指向化學學科核心素養的教學設計與實踐
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作者:龔道玉 孫朋朋
摘要：以“鐵鹽和亞鐵鹽”的教學為例，從“除鐵銹”這一真實的情境出發，設計了“分析酸除鐵銹的原理、研究除銹液中發生了哪些變化、討論如何科學除鐵銹”三項研究任務。以任務為主線引導學生開展探究學習和問題解決活動，發展化學學科核心素養。
關鍵詞：學科核心素養；鐵鹽和亞鐵鹽；教學設計與實踐
文章編號：1008-0546（2023）03-0040-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.009
《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）提出要開展“素養為本”的化學教學。“鐵鹽和亞鐵鹽”這一節課已經有許多教學研究，如袁振東[1]通過趣味性實驗探究鐵鹽和亞鐵鹽的相互轉化，葉書林[2]研究補鐵劑中的“紅外套”氧化鐵、“綠身體”硫酸亞鐵，以及鐵鹽和亞鐵鹽的轉化，王建林[3]利用含鐵釘和不含鐵釘的FeCl2溶液研究Fe2+和Fe3+的轉化。但這些教學設計關注具體的知識而忽略知識的建構過程和知識所蘊含的變化守恒、宏-微結合等學科思想方法的傳授，未能充分發揮其素養功能。此外，許多習題和科普視頻中提出“酸除鐵銹的原因是鐵銹與酸反應”，但實驗表明結果并非如此。
素養為本的教學關注情境的創設，倡導開展以實驗為主的多種探究活動，促進學生學習方式的轉變。[4]因此，本節課設計“除鐵銹”這一真實情境和研究問題，延伸出三個研究任務，以任務為導向、以活動為抓手，使學生經歷猜想、設計方案、實驗驗證等環節，在解決問題中不僅搭建知識結構、形成學科觀念、發展素養能力，還可以形成對“酸除鐵銹”原理的正確判斷。此外，“除鐵銹”的情境貫穿于教學的始終，避免了選取多個情境導致的學習環節的分散和割裂，最大程度還原真實問題，利于學習遷移。
一、分析教學內容――發掘育人功能
“鐵鹽和亞鐵鹽”選自魯科版高中化學必修第一冊第三章第一節“鐵的多樣性”，包含 Fe3+和 Fe2+的檢驗、Fe3+和Fe2+的相互轉化、鐵元素不同價態物質間的轉化模型的構建等內容。在此之前，學生已經學習過“離子反應”和“氧化還原反應”。
本節內容以初中學習的“鐵單質與酸的反應”“鐵銹與酸的反應”為基礎，研究視角從宏觀的物質層面深入到微觀的離子水平，體現了學習的進階性。從氧化還原視角探究Fe3+和 Fe2+相互轉化的原理，讓學生利用變化守恒的思想、經歷分析推理的過程，設計實驗方案、開展實驗探究，發展學生的問題解決能力；探究中所涉及的物質及離子反應，如溶液中Fe3+、Fe2+的來源和數量，微粒間的相互作用及結果，[5]可以增強學生對反應實質的理解，深化從微觀視角研究水溶液中物質變化的思想，培養微粒觀和變化觀。鐵元素不同價態物質間相互轉化的模型的構建，幫助學生形成從物質類別和元素價態角度研究物質性質的思路，發展分類觀，也為后續學習“硫的轉化”“氮的循環”等元素化合物知識提供方法基礎。在解決生產生活中除鐵銹的真實問題時，感受鐵及其化合物性質的重要應用，養成從化學角度思考問題、運用化學原理解決問題的習慣。
二、制定教學目標――體現素養導向
教學目標規定著教學方向、決定著教學效果，是學科核心素養目標在課堂層面分解、落實的操作性指南。制定教學目標需要分析發掘教學內容與核心素養間的關聯、結合學生實際、合理選擇教學活動，以學生當前學情為起點、以素養目標為終點，教學目標見表1。
三、設計教學流程――外顯培養思路
“除F銹”的情境貫穿教學過程的始終，問題情境線、知識線、活動線多線并進，共同推動教學走向深入，教學流程見圖1。
四、開展教學實踐――落實素養發展
1.任務1：分析酸除鐵銹的化學原理
【學習任務】基于已有知識分析酸除鐵銹的微觀反應原理，書寫氧化鐵、鐵與酸反應的離子方程式，并通過實驗檢驗鐵元素的存在價態。
【評價任務】通過分析學生除銹原理的解讀情況，診斷學生已有知識的掌握水平（經驗水平、基于概念原理水平）。通過分析氧化鐵、鐵與酸反應離子方程式的書寫狀況，診斷并發展學生對鐵、氧化鐵和酸反應本質的認識水平（物質水平、微粒水平）。
【情境引入】鐵在日常生活和社會生產中扮演著重要的角色，但時間長了鐵制品容易生銹。每年鐵制品銹蝕都會造成巨大的經濟損失，還會對生產、生活產生嚴重影響。
【教師】鐵為什么生銹？鐵銹的主要成分是什么？結構上有什么特點？
【學生】鐵在潮濕的環境中和水、氧氣共同作用得到氧化鐵，鐵銹疏松多孔。
【教師】生活中如何除銹？
【問卷調查】課前對100位同學進行問卷調查，結果顯示40%、18%、14%、13%、10%、5%的同學分別認為白醋、蘇打粉、檸檬水、潔廁靈、可樂、番茄醬可以除。
【教師】這些物質真的能除銹嗎？觀看科普視頻，并注意解讀其中的除銹的原理，見圖2。
【學生】觀看視頻并解讀原理。白醋、可樂、番茄醬、檸檬、潔廁靈這五種物質能除銹，原因是這些除銹劑的水溶液顯酸性，酸電離出氫離子與鐵銹反應，從而除銹。
【教師】酸能除鐵銹嗎？
【演示實驗】取一根生銹的鐵釘置于燒杯中，加入稀硫酸模擬酸性環境。
【教師】從物質分類的角度思考氧化鐵為什么可以和酸反應？書寫該反應的離子方程式。
【學生】（1）氧化鐵是堿性氧化物，可以和酸反應生成鹽和水；書寫氧化鐵和酸反應的離子方程式。
【教師】如何進行驗證？
【演示實驗】取酸與銹釘的反應液于試管，滴加1～2滴KSCN溶液后變紅，說明溶液中有Fe3+，見圖3（a）。
【教師】溶液中還有什么現象？原因是什么？寫出相應的離子方程式。
【學生】（1）鐵釘表面出現大量的氣泡，鐵釘內部的鐵單質與酸發生了反應，產生Fe2+和氫氣寫出鐵單；質和酸反應的離子方程式。
【教師】如何驗證有Fe2+？
【演示實驗】取適量反應液于試管，加入鐵氰化鉀溶液，出現藍色沉淀，說明溶液中有 Fe2+。見圖3（b）。綜上所述，反應液中Fe2+和Fe3+同時存在。
【歸納總結】Fe2+和Fe3+的檢驗方法。
【教師】引導學生再次觀察鐵釘的變化、描述現象并分析原因。
【學生】鐵釘表面的鐵銹減少，變得更加光亮；鐵釘表面有大量氣泡產生，反應劇烈。在試管底部沉積了大量鐵銹，說明鐵銹并未完全與酸反應，鐵單質和酸反應的速度更快。
【教師】“酸除鐵銹”的原理是什么？
【師生討論】酸能與鐵銹反應生成 Fe3+，由于鐵銹是疏松多孔的結構，因此酸會透過小孔與內部的鐵單質反應，生成Fe2+和氫氣。鐵單質和酸反應的速度較快，反應產生大量的氣體，進一步加速了鐵銹的剝落、提高除銹效率。
2.任務2：研究除銹液中發生了哪些變化
【學習任務】依據氧化還原反應規律預測、設計方案，實驗探究Fe2+和Fe3+相互轉化的原理，構建轉化模型。根據鐵、氧化鐵、鐵鹽、亞鐵鹽在一定條件下的轉化關系，構建鐵及其化合物的價類二維圖。
【評價任務】通過對實驗方案的點評與論，診斷學生方案設計和實驗探究的水平（孤立水平、系統水平）。通過評價鐵及其化合物的“價類”二維圖的構建情況，診斷并發展學生認識思路的結構化水平（孤立水平、系統水平）、研究物質性質的視角（類別、價態單一視角，類別和價態雙視角）。
?。?）子任務1：探究除銹液中Fe3+的“消失”
【教師】隨著除銹的進行，反應液中會發生哪些變化？除銹液中Fe3+的濃度將如何變化？如何驗證？
【學生】隨著酸和鐵銹的反應，Fe3+的濃度將逐漸增大；驗證：用 KSCN溶液，根據溶液的顏色深淺判斷 Fe3+的濃度，紅色越深、Fe3+濃度越大，紅色越淺、Fe3+濃度越小。
【教師】為了更準確地比較溶液中 Fe3+的濃度，需要注意什么？
【學生】控制取樣量和加入的KSCN溶液的量相同。
【教師】每隔兩小時從除銹液中取出等量的溶液（共5組），并新加等量的 KSCN，見圖4（a）～（e），觀察溶液的顏色變化并描述現象。
【學生】溶液變紅，且紅色先加深、后變淺，說明 Fe3+的濃度先增大、后減小。
【教師】（1）提出研究問題：溶液中Fe3+的濃度為什么會降低？如何驗證？（2）引導學生回顧元素化合價與物質性質之間的關系，并從化合價的角度進行預測。
【學生】+3價為鐵元素的最高價，Fe3+具有氧化性，鐵釘中有鐵單質，可能是Fe3+與Fe反應生成Fe2+。
【教師】鐵起什么作用？
【學生】做還原劑。
【教師】（1）實驗內容：探究還原劑能否將Fe3+轉化為 Fe2+；（2）試劑：FeCl3溶液、KSCN溶液、鐵粉、銅粉、淀粉KI溶液。
【學生】選擇試劑、設計并記錄方案。
【教師】論證實驗方案，組織學生開展小組實驗。
【學生】分組實驗，得出結論：Fe3+具有氧化性，能在鐵粉、銅粉、KI等還原劑的作用下轉變為Fe2+。
（2）子任務2：揭秘久置的除銹液中Fe3+的“重現”
【課前準備】將上述5組溶液靜置一段時間后觀察其前后變化，見圖5（a）～（e）。引導學生觀察并描述現象，從化合價角度分析原因。
【學生】一段時間以后溶液變得更“紅”了，說明溶液中 Fe3+的濃度增大，在氧氣的作用下 Fe2+轉化為 Fe3+。
【教師】追問：氧氣起什么作用？
【學生】做氧化劑。
【教師】組織學生設計方案。（1）實驗內容：探究氧化劑能否使 Fe2+轉化為 Fe3+；（2）試劑：FeSO4溶液、 KSCN溶液、氯水、酸性KMnO4溶液、H2O2溶液；
【學生】
實驗方案1取適量 FeSO4溶液于試管，先加入氧化劑，再滴加KSCN溶液。若溶液變紅，說明氧化劑能將Fe2+轉化為Fe3+。
實驗方案2取適量FeSO4溶液于試管，滴加KSCN 溶液，無明顯現象后再加入氧化劑。若溶液變紅，說明氧化劑能將Fe2+轉化為Fe3+。
【教師】選擇哪一種方案更好，為什么？
【學生】方案2。實驗目的是探究氧化劑能否將 Fe2+轉化為Fe3+，因此要先排除Fe3+對實驗的干擾。
【教師】組織學生開展小組實驗。
【學生】分組實驗，得出結論：Fe2+具有還原性，能在氯水、酸性 KMnO4溶液、H2O2溶液等氧化劑的作用下轉變為Fe3+。
【教師】小結：鐵單質與氧氣、水共同作用會生成鐵銹（主要成分 Fe2O3）；鐵銹會與酸反應生成 Fe3+、鐵單質會與酸反應生成Fe2+；Fe2+在氧化劑的作用下轉變為Fe3+、Fe3+在還原劑的作用下轉變為Fe2+。
【教師】布置任務：從物質類別和元素價態兩個視角構建鐵及其化合物的轉化關系圖。見圖6。
3.任務3：討論在生產生活中如何科學除鐵銹
【評價目標】應用所學的除鐵銹原理解決實際問題，設計生產、生活中除鐵銹的方案時能考慮到多種因素。
【評價任務】通過評價學生制定的除銹方案，診斷學生的問題解決能力（孤立水平、系統水平）和學科價值認識水平（學科、社會單一視角，社會和學科雙視角）。
【教師】生產生活中如何科學除銹？
【查詢資料】（1）除銹方法分為機械法和化學法兩大類，除銹液中的緩蝕劑既不影響制件表面氧化物的清除以保證除銹效率，又能有效地保護制件基體少被腐蝕。[6]（2）用鹽酸除鐵銹的效果比同濃度硫酸的效果更好，原因是氯離子具有較強的穿透金屬表層或裂縫的能力。[7]（3）升高溫度、反應速率加快。
【學生】小組討論后得出結論：
?。?）在生活中，給家中的鐵制廚具除銹可以使用白醋、可樂、番茄醬、檸檬等家庭食用酸性除銹液，還能通過加熱、加入適量的食鹽提供 Cl-的方法提高除銹效率。同時綜合使用機械法除銹，比如先用砂紙打磨進行人工除銹、再使用酸液浸泡。
?。?）在工業生產中，由于工程量較大，使用機械法效率低且勞動強度大，因此首選化學法除銹。由于酸會和鐵單質反應，對基建造成腐蝕而產生不必要的浪費，因此在除銹時加入緩蝕劑保護內部的金屬。
五、教學反思
在教學中落實學生學科核心素養的培養，需要關注知識、情境、活動、實驗等要素。本節教學關注知識的系統化、教學情境的生活化和完整化、活動探究的系列化、教學評的一體化設計。
1.知識的系統化設計
以鐵離子和亞鐵離子的檢驗，鐵、氧化鐵、鐵鹽和亞鐵鹽的相互轉化為知識主體，開展一系列的實驗教學，采用了主題式、任務式、目標式的設計過程，驅動學生用化學知識探討生活問題，在完成三個研究任務的過程中獲取鐵、氧化鐵、鐵鹽和亞鐵鹽的相關知識并進行構建，形成結構化、系統化、網絡化的知識體系，這是學科核心觀念和學科方法形成的前提。
2.情境的完整性設計
以鐵及其化合物的性質為知識載體，挖掘生活中的真實情境，充分發揮情境的教育和遷移價值。從網絡上流傳的“實測除鐵銹最佳利器”科普小短片出發，帶領學生通過實驗解讀酸除F銹的原理，激發學生的興趣，設計了“分析酸除鐵銹的化學原理、研究除銹液中發生了哪些變化、討論在生產生活中如何科學除鐵銹”三項任務。情境貫穿于教學的始終，不斷地產生驅動性任務引導學生深入研究，以獲得知識和發展能力。
3.活動的系列化設計
以發展學生探究能力為目標、以活動為導向，通過任務和活動搭建了知識與素養間的橋梁，使學生經歷真實的探索和問題解決過程。在實驗探究中經歷預測、設計方案、驗證的步驟，發展推理等高階思維能力。在活動中整合學科知識構建網絡，形成學習元素化合物知識的思路和方法，發展氧化還原、物質分類的研究視角，利于變化觀、守恒觀、分類觀、微粒觀、元素觀等化學核心觀念的構建，為核心素養的發展奠定基礎。
4.教學評的一體化設計
《課程標準》指出，應當樹立“素養為本”的化學學習評價觀。“教學評”一體化即教學目標、學習任務、評價任務的整體性、一致性設計，可以保證所教即所學、所教即所評，所學即所評，實現核心素養可教、可學、可評價。[4，8]本節課將一個完整的教學主題規劃為3個不同的階段，在每個階段設計了探究任務、學生學習任務和活動、評價任務，對活動過程中學生所體現的知識掌握和運用的狀況、能力發展狀況進行診斷，開展及時性、持續性的教學評價以促進教學目標的達成。
參考文獻
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