情境引線，制備型實驗方案設計教學研究
——以“含鐵凈水劑的制備”為例

西安交通大學蘇州附屬中學（215000）尹 之

一、高中化學制備型實驗方案設計的教學背景及學情分析

《普通高中化學課程標準（2017 年版）》明確指出，應選取真實的、具有意義的、能夠激起學生興趣的思考和探究性問題，強調高層次思維的過程。因此在實驗方案設計教學過程中，需要確立一條結構化思路，設計一連串挑戰性問題，以調動學生的高階思維。

江蘇省新高考重點考查學生的科學探究和創新能力，實驗方案設計類問題作為江蘇省新高考化學試題的熱點與難點，一般位于綜合題最后一小題。該類試題情境新穎，考點靈活，開放性、探究性、創新性較強，一般涉及基于真實的情境進行物質的制備和提純內容，考查學生的信息獲取與加工能力、對實驗原理和操作方法的綜合運用能力、對實驗條件的控制和優化能力以及規范表達實驗方案的能力。這類試題關涉信息獲取與方案表達等，對學生的思維能力要求較高。學生在答題時常出現跳步漏步、回答不完整、毫無頭緒、畏難退縮等問題。

情境教學的倡導者布朗認為，知識唯有在其產生和應用的情境中才會發揮出意義。筆者提出用情境引線，將知識線與情境線相融合的課堂教學理念，從真實的生活情境問題出發，引導學生從化學視角看問題，凸顯學生的主體性，并通過討論、實驗等環節，強化學生解決問題的能力，實現學生思維的深度發展，提升學生的學科核心素養。下面，以“含鐵凈水劑的制備”實驗方案的設計教學為例，深入探究情境引線式高中化學制備型實驗方案設計教學。

二、教學過程

（一）創設情境，引入課程

【情境一】太湖是國家一級水源地，太湖水能否直接飲用？若不能，該如何凈化？

【出示資料】氯化鐵、硫酸亞鐵等都被認為是優良的凈水劑。

【設問】氯化鐵之所以能用于凈水的原因是什么？如何才能獲取鐵元素？

【出示資料】自然界中，鐵元素大多以鐵礦石的形式存在于地殼中。

【引出課題】如何設計用鐵礦石制備含鐵凈水劑的實驗方案？

設計意圖：化學源于生活，本環節從學生熟悉的真實情境出發，從自然水過渡到水的凈化，引出課題。

（二）基于考題，自主嘗試

教師先出示相關考題，引導學生自主思考，嘗試書寫方案，再進行有針對性的指導，然后選出典型方案，通過希沃系統進行展示，最后讓學生對比多種設計方案，評價各方案的優劣。

【出示考題】某研究團隊想要從硫鐵礦燒渣（主要化學成分為Fe2O3、SiO2、Al2O3）出發，制備綠礬（FeSO4·7H2O）。表1 列出了相關金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH。請你根據圖表信息，補充完整下列實驗步驟：向一定量燒渣中加入足量的稀硫酸充分反應，____________，得到FeSO4溶液，___________，得到FeSO4·7H2O 晶體。過濾，用冰水洗滌固體2～3 次，低溫干燥。（可選試劑：H2SO4溶液、NaOH溶液、鐵粉）

表1

圖1

設計意圖：基于高考真題創設的真實情境，讓學生自主嘗試書寫實驗設計方案。通過展示、交流與評價學生設計的方案，顯露出學生思維的缺陷，為下一階段的設計模型構建打下基礎。

（三）確定流程，初建模型

針對學生方案中的不足進行討論，讓學生分享方案設計中的難點與困惑，引導學生尋找信息與方案之間的中間媒介——制備流程。如何確定制備流程呢？需要對三個問題進行進一步探討：（1）從原料鐵礦石到產品硫酸亞鐵凈水劑，如何依據核心轉化反應確定流程主線？（2）實驗過程中每一步的試劑選擇和實驗條件控制各有什么需要注意的？（3）需要用到哪些添加試劑以及操作方法？

通過討論，學生可以發現，要將鐵礦石轉化為FeSO4·7H2O，主要流程應包括除去SiO2、Al2O3雜質，進行還原Fe3+的核心反應，分離硫酸亞鐵結晶這三個主要步驟。在操作時還需考慮試劑選擇、實驗條件控制、實驗操作方法等方面。如除Al3+雜質時，需使用NaOH 溶液，并將pH 控制在5.0～5.8，因此可以使用“邊滴邊攪拌”的操作方法將Al3+完全轉化為A（lOH）3沉淀，再過濾除去；在分離提純時，可以通過搜集相關信息，確定蒸發濃縮和降溫結晶的溫度。教師進一步指導學生將思考成果繪制為流程圖（如圖2）。

圖2

制備型實驗方案的流程模型可由一條流程主線和試劑選擇、操作方法、條件控制等模塊組成。具體模型如圖3所示。

圖3

設計意圖：通過構建流程模型，引導學生將流程轉化為文字方案，確定相對較好的實驗方案。

（四）反饋修正，模型加工

【情境二】在空氣中，FeSO4晶體易被氧化，難以長期存儲，需尋找可替代它的凈水產品。

【出示資料】FeSO4與（NH4）2SO4以等物質的量混合即可制得摩爾鹽［（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O］。摩爾鹽的主要化學性質如下：它易溶于水，不溶于乙醇，接近100 ℃時易失去結晶水，性質上相對于普通硫酸亞鐵鹽更加穩定。相關物質的溶解度曲線如圖4所示。

請補充完整由久置于空氣中的FeSO4·7H2O樣品合成摩爾鹽的實驗步驟：將樣品溶于適量的硫酸溶液中，加熱使其溶解，然后向其中加入_____________。（可選試劑：蒸餾水、飽和硫酸銨溶液、3%H2O2、銅粉、鐵粉、無水乙醇）

設計意圖：結合真實情境，讓學生補充完整操作細節，規范實驗方案表達。同時通過問題，引導學生對初步構建好的流程模型進行進一步加工。

圖4

（五）拓展延伸，模型應用

【情境三】普通凈水方法還需通入Cl2以達到消毒效果，是否有一種凈水劑，能夠同時起到凈化和消毒作用？［引出多功能凈水劑高鐵酸鉀（K2FeO4），分析其可以起到消毒作用的原因。］

【出示資料】以綠礬（FeSO4·7H2O）為原料制備高效水處理劑高鐵酸鉀（K2FeO4）的部分生產工藝流程如圖5所示。

圖5

【設問】請補充提純K2FeO4粗產品［含有Fe（OH）3、KCl等雜質］的實驗方案：將一定量的K2FeO4粗產品溶于冷的3 mol·L-1KOH溶液中，______________。

設計意圖：通過拓展延伸，引導學生應用制備型實驗方案設計的思維模型，嘗試總結的條件控制及操作方法，如試劑用量、溫度控制、pH 控制、添加試劑等，學會歸納知識線，規范方案表達。

三、教學思考

(一)情境引線，構建知識

化學源于實際生活，真實的化學情境可激發學生自主學習的熱情和積極性。創設教學情境的核心內涵是引導知識建構，將知識線和情境線相融合，推動學生的知識構建。將教學情境視為引出知識和構建知識的重要載體，能夠起到有效開展和拓展教學的作用。在化學課堂中創設真實情境，可以讓學生體驗到知識獲取的樂趣，有效解決化學知識運用時可能出現的困難和問題。

本節課以含鐵凈水劑的制備過程為牽引，從自然水如何凈化開始，引入用鐵礦石制備含鐵凈水劑的制備流程；通過分析硫酸亞鐵凈水劑的性質，由其易被氧化有所不足，引出新型含鐵凈水劑摩爾鹽的制備；通過凈水過程包含消毒步驟，引出多功能含鐵凈水劑高鐵酸鉀的制備。教學過程中，知識線與情境線相互穿插，通過三個教學情境巧妙地將制備型實驗方案的設計方法串聯在了一起，構建了制備型實驗方案設計的思維模型，促進了學生思維能力的提升。本節課的明線是含鐵凈水劑的制備方案，暗線是制備型實驗方案設計的思維模型構建。

此外，教學情境要讓學生獲得正面積極的情感體驗。教師在創設教學情境前可以自由選取和提煉一些與主題有關的素材，還可以補充相關課外教學內容，以使創設的真實情境能更好地與知識內容有機融合在一起。如本節課教師創設了含鐵凈水劑的制備這一情境，并以其為引線，不僅提升了學生的興趣，開闊了學生的視野，還激發了學生探索和研究的動機。

（二）引入媒介，構建模型

新情境下制備型實驗方案設計類試題對學生思維能力要求較高，學生不僅要獲取相關信息，還要表達方案，這對他們來說較為困難。對此，可借助中間媒介——流程圖，將信息轉化為流程再規范表達為方案來分解問題難度，構建制備型實驗方案設計的思維模型。

本堂課引入典型問題，對學生進行訓練，引導學生通過自主討論分析問題的特點和答題所需條件，加深學生印象。同時，引入中間媒介，開闊學生思路，引導學生弄清各種物質、各個步驟、各種操作的意義和功能，再用語言文字來補充方案的細節，有效地構建思維模型，分解難點。層層遞進、螺旋上升的教學，符合學生邏輯思維的特點，便于學生進行深入學習。

（三）培養思維，提升素養

化學中的模型認知素養主要包括認識、感悟化學模型，利用模型學習化學，評價和創建模型，以及運用建模解決問題等方面，體現了模型認知素養由低到高的四個層次。本節課通過典型考題嘗試建模、借助制備流程初建模型、通過反饋修正加工模型、通過拓展延伸應用模型四個步驟，完善了制備型實驗方案設計的思維模型，凸顯了模型認知素養的四級水平。

高三學年段的課堂專題復習更需要有效地幫助學生激活、深化和整合所學知識，提高其運用所學知識和方法解決實際問題的能力。傳統的高三復習課偏向于做題，并以特定的主題講授的形式進行。而本節課圍繞含鐵凈水劑的制備實驗方案的設計來重新組織教學內容，以綜合性學習目標和任務來引導學生學習，通過任務驅動式的學習活動，讓學生在體驗知識形成的過程中培養高級思維能力，提升科學探究素養。

無論是從學生的終身發展還是從眼前的教學成績來看，基于真實情境解決實際問題，對培養學生高階思維和提升學生相關素養都是真實有效的，這為高三教學的優化提供了一個新的突破口。