創新實驗融入課堂，提升學生素養發展

周斌強 顧仲良

摘要：以“鐵三角教學”教學為例，靈活處理教材，通過拓展其他鹵素與鐵粉的化合及產物檢驗實驗，增設常見驗證試劑實現亞鐵離子與鐵離子轉化的驗證實驗，創新開發活潑金屬還原鐵鹽和電解亞鐵鹽反應的實驗，增強實驗現象和效果，增加教學資源和素材，建構完整的知識體系，使學生的化學學科能力得到提升，核心素養得到發展。

關鍵詞：科學探究;創新實驗;鐵三角

文章編號：1008-0546（2022）03x-0046-04??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.011

化學實驗不僅是研究和學習物質變化的基本方法，同時也是探究和證據化學規律和化學理論的重要手段，《普通高中化學課程標準（2017版）》建議：“教學中應注重運用實驗事實、數據等證據素材，幫助學生轉變偏差認識”[1]。新人教版《化學必修·第一冊》[2]“鐵及其化合物”一節中，“鐵的重要化合物”課時教學的“思考與討論”欄目要求歸納“鐵三角”關系模型，下面我們就通過創新實驗來探究歸納Fe、Fe²⁺、Fe³⁺三者之間的相互轉化關系。

一、教學現狀分析

此章節內容以多種試劑來實現鐵的不同價態之間相互轉化，并探究鐵鹽與銅的反應，但這些相互轉化的素材資源，大多是初中單質鐵與酸、鹽知識再現，以及前期氯氣教學內容，同時對于亞鐵鹽、鐵鹽被還原轉化為鐵單質也缺少相關說明，若能豐富實驗的素材與資源，將更有利于學生建構完整的知識體系。在此，我們靈活處理教材內容，適當拓展實驗方案，合理增設實驗驗證，創新開發實驗資源，以增強實驗教學的效果，提升學生化學的學科能力，在重點促進學生“科學探究與創新意識”發展的基礎上，全面發展學生化學核心素養。

二、教學目標與評價目標

（一）教學目標

1.通過實驗探究鐵單質與澳、碘單質的反應，初步形成不同強度的氧化劑與鐵反應時氧化產物的不同，突出可變價態金屬的化學特性。

2.通過多種氧化劑實驗驗證亞鐵離子向鐵離子的轉化，創建離子間轉化與元素價態的關聯性。

3.通過創新實驗探究不同價態的化合態鐵元素向游離態鐵單質的轉化，感受創新實驗的價值，初步形成物質類別、元素價態、原子結構對物質性質的預測和檢驗模型。

（二）評價目標

1.通過澳單質與碘單質分別與鐵粉反應的產物檢驗，診斷并發展學生對鐵離子和亞鐵離子檢驗方法的掌握水平。

2.通過驗證多種氧化劑對亞鐵離子轉化為鐵離子的過程，診斷并發展學生物質及其轉化思路的理解水平。

3.通過對創新實驗的設計和點評，診斷并發展學生實驗探究的水平和對化學價值觀的理解水平。

（三）教學重點與難點

重點是鐵離子與亞鐵離子的檢驗，難點是鐵三角轉化結構模型的建立。

三、教學設計策略與教學流程

經過前兩個課時的教學，學生已經初步認識鐵單質及其不同化合物，掌握了鐵離子與亞鐵離子的檢驗方法，也了解了一些不同價態鐵元素轉化的過程。在教學中，我們倡導要“用教材教，而不是教教材”[3]，因此“鐵三角教學”內容的教學，立求基于核心素養，以主題式實驗探究為導向，本教學設計通過拓展鐵與澳、碘、硫之間化合及產物檢驗的實驗方案，增設多種試劑氧化亞鐵離子和還原鐵離子的實驗，創新開發鋁粉還原鐵鹽反應和電解亞鐵鹽溶液，通過學生自主設計，主動操作，親身體驗科學探究的過程，充分調動學生的思維，使其成為知識的主動建構者，最后建構“鐵三角”模型，說明鐵的重要化合物之間的轉化關系與電子轉移情況，教學流程如圖1

1.主題一：拓展實驗、明確強弱——鐵的“擢升”

【引入】我們在初中和本教材的前期學習中，知道了下列反應。

【多媒體展示】3Fe+2O₂=Fe₃O₄

Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑

Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

2Fe+3Cl₂=2FeCl₃

3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑

【講解】分析這五個反應，我們發現鐵與不同物質反應轉化為化合態的結果是不同的，那是因為什么呢？

【作答】因為不同物質的氧化性強弱（或氧化能力）不同。

【講解】氧化性弱的物質，只能把單質鐵氧化到正二價，氧化性強的物質，則可把單質鐵氧化到正三價，中等氧化性的O₂就能氧化Fe成為Fe₃O₄。我們熟知的氯氣，可以把鐵氧化到高價，那與它同主族的其他鹵素單質能把鐵氧化到什么價態呢，氧化性有多強呢？

【演示實驗】鐵粉與液澳、鐵粉與碘粉的反應（見圖2）

【實驗操作】在通風條件下，用膠頭滴管取少量液澳于點滴板上，加入過量鐵粉，立即會有澳蒸氣揮發，這是因為反應放熱;將少量鐵粉與過量碘粉混合均勻于點滴板上，然后打濕玻璃棒一端，輕輕攪拌混合物，在水的催化下，發生激烈反應，同時會有紫色的碘蒸氣。

反應片刻后，分別用玻璃棒頭部蘸取兩處實驗少許生成物，浸入到預先準備好的裝有蒸餾水與CCl₄分層液的試管中，使玻璃棒頭部的物質溶解。振蕩試管，待上下層液體顏色穩定，滴入幾滴KSCN溶液，可以觀察到只有澳與鐵反應的生成物的上層溶液立即變血紅色。

【講授】根據剛才實驗，探究得到了什么樣的結論？寫出兩個反應的化學方程式。

【作答】澳可以將鐵粉氧化到正三價，碘只能將鐵粉氧化到正二價。

2Fe+3Br₂=2FeBr₃

Fe+I₂=FeI₂

【講授】這也說明了澳的氧化性比碘強。

【小結】從這個反應我們可以得到，Fe³⁺的氧化性強弱處于單質Br₂和I₂之間，即：Cl₂>Br₂>Fe³⁺>I₂。

設計意圖：在氯氣與鐵粉的基礎上，通過拓展其他鹵素與鐵粉反應及產物檢驗的實驗探究，不僅使學生眼界得到開闊，Fe³⁺、Fe²⁺的檢驗方法這一知識重點得到了鞏固，同時還發現了不同鹵素單質與鐵粉反應生成產物狀態，歸納了同主族非金屬元素性質的遞變規律。在實驗教學中，將同類物質系統地進行對比反應，可以幫助學生在實驗過程中更好地掌握這些化學規律和理論，得到認識上和思維上的雙重提升。

2.主題二：增設驗證、強化知識——鐵的“遷轉”

【引入】用KSCN溶液檢驗Fe²⁺溶液時，滴加幾滴氯水后，立即變血紅色。

【講解】氯水作用：2Fe²⁺+Cl₂=2Fe³⁺+2Cl^-，那我們如果用H₂O₂代替氯水會有什么樣的結果呢？

【作答】H₂O₂也有氧化性，會氧化亞鐵離子。

【講解】我們就用實驗來驗證一下。

【多媒體展示】（如圖3）

【學生活動】分組操作實驗，驗證推理結論。

【講解】大家都看到了溶液變血紅色，說明H₂O₂這種氧化劑是可以將亞鐵離子氧化為鐵離子的。我們一起來寫一下此反應的離子方程式。

【學生活動】板演：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O

【講解】H₂O₂是一種常見的綠色氧化劑，它在氧化其他物質后變成水，不會引入雜質離子。那同學們還知道哪些物質也可以氧化亞鐵離子為鐵離子呢。

【作答】O₂、O₃、KMnO₄、HNO₃等。

【講解】這些都是可以氧化亞鐵離子的氧化劑，它們的氧化性比Fe³⁺強。我們能不能想辦法使溶液中的血紅色褪去呢（結合化學方程式）？

【學生活動】加入鐵粉（或銅粉）。

板演：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺

2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺

【講解】我們可以加入鐵粉、銅粉，它們可以還原溶液中的鐵離子為亞鐵離子，那么鋅粉能不能呢？

【作答】能，因為鋅比鐵活動。

【多媒體展示】（見圖4）

【學生活動】分組操作實驗，驗證推理結論。

【講解】我們驗證了鋅也可以像鐵、銅一樣還原鐵離子，寫出此反應的離子方程式。

【學生活動】板演：2Fe³⁺+Zn=2Fe²⁺+Zn²⁺

【設問】如果我們用非常活潑的金屬鈉，能不能將鐵離子還原為亞鐵離子呢？

【作答】不能，鈉會先與水反應，生成氫氧化鈉，使鐵離子生成紅褐色的氫氧化鐵沉淀。

【講解】除了金屬鈉，鎂粉、鋁粉加入到氯化鐵溶液中也會出現紅褐色沉淀。這是因為太活潑的金屬可能會與水或氯化鐵溶液中的氫離子反應，促進Fe³⁺離子水解生成Fe（OH）₃。

【小結】亞鐵離子轉化為鐵離子需要比較強的氧化劑，鐵離子轉化為亞鐵離子可以加入一定活潑性的金屬單質或還原性強的離子。

設計意圖：科學探究是假設—推理—驗證—結論的過程，實驗的驗證功能是科學探究中的一個重要環節，在科學的發現與發展過程中，正確的科學規律除了保留其結論外，還需要保留其可以不斷地接受驗證[4]。對于H₂O₂的氧化性、單質Zn的還原性學生早已掌握，但這些簡單的實驗，學生往往也缺乏探索求證的機會，合理安排的驗證實驗，增添了學生對此內容和原理的感性素材，對學生的思維結果起到了驗證作用，使學生心中的疑慮消散。

3.主題三：開發實驗、創新意識——鐵的“致仕”

【演示】取FeCl₃與鋅粉經過較長時間反應的試管，用磁鐵來檢驗一下產物。

【學生活動】發現有鐵粉生成。

【講解】這是因為鋅粉進一步與Fe²⁺發生了置換反應，生成了鐵粉。那更活潑的鋁粉能不能從化合態的鐵鹽中置換出單質鐵呢？請大家來設計一下這個實驗。

【學生活動】討論實驗方案。

【講解】鋁粉與鐵鹽溶液反應的實驗由于太耗時了，我們改用鋁粉與FeCl₃晶體混合共熱來試試。

【實驗方案】將兩藥匙鋁粉與FeCl₃晶體均勻混合置于石棉網上，用酒精燈加熱片刻即發生反應，用磁鐵檢驗生成產物。

【學生活動】觀察實驗，發現磁鐵上吸有大量鐵粉。

【講解】這是一個復雜的反應過程，還有一些副反應尚在研究中。但我們從這個反應中都觀察到了有單質鐵粉生成，實現了從鐵鹽向單質鐵的轉化。那除了置換反應，還有什么類型的反應可以實現化合態轉化為游離態單質呢？提示參考金屬鋁、鎂、鈉的獲得。

【作答】電解法。

【講解】那我們試試電解含有Fe²⁺的溶液看，能不能電解得到鐵單質。

【實驗方案】用石墨作為陽極，用一片干凈的純銅片作為陰極，以大于6伏的電壓來電解濃度較高的FeCl₂溶液，電解片刻后，發現陰極銅片的表面有一層黑色的單質鐵出現。（如圖5）

【講解】雖然在放電順序上Fe²⁺排在H⁺的后面，但由于Fe²⁺的濃度比較高，所以發生了電解。

【小結】從化合態的鐵向游離態的單質鐵轉化，不僅可以通過CO還原，或者H₂、活潑金屬的置換反應，還可以通過電解濃溶液的方法。

設計意圖：在鐵鹽溶液與鋅置換反應的基礎上，開發不同價態鐵鹽向單質轉化的創新實驗，拓展學生化學知識廣度與深度，延伸置換反應與電解反應的應用，創新實驗既充滿趣味新意，又附有本質內涵，使學生在探究過程中體驗到實驗所蘊含的化學原理，又使建構的“變化觀念”模型更趨完善，提升了化學學科能力，重點發展了“科學探究與創新意識”的核心素養。

4.主題四：建構模型、拓展提升——“鐵三角”圖

【多媒體展示】鐵的價-類二維圖（如圖6）。

【講解】歸納出由鐵的常見物質組成的價-類二維圖。實現這些物質價態變化的“鐵三角”關系。

【學生活動】制作“鐵三角”圖，討論轉化途徑。

【PPT展示】“鐵三角”關系圖（如圖7）

【小結】通過“鐵三角”關系圖的架構，可以幫助我們系統理解并記憶鐵及其化合物間的相互轉化。

設計意圖：價-類二維圖是基于物質屬性的模型結構，從價-類二維圖出發，學生可以自主地整理并歸納“鐵三角”關系轉化，不僅可以清楚地感受物質變化的觀念，還可以幫助學生完善全面的知識體系，建構起有序的網絡模型，發展學生的“模型認知”的核心素養。

四、課后反思

新一輪課程改革倡導“用教材教”，要求我們一線教師的教學活動要從“目標意識”轉向“資源意識”，教材中的實驗素材并非唯一的教學資源，而是引導教學活動的一個線索[5]，在實際的教學中，我們可以根據學生的具體學情，靈活地調整開發創新教學實驗，從而達成教學目標。

實驗探究是化學研究最重要的方法，是學生感性認識抽象理論的最好途徑。在以項目主題式實驗探究為導向的教學設計中，讓學生通過多個實驗進行有效探究活動，進行深入學習，解決綜合復雜問題，獲得結構化的化學核心知識，建立運用化學學科思想解決問題的思路方法[6]，重點發展學生“科學探究與創新意識”核心素養。

參考文獻

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

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019：64-69.

[3]程素芳，陳慶中.基于實驗探究和證據推理的主題式整體教學[J].中學化學教學參考，2018，471（6）：17-20.

[4]解學仁.淺談驗證性實驗的教育功能[J].教學月刊（中學版），2004（03）：46-49.

[5]李寧采，包朝龍.改進實驗設計，充分發揮實驗的教學功能[J].中學化學教學參考，2016（12）：30-31.

[6]洪生鋒，雷范軍.思維導圖在促進學生深度學習中的應用——以“乙醇的催化氧化反應和鋁的氧化物教學”為例[J].教學月刊·中學版（教學參考），2019（09）：13-15.