“從暖寶寶廢渣中提取赭紅”的跨學科項目化教學實踐

楊硯寧 成斌斌

摘要：由參觀敦煌藝術展時發現的實際問題引發，設計以“從暖寶寶廢渣中提取赭紅”為主題的跨學科實踐活動。以實驗室提取氧化鐵過程中的相關問題為主線，通過實驗探究，解決顏料制備流程中的試劑選擇、條件控制、原理分析、產品比較、繪畫創作等活動中的問題，了解含鐵物質的轉化在生活、生產中的應用，促進形成多學科融合解決實際問題的系統思維。

關鍵詞：項目教學；跨學科實踐；實驗研究；含鐵物質的轉化

文章編號：10056629（2023）12005507

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 項目背景

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出化學課程對于科學文化的傳承和高素質人才的培養具有不可替代的作用。教學中，應重視跨學科內容主題的選擇和組織，引導學生在更寬廣的背景下認識物質及其變化的規律^［1］。因此，教師要關注學生個性化、多樣化的學習和發展需求，引導學生發現和提出有探究價值的問題，運用化學實驗、調查研究等方法開展深度學習，促進每個學生均能主動地、生動活潑地發展，形成勤于實踐、善于合作、敢于質疑、勇于創新的核心素養。

本項目由組織學生參觀敦煌藝術展時發現的實際問題引發，設計以“從暖寶寶廢渣中提取赭紅”為主題的跨學科實踐活動。以高中化學必修教材“含鐵物質的轉化”為載體，設置“原料成分分析”“實驗室提取氧化鐵”和“自制顏料進行藝術創作”三個驅動性任務，融合化學與藝術、材料、環境等領域知識解決簡單的實際問題，用分離提純得到的赭紅進行繪畫創作，并通過紙筆測驗，對同等水平的傳統班、項目班在進行不同方式學習后的知識、能力水平進行測試和比較，探索跨學科項目化學習在化學教學中的意義和價值。

2 項目任務、活動及目標分析

本項目是基于“鐵及其化合物”知識的復習課。項目開始前，學生已經學習過“鐵及其化合物的性質”“利用化學沉淀法去除雜質離子”以及“化學反應速率的影響因素”等知識。因此本項目設計時，將上述內容融入其中，共設計了6課時的教學計劃。具體項目任務、活動和目標見表1。

3 項目學習的實施過程及成果展示

3.1 項目引發和任務拆解

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

［提出問題］敦煌壁畫中大量使用了紅、綠、藍色顏料，這些顏色為何歷經千年仍明艷如新？

［學生活動］（1）調查敦煌壁畫所用紅、綠、藍色顏料（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點。

［提出問題］含鐵物質發生化學反應時也伴隨有紅、綠、藍等多種顏色變化，能不能替代上述礦物顏料？

［濾紙實驗］在濾紙上運用含鐵物質的轉化中顏色的變化，繪制“綠水青山紅日圖”，具體步驟見表3。

［小結］含鐵物質轉化中的顏色易發生變化，赭紅、石青、石綠等礦物顏料保證了畫作色彩的穩定性。

［問題聚焦］我們如何尋找身邊的物質制成赭紅顏料？

設計意圖：通過社會實踐活動和實驗探究，對藝術作品中顏料的穩定性問題進行研究，激發學生對“藝術中的化學顏料”的好奇心。改試管實驗為濾紙實驗，藥品用量少、操作簡便、現象明顯。同時，以畫比畫對顏料的穩定性進行分析，將藝術審美融入學科學習，讓學生體會實驗創新的意義。

［項目的確立和拆解］從鋼鐵制品造成的環境污染和資源浪費角度出發，依據項目目標進行規劃，將項目拆解為“分析原料成分”、“實驗室提取氧化鐵”、“自制顏料進行藝術創作”三個任務。

3.2 項目實施過程

以下活動記錄了學生根據含鐵物質的轉化關系，在設計出實驗室由暖寶寶廢渣提取氧化鐵的流程方案的基礎上進行的實驗探究。已取得成果見表4。

3.2.1 活動一：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］閱讀文獻資料，結合學生已有知識基礎及試劑用量，小組討論，得出結果：硫酸浸出液中陽離子主要有Fe²⁺、Fe³⁺、Na⁺、H⁺、Mg²⁺、Al³⁺等^［3］。

設計意圖：通過成分分析鞏固鐵及其化合物與酸反應原理，了解蛭石與酸反應中鎂、鋁離子的浸出對浸出液成分的影響，為后續實驗探究指明方向。

3.2.2 活動二：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］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原理是什么？反應過程中為何有時會觀察到氣泡現象？

［實驗探究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，監測溶液pH，所繪制的pH曲線如圖1所示。

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

［實驗探究2］向等量組成不同的樣液中加入等量等濃度的雙氧水，觀察現象，分析氧化過程中可能產生氣泡的原因。具體實驗見表5。

［原理分析］查閱資料：Fe³⁺溶液催化H₂O₂溶液分解的反應機理（簡化）^［4］及pH對雙氧水分解速率的影響（見圖2）：

［實驗結論］溶液中Fe³⁺、Fe²⁺的相互轉化能催化雙氧水分解產生氧氣，實驗1、3中均產生大量氣泡；隨著pH的減小，雙氧水分解速率降低，當pH=3.61時雙氧水分解速率已接近零；實驗2中只表現出溶液顏色變化，并無氣泡產生。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。

設計意圖：激發學生對化學實驗探究的興趣，增強其合作探究意識，養成注重實證、嚴謹求實的科學態度和獨立思考、敢于質疑、勇于創新的精神。

3.2.3 活動三：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］（1）常用沉鐵劑有氫氧化鈉溶液、石灰乳、氨水；（2）沉鐵時需注意控制pH，確保Fe³⁺完全沉淀而Mg²⁺、Al³⁺不沉淀。

［演示實驗］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傳感器測定滴定過程中溶液pH變化。結果如圖3所示。

［實驗結論］沉鐵時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？

［進行實驗］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pH為3.5。反應完全后過濾，比較濾渣的顏色、形狀、質量。結果如表6。

［提出問題］FeCl₃與NaOH反應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反應后的混合物（見圖5），FeCl₃與NaOH反應后形成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反應的沉鐵產量為何遠超其他實驗？

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

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

設計意圖：融合物理、生物、化學等方法解決膠體無法或難以用濾紙過濾的問題；通過數字化實驗探究控制pH對沉鐵的影響，加深學生理解化學反應的調控在科學研究中的重要作用。

3.2.4 活動四：實驗比較產品的品相與產率

［學生活動］根據預設方案動手實驗，從暖寶寶廢渣中提取出氧化鐵，并比較產品品相、計算產率（見表7）。

［提出問題］各小組產品品相、產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，導致產品品相不佳；

（2）濾渣洗滌不干凈導致產率偏高；酸浸時間過短導致產率偏低。

設計意圖：通過實驗對比產品的品相與產率，反思誤差的原因，初步形成定量研究的意識，發展學生運用化學知識和實驗方法開展綜合項目研究的能力。

3.2.5 活動五：實驗探索顏料制作方法

［提出問題］赭紅顏料制作時常用油為溶劑將氧化鐵進行分散，且藝術創作時對畫布材質亦有要求。溶劑種類、畫布材質對顏料有哪些影響？

［實驗探究］探究顏料制作中的影響因素，并制作赭紅顏料（見表8）。

設計意圖：運用化學實驗對真實問題進行科學探究，理解科學、社會、環境、藝術之間的相互關系，深刻認識化學對創造美好生活的重大貢獻。

在項目的后續學習過程中，學生在美術教師的指導下，用自制的赭紅顏料創作出自己的藝術作品（見圖6），并和教師一起集體創作出“紅梅圖”，作為項目成果進行展示（見圖7）。

3.3 項目化學習效果測試

本項目化學習完成后，讓水平相近的項目班（45人）與傳統班（46人）同時完成紙筆測試，得分情況見圖8。

化學學業水平考試要求學生在情境中獲取和加工信息，遷移應用學科必備知識、用化學學科思維方式來分析和解決問題^［6］。本次測驗數據表明，不同學習方式下，學生對識記性知識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、反應速率的影響因素分析方面的得分情況相差較大，項目班明顯優于傳統班。此外，信息提取能力也有明顯差別，項目班的學生對信息的閱讀、提取、加工能力更強。這些數據的比較說明項目化學習對學生的學科能力提升幫助較大，這樣的教學形式更有利于學生學科核心素養的發展^［7］。

4 項目教學反思

以項目學習的形式開展融合化學、藝術、材料的跨學科實踐活動，對“含鐵物質的轉化”這一重點知識在實際問題解決中進行深度探究，促進學生形成多學科融合解決問題的系統思維。其主要優勢體現在：

4.1 多維活動，促進智育、美育、德育并行育人

項目實施設計的學生活動具有多樣性。本項目設置了社會實踐、科學探究、流程設計、方案評價、產品制作、藝術創作等多項活動：在社會實踐中感受中華文化的藝術神韻；在科學探究、流程設計中涵育化學學科素養；在方案評價中學會團結互助、交流合作；在產品制作中形成嚴謹求實的科學態度；在繪畫創作中體會創新價值、提升藝術修養。多維活動促進了智育、美育和德育并行育人。

4.2 跟蹤評價，發揮激勵、反饋、診斷作用

在項目教學過程中，教師即時觀察學生的行為表現，依據評價量規給予公正的評價，既能幫助學生明確自身不足及進步方向，又能給予教師教學啟示和評價建議。以任務2中的“工藝流程設計”環節為例，任務開始前，教師結合項目前期學生合作意愿弱、交流討論不充分、方案評價不全面等表現，將任務目標具體化，把理論性問題落實在學生可觀察、可實驗、可討論的層層遞進的問題線索上，教師的評價也更有抓手。同時，項目的合作學習模式讓某些特定（如有學習障礙）的學生在團隊的幫助下也能激發學習興趣，達到合理的表現要求。

4.3 深度協同，組建跨學段、跨學科教研共同體

真實問題的解決往往需要多學科知識共同協作。以“顏料制作”為例，色牢度、穩定性、暈染面積、風干快慢是檢驗顏料質量的重要因素，而油的種類、畫布的材質則會影響作品效果。關于“顏料制作”的跨學科探究活動方案需要美術與化學教師集體研討后確定。因此，面對新課程新難題，需要教師深度協同、集體研討，組建跨學段、跨學科教研共同體，共筑育人合力。各學科教師需打破“豎井式”分科的邊界，依據學生在認知、情感、社會性發展等方面的變化，以及學科邏輯和思維進階，協同設計學習目標，改進課程內容組織與呈現形式，整合課程資源，開展跨學科的聯合教研，推動跨學科的協同育人。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）［S］. 北京：人民教育出版社，2018：71.

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