鄧梅 高恒飛 李一梅

摘要：以“為缺鐵性貧血人群制定補鐵策略”為項目任務(wù)，開展鐵及其化合物的教學。教師將總項目拆解為“探明人體中的鐵”“探究人體鐵吸收和轉(zhuǎn)運的機理”“探究補鐵劑中的鐵”“探究補鐵劑服用注意事項”四個項目任務(wù)，以真實問題驅(qū)動項目，培養(yǎng)了學生的問題意識，引導學生從元素價態(tài)和物質(zhì)類別的角度學習亞鐵鹽、鐵鹽以及鐵的氫氧化物的形成和轉(zhuǎn)化，在實驗探究的過程中形成證據(jù)意識，培養(yǎng)科學探究能力。

關(guān)鍵詞：項目式教學；教學設(shè)計；高中化學

文章編號：1008-0546（ 2022）11-0029-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/i.issn.1008-0546.2022.11.007

一、項目教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析

項目式教學法以項目驅(qū)動問題為出發(fā)點，以學生為項目學習和執(zhí)行的主體，以工程實際構(gòu)建真實有意義的“問題”情境，在其中嵌入學科知識內(nèi)容，將項目任務(wù)劃分為若干個獨立的子項目，學生在完成項目任務(wù)的過程中自主建構(gòu)科學知識、掌握科學方法、提高解決問題的綜合能力。[1]在2017版高中化學課程標準“金屬及其化合物”的學習要求中明確提到了“結(jié)合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解鈉、鐵及其重要化合物的主要性質(zhì)，了解這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應用”。[2]因此，項目教學法十分契合高中化學課程中金屬及其化合物的教學，應用真實情境發(fā)展學生化學核心素養(yǎng)。

本文選取高一化學人教版必修第一冊第三章第一節(jié)鐵及其化合物進行項目式教學，以“為缺鐵性貧血人群制定補鐵策略”為項目，重新整合教材內(nèi)容進行教學。學生在前面已經(jīng)學習了物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化、離子反應和氧化還原反應，已經(jīng)初步掌握了物質(zhì)分類及轉(zhuǎn)化和質(zhì)量守恒的知識，為本節(jié)課學習鐵及其化合物鋪墊了基礎(chǔ)；在學習了鈉、氯兩個主族元素之后，學生初步具備了元素觀、結(jié)構(gòu)觀、價態(tài)觀，基本掌握了學習元素及其化合物知識的思路。鐵作為學生學習的第一個副族元素和變價元素，有助于學生構(gòu)建元素化合物的認識模型，既是再次深度認知之前的主族元素鈉和氯，也為之后氮、硫等元素的學習打下基礎(chǔ)。本課時首先通過讓學生了解全球仍有1/2的人口處于缺乏微量元素的“隱形饑餓”的背景下，了解缺鐵性貧血人群，在完成“為缺鐵性貧血人群制定補鐵策略”項目的過程中，將總項目拆解為各個子項目，在完成子項目的過程中構(gòu)建起元素及其化合物的知識網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展問題意識，培養(yǎng)科學探究能力，在實驗探究過程中，培養(yǎng)學生的動手能力，發(fā)展學生的合作能力，實現(xiàn)知識功能和素養(yǎng)功能的協(xié)調(diào)發(fā)展。

二、項目教學目標

本文根據(jù)2017版課標中對該主題的內(nèi)容要求以及學業(yè)要求和實習學校的實際情況，制定了以下項目教學目標：

（1）通過實驗探究補鐵劑中的鐵元素存在形式，培養(yǎng)學生收集證據(jù)、猜想假設(shè)的能力，面對檢驗多種離子的復雜實際問題時，能夠主動分析問題，激活已知，制定改進實驗方案，形成證據(jù)意識，發(fā)展學生問題解決能力，培養(yǎng)學生科學探究和合作交流的能力。

（2）通過實驗探究補鐵劑中的鐵元素含量是否合格，促使學生思維發(fā)散，設(shè)計實驗方案，培養(yǎng)學生科學探究能力；面對氫氧化亞鐵沉淀顏色變化的實驗“意外”時，會從物質(zhì)類別和元素價態(tài)的角度分析原因，促進科學探究能力的提升。

（3）根據(jù)資料支持，了解人體吸收鐵的原理，聯(lián)系課堂，觀察、比較、概括出Fe2+與Fe3+的轉(zhuǎn)化模型，學會從物質(zhì)類別和元素價態(tài)的視角認識變價元素物質(zhì)間

*通信聯(lián)系人，E-mail：yml116@ahnu.edu.cn的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并建立認知模型。

三、項目教學流程

本項目教學設(shè)計思路如表1所示。

四、項目教學過程實錄

【創(chuàng)設(shè)情境】同學們對貧血這種疾病有所了解嗎？請閱讀下述材料。

【情境素材1】世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國兒童基金會（UNICEF）等國際組織聯(lián)合發(fā)布的《2018年世界食品安全和營養(yǎng)報告》和《2019年世界兒童狀況：兒童、食物與營養(yǎng)》指出，全球仍有超過1/2的人口正面臨著微量營養(yǎng)素攝取不足，即“隱性饑餓”。[4]微量營養(yǎng)素攝人不足導致的嬰幼兒發(fā)育障礙和成年人免疫下降、肥胖和貧血等問題日趨嚴重，在人體所需微量元素中鐵元素含量最多，學齡前兒童、孕齡女性的貧血比例更是高達1/3。中國營養(yǎng)學會推薦的中國居民鐵的攝人量為15～25 mg/天。

【學生】根據(jù)情境素材和查閱資料得知，缺鐵人群主要有嬰幼兒、孕婦、青少年三類人群，嬰幼兒因生長發(fā)育需鐵量較大，青少年因偏食易缺鐵，孕婦因妊娠需要易缺鐵。

【項目提出】鐵元素對人體來說十分重要，缺鐵人群也各有不同，那么缺鐵性貧血人群應當如何補鐵？今天請各位“小醫(yī)生”來為缺鐵性貧血人群開具補鐵處方吧。

1．探明人體中的鐵

【項目驅(qū)動性問題】若需要補鐵，需先明確人體中的鐵元素以什么形式存在？

【情境素材2】

（1）細胞中有兩種形式的鐵：Fe2+和Fe3+。Fe3+性質(zhì)較穩(wěn)定，可以作為鐵的儲存和運輸形式；Fe2+可以轉(zhuǎn)移電子，參與人體內(nèi)各種氧化還原反應并可充當反應催化劑。[5]

（2）血紅蛋白（Hb）是血液中運輸氧及二氧化碳的蛋白質(zhì)，由球蛋白和血紅素結(jié)合而成。血紅素是由中心Fe2+和配體卟啉衍生物結(jié)合成的大環(huán)配位化合物，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。[6]

【小組匯報】人體中的鐵元素主要以Fe2+和Fe3+的形式存在，F(xiàn)e3+作為鐵的儲存形式，F(xiàn)e2+則是人體能夠直接吸收的鐵。

2．探究人體鐵的吸收和轉(zhuǎn)運

【項目驅(qū)動問題】普通人通過食物獲得鐵，缺鐵病人服用補鐵劑補鐵。食物中的鐵都是Fe2+嗎？人體是如何吸收鐵的呢？

【情境素材3】

飲食中的鐵存在于亞鐵血紅素和非亞鐵血紅素中，前者主要來自肉制品，后者來自肉類和植物。亞鐵血紅素為可溶性二價鐵，可被腸粘膜細胞直接吸收。非亞鐵血紅素主要以鐵離子（Fe3+）的形式存在于食物中，這些鐵離子必須被還原成亞鐵離子（Fe2+）才能運輸?shù)侥c細胞中。

當食物進入人體時，胃酸中的HCl將食物中的鐵轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+和Fe3+，至腸道處，F(xiàn)e3+首先被細胞膜上的十二指腸細胞色素B（金屬還原酶）還原為可溶性的Fe2+，然后被細胞膜上的轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)（DMTl）轉(zhuǎn)運至腸細胞內(nèi)。Fe2+進入細胞內(nèi)，一部分成為鐵蛋白儲存起來，一部分透過細胞膜進入血液，經(jīng)銅藍蛋白氧化成Fe3+，與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合后轉(zhuǎn)運到組織，再與轉(zhuǎn)鐵蛋白分離并還原成Fe2+，參與形成血紅蛋白。[7-8]腸道鐵吸收和轉(zhuǎn)運的機理圖根據(jù)教學實際稍作修改，如圖2所示。[7]

【教師】根據(jù)這段素材，請你從化學的角度分析腸道中Fe3+與Fe2+的相互轉(zhuǎn)化。

【小組討論】從元素價態(tài)上看，F(xiàn)e3+處于鐵元素的最高價態(tài)，具有氧化性，可被還原劑還原為Fe2+；Fe2+處于鐵元素的中間價態(tài)，既具有還原性又具有氧化性，可被氧化劑氧化為Fe3+。

【小組匯報】

氧化劑：KMnO4（H+）、H2O2、新制氯水等

還原劑：Cu、Fe等

【小結(jié)】從元素價態(tài)一物質(zhì)類別的角度，總結(jié)Fe2+與Fe3+的轉(zhuǎn)化模型。

3．探究補鐵劑中的鐵

【藥品展示】市面常見補鐵劑有乳酸亞鐵、硫酸亞鐵等，以FeSO4為例，見圖3。

【項目驅(qū)動問題】該補鐵劑中的鐵元素是以什么形式存在的？是Fe2+還是Fe3+呢？如何檢驗？該補鐵劑中鐵的含量是否符合標準呢？

【小組討論】制定檢驗補鐵劑是否合格的實驗方案，見圖4。

【小組匯報】根據(jù)硫酸亞鐵片的說明書，其主要成分為FeSO4，F(xiàn)e2+易被氧化，推測出樣品溶液中存在三種可能性：①溶液中只有Fe2+；②溶液中只有Fe3+；③同時含有Fe2+和Fe3+。

【小組實驗】將5片硫酸亞鐵片（m=2.6 g）研碎溶于200mL水中，加入約2 mL HCl，制得樣品溶液3份。

【教師】溶液中可能既存在Fe2+，也存在Fe3+。如何檢驗這兩種離子呢？

【學生1】溶液中可能含有Fe2+和Fe3+兩種離子，可先檢驗Fe2+，再檢驗Fe3+。

【學生2】Fe2+鹽溶液為淺綠色，F(xiàn)e3+鹽溶液為棕黃色，可以通過觀察樣品溶液的顏色來判斷。

【學生3】如果溶液中只有少量的Fe2+被氧化為Fe3+，顏色變化不明顯，無法判斷溶液中存在何種離子。

【教師】同學們說得都有理，通過顏色觀察來判斷樣品溶液中離子的種類暫時不可行。還有沒有其他的方法可以在溶液中可能存在Fe3+的情況下檢驗出Fe2+是否存在呢？

【小組討論】根據(jù)之前學習檢驗氯氣的方法——淀粉碘化鉀試紙，從氧化還原的角度出發(fā)，F(xiàn)e2+處于鐵元素的中間價態(tài)，F(xiàn)e2+具有還原性和氧化性，F(xiàn)e3+處于鐵元素的較高價態(tài)，F(xiàn)e3+主要體現(xiàn)氧化性，因此，選擇紫色的酸性高錳酸鉀溶液來鑒別。實驗步驟及現(xiàn)象：將樣品溶液I加入KMnO4（H+）中，若紫色褪去，則證明含有Fe2+。

【追問】Fe3+又該如何檢驗呢？

【資料支持】含有Fe3+的鹽溶液遇到KSCN溶液時變成紅色，可用來檢驗Fe3+。[3]

【教師】同學們，光說不練假把式。請同學們依據(jù)剛才的猜想完成實驗（見表2）。

【小組實驗】分組實驗，完成表2相關(guān)內(nèi)容。

【小結(jié)】應用物質(zhì)類別一元素價態(tài)模型，總結(jié)檢驗Fe2+和Fe3+的方法。

【教師】現(xiàn)已驗證樣品溶液中同時存在Fe2+和Fe3+，該如何測量溶液中鐵元素的質(zhì)量呢？

【小組討論】鐵元素在溶液中以離子形式存在，難以測量?？蓪⑷芤褐械膩嗚F離子、鐵離子轉(zhuǎn)化為沉淀，易于稱量。

【教師】耳聽為虛，眼見為實。請同學們完成Fe（OH）2和Fe（OH）3的制備實驗，并完成表3。

【資料支持】部分酸、堿和鹽的溶解性表：Fe（OH）2白色沉淀，F(xiàn)e（OH）3紅褐色沉淀。[3]

【小組實驗】分組實驗，并完成表3。

【學生】實驗1中觀察到生成了灰綠色沉淀，最終變?yōu)榱思t褐色，未看到白色沉淀。實驗2中觀察到生成了紅褐色沉淀Fe（OH）3，實驗3中生成灰綠色沉淀，最終變?yōu)榧t褐色。Fe（OH）2沉淀難道不是白色嗎？

【演示實驗】在盛有FeSO4溶液的試管中覆蓋一層煤油，加入一小塊鈉。觀察實驗現(xiàn)象，見圖7。

【小組討論】實驗現(xiàn)象：鈉在煤油層和水層中來回跳動，產(chǎn)生氣泡，生成了白色沉淀。實驗原理：煤油密封試管，隔絕O2。p（H2O）>p（Na）>p（煤油），鈉在油層和水層之間來回跳動，遇水生成了NaOH，與FeSO4反應生成了白色沉淀Fe（OH）2。

【追問】為什么Fe（OH）2的顏色會發(fā)生變化呢？

【小組討論】Fe2+為+2價，屬于鐵元素的中間價態(tài)，具有還原性，據(jù)此推測，F(xiàn)e（OH）2也具有還原性，易被空氣中的O2氧化成Fe（OH）3。

【追問】Fe（OH）2易被氧化成Fe（OH）3，為了計算方便能否將兩種沉淀轉(zhuǎn)化為一種呢？

【成果展示】見圖8。

【教師】這兩個實驗方案哪一個更好？

【小組討論】方案二更好，操作簡便。

【教師】拿出事先干燥稱量好的Fe2O3，m（Fe2O3）=0.3 g，m（樣品）=2.6 g。

【小組討論】補鐵劑中鐵元素質(zhì)量分數(shù)計算公式為：

【小組匯報】計算出補鐵劑中w（Fe）=11.54%>11.36%（說明書中的w（Fe）），該補鐵劑質(zhì)量合格。

【教師】除了沉淀法測量補鐵劑中鐵元素的含量之外，還有其他方法可以測量。如：氧化還原滴定法、比色法、原子發(fā)射光譜法……。

4．探究補鐵劑服用的注意事項

【項目驅(qū)動問題】補鐵劑為什么不能與濃茶同服，卻與維生素C同服效果更好？

【實物展示】硫酸亞鐵片說明書，如表4所示。

【教師講解】茶水中含有大量的鞣酸，易與Fe2+反應生成鞣酸亞鐵，鞣酸亞鐵化學性質(zhì)不穩(wěn)定，易被氧化為藍黑色的鞣酸鐵，人體難以吸收。而維生素C可以將Fe3+重新還原為Fe2+，抑制Fe2+的氧化。

【小組討論】制定茶水與FeSO4片實驗方案：向茶水中加入FeSO4片粉末，觀察實驗現(xiàn)象，再加入維生素C粉末，觀察實驗現(xiàn)象，加入KSCN，觀察實驗現(xiàn)象，再加入H2O2，觀察實驗現(xiàn)象。

【小組實驗】實驗現(xiàn)象如圖9所示。

5．項目任務(wù)：為缺鐵性貧血人群制定補鐵策略

經(jīng)過探究人體中的鐵、人體吸收鐵的過程、補鐵劑中的鐵，了解了補鐵劑服用的注意事項和課后查閱資料，部分小組項目成果展示見圖10。

五、項目教學效果與反思

本項目以“為缺鐵性貧血人群制定補鐵策略”為任務(wù)，將總項目拆解為四個獨立且相關(guān)的子項目，在查閱文獻和實驗探究相結(jié)合下，發(fā)展學生猜想與假設(shè)和收集證據(jù)的探究能力，通過抓住實驗過程中的“意外”，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力。在拆解總項目、完成各個子項目的過程中，使同學們形成宏觀與微觀相結(jié)合來研究物質(zhì)的基本思路，并且學會從元素價態(tài)、物質(zhì)類別兩個視角來認識變價元素物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并建立認知模型，從而解決生產(chǎn)生活中簡單的化學問題。

本項目在取得一些成效的同時，也暴露出了一些學生在實驗過程中存在的問題和項目本身的不足之處。如面臨檢驗樣品溶液中多種離子存在的問題時，部分小組在制定實驗計劃時，思考不夠全面，變量控制意識薄弱，需要進一步強化科學探究能力。此外，由于本項目中涉及人體內(nèi)鐵吸收和轉(zhuǎn)運的醫(yī)學知識，較為復雜，多由教師提供，需要繼續(xù)挖掘科學技術(shù)真實與學科知識間的聯(lián)系，加深問題解決與學習知識之間的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上進一步完善該項目的教學設(shè)計。

參考文獻

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