基于真實情境和教學邏輯的“鐵的單質”教學*
——以“鍛劍背后的化學問題”為例

鐘國華

（廣東廣雅中學 廣東 廣州 510160）

一、教學主題內容及教學現狀分析

1.教學主題內容的功能、價值分析

“鐵的單質”是人教版（2019年版）必修第一冊第三章第一節“鐵及其化合物”第1課時的內容，［1］是高中化學元素化合物知識中典型變價金屬元素的代表。它是第二章鈉、氯兩種元素及其化合物的延續，是在學生學習物質分類、氧化還原和離子反應等工具性知識之后，初步形成分類觀、價態觀的基礎上進行的學習。

普通高中化學課程標準明確提出“能依據物質類別和元素價態列舉鐵元素的典型代表物。能利用離子反應、氧化還原反應等概念對鐵及其化合物的相關反應進行分類和分析說明”［2］。因此，本課應引導學生從物質類別、元素價態的二維角度（即“價類二維”）認識物質的性質及轉化，幫助學生將原來從類別或價態的單一認識思路完善成價類二維的認識思路，建構認識物質的二維或多維的思維模型，為后續元素周期律、氮和硫元素及其化合物的學習做好知識和方法的儲備。

2.教學現狀及學生學習障礙分析

以“鐵的單質”“鐵及其化合物”等為檢索詞，發現《化學教與學》近十年發表的與中學化學教學相關的文章共23篇，其中新授課課例研究16篇，復習課課例研究7篇。

經研讀發現新授課研究方向幾乎全部集中在“鐵及其化合物”第2課時“鐵的重要化合物”的教學上，即文章課例的研究是基于“Fe2+和Fe3+的相互轉化”而展開。主要有圍繞“硫酸亞鐵溶液的配制”、［3］“梔子花患黃化病需要補鐵”、［4］“五色土探究”［5］展開的情境教學；以“鐵及其化合物”為例的“教、學、評”一體化的教學實踐與思考；［6～8］以“鐵及其化合物”為對象提出各種教學策略與模型。［9～11］

但上述課例的研究點幾乎全部圍繞“鐵的重要化合物”展開，關于“鐵的單質”的教學研究寥寥無幾，除馮瑩、［12］陳艷艷［13］外幾乎沒有體現教材意圖、突顯教學邏輯的“鐵的單質”的完整教學設計。期刊網之所以收錄到的研究都是第二課時“鐵的重要化合物”，是因為以“Fe2+和Fe3+相互轉化”為核心可以找到很多相關教學素材、創新情境和實驗改進，有足夠廣度和深度的內容支撐課堂研究，例如圍繞“補鐵劑”的情境教學設計已經實現從第一代補鐵劑→第二代補鐵劑→第三代補鐵劑的全面覆蓋。而第一課時“鐵的單質”內容相對單一固定且表面關聯度不大，導致目前“鐵的單質”教學存在以下主要問題：

（1）缺少研究教材欄目的內在邏輯關系。人教版（2019年版）“鐵及其化合物”第一課時中的圖、數據、思考與討論、方程式的先后呈現本質上體現教材知識呈現的內在邏輯，但是目前缺少對上述邏輯進行厘清和意義建構，導致部分知識不是很有效。

（2）由于沒有梳理教學邏輯，導致部分課堂的教學方式以平鋪直敘為主，“鐵的單質”教學設計過度關注知識與技能的教學，缺少學科能力培養活動，弱化了其在形成和運用價類二維思維模型中的功能價值，深度不夠，無法遷移。

（3）“鐵粉與水蒸氣反應”的實驗只是紙上談兵，講實驗或者只做演示實驗和播放實驗視頻等，無法讓學生親身體驗“從問題出發確定研究目的→依據研究目的設計方案→親自動手進行實驗驗證→基于證據進行推理得出結論”的科學探究過程。

二、教學創新點

知識為本的思想和缺乏邏輯的教學，往往導致在“鐵的單質”教學時沒有讓學生通過學科能力培養活動獲得足夠的感性認識，致使部分學生只能死記硬背，再通過題海戰術強化。鑒于此，本課設計的創新點主要有4點：

（1）基于情境實現意義生成。意義生成是一個自主的生成過程，是深度學習的重要表征。“意義生成”強調意義應從學生內部有序生長出來，而不是外部嫁接進去。崔允漷提出指向素養的學習是有真實情境與任務介入的真實學習，只有在真實情境下運用某種或多種知識完成特定的任務，才能評估關鍵能力、必備品格和價值觀念。［14］因此本課利用“鍛劍”為核心情境（見圖1）。“鍛劍”對象是鋼鐵劍，“鑄劍”對象是青銅劍，先后利用圖片介紹古代鍛劍原料來源及其物理性質→根據初三已有知識從物質分類的角度回憶鐵的化學性質和介紹現代煉鐵常用手段→探討鍛劍時鐵水要注入干燥模具的原因［15］及分組實驗→分析鍛劍關鍵環節“淬火”的意義，把教材內容整合成一條有邏輯的教學主線，使知識有意義地生成。

圖1 以“鍛劍”為核心情境整合教學內容

（2）完成“鐵粉與水蒸氣反應”的學生分組實驗。“理論預測→方案設計→實驗驗證→解釋推理→建立模型→運用模型”是元素化合物性質學習的核心環節。其中，實驗驗證尤其分組實驗是學生習得知識與形成方法的關鍵一環。學生只有通過親手做實驗（見圖2）、親眼看現象、用腦去推理才能有效實現用舊知識（鈉與水可以反應、難溶性弱堿易受熱分解等）生成新知識（類比得到鐵與水在一定條件下反應生成金屬氧化物和H2），使知識（物質分類和氧化還原）工具化，使思維（分類觀、價態觀和類比思維）顯性化。

圖2 “鐵與水蒸氣反應”分組實驗

（3）基于學科能力培養活動實現從知識到能力再到素養的發展。學科知識能否形成學科能力和學科素養關鍵取決于知識能否轉化為自覺使用的認識角度、認識思路和相應的認知方式。本課設計若干個需要學習和理解（見圖3中的辨識記憶、概括關聯和說明論證）、應用和實踐（見圖3中的推論預測和簡單設計）、遷移和創新（見圖3中的復雜推理）的學科能力培養活動，使物質分類和氧化還原的知識經過從陳述性知識到程序性知識再上升至觀念化的自主認識過程，最終轉化成學科核心素養。

圖3 “鐵的單質”的學科能力培養活動

（4）整合教材欄目實現基于邏輯的教學（見圖4）。本課設計注意在“鍛劍”的核心情境下梳理教材內容和教學欄目的內在邏輯并有機整合，帶領學生充分理解教材的設計意圖，實現知識是有需要的生成，并非無意義的堆砌。

圖4 結合教材欄目的“鐵的單質”的教學邏輯線索

三、學情分析

1.學情分析

經過初三學習，學生了解金屬的物理通性，知道鐵作為一種活潑金屬可以和氧氣、鹽酸、某些鹽溶液發生反應。學生在高一“氯及其化合物”中學習了鐵可以和氯氣反應。但學生對鐵單質性質及轉化的認識還是零散的，并沒有形成系統的認識。

相對鈉而言，“鐵及其化合物”的知識點多，難度大。在鈉的學習中學生更多停留在物質類別的角度認識物質性質，還未完全建構基于“價類二維”認識物質性質的兩個角度。鐵是高中唯一選擇的典型變價金屬元素的代表，因此需要重點發展從元素化合價認識物質性質的角度，建構和完善從“價類二維”角度預測、分析物質性質的模型，以期在后續元素化合物學習中能實現基于模型進行認知。

在實驗探究方面，學生已經初步掌握氣體制備的裝置組合，但對其他目的的實驗裝置的選擇比較陌生，還需要通過陌生情境進一步發展其探究能力。

2.教學與評價目標

課程標準關于該課時的內容要求是：結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解鐵的主要性質，了解鐵在生產、生活中的應用；學業要求是：（1）能列舉、描述、辨識鐵的物理和化學性質及實驗現象。能用化學方程式、離子方程式正確表示鐵的主要化學性質。（2）能從物質類別、元素價態的角度，依據復分解反應和氧化還原反應原理，預測物質的化學性質和變化，設計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關實驗現象。

基于課標，本課時制定的教學與評價目標有：

（1）通過觀察展示的圖片來描述金屬鐵的物理性質，培養學生描述陌生物質物理性質的能力，診斷學生描述物質物理性質是否有序。

（2）通過列出鐵能和哪些物質反應、寫出化學方程式并把相關物質放到“價類二維圖”的活動，幫助學生從氧化還原角度理解Fe生成Fe2+還是Fe3+的原因。診斷學生已有對鐵的類別通性的掌握程度，進一步發展學生基于物質類別和氧化還原的角度分析物質性質的水平。

（3）通過對鐵與水能否反應的判斷活動，促使學生通過已有知識類比和從氧化還原的角度分析問題，診斷并進一步發展學生從類比和氧化還原預測陌生物質反應的水平。

（4）通過對鐵與水反應產物的預測和設計實驗裝置驗證的活動，提高學生根據已有知識進行推理和設計實驗方案的能力，進一步發展學生宏觀辨識、證據推理和科學探究的學科核心素養。

（5）通過鐵粉與水蒸氣反應的分組實驗，幫助學生掌握重要實驗操作（如檢驗裝置氣密性），提高學生動手實驗和捕捉現象的能力，建立證據意識，發展學生動手實驗和有序描述實驗現象的能力。

（6）通過“鐵水定型模具干燥”和“鍛劍最后淬火步驟”的對比，展現化學知識的兩面性，滲透具體問題具體分析的科學精神，同時診斷和發展學生對化學反應調控的理解水平。

四、教學流程結構

本課以生產生活中實際存在的“鍛劍”為境脈，設置系列問題線索，進行學科能力培養活動，讓學生在啟發中互動、在探究中體驗、在邏輯中上升，其具體教學流程如圖5所示。

圖5 以“鍛劍”為核心情境的“鐵的單質”教學流程

五、教學過程

1.環節一：回憶與梳理

【展示】古代名劍干將和莫邪（見圖6）。

圖6 干將、莫邪寶劍

【教師】我們古代有十大名劍，包括軒轅、干將、莫邪、魚腸等。大家知道從西漢東漢開始鍛劍的原料來自哪里？

【學生】來自太空的鐵隕石。

【教師】請根據隕鐵和鍛劍過程的圖片（見圖7）描述鐵的物理性質。

圖7 隕鐵和鍛劍過程

【學生】鐵是帶銀白色金屬光澤的固體，熔點高，有良好的延展性和導熱性。

【教師】我們還知道鐵有良好的磁性和導電性。古代鍛劍不僅歷史悠久，其實還有很多關于“劍”的詩詞。例如唐代詩人陳子昂《送東萊王學士無競》記載道“寶劍千金買，生平未許人”，為何里面談到“寶劍要千金買”呢？

【學生】因為當時鍛劍的原料鐵很少，而且鐵非常活潑，所以鍛造出來的劍就更少。

【教師】請根據已有知識說說鐵能和哪些類別物質發生反應，寫出對應的化學方程式，并把相關含鐵產物準確放入價類二維圖中。

【學生】初三已經學習過鐵是活潑金屬，可以和氧氣、酸、鹽溶液發生反應。寫出對應方程式并梳理價類二維圖。

【教師】根據價類二維圖我們發現鐵單質有時生成+2價化合物，有時生成+3價化合物，是取決于什么？

【學生】如果遇到較弱的氧化劑，鐵會失去2個電子生成+2價鐵的化合物；如果遇到較強的氧化劑，鐵會失去3個電子生成+3價鐵的化合物。

【教師】目前鋼鐵大量應用在日常生活中，不可能像古代一樣依靠來自太空的隕鐵，當下常用的煉鐵方法是什么，請用化學方程式表示。

【學生】結合不同的鐵礦石寫出對應的“高爐煉鐵”的化學方程式。

設計意圖：通過觀察圖片有序梳理鐵的物理性質；通過詩詞鑒賞、方程式書寫、價類二維圖完善總結學生已掌握的鐵的化學通性。

2.環節二：預測與驗證

【教師】在鍛劍過程中，炙熱的鐵水注入模具之前，模具必須進行充分的干燥，不得留有水。請分析可能的原因并說出你的判斷依據。

【學生】鐵與水可能發生反應。之前我們學習過金屬鈉能與水反應，鐵也是活潑金屬的一種，因此估計鐵也能和水在一定條件下發生反應。

【教師】沒錯，鐵在高溫條件下能與水蒸氣發生反應，請根據已有知識判斷可能的產物并說出你的判斷依據。

【學生甲】鐵是金屬，肯定是還原劑失電子，類比金屬鈉應該得到氫氧化鐵和氫氣。

【學生乙】鐵是變價金屬，也可能得到氫氧化亞鐵和氫氣。

【教師】大家可能都忘記初三曾經學習過的難溶性弱堿熱穩定性問題。

【學生甲】難溶性弱堿受熱容易分解，因此應該是三氧化二鐵和氫氣或者氧化亞鐵和氫氣。

【學生乙】初中還學習過四氧化三鐵，也有可能是四氧化三鐵和氫氣。

【教師】大家都基本確定有H2生成，那請設計實驗裝置完成鐵粉與水蒸氣的實驗并檢驗H2。請說說解決這個問題的思路。

【學生甲】我們要根據實驗目的確定要完成哪幾個具體內容，然后再選擇對應裝置去完成。

【學生乙】這里要有鐵粉與水蒸氣的反應裝置，然后還要有收集H2的裝置，最后再通過驗純的方法檢驗

H2。

【學生丙】水蒸氣要有發生裝置，因為水的常見狀態是液態。

【教師】大家都有道理，我們一起看看課本給出的實驗裝置圖3-5，分析每部分裝置的作用。

【學生】最左邊的酒精燈和試管內的濕棉花是提供水蒸氣的裝置，中間是鐵粉和水蒸氣反應的裝置，最右邊的肥皂泡是收集并檢驗H2的裝置。

【教師】該實驗產生H2不多，因此用肥皂泡可以快速收集少量H2，并且點燃后可以通過爆鳴聲加以證明。因為這套裝置相對復雜，所以老師先演示一次如何搭建裝置。裝置搭建的基本原則是由下往上，由左往右，所以在鐵架臺的左側先放好高低不同的兩個酒精燈，然后將大試管由下往上穿過鐵夾，塞上膠塞后檢驗裝置氣密性。如氣密性良好，再往試管底部加入一團棉花，均勻滴加20滴蒸餾水，然后用藥匙加入兩大匙還原鐵粉，塞上膠塞，添加肥皂水。點燃酒精燈加熱濕棉花，一會后再點燃酒精燈加熱鐵粉，30s后用點燃著的木條點燃吹起的肥皂泡，觀察現象。下面開始分組實驗，戴好護目鏡，注意實驗安全（見圖8）。

圖8 老師演示指導和學生分組實驗

說明：這是學生在高中階段第一次搭建大型實驗裝置的分組實驗，建議教師務必通過演示交代實驗過程，否則學生會手忙腳亂，在儀器組裝、藥品填裝等將環節消耗較長時間。

【學生】完成分組實驗，記錄實驗現象。

【教師】大家觀察到什么現象，說明哪些問題？

【學生甲】聽到尖銳的爆鳴聲，說明有H2生成。

【學生乙】試管內還是黑色粉末，說明沒有Fe2O3生成，但是生成FeO還是Fe3O4無法證明。

【教師】大家會想到什么方法快速區分FeO和

Fe3O4？

【學生甲】可以用磁鐵吸引。

【學生乙】鐵也可以被磁鐵吸引，這個方法不太科學。

【教師】老師現在取任意一組實驗完的黑色粉末于研缽中稍微研磨，再用磁鐵吸引，大家用心觀察，看到什么現象，說明什么問題？

【學生】根據前面聽到的爆鳴聲說明鐵粉與水蒸氣一定發生反應，試管內黑色粉末全部能被磁鐵吸引起來，說明產物一定是Fe3O4，不可能是FeO。

【教師】請大家根據觀察到的現象寫出鐵粉與水蒸氣反應的化學方程式。

【學生】書寫化學方程式。

設計意圖：通過對鐵與水反應產物的預測和設計裝置驗證的活動，幫助學生建立通過已有知識類比和從氧化還原的角度分析問題，提高學生根據已有知識進行推理和設計方案的能力，進一步發展學生宏觀辨識、證據推理和科學探究的學科核心素養。通過鐵粉與水蒸氣反應的分組實驗，幫助學生掌握重要實驗操作（如檢驗裝置氣密性），提高學生動手實驗和捕捉現象的能力，建立證據意識，發展學生有序描述實驗現象的能力。

3.環節三：拓展與延伸

【教師】請對照圖9，在鍛劍過程中，炙熱的鐵水注入模具之前，模具必須進行充分的干燥，不得留有水；但是在鍛劍過程后期要將熱得通紅的劍加入冷水中進行淬火。你覺得矛盾嗎？請大家分析淬火過程發生什么變化？

圖9 模具干燥與鍛劍淬火的對比

【學生】淬火過程應該和剛才鐵粉與水蒸氣反應的原理一致，但是不太明白為什么要淬火。

【教師】鍛劍時模具不干，倒入鐵水時水會急劇氣化，力量很大，可使鐵水飛濺，造成事故；淬火時是整把熱劍插入冷水中，不會有鐵水飛濺的危險，此時是通過急劇冷卻改變原子排列結構，從而使劍變硬變脆。另外，淬火后一般在劍身會看到部分區域變藍，這就是常說的“烤藍”現象，金屬表面氧化為氧化物，形成比較能抗銹蝕的保護層。大家可以再仔細觀察大試管的黑色固體，是否發現有藍色？

【學生】再次觀察大試管內的“烤藍”現象。

【教師】化學就是這么有趣，有時我們要避免一個反應的發生，有時希望促使一個反應發生。總而言之，要一分為二、實事求是地看待實驗過程，要通過控制條件使化學反應往有利于人類的生產和生活方向進行。今天，我們通過一把劍學習了鐵的相關性質，希望大家課后好好梳理，同時把你在初三學習過的鐵的化合物放入價類二維圖中，并思考制備氫氧化鐵和氫氧化亞鐵的最佳方案，說出判斷依據。

設計意圖：通過“鐵水定型模具干燥”和“鍛劍最后淬火步驟”的對比，滲透化學知識的兩面性，滲透具體問題具體分析的科學精神。

六、教學反思

（1）教學情境的選擇與創設是開展素養為本教學的重中之重，基于化學學科核心素養的教學在情境創設時要關注情境的“價值”。胡久華指出一個好的教學情境，應該能夠不斷地產生驅動性問題，驅動學生層層深入分析問題，解決問題，從而獲得知識與方法。［16］而本課的成功之處以“古代鍛劍”為核心情境，一氣呵成把鐵的物性、類別通性、價類二維、高爐煉鐵、鐵水反應、冷水淬火等重要內容串聯起來，連接知識與素養，幫助學生在建構知識的同時形成看待問題的化學視角（如價類二維、類比已學知識等），發展學生宏觀辨識、證據推理、科學探究、科學態度等化學學科核心素養。

（2）教學是體現教師有智慧地處理教材內容的過程。如何正確分析和解讀教材文本、有效開發文本背后的教育價值，是基于邏輯進行教學的核心。本課尊重教材欄目，重視教材編排的邏輯順序，基于舊知識的邏輯關系生成新知識，讓學生覺得一切都順理成章。用邏輯思維方式來統領元素化學的教學，非常符合啟發性的教學思想或教學理念，能無限激發學生的學習興趣和求知欲望，聚焦學生的思維活動和注意中心，培養學生的學習能力，提高教學效率。［17］

（3）作為對元素化合物教學增長點的定位，回憶鐵作為金屬的通性和學習鐵與水蒸氣反應并不是本節課的核心目標，學生要能主動從物質類別的角度有序梳理鐵的已有性質才是核心目標，學生要能在陌生情境中主動結合氧化還原的知識或者從類比的角度預測陌生反應能否發生才是核心目標，學生能主動結合氣體制備的一般裝置模型設計出鐵與水蒸氣反應的裝置才是核心目標。可喜的是，學生在本課各項活動表現出的類比思維、價類思維、實驗思維都證明前面章節教學的鋪墊行之有效。

創設情境不只是為了課堂的引入、不只是為了闡述知識，而是為了使學生知識儲備與即將學習的新知識產生關聯，使學生已掌握的化學研究方法與新學習內容所蘊涵的科學方法產生關聯。［18］雖然“鐵的單質”一課知識體系簡單，但也是很好的提升學生基于價類二維思維模型解決問題的素材，應該可以尋找到除“鍛劍”外的其他有意義的教學情境實現基于邏輯的化學課堂教學。