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        基于真實(shí)情境促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)
        ——以“草酸亞鐵的制備及檢測(cè)”為例

        2021-12-20 03:36:06劉炯明江合佩
        福建基礎(chǔ)教育研究 2021年11期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教學(xué)素養(yǎng)探究

        竇 卓 劉炯明 江合佩

        (1、2.廈門雙十中學(xué),福建 廈門 361009;3.廈門市教育科學(xué)研究院,福建 廈門 361001)

        一、項(xiàng)目?jī)?nèi)容的提出

        實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)課程的重要內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建構(gòu)及實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的實(shí)施,是化學(xué)課程與教學(xué)改革的重要組成部分[1]。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般安排在高二下學(xué)期。此時(shí),學(xué)生已掌握高中化學(xué)的大部分學(xué)科知識(shí),亟待提升化學(xué)的實(shí)驗(yàn)綜合能力。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多是碎片式、無(wú)關(guān)聯(lián)的,導(dǎo)致學(xué)生面臨實(shí)驗(yàn)問(wèn)題時(shí),無(wú)法形成很好的綜合探究能力?!镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版)》指出,“真實(shí)、具體的問(wèn)題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)”[2]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為主體,鏈接真實(shí)情景的學(xué)習(xí)方式。[3-4]通過(guò)共同解決真實(shí)復(fù)雜的問(wèn)題和完成綜合性任務(wù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí),進(jìn)而形成很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)探究能力,獲得學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。文章以水合草酸亞鐵為載體,探討項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)和組織。

        二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)和項(xiàng)目流程

        本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)為:通過(guò)對(duì)水合草酸亞鐵的制備、組成測(cè)定的研究,體會(huì)化學(xué)在探索人類未來(lái)方面的重要價(jià)值,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任;學(xué)會(huì)從原理的角度判斷化學(xué)反應(yīng)的可行性,培養(yǎng)變化觀念與平衡思想;建構(gòu)物質(zhì)制備、檢驗(yàn)的一般思維模型,培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng);強(qiáng)化定量研究的觀念,培養(yǎng)宏微結(jié)合的能力;根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

        形成解決實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)思維,進(jìn)一步發(fā)展和落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。具體教學(xué)流程如圖1 所示,圍繞兩個(gè)任務(wù),三個(gè)問(wèn)題展開。

        圖1 教學(xué)流程

        三、教學(xué)過(guò)程

        (一)任務(wù)1 水合草酸亞鐵制備

        【問(wèn)題引入】近年來(lái),4G 手機(jī)、電動(dòng)汽車等便攜儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展促使鋰電行業(yè)的飛速發(fā)展。而草酸亞鐵是磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的原材料,市場(chǎng)前景十分廣闊。因此,草酸亞鐵近幾年成為研究熱點(diǎn)之一。

        探究問(wèn)題1:如何制備水合草酸亞鐵?

        【學(xué)生活動(dòng)1】見表1 信息,小組討論交流,匯總?cè)缦聝蓚€(gè)方案:

        表1 探究問(wèn)題需要的試劑和信息

        方案1:Na2C2O4溶液與硫酸亞鐵溶液反應(yīng);

        方案2:H2C2O4溶液與硫酸亞鐵溶液反應(yīng)。

        1.探究實(shí)驗(yàn)方案的可行性

        (1)探究方案1 的可行性

        見表2,引導(dǎo)學(xué)生思考在Na2C2O4溶液中Fe2+是否容易氧化、水解。通過(guò)學(xué)生共同定量計(jì)算(所需數(shù)據(jù)見表1)發(fā)現(xiàn),在一定濃度的堿性Na2C2O4溶液中,F(xiàn)e2+容易被氧化,在生成草酸亞鐵沉淀的同時(shí)可能生成Fe(OH)2沉淀,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不純,因此該方案不合理。

        表2 探究方案的可行性

        (2)探究方案2 的可行性

        見表2,引導(dǎo)學(xué)生思考Fe2+是否容易氧化、草酸亞鐵是否容易生成。在Fe2++H2C2O4+nH2O ?FeC2O4·nH2O↓+2H+這個(gè)反應(yīng)中,學(xué)生經(jīng)計(jì)算分析,K=(Ka1·Ka2)/Ksp=12。綜合分析來(lái)看,F(xiàn)e2+不易被氧化,且正向反應(yīng)程度較大,該方案更合理。

        為盡量降低溶液的pH,可將硫酸亞鐵改成更穩(wěn)定的硫酸亞鐵銨。學(xué)生得出制備流程,見圖2。

        圖2 FeC2O4·xH2O 制備流程設(shè)計(jì)

        2.實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化

        [教師]如何分離提純FeC2O4·xH2O?

        [學(xué)生]根據(jù)表1 信息,F(xiàn)eC2O4·xH2O 難溶于水,用過(guò)濾的方法分離,用蒸餾水洗去表面可溶性雜質(zhì),晾干得到產(chǎn)品。

        [教師]水洗后,為了加快產(chǎn)物表面水分蒸干,可采取什么操作?

        [學(xué)生]水洗后,可再用乙醇洗滌產(chǎn)品。不僅可除去產(chǎn)品表面水分,同時(shí)乙醇易揮發(fā),利于晶體快速干燥。得到再優(yōu)化的制備流程,見圖3。

        圖3 FeC2O4·xH2O 制備流程設(shè)計(jì)優(yōu)化

        3.實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

        【學(xué)生活動(dòng)2】分成若干小組,進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)[5],見圖4。練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作,獲得產(chǎn)品,計(jì)算產(chǎn)率。

        圖4 學(xué)生制備草酸亞鐵晶體過(guò)程

        [教師]為什么反應(yīng)過(guò)程中要不斷地加熱攪拌?

        [學(xué)生]討論,交流,得出結(jié)論:①攪拌可增大反應(yīng)物的接觸面積,加熱加快反應(yīng)速率;②使沉淀由小顆粒變成大顆粒,加快聚沉,利于形成沉淀。

        學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境中,在一個(gè)個(gè)任務(wù)問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下,團(tuán)結(jié)協(xié)作,自主參與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等過(guò)程,嘗試像科研工作者一樣思考、解決問(wèn)題。以往物質(zhì)制備的實(shí)驗(yàn)更多關(guān)注的只有儀器、原料的選擇和實(shí)驗(yàn)的操作等淺層問(wèn)題,對(duì)原理考慮不足。而在項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,無(wú)論是實(shí)驗(yàn)藥品的選擇、還是反應(yīng)可行性的判斷,以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的條件控制等,都滲透了變化觀念與平衡思想。學(xué)生開始從更高的理論高度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的制備原理,體會(huì)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的價(jià)值,從關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)階到原理統(tǒng)率。形成制備物質(zhì)的一般思路:原料選擇(從原理角度)→實(shí)驗(yàn)操作→分離提純→產(chǎn)率計(jì)算。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、思維能力都得到一定程度的提升。

        (二)任務(wù)二水合草酸亞鐵的組成測(cè)定

        1.探究問(wèn)題2:如何定性檢測(cè)水合草酸亞鐵中的Fe2+與C2O42-?

        【學(xué)生活動(dòng)1】分析表1 提供試劑和信息,結(jié)合所學(xué)知識(shí),交流研討,得出不同的方案設(shè)計(jì),并不斷地改進(jìn)優(yōu)化,見表3。

        表3 檢驗(yàn)Fe2+與C2O42-的實(shí)驗(yàn)方案

        【學(xué)生活動(dòng)2】根據(jù)合理的實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)兩種離子,如圖5。

        圖5 學(xué)生檢驗(yàn)Fe2+與C2O42-的實(shí)驗(yàn)

        與FeSO4、Fe2(SO4)3等簡(jiǎn)單體系相比,草酸亞鐵中的C2O42-也有還原性。而由于C2O42-的干擾,使Fe2+的檢驗(yàn)變得復(fù)雜,從簡(jiǎn)單的理想體系進(jìn)階到真實(shí)復(fù)雜體系。學(xué)生充分發(fā)揮集體智慧,通過(guò)對(duì)提出的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析,不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和不足,不斷控制單一變量,考慮問(wèn)題越來(lái)越全面。通過(guò)檢驗(yàn)過(guò)程建構(gòu)物質(zhì)檢驗(yàn)的思想方法模型,即選擇藥品→排除干擾因素→確定檢驗(yàn)順序→注意用量問(wèn)題,進(jìn)而培養(yǎng)證據(jù)推理和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

        2.探究問(wèn)題3:如何確定草酸亞鐵中(nFe2+):(nC2O42-)?

        【學(xué)生活動(dòng)1】分析表1 信息,小組交流討論,用滴定法操作簡(jiǎn)便,實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確。用高錳酸鉀滴定,可先測(cè)定C2O42-和Fe2+總量;再選擇適量試劑Zn[6],將Fe3+還原為Fe2+;最后進(jìn)行二次滴定,測(cè)定Fe2+含量??梢缘贸鲈O(shè)計(jì)流程,如圖6。

        圖6 測(cè)定草酸亞鐵組成的流程設(shè)計(jì)

        【學(xué)生活動(dòng)2】進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。[7]注意實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范,記錄V1和V2。根據(jù)氧化還原配平,可知5Fe2+~MnO4-、5C2O42-~2MnO4-,推出n(Fe2+):n(C2O42-)=,見表4。

        表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)定草酸亞鐵中n(Fe2+):n(C2O42-)部分?jǐn)?shù)據(jù)匯總

        [教師]①滴定過(guò)程中有什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?說(shuō)明了什么題?②為什么滴定時(shí)要加熱至60-80℃?

        [學(xué)生]根據(jù)表1 中的信息,交流,討論:①滴定時(shí),溶液先變成黃綠色,說(shuō)明生成了草酸鐵,即Fe2+先被氧化。顏色又變淺說(shuō)明C2O42-后面逐漸被氧化。②草酸根氧化比較慢,需要加熱,加快反應(yīng)速率,但是草酸在85℃易分解,因此加熱溫度不易太高。

        [教師]分析表4 誤差比較大的原因是什么呢?

        【學(xué)生活動(dòng)3】小組討論分析,匯總結(jié)論見表5。

        表5 造成實(shí)驗(yàn)誤差的原因分析

        該任務(wù)環(huán)節(jié)使研究從定性提升到定量,通過(guò)觀察滴定實(shí)驗(yàn)中的顏色變化,準(zhǔn)確判斷出氧化順序和氧化終點(diǎn),使測(cè)量草酸亞鐵中的陰陽(yáng)離子的組成得以實(shí)現(xiàn)。體會(huì)到定量實(shí)驗(yàn)的重要價(jià)值。通過(guò)誤差分析,學(xué)會(huì)了如何合成產(chǎn)率高、純度高的草酸亞鐵產(chǎn)品,培養(yǎng)了宏微結(jié)合的核心素養(yǎng)。

        四、項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

        項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)將物質(zhì)的制備合成、分離提純、定性檢驗(yàn)和定量分析,性質(zhì)探究、反應(yīng)條件的控制等若干實(shí)驗(yàn)整合成一個(gè)有機(jī)的整體。從碎片化課時(shí)任務(wù)進(jìn)階到單元整體教學(xué),具有較強(qiáng)的遷移性和推廣性。在一個(gè)個(gè)項(xiàng)目任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下,學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性被激發(fā)。在不斷的探索中,學(xué)生經(jīng)歷復(fù)雜推理、思辨決策等綜合性、復(fù)雜性的問(wèn)題解決過(guò)程,獲得實(shí)驗(yàn)探究能力、遷移創(chuàng)新能力、合作溝通能力等,學(xué)科觀念、思維方法逐漸形成。學(xué)生深刻體會(huì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要價(jià)值,化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅颂嵘?,形成了分析信息、設(shè)計(jì)方案、評(píng)價(jià)改進(jìn)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、分析現(xiàn)象、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論等解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題模型。

        作者經(jīng)過(guò)一年多的教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)每個(gè)探究問(wèn)題需要一個(gè)課時(shí)完成,也可以適當(dāng)延長(zhǎng)課時(shí)??傊?xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰昂诵乃仞B(yǎng)起到一定的促進(jìn)作用。

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