開展綜合實踐活動 培育科學探究素養

摘 要： 以滬科版《普通高中教科書〈化學〉必修第二冊》第5章項目學習活動“如何測定菠菜中鐵元素的含量”為例，在“科學探究與創新意識”素養導向下，立足學生全面個性發展，做好科學細致的教學分析；基于校情、師資、學情和教材資源，開展綜合實踐活動，注重“教-學-評”一體化設計；基于情境設置問題導引，拓展時空貫通學習過程；關注學生科學經歷體驗，開展問題導學的探究學習活動；貼近經驗發現問題，體驗試錯學會方法，親身感悟問題解決，有效落實教學目標，培育學生科學探究素養。

關鍵詞： 高中化學； 綜合實踐活動； 科學探究素養； 問題解決； 鐵元素含量

文章編號： 1005-6629（2024）11-0048-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

滬科版高中化學必修新教材增設了“項目學習活動”欄目，這部分內容雖然源于教材的單元主題學習，但往往因其含有高于化學課程標準的內容要求，所需課時也較多，深受“課時特別緊張”困擾的一線教師少有真正將它落實到課堂教學中去的。高中化學新課程標準指出，“在問題解決中發展學生核心素養，基于學科素養進行化學課程學習評價”［1］。在使用新教材的課改實踐中，我們感到教材中的“項目學習活動”欄目為學生提供了不錯的開展綜合性、實踐性探究活動的素材，是提升學生化學核心素養、夯實科學素養根基的良好載體，只要我們基于校情、學情對教材中的“項目學習活動”進行細研究和再設計，并有效實施，就可以讓它在培育學生科學探究素養等方面發揮獨特的作用。本文以“如何測定菠菜中鐵元素的含量”為例，介紹我們是怎樣在課堂教學中開展綜合實踐活動，培育學生科學探究素養的。

1 立足學生全面個性發展，做好科學細致教學分析

《普通高中教科書·化學必修第二冊》（滬科版）第5章“金屬及其化合物”的項目學習活動“如何測定菠菜中鐵元素的含量”，是一個任務引領的綜合實踐活動，設置在學習金屬元素單質及其化合物之后，意欲定量檢測真實食品中微量鐵元素含量，鍛煉學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

我校是地處遠郊的市實驗性示范高中，學生對理科學習有興趣，也有一定的探究欲望，但由于從小實驗機會少，動手能力較弱。他們在高一生物課中已學過分光光度法，使用分光光度計分別測定過蛋白質和葉綠素的含量。本章也已學習了鐵及其化合物的性質及轉化，具備了一定的物質檢驗、提純、定量測定的知識，但獨立完成實驗設計的機會不多、動手自主完成任務的能力不足。

我校是全國科學教育實驗學校，注重在各學科日常教學及課后自主學習期間開展科學教育。學?？苿摯髽窃O有數字化實驗室、標準化實驗室、環境分析實驗室等專用教室，配備有傳感器、分析儀器等先進的儀器設備，學校的圖書館、計算機房每天傍晚向學生開放，為學生的探究性學習活動提供了良好的環境支持。

為了促進學生全面個性化的發展，本章的項目學習活動設計為深入的、問題鏈式的科學探究活動，以自主、合作、探究的活動實施來提升學生的科學探究素養。

2 著力提升化學核心素養，展開科學探究教學設計

基于上述分析，我們選擇性地使用教材內容，精心設計適切的教學目標，創設情境，強化問題導引，設計成系列的合作探究活動；拓展時空，允許試錯，為探究性學習活動的切實開展提供保障。

2.1 素養導向制定教學目標，注重“教-學-評”一體化設計

探究活動的設計要基于科學教育的目標，并將評價貫穿教與學的全過程，從而實現以評促學、以評促教。因此，我們以科學探究素養為導向制定教學目標，圍繞目標設計適宜的學習活動和相應的評價指標，注重過程性與終結性評價相結合的多角度全程性評價，實現“教-學-評”一體化設計（如表1所示），以此獲取精準的反饋信息，優化教學內容，最終提升課堂教學質量。

2.2 設置問題導引，凸顯問題解決的探究活動設計

科學源于生活，只有貼近生活的探究活動才能讓學生真正體會到科學的魅力。根據教學目標，設計本節課的探究活動流程（如圖1所示），以問題引導貫穿整個探究活動，分解難度，呈螺旋式上升。立足學生全面個性化的發展，引導學生提出系列的問題鏈，激發內生學習動力，促進他們主動投入、深度參與、多角度地深層思考，綜合運用知識解決問題。

2.3 拓展時空激發學生潛能，貫通“課前-課中-課后”整體設計

科學探究要貫穿始終，以自主、合作、探究的學習方式整體設計探究活動。課前提倡自主探究，將教材中的菠菜預處理前置，引導學生自主組隊查閱資料，運用化學提純思想，設計菠菜預處理的方案，并開展小組實驗。課中注重合作探究，將難度較大的關鍵實驗步驟拆解為四步，每組學生只選擇其中一步進行深入研究，再分享交流，以集體智慧加深對整個實驗方案設計的理解；同時，將耗時稍長、重復多次的標準溶液配制實驗進行拆分，6個小組各負責配制一種標準溶液，然后集中起來測定吸光度，合作繪制出一條標準曲線，以提高實驗效率。課后注重拓展研究，以分層作業的形式，鼓勵學生應用所學方法繼續深入探究，從而貫通“課前-課中-課后”整體探究活動的設計。

3 關注學生科學經歷體驗，有效落實

科學探究活動

實踐出真知，科學教育關注學生的科學經歷，只有

親身體驗科學探究的艱辛、不斷試錯才能尋求到科學的真諦。探究活動的落實注重學生體驗，學生在經歷解決問題的過程中激發求知欲，提升科學探究素養。

3.1 貼近學生生活經驗，情境引入發現問題

基于學生已學的鐵元素及其化合物知識、生物課分光光度法實驗和“吃菠菜可以補鐵”的生活經驗，引發學生主動提出“什么樣的食品鐵元素含量較高”“如何測菠菜中鐵元素含量”等問題，引出學習活動，引導學生主動投入、深層思考和主動參與。

3.2 體驗試錯學會方法，親身感悟問題解決

科學方法的學習不是照方抓藥，而是在“試錯-糾正-再試”的過程中自主學會、逐步掌握。學生對單一體系的鐵離子檢驗信心十足，但面對真實樣品中多種離子的干擾，顯得一籌莫展。教師需引導學生學會分析問題、查資料、找方法、再設計、再動手、發現新問題、再糾錯、再實踐，一次次深度學習探究，最終解決問題。

3.2.1 活動1 課前實驗分享，探究菠菜處理

科學學習是永無止境的，要關注前沿科學，學會借助資料學習新知。教師放手讓學生課前自主探究菠菜樣品的預處理，給學生初次試錯體驗的機會。

［教師］課前同學們通過查閱資料，了解菠菜中鐵的存在形態。

［問題討論］（1） 菠菜中鐵的存在形式如何？

（2） 如何提取菠菜中的鐵元素，以便于檢測？能研磨榨汁后直接測定嗎？能加水提取鐵元素嗎？

［教師］菠菜中哪些物質會影響鐵的測定？如何預處理？

［學生交流分享］

××學生：查閱資料發現，菠菜中的葉綠素對鐵元素測定有影響，陳麗等用灼燒法排除草酸、葉綠素等有機物的影響［2］。因此，我們小組采用灼燒酸泡法，稱取5g洗凈曬干的菠菜莖樣品于坩堝中灼燒，除去葉綠素。然后將灼燒后的菠菜灰轉移至100mL燒杯中，加入20mL 6mol·L-1的鹽酸浸泡。

……

［小結］同學們主要采用了兩種方法，“灼燒酸泡法”將鐵元素轉化為鐵離子，“研磨酸泡法”主要將鐵元素轉化為亞鐵離子。

設計意圖：菠菜的預處理要求較高、步驟繁瑣、浸泡耗時長，但也很有探究的價值。將其前置為課前學生自主活動，通過查文獻、初學新知，層層深入探究菠菜中鐵元素的存在形式、價態以及性質，設計提取鐵元素的方案并進行實驗。然后在課中分享交流，聆聽各小組的不同方法，加深理解預處理中“烘干、灼燒、溶解”等關鍵問題。

［實施效果］不同學生小組給出了不同的處理方法，通過問題鏈討論和分享交流，破解了學生的困惑，理解了“真實樣品不能直接研磨后測鐵、不能加水提取”的原因，為下一步實驗設計奠定基礎。

3.2.2 活動2 定性定量對比，探究測鐵方法

檢驗方法的選擇是學生第二次試錯。學生討論發現，單一鐵離子、亞鐵離子檢驗的方法竟然都不適用于菠菜中鐵元素的檢驗，一度很困惑。試錯后，學生不斷糾錯、遷移、拓展，從定性到定量、從常量到微量、從傳統實驗到數字實驗，最終建立起真實樣品元素檢測的方法模型。

［教師］預處理得到的菠菜樣品溶液，同時存在亞鐵離子和鐵離子。為了精準測定鐵元素含量，須將鐵元素轉化為一種價態，如何轉化呢？

［學生］根據氧化還原反應原理，加氧化劑如高錳酸鉀、雙氧水等可將亞鐵離子轉化為鐵離子，或者加鹽酸羥氨溶液、維生素C等還原劑將鐵離子轉化為亞鐵離子。

［思考與討論］（1） 定性檢測鐵離子、亞鐵離子的方法有哪些？

（2） 定量檢測鐵離子、亞鐵離子的方法有哪些？

（3） 請猜想這些方法能否檢測菠菜中微量鐵元素？

［小結］菠菜中鐵元素的含量很小，重量法得到的固體質量太小，誤差較大；滴定法，受菠菜中其他還原性雜質干擾較多，如菠菜中的草酸也會被高錳酸鉀氧化；顯色法可用于微量鐵元素的檢測。

［教師］隨著科技發展，現代儀器分析中測定微量鐵元素的方法有火焰原子吸收分光光度法、熒光光度法、分光光度法等。

［思考］高一生物課曾用分光光度法測蛋白質含量，其原理是什么？是否可用于測菠菜中鐵元素含量？

［學生］測定某物質在特定波長處的吸光度，理清吸光度與該物質濃度之間的關系，可進行定量分析。

［問題討論］（1） 溶液濃度與吸光度有什么關系？

（2） 對有色物質有什么要求？

（3） 菠菜測鐵元素選用哪種顯色劑？

［小結］根據實驗原理，利用分光光度計，先對不同濃度的鄰二氮菲-亞鐵標準溶液進行檢測，得到

A-c關系曲線。再測定菠菜樣品的吸光度，在標準曲線上找到與之相應的溶液濃度，即可換算該樣品鐵元素的含量。

設計意圖：參照高一生物實驗，思考如何排除葉綠素對鐵元素測定的干擾；在活動2中，根據實驗目的、要求、精度和靈敏度等，逐步引導學生從價-類二維圖分析物質的轉化，并從氧化還原反應等角度思考測定原理，學會真實樣品中微量元素含量的測定方法。

［實施效果］從混合體系到單一體系，從傳統實驗到數字實驗，從生物實驗遷移到化學實驗，拓展介紹分光光度傳感器，提升實驗效率，關注前沿科學的應用。讓學生逐步地、自主地構建測定微量元素含量的方法模型（如圖2所示）。

3.2.3 活動3 分組設計步驟，分享完善方案

科學實驗的步驟（方案）是如何設計產生的？先是由學生主動提出了一系列問題，如每一步操作的關鍵點是什么、影響定量實驗精準度的因素有哪些、它們是如何影響實驗的……然后通過小組間合作討論進行深度學習，

借助集體智慧解決了問題。

［教師］實驗操作有關鍵四步：配制亞鐵標準溶液、探究最大吸收波長、繪制標準曲線、樣品鐵元素含量測定計算。請每個小組根據興趣選擇其中一個關鍵步驟，深入思考關鍵點，設計實驗步驟。

［學生討論］略。

［學生分享］交流小組討論結果，互相質疑、補充完善。

小組1“配制亞鐵標準溶液：（1）試劑選擇：為了調控溶液酸堿性，加鹽酸及醋酸鈉溶液；

（2）濃度選擇：配制標準溶液，菠菜中鐵元素含量約2.90/［mg·（100g）-1］，配制0～2mg·L-1之間6個均分點的亞鐵標準溶液；

（3）配制方式：為了配制方便，減少誤差，用同一濃溶液，量取不同體積后，進行稀釋”。

小組2“探究最大吸收波長：（1）儀器使用：比色皿要潤洗2～3次，盛三分之二容積即可；

（2）光譜范圍：全波長掃描，或者測定450～540nm波長范圍；

（3）最大波長確定，在曲線上找到最大吸光度對應的波長”。

小組3“繪制標準曲線：（1）測繪基準：標準溶液1是亞鐵離子濃度為0、其他物質濃度相同的參比溶液，做對照用的。不能用蒸餾水代替，因為其他試劑的吸光度可能不為0；

（2）測試方法：將比色皿放入分光光度計中，設定波長為最大吸光度對應的波長，依次測量‘標準液1’至‘標準液6’的吸光度，并記錄相應濃度與吸光度數據；

（3）繪制方法：以亞鐵離子濃度為橫坐標、吸光度為縱坐標，進行線性擬合，即得標準曲線”。

小組4“樣品鐵元素含量測定計算：（1）分離樣品：過濾，洗滌，分離提純菠菜酸浸液；

（2）測定樣品：將過濾液配好溶液，測定吸光度并記錄數據；

（3）計算濃度：在標準吸收曲線中進行比對，得出濃度，或通過線性方程算出溶液濃度。注意：若是研磨酸泡法，要扣除葉綠素的吸光度再計算”。

……

［教師］下面請根據各組討論結果，優化設計實驗步驟。

設計意圖：定量測定時，為了優化實驗步驟提高精確度，針對實驗細節的難點，采用小組內深度研究逐點突破、小組間交流共享完善，逐步優化實驗步驟，共同合作攻克難點問題。

［實施效果］分解四步關鍵操作的核心問題進行討論，通過組內、組間共同合作，不斷完善實驗步驟，深化理解變化觀念與平衡思想。圖3是某學生小組設計的實驗步驟，對實驗原理、操作的理解更深入。

3.2.4 活動4 小組分工合作，體驗實驗探究

創設實驗機會，學生在動手實驗、親身實踐中不斷試錯、解決問題，深化學習定量思想、實驗方法和實驗操作。

［播放視頻］分光光度傳感器的使用視頻。

［教師］請各小組按照優化設計的實驗步驟，分別測定同一種方法預處理的不同部位的菠菜樣品的含鐵量，觀察并做好實驗記錄。

［學生實驗］小組分工，動手操作，記錄數據，計算結果。

設計意圖：化學實驗探究是關鍵環節。6個小組根據優化設計的實驗步驟，嚴格按照實驗方案進行操作，分別選擇菠菜的根、莖、葉中的一種樣品進行測定，學生經自由選擇、協商調整，使每種樣品均有2個對照組。

［實施效果］教師加強巡視指導和釋疑；學生分工合作，嚴謹實驗，及時糾錯、反思改進，認真分析發現的問題和各種數據（圖4是某學生小組的實驗數據記錄），養成嚴謹求實的科學態度。

3.2.5 活動5 分享交流成果，反思評價研究

只有親身體驗了，才能真正建立基于真實情境解決問題的一般思路和方法。只有不斷實踐和反思，在交流評價中不斷碰撞和糾錯，體會科學探索之艱辛，才能激發學生不斷攀登科學高峰的勇氣。

［教師］各組實驗完成，下面進行小組分享與交流，請

從方案設計、實驗過程、實驗結果、交流展示等方面進行匯報和自評，并請其他小組派一名學生（觀察員）進行互評。

［學生交流］

……

×××學生體會：“我們小組采用研磨酸泡法提取鐵元素，比第1組灼燒酸泡法

測定的鐵元素的含量略低。反思原因，可能是選取的菠菜葉的部位有所差異，也可能在實驗操作中有損耗。實驗中，大家遇到了一些困難，但都一起想辦法討論、改進，克服困難，讓實驗方案更完善。數字化實驗測鐵，簡便、直觀、快捷、有趣。我們對動手體驗探究活動很感興趣，收獲很大！”

××學生評價：“第2小組的方案設計步驟簡單、完整，儀器使用規范。小組分工合作，研究氛圍好。實驗數據處理正確，誤差分析好。匯報思路清晰，觀點凸顯，體現化學邏輯美；反思提出了減小實驗誤差的措施，但準確性還需進一步提高。”

……

［小結］通過小組測定情況的交流分享，可以發現不同部位菠菜的鐵元素含量有所差異；不同方法提取菠菜中的鐵元素，測定結果略有差異。

［教師］哪些因素會影響鐵元素含量測定？

［討論］影響因素有菠菜的取樣部位、提取方式、灼燒程度、稱重、量取溶液體積、定容、操作損耗等。

［師生小結］本節課所學的知識、方法及感悟。

設計意圖：完成實驗后，引導學生從組內到全班進行自由到集中的交流分享，對實驗進行反思，匯總全班各小組測定結果建立數據庫，呈現不同預處理方法、不同部位菠菜的鐵元素含量的差異，進而引導學生質疑、分析誤差及其產生的原因，培養嚴謹求實的科學態度。

［實施效果］通過各小組的分工協作，y/1VdS05mT7rrpR7/Hw58A==圓滿完成了探究學習任務，體驗了基于真實情境解決問題的一般思路和方法（如圖5所示）。同時，結合評價量表進行互評，提升了學生的表達、評價以及反思能力。

3.3

提供學生分層作業，關注延伸探究

正如學生總結體會時所說“科學世界的每一次探索都是一場未知的旅程，每一次突破都伴隨著艱辛與挑戰”。

綜合活動課后，教師提供給學生一定的分層作業，學生除了必須完成的研究報告外，還可根據興趣選做“測定黑木耳中鐵元素的含量”“測定豆漿中鈣元素的含量”等拓展性實驗作業。鼓勵他們關注科技前沿和社會熱點，應用科學探究方法拓展解決其他實際問題，提升科學態度與社會責任素養。

4 立足教改改善教學方式，提升素養達成教學目標

本節課通過課前自主調研與課中合作探究相結合的方式，順利完成了“如何測定菠菜中鐵元素的含量”綜合實踐活動，是一個把教材中項目學習活動的綜合性問題在有限課時下很好實施的成功范例。

學生在體會中談到，在知識和技能方面獲得了提升，親身體會到化學定量思想的核心是“精準”；

在生物課學習分光光度法的基礎上，進一步掌握了測定微量元素的實驗原理；在不斷試錯并解決問題的過程中，習得解決實際問題的方法，培養了科學思維；綜合應用生物學與化學知識，學會獲取信息、關注社會、熱愛生活，關愛生命。通過學生問卷調查發現，經歷本綜合實踐活動后，學生的探究能力、合作能力、解決問題能力等均得到了提升（如圖6所示），后續學習化學的勁頭更足、興趣更濃了！同時，教師在探究活動的設計與實施過程中，提升了新教材的執教能力，對新課標倡導的素養為本的教學積累了更多的實踐經驗。

由于本綜合實踐活動的研究體系較為復雜、實驗所需時間較長、實驗誤差也較大，如何更好地設計學生探究活動、怎樣加強學生小組成員之間的合作、如何更好地評價研究過程和結果、如何提高教師的指導能力，還有待進一步實踐與探索。

參考文獻：

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

［2］陳麗， 李娜， 于善亮等. 檢驗菠菜中的鐵元素［J］.化學教育（中英文）， 2021， 42（11）： 77～81.