王曼兒 陳菲菲 郭大俊

摘要：本節(jié)實(shí)驗(yàn)活動課，以“模擬工業(yè)流程題中除鐵的過程”為教學(xué)主題情景，依托數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，利用問題導(dǎo)學(xué)，啟發(fā)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究，解決高中化學(xué)測定鐵離子、亞鐵離子的沉淀范圍的教學(xué)難點(diǎn)，將工業(yè)流程題中除鐵的過程可視化，落實(shí)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：主題式教學(xué)；自主實(shí)驗(yàn)探究；問題導(dǎo)學(xué)；化學(xué)核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0017-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.004

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）明確提出，必修課程內(nèi)容依據(jù)主題組織，提高課程實(shí)施的整體性，倡導(dǎo)基于學(xué)科核心素養(yǎng)實(shí)施主題式教學(xué)。[1]主題式教學(xué)是圍繞某主題，讓學(xué)生借助各種探究活動以及與主題相關(guān)的各種資源，使學(xué)生的認(rèn)知發(fā)生遷移，提高學(xué)生解決問題的能力以及科學(xué)探究精神的有效教學(xué)方式。[2]主題式教學(xué)的實(shí)施，是落實(shí)發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)的必要途徑，有利培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和終身學(xué)習(xí)習(xí)慣，有利改進(jìn)教師的教學(xué)行為，促進(jìn)教師的專業(yè)化發(fā)展。

通過調(diào)節(jié)pH進(jìn)行工業(yè)廢水中除鐵元素的考察是高考熱點(diǎn)之一。對于Fe2+、Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍的判定，教材中利用Kp進(jìn)行理論計(jì)算可得，該知識點(diǎn)本身不難，但大部分學(xué)生仍難以接受三價(jià)鐵元素在溶液酸性仍為較強(qiáng)的條件下即與氫氧根結(jié)合沉淀完全的計(jì)算結(jié)果，對于工業(yè)廢水中除鐵的相關(guān)問題更僅限于紙上談兵，缺乏客觀實(shí)驗(yàn)事實(shí)依據(jù)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有著微型、便捷、綠色、直觀等優(yōu)勢，廣受中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究者的青睞，特別在2011年各地高考出現(xiàn)相關(guān)命題后，已成為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂的研究熱點(diǎn)之一。

四重表征法是宏觀一微觀一符號一曲線四種維度的表征方式，能夠給學(xué)生提供對化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析的有序指引，促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)多層次、多維度的表征能力的發(fā)展。[3]

本節(jié)實(shí)驗(yàn)活動課是基于人民教育出版社（2017版）高中化學(xué)選擇性必修1第三單元第四節(jié)“沉淀溶解平衡”一課中關(guān)于“沉淀溶解平衡的應(yīng)用”的深度延伸，以“模擬工業(yè)流程題中除鐵元素的過程”為教學(xué)主題情景，依托數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，通過V（NaOH溶液）-pH滴定曲線可視化呈現(xiàn)，應(yīng)用四重表征分析，利用問題情景導(dǎo)學(xué)，啟發(fā)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究，解決高中化學(xué)測定鐵離子、亞鐵離子沉淀范圍的教學(xué)難點(diǎn)，模擬工業(yè)流程除鐵元素的生產(chǎn)實(shí)際，落實(shí)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、教學(xué)流程整體設(shè)計(jì)展示

本課主要教學(xué)流程如表1所示。

教學(xué)重點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)法測定Fe2+、Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍

（“V（NaOH溶液）-pH曲線”與沉淀關(guān)系的模型建立與應(yīng)用）

教學(xué)難點(diǎn)：模擬工業(yè)流程除鐵元素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

二、教學(xué)片段展示與分析

1．實(shí)驗(yàn)法初探Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍

[學(xué)生活動]課前閱讀資料1，思考以下問題：

材料1：小王在做工業(yè)流程題時(shí)，在信息表格里看到Fe3+理論沉淀范圍pH為2.2-3.2，他很是疑惑：在酸性比較強(qiáng)的環(huán)境下，F(xiàn)e3+如何沉淀完全？他經(jīng)過Ksp理論計(jì)算，確實(shí)可得該理論數(shù)據(jù)，但是沒有客觀事實(shí)依據(jù)，他總是不斷質(zhì)疑。于是，他的老師做了以下實(shí)驗(yàn)：測定Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

向50 mL 0.02 mol/L FeCl，溶液（用鹽酸調(diào)節(jié)pH為1.5- 1.7）逐滴加入0.1 mol/L NaOH溶液。具體操作為：取用0.1 mol/L NaOH溶液潤洗50.00 mL滴定管，往滴定管中加入0.1 mol/L NaOH溶液。量取50.00 mLFeCl3溶液于250 mL燒杯中備用。調(diào)試傳感器，設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率為ls/次。如圖1所示連接實(shí)驗(yàn)裝置，開啟磁力攪拌器，點(diǎn)擊采集數(shù)據(jù)按鈕，觀察記錄燒杯中溶液和沉淀的顏色變化。當(dāng)體系pH穩(wěn)定之后，開始滴加NaOH溶液。實(shí)驗(yàn)完成，得到如圖2所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

問題1：通讀材料，聯(lián)系圖2曲線與表2中信息，完成表2中（1）、（2）、（3）空白處。

問題2：實(shí)驗(yàn)1測定的Fe3+沉淀范圍是

。對比理論計(jì)算該實(shí)驗(yàn)Fe3+理論沉淀范圍pH為2.2～3.2，[4]可證明該實(shí)驗(yàn)方法可用于判定Fe3+沉淀范圍。

問題3：思考pH-V（NaOH）曲線中，拐點(diǎn)與平臺的意義，建立從曲線獲取沉淀范圍的模型？

設(shè)計(jì)意圖：通過問題1和問題2引導(dǎo)學(xué)生自主閱讀文獻(xiàn)材料和圖表分析，pH為2.20-3.03時(shí)，宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)沉淀、pH變化趨于平緩、微觀粒子在3.03之后不再有Fe3+，可得所發(fā)生的主要反應(yīng)為（1）HCl+NaOH=NaCl+H2O、（2） FeCl3+3NaOH=Fe（ OH）3↓+3NaCl、（3） HCl+NaOH=NaCl+H20；可得Fe3+沉淀范圍是2.20-3.03，符合理論值，驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)方法的科學(xué)性。通過問題3引導(dǎo)學(xué)生觀察曲線拐點(diǎn)和平臺，分析可得溶液中與NaOH反應(yīng)的離子有H+、Fe3+：在曲線上升期時(shí)，為酸堿中和階段；在曲線為平緩段時(shí)，為Fe3+沉淀階段。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生自主小結(jié)建立通過pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型：平臺兩端拐點(diǎn)，即為Fe3+開始沉淀和沉淀完全的標(biāo)志，平緩段即沉淀范圍。

本教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)于課前進(jìn)行，讓學(xué)生有充足的時(shí)間進(jìn)行通讀陌生材料，處理陌生圖表信息。該信息材料有著“人口難，出口易”的特點(diǎn)，表面上看文獻(xiàn)資料深奧難懂，進(jìn)而在層層遞進(jìn)的簡單問題串推動下，逐一攻破，逐步形成新知模型。該設(shè)計(jì)著眼于克服學(xué)生遇到新材料新信息的排斥心理，培養(yǎng)學(xué)生信息獲取能力，通過四重表征學(xué)習(xí)法提升學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)1通過“宏觀一微觀一符號一曲線”四重表征的形式，直觀呈現(xiàn)Fe3+與NaOH反應(yīng)歷程，將“沉淀范圍”這一理論知識進(jìn)行可視化處理，用客觀實(shí)驗(yàn)事實(shí)為學(xué)生釋疑。

2．實(shí)驗(yàn)法二探Fe“與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍

問題4：參考材料1的實(shí)驗(yàn)方案，小組討論設(shè)計(jì)課堂實(shí)驗(yàn)，測定Fe2+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍，并猜想預(yù)測pH-V（NaOH）實(shí)驗(yàn)曲線特征。

學(xué)生1：僅更換0.02 mol/L FeCl3溶液（用鹽酸調(diào)節(jié)pH為1.5-1.7）為0.02 mol/L FeSO4溶液（用硫酸調(diào)節(jié)pH約為2.4），其他操作保持不變。

學(xué)生2：預(yù)測pH-V（NaOH）實(shí)驗(yàn)曲線將僅出現(xiàn)一個(gè)pH數(shù)值在7.4-8.3（理論值）的平臺，即為Fe2+與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍。

學(xué)生3：預(yù)測可能會有2個(gè)平臺出現(xiàn)，分別是Fe2+、Fe“與NaOH溶液反應(yīng)的沉淀pH范圍。

學(xué)生4：哦，那是因?yàn)镕e2+容易被氧化為Fe3+。

學(xué)生5：那我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，開展兩組實(shí)驗(yàn)對比，另一組添加維生素C防止Fe2+發(fā)生氧化反應(yīng)。

選派一個(gè)四人小組按實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)展示，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與曲線表征在電教屏幕上進(jìn)行全班直播。

問題5：請仔細(xì)觀察、對比實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和曲線特征，小組討論，完成表4、表5四重表征。

問題6：觀察圖3所示實(shí)驗(yàn)2的曲線，學(xué)生2和學(xué)生3哪個(gè)推測正確？對比實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3的四重表征，可得測得Fe2+的沉淀范圍為____。

問題7：對于實(shí)驗(yàn)法測定Fe2+的沉淀范圍的操作，有何注意事項(xiàng)？

設(shè)計(jì)意圖：通過問題導(dǎo)學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一猜想實(shí)驗(yàn)一推測實(shí)驗(yàn)一優(yōu)化實(shí)驗(yàn)一驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的自主實(shí)驗(yàn)探究歷程，本實(shí)驗(yàn)利用pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型，可得實(shí)驗(yàn)2曲線出現(xiàn)兩個(gè)沉淀平臺，分別為pH為7.73-8.49、2.00-2.71的平臺，對比理論值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可知分別是實(shí)驗(yàn)測得的Fe2+、Fe2+的沉淀范圍；圖4所示實(shí)驗(yàn)3加入維生素C僅出現(xiàn)一個(gè)pH為7.36-8.08的平臺，對比Fe2+的沉淀理論值pH為7.4-8.3．[5]結(jié)合現(xiàn)象出現(xiàn)灰綠色沉淀，可知該平臺為Fe2+的沉淀平臺；對比實(shí)驗(yàn)2，加入維生素C后Fe3+沉淀平臺幾乎消失，說明維生素C有效防止Fe2+被氧化，因此測定Fe“的沉淀pH范圍，需要添加還原劑進(jìn)行防氧化。

通過小組討論完成四重表征，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的素養(yǎng)；本實(shí)驗(yàn)利用pH-V（NaOH）曲線獲取Fe2+的沉淀范圍，鞏固新知模型的認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)；在學(xué)生自主討論、自主設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)法的實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

3．實(shí)驗(yàn)?zāi)M工業(yè)流程除鐵元素

問題8：以4人小組為單位，以材料1的實(shí)驗(yàn)試劑，完成工業(yè)廢水中除鐵元素的實(shí)驗(yàn)?zāi)M并驗(yàn)證其有效性。（ 25.00 mL 0.02 mol/L FeS04和25.00 mL 0.02 mol/LFeCl，的混合溶液模擬為工業(yè)廢水）

學(xué)生：開展實(shí)驗(yàn)4模擬工業(yè)廢水除鐵，應(yīng)選擇試劑：模擬工業(yè)廢水溶液，添加10滴100-/0 H202溶液進(jìn)行氧化，再逐滴加入0.1 mol/L NaOH溶液，得到的pH-V（NaOH溶液）曲線4。

為了實(shí)驗(yàn)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，再開展實(shí)驗(yàn)5作為空白參照組，不加10滴10% H202溶液。此時(shí)需要控制變量，實(shí)驗(yàn)5需要增加10滴去離子水，保持實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5的鐵元素濃度一致。

學(xué)生按表6實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象和曲線展示在電教屏幕上。實(shí)驗(yàn)結(jié)束思考問題9和問題10。

問題9：已知棕黑色沉淀為Fe（ OH）3沉淀和Fe （OH）2沉淀混合的顏色。實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5的曲線分別得到哪些平臺？

問題10：對比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)4，對比實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5，分別可獲取什么結(jié)論？

設(shè)計(jì)意圖：通過問題引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)5出現(xiàn)兩個(gè)pH平臺，實(shí)驗(yàn)測得Fe3+的沉淀范圍是pH為2.35-2.87，基本符合理論值；Fe2+的沉淀范圍是pH為6.14-7.49，與理論值（7.4-8.3）較為符合。經(jīng)添加H202處理后的實(shí)驗(yàn)4曲線，僅出現(xiàn)一個(gè)pH為2.26-3.39的沉淀平臺，結(jié)合現(xiàn)象為紅褐色沉淀，可得該平臺為Fe3+的沉淀范圍。

問題引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生對比實(shí)驗(yàn)4、5，發(fā)現(xiàn)加入H2O2溶液Fe3+沉淀平臺變長，F(xiàn)e2+沉淀平臺幾乎消失，鐵元素在實(shí)驗(yàn)5需pH達(dá)7.49才完全除去，在實(shí)驗(yàn)4 pH僅達(dá)3.39即可，說明添加H2O2處理后，鐵元素在pH較低處可被完全除去，符合工業(yè)流程中的需求，幫助學(xué)生理解工業(yè)流程題中鐵元素除雜過程。

問題引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生對比實(shí)驗(yàn)1、4，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)4曲線與實(shí)驗(yàn)1曲線基本一致，說明實(shí)驗(yàn)4模擬工業(yè)流程除鐵元素過程的實(shí)驗(yàn)比較成功，進(jìn)一步加深理解除鐵過程：混合溶液中Fe2+先被H2O2轉(zhuǎn)化為Fe3+，再進(jìn)行的Fe3+沉淀反應(yīng)。

本實(shí)驗(yàn)再次利用四重表征，強(qiáng)化宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)；啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型，幫助分析實(shí)驗(yàn)歷程，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)；利用對比法、控制變量法等實(shí)驗(yàn)方法，提升學(xué)生探究與創(chuàng)新意識；實(shí)驗(yàn)?zāi)M聯(lián)系生活生產(chǎn)，體會微型數(shù)字化技術(shù)的綠色觀，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感。

三、教學(xué)反思與啟示

反應(yīng)歷程可視化。本實(shí)驗(yàn)借助數(shù)字化技術(shù)，通過圖表和數(shù)據(jù)直觀、定量地呈現(xiàn)Fe2+、Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)時(shí)溶液pH的變化情況，將反應(yīng)過程可視化，解決課本中理論計(jì)算沉淀范圍，缺乏客觀事實(shí)直觀體驗(yàn)的教學(xué)難點(diǎn)。

探究實(shí)驗(yàn)新優(yōu)化。本節(jié)課中三個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)深度與自主探究程度具有遞進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)1為完整實(shí)驗(yàn)方案的文字材料呈現(xiàn)，著力培養(yǎng)學(xué)生獲取新信息和自主建立新知模型的能力；實(shí)驗(yàn)2以小組實(shí)驗(yàn)探究呈現(xiàn)，完整貫穿“實(shí)驗(yàn)猜想一實(shí)驗(yàn)預(yù)測一討論一實(shí)驗(yàn)優(yōu)化一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”五個(gè)實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，著力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力；實(shí)驗(yàn)3以小組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)，通過對比法、控制變量法等常見的實(shí)驗(yàn)手段，模擬工業(yè)流程除鐵元素并驗(yàn)證其有效性。

主題內(nèi)容問題化。本節(jié)課緊緊圍繞“模擬工業(yè)流程除鐵元素”為情景，分為三個(gè)子主題進(jìn)行探索：測定Fe3+與NaOH溶液反應(yīng)的pH沉淀范圍；測定Fe2+與NaOH溶液反應(yīng)的pH沉淀范圍；模擬工業(yè)流程除鐵元素（即測定Fe2+、Fe3+混合溶液與NaOH溶液反應(yīng)的pH沉淀范圍）。三個(gè)子主題的學(xué)習(xí)過程，均用環(huán)環(huán)相扣的問題串引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)，逐步深化。

陌生信息方法化。在pH-V（NaOH）曲線獲取沉淀范圍的新知模型學(xué)習(xí)上，先通過實(shí)驗(yàn)1進(jìn)行信息獲取新知的方式，總結(jié)拐點(diǎn)、平臺的規(guī)律，建立模型；再通過實(shí)驗(yàn)2加深認(rèn)知模型；最后通過實(shí)驗(yàn)3應(yīng)用模型，驗(yàn)證生產(chǎn)中實(shí)際的問題——用H2O2溶液進(jìn)行工業(yè)除鐵的有效性。整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)通過層層遞進(jìn)的問題串，幫助學(xué)生完整經(jīng)歷建立模型—認(rèn)知模型一應(yīng)用模型的知識構(gòu)建過程，培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的能力，真正做到授之以魚，不如授之以漁。pH-V（NaOH）曲線本身非高中階段必學(xué)圖表，相對于知識點(diǎn)本身而言，本節(jié)課更側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對于陌生信息、陌生圖表的信息獲取，幫助學(xué)生在考試中遇到陌生圖表的分析問題能力的提升。

知識運(yùn)演結(jié)構(gòu)化。本節(jié)課選用四重表征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，利用四重表征的有序思維和內(nèi)在關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)宏觀現(xiàn)象、微觀粒子與反應(yīng)、圖像表征等多角度的信息進(jìn)行有序思考與內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系的梳理，進(jìn)而推進(jìn)知識運(yùn)演結(jié)構(gòu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳凱，陳悅．《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的文本挖掘[J]．化學(xué)教學(xué)，2019（4）：7-12.

[2] 肖平．基于主題教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2006．

[3]吳榮華，孫彥雁，李京津，等．基于手持技術(shù)及虛擬實(shí)驗(yàn)的四重表征模式構(gòu)建及評估[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2021（22）：7-9，17．

[4] 溫美鳳，錢揚(yáng)義．應(yīng)用手持技術(shù)測定氯化鐵溶液與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的pH曲線[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（17）：50-56.

[5] 溫美鳳，錢揚(yáng)義．硫酸亞鐵及氯化鐵與硫酸亞鐵混合溶液與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的沉淀pH曲線的測定及分析[J].化學(xué)教育（中英文），2018，39（03）：69-75．