單奔翔 徐欣嫻 王福中 王方闊

摘 要 培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)成為新課改背景下學(xué)科教學(xué)的研究熱點。以“鐵及其化合物”教學(xué)為例，通過魔術(shù)導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和思考，引導(dǎo)學(xué)生自主選擇化學(xué)試劑等，設(shè)計實驗方案，探究Fe2+與Fe3+之間轉(zhuǎn)化的方法，并建構(gòu)“鐵三角”模型。在探究過程中引導(dǎo)學(xué)生從價態(tài)變化的角度，學(xué)習(xí)鐵及其重要化合物互相轉(zhuǎn)化的原理和條件。通過以小組為單位進行探究培養(yǎng)學(xué)生合作意識與溝通能力，建立變價金屬化合價轉(zhuǎn)化的模型，感受化學(xué)的學(xué)科價值，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué) 證據(jù)推理與模型認知 鐵及其化合物 教學(xué)實踐

在生活中，學(xué)生能夠切身感受到鐵及其化合物在生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用，但不能利用所學(xué)的相關(guān)化學(xué)知識解決實際問題，即不能將所學(xué)知識遷移到生活中。利用鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化原理作為魔術(shù)素材，讓學(xué)生在探究活動中更新知識結(jié)構(gòu)，感受化學(xué)變化的魅力，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]在必修模塊有關(guān)“元素化合物知識”內(nèi)容中，鐵元素占據(jù)了“金屬及其化合物”的半壁江山，同時鐵是學(xué)生在高中階段學(xué)習(xí)的第一個變價金屬，掌握其學(xué)習(xí)的一般思路有利于后面其他變價元素（如硫、氮）的學(xué)習(xí)，因此幫助學(xué)生建立鐵元素的綜合知識網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

在教學(xué)過程中，“鐵及其化合物”的教學(xué)重點和難點是掌握鐵離子與亞鐵離子相互轉(zhuǎn)化途徑，并構(gòu)建“鐵三角”認知模型。本節(jié)課的教學(xué)思路是：首先利用魔術(shù)“茶水的一生”引入教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，并提供資料卡片為鐵離子與亞鐵離子的互相轉(zhuǎn)化提供理論基礎(chǔ)。其次，為學(xué)生創(chuàng)造半開放的實驗環(huán)境，學(xué)生自主選擇實驗試劑或藥品，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)Fe2+與Fe3+互相轉(zhuǎn)化的實驗方案，進行實驗探究，結(jié)合實驗現(xiàn)象進行推理，建構(gòu)“鐵三角”模型。通過實驗現(xiàn)象直觀感受Fe2+與Fe3+之間的轉(zhuǎn)化路徑，深刻理解物質(zhì)價態(tài)變化的原理和發(fā)生條件，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。最后利用“鐵三角”模型解釋生活中的現(xiàn)象，感受化學(xué)知識的價值。

一、教學(xué)設(shè)計

（一）教材分析

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容是在“物質(zhì)分類”“離子反應(yīng)”“氧化還原反應(yīng)”基礎(chǔ)上的學(xué)習(xí)內(nèi)容，是新課標(biāo)要求學(xué)習(xí)的金屬元素之一。利用學(xué)生已有的知識，分析鐵鹽與亞鐵鹽相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，并結(jié)合元素價態(tài)和物質(zhì)類別，建立鐵及其化合物的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系模型，加深學(xué)生對鐵及其化合物的認識。

（二）學(xué)情分析

學(xué)生在初中階段已經(jīng)初步學(xué)習(xí)了鐵的基本性質(zhì)，如鐵的顏色、狀態(tài)、水溶性等，能夠與氧氣、酸和金屬鹽溶液等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；高中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等原理知識。因此學(xué)生對本節(jié)課的學(xué)習(xí)有一定的知識基礎(chǔ)。但是在思維的嚴密性、科學(xué)性以及邏輯推理等方面仍需進一步發(fā)展。本節(jié)課以魔術(shù)揭秘為線索，引導(dǎo)學(xué)生從元素價態(tài)的角度認識物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，并建立鐵及其重要化合物相互轉(zhuǎn)化的認知模型，初步形成變價金屬學(xué)習(xí)的一般思路。

（三）教學(xué)目標(biāo)

1.能夠從元素價態(tài)和物質(zhì)類別的角度設(shè)計鐵離子與亞鐵離子相互轉(zhuǎn)化的實驗方案，并能夠根據(jù)實驗現(xiàn)象推導(dǎo)出實驗結(jié)論，培養(yǎng)證據(jù)推理能力。

2.能夠?qū)嶒灲Y(jié)論進行分析、歸納，建構(gòu)“鐵三角”模型，利用“鐵三角”模型解決實際問題，感受化學(xué)的應(yīng)用價值，培養(yǎng)歸納與演繹思維，發(fā)展模型認知素養(yǎng)。

3.通過對鐵及其化合物性質(zhì)的探究過程，初步形成研究金屬元素及其化合物的一般思路和方法。

（四）評價目標(biāo)

1.根據(jù)學(xué)生設(shè)計的實驗方案的嚴密性和科學(xué)性，診斷學(xué)生從微觀角度看待化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的能力；根據(jù)學(xué)生基于實驗現(xiàn)象的推理過程，診斷并發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理能力。

2.根據(jù)學(xué)生對實驗結(jié)論的歸納與演繹程度，診斷并發(fā)展學(xué)生的批判性思維、歸納與演繹思維等高階思維；觀察學(xué)生建構(gòu)的“鐵三角”模型的完善程度，診斷并發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

3.根據(jù)學(xué)生對“鐵三角”模型的掌握程度與應(yīng)用能力，診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)知識價值的認知程度，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)源于生活、化學(xué)服務(wù)生活的意識。

二、教學(xué)過程

（一）教學(xué)活動設(shè)計

（二）教學(xué)流程

環(huán)節(jié)一：教學(xué)導(dǎo)入

【教師】表演魔術(shù)“茶水的一生”，用茶包在燒杯中泡20 ml茶水，這是“少年期的茶”，如圖2中試管a所示；將茶水倒入試管b后，茶水變黑，這是“叛逆期的茶”；最后將茶水倒入試管c，茶水又變回原來的顏色，這是叛逆期以后重新“懂事的茶”。

【學(xué)生】觀察實驗現(xiàn)象，思考并討論產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因。

【教師】魔術(shù)雖假，知識是真，大家想知道魔術(shù)的原理嗎？請同學(xué)們閱讀資料卡片。

【資料卡片】試管b中有少量FeSO4溶液，試管c中有維生素C。茶水中含有鞣酸，鞣酸能夠與二價鐵離子反應(yīng)生成鞣酸亞鐵，鞣酸亞鐵的性質(zhì)不穩(wěn)定，很快被氧化成鞣酸鐵絡(luò)合物而呈藍黑色，因此茶水在試管b中顯黑色；維生素C又稱抗壞血酸，具有還原性，能夠?qū)⑷齼r鐵離子變回二價鐵離子，因此茶水在試管c中又重顯原來的顏色。

【教師】還有哪些二價鐵離子與三價鐵離子之間轉(zhuǎn)換的方法呢？

【教師小結(jié)】生活中不缺少化學(xué)，但是缺少發(fā)現(xiàn)化學(xué)的“眼睛”。許多看起來不可思議的現(xiàn)象，卻可以用化學(xué)知識“一招擊破”。

設(shè)計意圖：通過表演魔術(shù)激發(fā)學(xué)生的求知欲。知識學(xué)習(xí)對學(xué)生來說非?？菰锴曳爆崳盟麄円延械闹R、概念原理作為魔術(shù)素材激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。魔術(shù)解開的過程也是證據(jù)推理的過程，資料卡片能夠幫助學(xué)生初步思考，回憶氧化還原反應(yīng)相關(guān)知識，為下面學(xué)習(xí)鐵鹽與亞鐵鹽的相互轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)二：實驗探究

【教師】在只有FeSO4溶液的情況下，如何設(shè)計實驗方案來證明二價鐵離子、三價鐵離子與鐵單質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化？

【學(xué)生】從Fe2+轉(zhuǎn)變到Fe3+價態(tài)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)，需要氧化劑；同理推導(dǎo)Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe單質(zhì)所需的反應(yīng)條件。

【教師】提供酸性高錳酸鉀、過氧化氫、鋅粉、鐵粉、銅片、淀粉-KI試紙、氯水等試劑，請各小組在上述材料中選擇合適的試劑設(shè)計實驗方案。

【學(xué)生】根據(jù)教師提供的參考試劑設(shè)計實驗方案，以小組為單位進行實驗探究，觀察實驗現(xiàn)象，并記錄在實驗手冊。

【甲組同學(xué)】向FeSO4溶液中加入還原劑如鋅片，若溶液由淺綠色變?yōu)闊o色，且鋅片表面覆著一層黑色固體，則證明Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe。

【乙組同學(xué)】向FeSO4溶液中先加入KSCN溶液，溶液無變化；再加入雙氧水，溶液變?yōu)榧t色，則證明Fe2+轉(zhuǎn)變成了Fe3+；這時再向溶液中加入鐵粉，若溶液由血紅色變?yōu)闇\綠色，則證明Fe3+轉(zhuǎn)變成了Fe2+。

【丙組同學(xué)】向FeSO4溶液中加入氯水，觀察溶液顏色是否變化，若由淺綠色變?yōu)辄S色，則證明Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+；將得到的Fe2（SO4）3溶液滴在淀粉-KI試紙上，若淀粉-KI試紙變藍，證明Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+。

【教師小結(jié)】可以選擇不同的氧化劑或還原劑，實現(xiàn)Fe單質(zhì)、Fe2+與Fe3+之間的相互轉(zhuǎn)化，關(guān)鍵是要抓住價態(tài)變化的原理，再選擇合適的氧化劑或還原劑進行反應(yīng)，就可以得到想要的物質(zhì)了。

設(shè)計意圖：提供多種供學(xué)生選擇的試劑，為學(xué)生留下充足的發(fā)展空間。學(xué)生在選擇氧化劑或還原劑時能夠進行有效思考，深度辨別氧化劑與還原劑的概念及其作用。以小組為單位設(shè)計實驗方案，完成探究過程，每個學(xué)生都能夠參與其中。既能夠讓學(xué)生整合知識點，初步建立氧化還原反應(yīng)與不同態(tài)鐵元素間轉(zhuǎn)化的關(guān)聯(lián)，又能夠培養(yǎng)學(xué)生合作與溝通的能力。

環(huán)節(jié)三：證據(jù)推理

【教師】同學(xué)們，根據(jù)實驗現(xiàn)象，能得出哪些結(jié)論呢？

【學(xué)生】綠色的FeSO4溶液非常容易被氧化為黃色的Fe2（SO4）3溶液，說明Fe2+非常不穩(wěn)定，容易被氧化為Fe3+，因此要在FeSO4溶液中加入少量Fe粉，防止FeSO4被氧化。

【教師】非常細致，那你們的實驗方案進行的如何？

【甲組學(xué)生】我們組選擇在FeSO4溶液中加入Zn片來驗證Fe2+的氧化性。加入Zn片后，發(fā)現(xiàn)試管中溶液顏色逐漸由淺綠色變?yōu)闊o色，Zn片表面覆著一層黑色物質(zhì)，說明鐵單質(zhì)被置換出來了。這個現(xiàn)象可以用金屬的活潑性順序來解釋，Zn比Fe活潑，所以置換出了Fe單質(zhì)；另外，鐵能夠從+2價轉(zhuǎn)變?yōu)?價，體現(xiàn)了Fe2+的氧化性。

【教師】這組同學(xué)非常機智，能將初中階段學(xué)的金屬活潑性順序與高中的氧化還原反應(yīng)結(jié)合起來解決新問題，實現(xiàn)從亞鐵離子到鐵單質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

【乙組同學(xué)】首先，在FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液并沒有顯血紅色，說明此時Fe2+還沒有氧化；接著，選擇雙氧水作為氧化劑氧化Fe2+，這時溶液變?yōu)檠t色，說明Fe2+已被氧化為Fe3+；最后，再選擇鐵粉作為還原劑，溶液由血紅色變?yōu)樽铋_始的淺綠色，說明此時Fe3+已被還原為Fe2+。

【教師】這組同學(xué)已經(jīng)掌握了價態(tài)變化的規(guī)律，并且將宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)相結(jié)合，通過觀察溶液顏色變化來判斷微觀反應(yīng)的進行，該組學(xué)生有很強的推理能力。

【丙組同學(xué)】選擇酸性高錳酸鉀作為氧化劑，將酸性高錳酸鉀滴入FeSO4溶液直到紫色不再褪去，此時Fe2+全部被氧化為Fe3+；選擇淀粉-KI試紙作為還原劑，將得到的Fe2（SO4）3溶液滴在淀粉-KI試紙上，發(fā)現(xiàn)淀粉-KI試紙變藍，證明此時碘離子被氧化為碘單質(zhì)，淀粉遇碘變藍，說明Fe3+被還原為Fe2+。

【教師】這組同學(xué)思維非常活躍，能夠想到用淀粉-KI試紙作為還原劑，巧妙地利用宏觀現(xiàn)象判斷微觀反應(yīng)，而且能夠想到將溶液滴在淀粉-KI試紙上實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，在節(jié)約實驗用品的同時，還能放大實驗現(xiàn)象，體現(xiàn)了綠色化學(xué)思想。

【教師小結(jié)】單質(zhì)鐵只具有還原性，鐵離子只具有氧化性，而亞鐵離子處于中間價態(tài)，既具有氧化性，又具有還原性。利用不同的氧化劑或還原劑，能實現(xiàn)三者的相互轉(zhuǎn)化。

設(shè)計意圖：學(xué)生設(shè)計好實驗方案并進行實驗探究后，通過觀察實驗現(xiàn)象獲得證據(jù)，并進行推理。準(zhǔn)確理解待證實原理是實踐的起點[2]，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象推理反應(yīng)過程，實現(xiàn)宏微結(jié)合視角看問題，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力。

環(huán)節(jié)四：模型建立

【教師】請同學(xué)們對實驗結(jié)果進行交流討論，并結(jié)合之前所學(xué)進行總結(jié)。

【學(xué)生A】二價鐵離子既有氧化性，又有還原性。

【學(xué)生B】亞鐵離子常溫下加入強氧化劑能夠被氧化成三價鐵，顯示其還原性；加入鋅等金屬能夠被還原成鐵單質(zhì)，顯示其弱氧化性；所以亞鐵離子兼有還原性和弱氧化性。

【教師小結(jié)】鐵在自然界中主要以化合物的形式存在，如赤鐵礦、磁鐵礦，通過加入相應(yīng)的氧化劑或還原劑，能夠?qū)崿F(xiàn)Fe單質(zhì)、Fe2+與Fe3+之間互相轉(zhuǎn)化。其中二價鐵離子的還原性較強，氧化性較弱，主要表現(xiàn)為還原性；三價鐵加入還原劑，如鐵粉、鋅粉，能夠被還原為二價鐵。

學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下對實驗結(jié)論進行演繹，畫出鐵單質(zhì)、二價鐵與三價鐵之間轉(zhuǎn)化關(guān)系，即“鐵三角”認知模型，如圖3所示。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生在觀察實驗現(xiàn)象過程中獲得證據(jù)，并進行推理，得出實驗結(jié)論。再將實驗結(jié)論進行歸納和演繹，最終形成有關(guān)鐵及其重要化合物價態(tài)轉(zhuǎn)化的綜合知識網(wǎng)絡(luò)，即“鐵三角”認知模型，在這個過程中培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。在推理的過程中，歸納不同價態(tài)鐵之間的轉(zhuǎn)化條件，建立不同價態(tài)鐵之間轉(zhuǎn)化的認知模型。

環(huán)節(jié)五：應(yīng)用遷移

【教師】展示材料，在人體內(nèi)，鐵的吸收主要是在十二指腸及空腸，一般是以二價鐵離子的形式被吸收，三價鐵離子很難被吸收[3]。提問：貧血在生活中是很常見的，醫(yī)生給貧血病人開硫酸亞鐵片時，同時會開一瓶維生素C，并且告知患者，這兩種藥要一起服用，但不能和濃茶一起服用。大家知道這是為什么嗎？

【學(xué)生】通過上面的探究，我們知道了二價鐵很容易被氧化，和維生素C一起吃，可能將被氧化的三價鐵還原為二價鐵，濃茶可能會將二價鐵氧化為三價鐵。

【教師】再次進行演示實驗并配合講解，其實這就是開始給大家表演的魔術(shù)，其原理如圖4所示。

【教師】大家可以想想生活中還有哪些常見的補鐵食品。根據(jù)今天所學(xué)，能不能用簡單的方法檢驗食物中是否含有鐵元素？如果有，那含有的是什么價態(tài)的鐵元素呢？如何驗證猜想？大家回去想一想?；瘜W(xué)來源于生活，最終也要服務(wù)于生活，從而改善我們的生活。雖然書上學(xué)到的知識“零碎、繁瑣”，許多同學(xué)覺得枯燥無味，但是它們都是真實存在于生活中，可以提高我們的生活質(zhì)量，幫助我們過更健康的生活。

設(shè)計意圖：將之前所學(xué)的知識進行遷移應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生運用化學(xué)知識解釋生活現(xiàn)象，讓學(xué)生認識到化學(xué)是揭示元素到生命奧秘的核心力量，激發(fā)學(xué)生對化學(xué)的持久熱情。

三、教學(xué)反思

本教學(xué)案例以促進學(xué)生發(fā)展為中心，指向“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的培養(yǎng)。在開展化學(xué)探究性實驗的教學(xué)過程中，從學(xué)生感興趣的活動入手，將需要學(xué)習(xí)的知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生感興趣的魔術(shù)，激發(fā)學(xué)生的探究熱情；在具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)前，教師為學(xué)生搭建支架輔助知識學(xué)習(xí)，支架搭建好后給學(xué)生充足的發(fā)揮空間，調(diào)動學(xué)生對實驗設(shè)計的積極性；在探究過程中，在保證安全的前提下適當(dāng)“放權(quán)”，讓學(xué)生有足夠的選擇余地與發(fā)展空間；探究結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生對實驗現(xiàn)象進行分析，對實驗結(jié)果進行總結(jié)，教師在此過程中要進行適度引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生進行大膽地推理和分析，并將實驗結(jié)論可視化，形成綜合知識網(wǎng)絡(luò)——“鐵三角”認知模型。利用“鐵三角”認知模型解釋生活中的問題：為什么貧血病人吃藥時需要和維生素C一起服用？在解釋過程中配合演示實驗，即重現(xiàn)開始時的魔術(shù)，為學(xué)生解惑的同時，加深對“鐵三角”認知模型的理解，做到首尾呼應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生思考化學(xué)與生活的關(guān)系，感受化學(xué)知識的價值。

通過逐步深入的實驗探究，學(xué)生不僅提高了動手操作能力，還進行了深度思考。通過給他們足夠的權(quán)利，讓他們將理想實驗方案現(xiàn)實化，直觀地感受氧化劑和還原劑的作用，從而加深對常見氧化劑、還原劑的認識。

除了實驗探究過程，對實驗現(xiàn)象的記錄和分析也是本節(jié)課的重點。引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)進行分析推理，利用宏觀現(xiàn)象推理微觀本質(zhì)，在不同的宏觀現(xiàn)象中找到共同的微觀本質(zhì)，歸納實驗結(jié)論；接著引導(dǎo)學(xué)生利用實驗結(jié)論逐步建立模型，形成便于學(xué)生記憶的知識網(wǎng)絡(luò)，即“鐵三角”模型。學(xué)生參與了知識的獲得和應(yīng)用過程，模型建構(gòu)又是促進思維提升的重要手段[4]，因此既能夠促進學(xué)生進行深度記憶，又有利于學(xué)生對核心知識的掌握，最終指向?qū)W生的“證據(jù)推理與模型認知”學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

最后引導(dǎo)學(xué)生了解這次探究的社會價值，培養(yǎng)學(xué)生“健康化學(xué)”“化學(xué)來源于生活，最終服務(wù)于生活”的意識，感受化學(xué)知識的價值，體會化學(xué)與生活的關(guān)系。

綜上所述，立足于學(xué)科核心素養(yǎng)、重視探究性實驗教學(xué)并緊密結(jié)合時代特點和實際生活的教學(xué)設(shè)計，是能夠有效培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)方式，能夠更加充分地實現(xiàn)高中化學(xué)教學(xué)的育人價值。

[參 考 文 獻]

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

[2]楊菲菲，鄒標(biāo).聚焦模型建構(gòu)的高三化學(xué)復(fù)習(xí)課例研析：以“化學(xué)工藝流程”為例[J].中小學(xué)教學(xué)研究，2022，23（06）：12-19.

[3]林文弢，楊玲.鐵營養(yǎng)與運動能力[J].中國體育教練員，2021，29（01）：16-18.

[4]陳嫦.基于證據(jù)推理素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學(xué)課堂研究[J].中小學(xué)教學(xué)研究，2022，23（03）：83-88.

（責(zé)任編輯：姜顯光）