基于真實情境促進核心素養(yǎng)發(fā)展的項目式實驗教學
——以“草酸亞鐵的制備及檢測”為例

竇 卓 劉炯明 江合佩

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

一、項目內(nèi)容的提出

實驗是高中化學課程的重要內(nèi)容，實驗內(nèi)容建構(gòu)及實驗探究教學的實施，是化學課程與教學改革的重要組成部分［1］。高中化學實驗教學一般安排在高二下學期。此時，學生已掌握高中化學的大部分學科知識，亟待提升化學的實驗綜合能力。而傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容多是碎片式、無關(guān)聯(lián)的，導致學生面臨實驗問題時，無法形成很好的綜合探究能力。《普通高中化學課程標準（2017 年版）》指出，“真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺”［2］。項目式學習是一種以學生為主體，鏈接真實情景的學習方式。［3-4］通過共同解決真實復雜的問題和完成綜合性任務(wù)進行深度學習，進而形成很強的實驗探究能力，獲得學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。文章以水合草酸亞鐵為載體，探討項目式實驗教學的設(shè)計和組織。

二、項目教學目標和項目流程

本項目的教學目標為：通過對水合草酸亞鐵的制備、組成測定的研究，體會化學在探索人類未來方面的重要價值，培養(yǎng)科學態(tài)度與社會責任；學會從原理的角度判斷化學反應的可行性，培養(yǎng)變化觀念與平衡思想；建構(gòu)物質(zhì)制備、檢驗的一般思維模型，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)；強化定量研究的觀念，培養(yǎng)宏微結(jié)合的能力；根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計實驗方案進行實驗探究，提高實驗能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

形成解決實際問題的科學思維，進一步發(fā)展和落實學科核心素養(yǎng)。具體教學流程如圖1 所示，圍繞兩個任務(wù)，三個問題展開。

圖1 教學流程

三、教學過程

（一）任務(wù)1 水合草酸亞鐵制備

【問題引入】近年來，4G 手機、電動汽車等便攜儲能設(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力電池的原材料，市場前景十分廣闊。因此，草酸亞鐵近幾年成為研究熱點之一。

探究問題1：如何制備水合草酸亞鐵？

【學生活動1】見表1 信息，小組討論交流，匯總?cè)缦聝蓚€方案：

表1 探究問題需要的試劑和信息

方案1：Na2C2O4溶液與硫酸亞鐵溶液反應；

方案2：H2C2O4溶液與硫酸亞鐵溶液反應。

1.探究實驗方案的可行性

（1）探究方案1 的可行性

見表2，引導學生思考在Na2C2O4溶液中Fe2+是否容易氧化、水解。通過學生共同定量計算（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可能生成Fe（OH）2沉淀，會導致產(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，引導學生思考Fe2+是否容易氧化、草酸亞鐵是否容易生成。在Fe2++H2C2O4+nH2O ?FeC2O4·nH2O↓+2H+這個反應中，學生經(jīng)計算分析，K=（Ka1·Ka2）/Ksp=12。綜合分析來看，F(xiàn)e2+不易被氧化，且正向反應程度較大，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。學生得出制備流程，見圖2。

圖2 FeC2O4·xH2O 制備流程設(shè)計

2.實驗方案的優(yōu)化

［教師］如何分離提純FeC2O4·xH2O？

［學生］根據(jù)表1 信息，F(xiàn)eC2O4·xH2O 難溶于水，用過濾的方法分離，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)計優(yōu)化

3.實驗的實施

【學生活動2】分成若干小組，進行分組實驗［5］，見圖4。練習實驗操作，獲得產(chǎn)品，計算產(chǎn)率。

圖4 學生制備草酸亞鐵晶體過程

［教師］為什么反應過程中要不斷地加熱攪拌？

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

學生在真實的實驗情境中，在一個個任務(wù)問題的驅(qū)動下，團結(jié)協(xié)作，自主參與實驗方案設(shè)計、實驗操作等過程，嘗試像科研工作者一樣思考、解決問題。以往物質(zhì)制備的實驗更多關(guān)注的只有儀器、原料的選擇和實驗的操作等淺層問題，對原理考慮不足。而在項目式實驗教學中，無論是實驗藥品的選擇、還是反應可行性的判斷，以及實驗過程中的條件控制等，都滲透了變化觀念與平衡思想。學生開始從更高的理論高度認識物質(zhì)的制備原理，體會理論計算和實驗相結(jié)合的價值，從關(guān)注實驗操作進階到原理統(tǒng)率。形成制備物質(zhì)的一般思路：原料選擇（從原理角度）→實驗操作→分離提純→產(chǎn)率計算。實驗能力、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定

1.探究問題2：如何定性檢測水合草酸亞鐵中的Fe2+與C2O42-？

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

表3 檢驗Fe2+與C2O42-的實驗方案

【學生活動2】根據(jù)合理的實驗方案，進行分組實驗，檢驗兩種離子，如圖5。

圖5 學生檢驗Fe2+與C2O42-的實驗

與FeSO4、Fe2（SO4）3等簡單體系相比，草酸亞鐵中的C2O42-也有還原性。而由于C2O42-的干擾，使Fe2+的檢驗變得復雜，從簡單的理想體系進階到真實復雜體系。學生充分發(fā)揮集體智慧，通過對提出的實驗方案進行分析，不斷發(fā)現(xiàn)問題和不足，不斷控制單一變量，考慮問題越來越全面。通過檢驗過程建構(gòu)物質(zhì)檢驗的思想方法模型，即選擇藥品→排除干擾因素→確定檢驗順序→注意用量問題，進而培養(yǎng)證據(jù)推理和模型認知的核心素養(yǎng)。

2.探究問題3：如何確定草酸亞鐵中（nFe2+）：（nC2O42-）？

【學生活動1】分析表1 信息，小組交流討論，用滴定法操作簡便，實驗更準確。用高錳酸鉀滴定，可先測定C2O42-和Fe2+總量；再選擇適量試劑Zn［6］，將Fe3+還原為Fe2+；最后進行二次滴定，測定Fe2+含量。可以得出設(shè)計流程，如圖6。

圖6 測定草酸亞鐵組成的流程設(shè)計

【學生活動2】進行分組實驗。［7］注意實驗操作規(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 實驗測定草酸亞鐵中n（Fe2+）：n（C2O42-）部分數(shù)據(jù)匯總

［教師］①滴定過程中有什么實驗現(xiàn)象？說明了什么題？②為什么滴定時要加熱至60-80℃？

［學生］根據(jù)表1 中的信息，交流，討論：①滴定時，溶液先變成黃綠色，說明生成了草酸鐵，即Fe2+先被氧化。顏色又變淺說明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？

【學生活動3】小組討論分析，匯總結(jié)論見表5。

表5 造成實驗誤差的原因分析

該任務(wù)環(huán)節(jié)使研究從定性提升到定量，通過觀察滴定實驗中的顏色變化，準確判斷出氧化順序和氧化終點，使測量草酸亞鐵中的陰陽離子的組成得以實現(xiàn)。體會到定量實驗的重要價值。通過誤差分析，學會了如何合成產(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、項目式實驗教學反思

項目式實驗教學將物質(zhì)的制備合成、分離提純、定性檢驗和定量分析，性質(zhì)探究、反應條件的控制等若干實驗整合成一個有機的整體。從碎片化課時任務(wù)進階到單元整體教學，具有較強的遷移性和推廣性。在一個個項目任務(wù)的驅(qū)動下，學生學習的主動性被激發(fā)。在不斷的探索中，學生經(jīng)歷復雜推理、思辨決策等綜合性、復雜性的問題解決過程，獲得實驗探究能力、遷移創(chuàng)新能力、合作溝通能力等，學科觀念、思維方法逐漸形成。學生深刻體會化學實驗的重要價值，化學綜合實驗能力得到了提升，形成了分析信息、設(shè)計方案、評價改進、動手實驗、分析現(xiàn)象、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論等解決實驗問題模型。

作者經(jīng)過一年多的教學實踐，發(fā)現(xiàn)每個探究問題需要一個課時完成，也可以適當延長課時。總之，項目式實驗教學對提高學生的實驗能力及核心素養(yǎng)起到一定的促進作用。