楊硯寧 成斌斌

摘要：由參觀敦煌藝術(shù)展時(shí)發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問題引發(fā)，設(shè)計(jì)以“從暖寶寶廢渣中提取赭紅”為主題的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。以實(shí)驗(yàn)室提取氧化鐵過程中的相關(guān)問題為主線，通過實(shí)驗(yàn)探究，解決顏料制備流程中的試劑選擇、條件控制、原理分析、產(chǎn)品比較、繪畫創(chuàng)作等活動(dòng)中的問題，了解含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用，促進(jìn)形成多學(xué)科融合解決實(shí)際問題的系統(tǒng)思維。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目教學(xué)；跨學(xué)科實(shí)踐；實(shí)驗(yàn)研究；含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

文章編號(hào)：10056629（2023）12005507

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 項(xiàng)目背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出化學(xué)課程對(duì)于科學(xué)文化的傳承和高素質(zhì)人才的培養(yǎng)具有不可替代的作用。教學(xué)中，應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的背景下認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律^［1］。因此，教師要關(guān)注學(xué)生個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展需求，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的問題，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查研究等方法開展深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)每個(gè)學(xué)生均能主動(dòng)地、生動(dòng)活潑地發(fā)展，形成勤于實(shí)踐、善于合作、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的核心素養(yǎng)。

本項(xiàng)目由組織學(xué)生參觀敦煌藝術(shù)展時(shí)發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問題引發(fā)，設(shè)計(jì)以“從暖寶寶廢渣中提取赭紅”為主題的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。以高中化學(xué)必修教材“含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”為載體，設(shè)置“原料成分分析”“實(shí)驗(yàn)室提取氧化鐵”和“自制顏料進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作”三個(gè)驅(qū)動(dòng)性任務(wù)，融合化學(xué)與藝術(shù)、材料、環(huán)境等領(lǐng)域知識(shí)解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問題，用分離提純得到的赭紅進(jìn)行繪畫創(chuàng)作，并通過紙筆測(cè)驗(yàn)，對(duì)同等水平的傳統(tǒng)班、項(xiàng)目班在進(jìn)行不同方式學(xué)習(xí)后的知識(shí)、能力水平進(jìn)行測(cè)試和比較，探索跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在化學(xué)教學(xué)中的意義和價(jià)值。

2 項(xiàng)目任務(wù)、活動(dòng)及目標(biāo)分析

本項(xiàng)目是基于“鐵及其化合物”知識(shí)的復(fù)習(xí)課。項(xiàng)目開始前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過“鐵及其化合物的性質(zhì)”“利用化學(xué)沉淀法去除雜質(zhì)離子”以及“化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”等知識(shí)。因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，將上述內(nèi)容融入其中，共設(shè)計(jì)了6課時(shí)的教學(xué)計(jì)劃。具體項(xiàng)目任務(wù)、活動(dòng)和目標(biāo)見表1。

3 項(xiàng)目學(xué)習(xí)的實(shí)施過程及成果展示

3.1 項(xiàng)目引發(fā)和任務(wù)拆解

2023年3月，“此心歸處——敦煌藝術(shù)臨摹與精神傳承”特展在蘇州博物館西館舉行。教師組織學(xué)生參觀，感受敦煌文化的穿透力與藝術(shù)的生命力。

［提出問題］敦煌壁畫中大量使用了紅、綠、藍(lán)色顏料，這些顏色為何歷經(jīng)千年仍明艷如新？

［學(xué)生活動(dòng)］（1）調(diào)查敦煌壁畫所用紅、綠、藍(lán)色顏料（見表2）。

（2）查閱資料了解赭紅、石青、石綠等礦物顏料的主要成分和著色優(yōu)點(diǎn)。

［提出問題］含鐵物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)也伴隨有紅、綠、藍(lán)等多種顏色變化，能不能替代上述礦物顏料？

［濾紙實(shí)驗(yàn)］在濾紙上運(yùn)用含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化中顏色的變化，繪制“綠水青山紅日?qǐng)D”，具體步驟見表3。

［小結(jié)］含鐵物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的顏色易發(fā)生變化，赭紅、石青、石綠等礦物顏料保證了畫作色彩的穩(wěn)定性。

［問題聚焦］我們?nèi)绾螌ふ疑磉叺奈镔|(zhì)制成赭紅顏料？

設(shè)計(jì)意圖：通過社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)藝術(shù)作品中顏料的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，激發(fā)學(xué)生對(duì)“藝術(shù)中的化學(xué)顏料”的好奇心。改試管實(shí)驗(yàn)為濾紙實(shí)驗(yàn)，藥品用量少、操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯。同時(shí)，以畫比畫對(duì)顏料的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，將藝術(shù)審美融入學(xué)科學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的意義。

［項(xiàng)目的確立和拆解］從鋼鐵制品造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)角度出發(fā)，依據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃，將項(xiàng)目拆解為“分析原料成分”、“實(shí)驗(yàn)室提取氧化鐵”、“自制顏料進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作”三個(gè)任務(wù)。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施過程

以下活動(dòng)記錄了學(xué)生根據(jù)含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，在設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)室由暖寶寶廢渣提取氧化鐵的流程方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究。已取得成果見表4。

3.2.1 活動(dòng)一：分析浸出液成分

［提出問題］酸浸后溶液中主要含哪些陽離子？

［討論與匯報(bào)］閱讀文獻(xiàn)資料，結(jié)合學(xué)生已有知識(shí)基礎(chǔ)及試劑用量，小組討論，得出結(jié)果：硫酸浸出液中陽離子主要有Fe²⁺、Fe³⁺、Na⁺、H⁺、Mg²⁺、Al³⁺等^［3］。

設(shè)計(jì)意圖：通過成分分析鞏固鐵及其化合物與酸反應(yīng)原理，了解蛭石與酸反應(yīng)中鎂、鋁離子的浸出對(duì)浸出液成分的影響，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究指明方向。

3.2.2 活動(dòng)二：探究氧化原理和氧化效率

［提出問題］在不影響浸出液成分的前提下，將Fe²⁺轉(zhuǎn)化為Fe³⁺的常用路徑有哪些？不同氧化劑的氧化效率是否相同？

［討論與匯報(bào)］可選的氧化劑有氧氣和雙氧水。

［提出問題］雙氧水氧化硫酸亞鐵的反應(yīng)原理是什么？反應(yīng)過程中為何有時(shí)會(huì)觀察到氣泡現(xiàn)象？

［實(shí)驗(yàn)探究1］向硫酸亞鐵和硫酸的混合溶液中逐滴加入雙氧水，觀察溶液顏色，監(jiān)測(cè)溶液pH，所繪制的pH曲線如圖1所示。

［原理分析］2FeSO₄+H₂SO₄+H₂O₂====Fe₂（SO₄）₃+2H₂O。

［實(shí)驗(yàn)探究2］向等量組成不同的樣液中加入等量等濃度的雙氧水，觀察現(xiàn)象，分析氧化過程中可能產(chǎn)生氣泡的原因。具體實(shí)驗(yàn)見表5。

［原理分析］查閱資料：Fe³⁺溶液催化H₂O₂溶液分解的反應(yīng)機(jī)理（簡(jiǎn)化）^［4］及pH對(duì)雙氧水分解速率的影響（見圖2）：

［實(shí)驗(yàn)結(jié)論］溶液中Fe³⁺、Fe²⁺的相互轉(zhuǎn)化能催化雙氧水分解產(chǎn)生氧氣，實(shí)驗(yàn)1、3中均產(chǎn)生大量氣泡；隨著pH的減小，雙氧水分解速率降低，當(dāng)pH=3.61時(shí)雙氧水分解速率已接近零；實(shí)驗(yàn)2中只表現(xiàn)出溶液顏色變化，并無氣泡產(chǎn)生。因此，稍過量的硫酸不僅確保了

Fe³⁺、Fe²⁺的浸出率，還為雙氧水氧化提供了反應(yīng)物，降低了溶液的pH，避免因雙氧水分解而造成氧化不完全。

設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的興趣，增強(qiáng)其合作探究意識(shí)，養(yǎng)成注重實(shí)證、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神。

3.2.3 活動(dòng)三：探究沉淀劑種類和條件控制

［提出問題］將鐵離子從溶液中沉淀出來的常用試劑有哪些？沉淀過程中需注意什么問題？

［討論與匯報(bào)］（1）常用沉鐵劑有氫氧化鈉溶液、石灰乳、氨水；（2）沉鐵時(shí)需注意控制pH，確保Fe³⁺完全沉淀而Mg²⁺、Al³⁺不沉淀。

［演示實(shí)驗(yàn)］向等濃度的Fe₂（SO₄）₃溶液、Al₂（SO₄）₃溶液、MgSO₄溶液中分別邊攪拌邊滴加5%NaOH溶液，用pH傳感器測(cè)定滴定過程中溶液pH變化。結(jié)果如圖3所示。

［實(shí)驗(yàn)結(jié)論］沉鐵時(shí)pH控制范圍約在3.3～3.6之間。

［提出問題］不同沉淀劑，其沉淀效果是否相同？

［進(jìn)行實(shí)驗(yàn)］分別向等體積等濃度的Fe₂（SO₄）₃、FeCl₃溶液中邊攪拌邊加入5%氫氧化鈉溶液、氨水（1∶4）、石灰乳，控制終點(diǎn)pH為3.5。反應(yīng)完全后過濾，比較濾渣的顏色、形狀、質(zhì)量。結(jié)果如表6。

［提出問題］FeCl₃與NaOH反應(yīng)后的混合物用濾紙為何過濾不出固體？

［觀察分析］在電子顯微鏡下觀察濾紙和沉淀（見圖4），用激光筆照射FeCl₃與NaOH反應(yīng)后的混合物（見圖5），F(xiàn)eCl₃與NaOH反應(yīng)后形成Fe（OH）₃膠體，其粒徑小于濾紙的孔徑，因此能透過濾紙而未得到濾渣。

［提出問題］石灰乳與Fe₂（SO₄）₃反應(yīng)的沉鐵產(chǎn)量為何遠(yuǎn)超其他實(shí)驗(yàn)？

［分析討論］可能是反應(yīng)中生成的CaSO₄微溶于水，析出后混在沉淀中改變了濾渣的顏色，且導(dǎo)致沉淀量增多。

［總結(jié)匯報(bào)］酸浸時(shí)用硫酸，可有效避免沉鐵時(shí)膠體的形成。沉鐵時(shí)，氨水的沉淀和過濾效果最好。

設(shè)計(jì)意圖：融合物理、生物、化學(xué)等方法解決膠體無法或難以用濾紙過濾的問題；通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究控制pH對(duì)沉鐵的影響，加深學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控在科學(xué)研究中的重要作用。

3.2.4 活動(dòng)四：實(shí)驗(yàn)比較產(chǎn)品的品相與產(chǎn)率

［學(xué)生活動(dòng)］根據(jù)預(yù)設(shè)方案動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，從暖寶寶廢渣中提取出氧化鐵，并比較產(chǎn)品品相、計(jì)算產(chǎn)率（見表7）。

［提出問題］各小組產(chǎn)品品相、產(chǎn)率不同的可能原因是什么？

［分析討論］（1）氧化不徹底，伴有四氧化三鐵生成，導(dǎo)致產(chǎn)品品相不佳；

（2）濾渣洗滌不干凈導(dǎo)致產(chǎn)率偏高；酸浸時(shí)間過短導(dǎo)致產(chǎn)率偏低。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比產(chǎn)品的品相與產(chǎn)率，反思誤差的原因，初步形成定量研究的意識(shí)，發(fā)展學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法開展綜合項(xiàng)目研究的能力。

3.2.5 活動(dòng)五：實(shí)驗(yàn)探索顏料制作方法

［提出問題］赭紅顏料制作時(shí)常用油為溶劑將氧化鐵進(jìn)行分散，且藝術(shù)創(chuàng)作時(shí)對(duì)畫布材質(zhì)亦有要求。溶劑種類、畫布材質(zhì)對(duì)顏料有哪些影響？

［實(shí)驗(yàn)探究］探究顏料制作中的影響因素，并制作赭紅顏料（見表8）。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)真實(shí)問題進(jìn)行科學(xué)探究，理解科學(xué)、社會(huì)、環(huán)境、藝術(shù)之間的相互關(guān)系，深刻認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)創(chuàng)造美好生活的重大貢獻(xiàn)。

在項(xiàng)目的后續(xù)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在美術(shù)教師的指導(dǎo)下，用自制的赭紅顏料創(chuàng)作出自己的藝術(shù)作品（見圖6），并和教師一起集體創(chuàng)作出“紅梅圖”，作為項(xiàng)目成果進(jìn)行展示（見圖7）。

3.3 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)效果測(cè)試

本項(xiàng)目化學(xué)習(xí)完成后，讓水平相近的項(xiàng)目班（45人）與傳統(tǒng)班（46人）同時(shí)完成紙筆測(cè)試，得分情況見圖8。

化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試要求學(xué)生在情境中獲取和加工信息，遷移應(yīng)用學(xué)科必備知識(shí)、用化學(xué)學(xué)科思維方式來分析和解決問題^［6］。本次測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同學(xué)習(xí)方式下，學(xué)生對(duì)識(shí)記性知識(shí)的掌握情況相差不大，但在流程中的試劑用量分析、成分分析、反應(yīng)速率的影響因素分析方面的得分情況相差較大，項(xiàng)目班明顯優(yōu)于傳統(tǒng)班。此外，信息提取能力也有明顯差別，項(xiàng)目班的學(xué)生對(duì)信息的閱讀、提取、加工能力更強(qiáng)。這些數(shù)據(jù)的比較說明項(xiàng)目化學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的學(xué)科能力提升幫助較大，這樣的教學(xué)形式更有利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展^［7］。

4 項(xiàng)目教學(xué)反思

以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的形式開展融合化學(xué)、藝術(shù)、材料的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)“含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”這一重點(diǎn)知識(shí)在實(shí)際問題解決中進(jìn)行深度探究，促進(jìn)學(xué)生形成多學(xué)科融合解決問題的系統(tǒng)思維。其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

4.1 多維活動(dòng)，促進(jìn)智育、美育、德育并行育人

項(xiàng)目實(shí)施設(shè)計(jì)的學(xué)生活動(dòng)具有多樣性。本項(xiàng)目設(shè)置了社會(huì)實(shí)踐、科學(xué)探究、流程設(shè)計(jì)、方案評(píng)價(jià)、產(chǎn)品制作、藝術(shù)創(chuàng)作等多項(xiàng)活動(dòng)：在社會(huì)實(shí)踐中感受中華文化的藝術(shù)神韻；在科學(xué)探究、流程設(shè)計(jì)中涵育化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)；在方案評(píng)價(jià)中學(xué)會(huì)團(tuán)結(jié)互助、交流合作；在產(chǎn)品制作中形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度；在繪畫創(chuàng)作中體會(huì)創(chuàng)新價(jià)值、提升藝術(shù)修養(yǎng)。多維活動(dòng)促進(jìn)了智育、美育和德育并行育人。

4.2 跟蹤評(píng)價(jià)，發(fā)揮激勵(lì)、反饋、診斷作用

在項(xiàng)目教學(xué)過程中，教師即時(shí)觀察學(xué)生的行為表現(xiàn)，依據(jù)評(píng)價(jià)量規(guī)給予公正的評(píng)價(jià)，既能幫助學(xué)生明確自身不足及進(jìn)步方向，又能給予教師教學(xué)啟示和評(píng)價(jià)建議。以任務(wù)2中的“工藝流程設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)為例，任務(wù)開始前，教師結(jié)合項(xiàng)目前期學(xué)生合作意愿弱、交流討論不充分、方案評(píng)價(jià)不全面等表現(xiàn)，將任務(wù)目標(biāo)具體化，把理論性問題落實(shí)在學(xué)生可觀察、可實(shí)驗(yàn)、可討論的層層遞進(jìn)的問題線索上，教師的評(píng)價(jià)也更有抓手。同時(shí)，項(xiàng)目的合作學(xué)習(xí)模式讓某些特定（如有學(xué)習(xí)障礙）的學(xué)生在團(tuán)隊(duì)的幫助下也能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到合理的表現(xiàn)要求。

4.3 深度協(xié)同，組建跨學(xué)段、跨學(xué)科教研共同體

真實(shí)問題的解決往往需要多學(xué)科知識(shí)共同協(xié)作。以“顏料制作”為例，色牢度、穩(wěn)定性、暈染面積、風(fēng)干快慢是檢驗(yàn)顏料質(zhì)量的重要因素，而油的種類、畫布的材質(zhì)則會(huì)影響作品效果。關(guān)于“顏料制作”的跨學(xué)科探究活動(dòng)方案需要美術(shù)與化學(xué)教師集體研討后確定。因此，面對(duì)新課程新難題，需要教師深度協(xié)同、集體研討，組建跨學(xué)段、跨學(xué)科教研共同體，共筑育人合力。各學(xué)科教師需打破“豎井式”分科的邊界，依據(jù)學(xué)生在認(rèn)知、情感、社會(huì)性發(fā)展等方面的變化，以及學(xué)科邏輯和思維進(jìn)階，協(xié)同設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)，改進(jìn)課程內(nèi)容組織與呈現(xiàn)形式，整合課程資源，開展跨學(xué)科的聯(lián)合教研，推動(dòng)跨學(xué)科的協(xié)同育人。

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