污水排放標準的（<30NTU）。

教師引導學生進一步討論制備凈水效果優良的絮凝劑的關鍵實驗因素，并拓展介紹具備雙重凈水效果的高鐵酸鉀凈水劑，了解其制備及凈水原理，完善鐵及其化合物的“價類”二維圖。

6 評價實施與結果分析

采用單元整體評價包括課前測、課時測、課后測、課后訪談，以及教學各環節中的形成性評價，進一步實現“教、學、評”一體化。

在課前測中，學生對物質分類、氧化還原反應、離子反應等基礎知識的掌握情況良好，而對于“你認為Cu與FeCl₃溶液可以反應嗎”這一問題近40%的學生僅從金屬活動性強弱視角預測兩者不能反應；對于“你認為Fe與H₂O可以反應嗎”則80%的學生比較陌生，即使認為Fe與H₂O能反應，也無法正確書寫化學方程式，主要是產物書寫不正確。同樣地，97%的學生都對聚合硫酸鐵絮凝劑的制備感興趣，但幾乎所有的學生都不能準確預測該絮凝劑的制備原料和制備原理。通過課前測數據，了解了學生的已有認知、現階段的認知發展點，以及學生對所創設教學情境的感興趣程度，為教師適度調整教學提供了依據。

在各課時測中，基于以含鐵燒渣為原料的制備工藝設計問題，伴隨著學習深入，問題的復雜度和綜合度也逐漸提升。如第1課時作業第8題，圍繞硫鐵礦燒渣制備聚合硫酸鐵絮凝劑的主要流程，僅針對獲得“精制FeSO₄溶液”的部分工藝步驟進行設問，75%的學生掌握情況良好；第2課時作業第6題，圍繞從燒渣到產品獲得的完整流程，針對實驗操作、離子檢驗、機理探究、符號表征等維度進行綜合測評，有40%的學生不能結合流程中含鐵物質的轉化準確分析離子的檢驗方法；第3課時作業第7題，則是以燒渣為原料遷移拓展制備水合氧化鐵［FeO（OH）］，實現從熟悉情境到陌生情境知識的遷移應用，對流程中“加熱氧化”步驟化學方程式的書寫，30%的學生寫成Fe（OH）₂氧化為Fe（OH）₃的反應［正確應為4Fe（OH）₂+O₂△4FeO（OH）+2H₂O］，說明學生對相對陌生的流程分析不到位。通過課時測結果的反饋得出，學生經過本單元的學習，對于鐵及其化合物的性質、轉化、化學（離子）方程式書寫以及相關離子的檢驗等，掌握情況良好，但對于相對陌生情境中知識的綜合應用，仍需后期再進行拓展強化。

在課后測中，大部分學生能借助實驗探究情境書寫鐵與水蒸氣反應的化學方程式，但對于給出鐵泥、部分轉化原理、物質穩定存在的酸堿性環境等信息，由學生設計以鐵泥為原料制備Na₂FeO₄晶體的工藝路線（此題對應學業質量水平4），50%的學生僅寫出原料，說明尚未形成方案設計的角度和思路，而對于其中的氧化步驟，學生的正確率較高。究其原因，復雜陌生問題需學生盡可能全面地調用所學知識加以解決，但由于其認識發展的階段性，學生解決此類問題仍表現出缺乏系統思考或尚未形成完整的解決問題的思路。

訪談時，學生表示“這三節課是一條線順下來的，具有連貫性”“這三節課所學的內容與實際有關聯，能應用于生活中”“親手制備出來絮凝劑產品，覺得特別有成就感”“對不一樣的實驗現象，老師可以進一步分析原因，如同樣的實驗步驟，為什么得到的產品有些比較干燥，有些卻呈現粘稠狀”……通過教師不斷追問和學生討論，充分表達了他們在本單元學習過程中的真實體驗和感受，學生的反饋也為教師整體把握教學實施的價值、優勢與不足提供參考。

多維度評價的結果表明，學生在任務驅動下，初步完成了鐵及其化合物知識體系的建構，但仍需不斷提升知識的綜合應用水平。

7 教學總結

本單元教學抽提出“含同種元素的物質在一定條件下可以相互轉化”的學科大概念，在其統領下，聚焦“鐵及其化合物”的相互轉化，創設情境貫穿始終，整合了該單元的核心知識，創設性地開發了制備、應用等探究實驗，將離心分離、微波輔助、濁度檢測等實驗引入課堂，增強了學生解決真實問題以及成功制得產品后的積極情感體驗。此外，通過多元互動促進學生思維外顯，引導學生建構并應用“價類”二維的認識視角，實現了知識到素養的轉化。

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