指向化学学科核心素养的教学设计与实践
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作者:龚道玉 孙朋朋
摘要：以“铁盐和亚铁盐”的教学为例，从“除铁锈”这一真实的情境出发，设计了“分析酸除铁锈的原理、研究除锈液中发生了哪些变化、讨论如何科学除铁锈”三项研究任务。以任务为主线引导学生开展探究学习和问题解决活动，发展化学学科核心素养。
关键词：学科核心素养；铁盐和亚铁盐；教学设计与实践
文章编号：1008-0546（2023）03-0040-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.009
《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）提出要开展“素养为本”的化学教学。“铁盐和亚铁盐”这一节课已经有许多教学研究，如袁振东[1]通过趣味性实验探究铁盐和亚铁盐的相互转化，叶书林[2]研究补铁剂中的“红外套”氧化铁、“绿身体”硫酸亚铁，以及铁盐和亚铁盐的转化，王建林[3]利用含铁钉和不含铁钉的FeCl2溶液研究Fe2+和Fe3+的转化。但这些教学设计关注具体的知识而忽略知识的建构过程和知识所蕴含的变化守恒、宏-微结合等学科思想方法的传授，未能充分发挥其素养功能。此外，许多习题和科普视频中提出“酸除铁锈的原因是铁锈与酸反应”，但实验表明结果并非如此。
素养为本的教学关注情境的创设，倡导开展以实验为主的多种探究活动，促进学生学习方式的转变。[4]因此，本节课设计“除铁锈”这一真实情境和研究问题，延伸出三个研究任务，以任务为导向、以活动为抓手，使学生经历猜想、设计方案、实验验证等环节，在解决问题中不仅搭建知识结构、形成学科观念、发展素养能力，还可以形成对“酸除铁锈”原理的正确判断。此外，“除铁锈”的情境贯穿于教学的始终，避免了选取多个情境导致的学习环节的分散和割裂，最大程度还原真实问题，利于学习迁移。
一、分析教学内容――发掘育人功能
“铁盐和亚铁盐”选自鲁科版高中化学必修第一册第三章第一节“铁的多样性”，包含 Fe3+和 Fe2+的检验、Fe3+和Fe2+的相互转化、铁元素不同价态物质间的转化模型的构建等内容。在此之前，学生已经学习过“离子反应”和“氧化还原反应”。
本节内容以初中学习的“铁单质与酸的反应”“铁锈与酸的反应”为基础，研究视角从宏观的物质层面深入到微观的离子水平，体现了学习的进阶性。从氧化还原视角探究Fe3+和 Fe2+相互转化的原理，让学生利用变化守恒的思想、经历分析推理的过程，设计实验方案、开展实验探究，发展学生的问题解决能力；探究中所涉及的物质及离子反应，如溶液中Fe3+、Fe2+的来源和数量，微粒间的相互作用及结果，[5]可以增强学生对反应实质的理解，深化从微观视角研究水溶液中物质变化的思想，培养微粒观和变化观。铁元素不同价态物质间相互转化的模型的构建，帮助学生形成从物质类别和元素价态角度研究物质性质的思路，发展分类观，也为后续学习“硫的转化”“氮的循环”等元素化合物知识提供方法基础。在解决生产生活中除铁锈的真实问题时，感受铁及其化合物性质的重要应用，养成从化学角度思考问题、运用化学原理解决问题的习惯。
二、制定教学目标――体现素养导向
教学目标规定着教学方向、决定着教学效果，是学科核心素养目标在课堂层面分解、落实的操作性指南。制定教学目标需要分析发掘教学内容与核心素养间的关联、结合学生实际、合理选择教学活动，以学生当前学情为起点、以素养目标为终点，教学目标见表1。
三、设计教学流程――外显培养思路
“除F锈”的情境贯穿教学过程的始终，问题情境线、知识线、活动线多线并进，共同推动教学走向深入，教学流程见图1。
四、开展教学实践――落实素养发展
1.任务1：分析酸除铁锈的化学原理
【学习任务】基于已有知识分析酸除铁锈的微观反应原理，书写氧化铁、铁与酸反应的离子方程式，并通过实验检验铁元素的存在价态。
【评价任务】通过分析学生除锈原理的解读情况，诊断学生已有知识的掌握水平（经验水平、基于概念原理水平）。通过分析氧化铁、铁与酸反应离子方程式的书写状况，诊断并发展学生对铁、氧化铁和酸反应本质的认识水平（物质水平、微粒水平）。
【情境引入】铁在日常生活和社会生产中扮演着重要的角色，但时间长了铁制品容易生锈。每年铁制品锈蚀都会造成巨大的经济损失，还会对生产、生活产生严重影响。
【教师】铁为什么生锈？铁锈的主要成分是什么？结构上有什么特点？
【学生】铁在潮湿的环境中和水、氧气共同作用得到氧化铁，铁锈疏松多孔。
【教师】生活中如何除锈？
【问卷调查】课前对100位同学进行问卷调查，结果显示40%、18%、14%、13%、10%、5%的同学分别认为白醋、苏打粉、柠檬水、洁厕灵、可乐、番茄酱可以除。
【教师】这些物质真的能除锈吗？观看科普视频，并注意解读其中的除锈的原理，见图2。
【学生】观看视频并解读原理。白醋、可乐、番茄酱、柠檬、洁厕灵这五种物质能除锈，原因是这些除锈剂的水溶液显酸性，酸电离出氢离子与铁锈反应，从而除锈。
【教师】酸能除铁锈吗？
【演示实验】取一根生锈的铁钉置于烧杯中，加入稀硫酸模拟酸性环境。
【教师】从物质分类的角度思考氧化铁为什么可以和酸反应？书写该反应的离子方程式。
【学生】（1）氧化铁是碱性氧化物，可以和酸反应生成盐和水；书写氧化铁和酸反应的离子方程式。
【教师】如何进行验证？
【演示实验】取酸与锈钉的反应液于试管，滴加1～2滴KSCN溶液后变红，说明溶液中有Fe3+，见图3（a）。
【教师】溶液中还有什么现象？原因是什么？写出相应的离子方程式。
【学生】（1）铁钉表面出现大量的气泡，铁钉内部的铁单质与酸发生了反应，产生Fe2+和氢气写出铁单；质和酸反应的离子方程式。
【教师】如何验证有Fe2+？
【演示实验】取适量反应液于试管，加入铁氰化钾溶液，出现蓝色沉淀，说明溶液中有 Fe2+。见图3（b）。综上所述，反应液中Fe2+和Fe3+同时存在。
【归纳总结】Fe2+和Fe3+的检验方法。
【教师】引导学生再次观察铁钉的变化、描述现象并分析原因。
【学生】铁钉表面的铁锈减少，变得更加光亮；铁钉表面有大量气泡产生，反应剧烈。在试管底部沉积了大量铁锈，说明铁锈并未完全与酸反应，铁单质和酸反应的速度更快。
【教师】“酸除铁锈”的原理是什么？
【师生讨论】酸能与铁锈反应生成 Fe3+，由于铁锈是疏松多孔的结构，因此酸会透过小孔与内部的铁单质反应，生成Fe2+和氢气。铁单质和酸反应的速度较快，反应产生大量的气体，进一步加速了铁锈的剥落、提高除锈效率。
2.任务2：研究除锈液中发生了哪些变化
【学习任务】依据氧化还原反应规律预测、设计方案，实验探究Fe2+和Fe3+相互转化的原理，构建转化模型。根据铁、氧化铁、铁盐、亚铁盐在一定条件下的转化关系，构建铁及其化合物的价类二维图。
【评价任务】通过对实验方案的点评与论，诊断学生方案设计和实验探究的水平（孤立水平、系统水平）。通过评价铁及其化合物的“价类”二维图的构建情况，诊断并发展学生认识思路的结构化水平（孤立水平、系统水平）、研究物质性质的视角（类别、价态单一视角，类别和价态双视角）。
（1）子任务1：探究除锈液中Fe3+的“消失”
【教师】随着除锈的进行，反应液中会发生哪些变化？除锈液中Fe3+的浓度将如何变化？如何验证？
【学生】随着酸和铁锈的反应，Fe3+的浓度将逐渐增大；验证：用 KSCN溶液，根据溶液的颜色深浅判断 Fe3+的浓度，红色越深、Fe3+浓度越大，红色越浅、Fe3+浓度越小。
【教师】为了更准确地比较溶液中 Fe3+的浓度，需要注意什么？
【学生】控制取样量和加入的KSCN溶液的量相同。
【教师】每隔两小时从除锈液中取出等量的溶液（共5组），并新加等量的 KSCN，见图4（a）～（e），观察溶液的颜色变化并描述现象。
【学生】溶液变红，且红色先加深、后变浅，说明 Fe3+的浓度先增大、后减小。
【教师】（1）提出研究问题：溶液中Fe3+的浓度为什么会降低？如何验证？（2）引导学生回顾元素化合价与物质性质之间的关系，并从化合价的角度进行预测。
【学生】+3价为铁元素的最高价，Fe3+具有氧化性，铁钉中有铁单质，可能是Fe3+与Fe反应生成Fe2+。
【教师】铁起什么作用？
【学生】做还原剂。
【教师】（1）实验内容：探究还原剂能否将Fe3+转化为 Fe2+；（2）试剂：FeCl3溶液、KSCN溶液、铁粉、铜粉、淀粉KI溶液。
【学生】选择试剂、设计并记录方案。
【教师】论证实验方案，组织学生开展小组实验。
【学生】分组实验，得出结论：Fe3+具有氧化性，能在铁粉、铜粉、KI等还原剂的作用下转变为Fe2+。
（2）子任务2：揭秘久置的除锈液中Fe3+的“重现”
【课前准备】将上述5组溶液静置一段时间后观察其前后变化，见图5（a）～（e）。引导学生观察并描述现象，从化合价角度分析原因。
【学生】一段时间以后溶液变得更“红”了，说明溶液中 Fe3+的浓度增大，在氧气的作用下 Fe2+转化为 Fe3+。
【教师】追问：氧气起什么作用？
【学生】做氧化剂。
【教师】组织学生设计方案。（1）实验内容：探究氧化剂能否使 Fe2+转化为 Fe3+；（2）试剂：FeSO4溶液、 KSCN溶液、氯水、酸性KMnO4溶液、H2O2溶液；
【学生】
实验方案1取适量 FeSO4溶液于试管，先加入氧化剂，再滴加KSCN溶液。若溶液变红，说明氧化剂能将Fe2+转化为Fe3+。
实验方案2取适量FeSO4溶液于试管，滴加KSCN 溶液，无明显现象后再加入氧化剂。若溶液变红，说明氧化剂能将Fe2+转化为Fe3+。
【教师】选择哪一种方案更好，为什么？
【学生】方案2。实验目的是探究氧化剂能否将 Fe2+转化为Fe3+，因此要先排除Fe3+对实验的干扰。
【教师】组织学生开展小组实验。
【学生】分组实验，得出结论：Fe2+具有还原性，能在氯水、酸性 KMnO4溶液、H2O2溶液等氧化剂的作用下转变为Fe3+。
【教师】小结：铁单质与氧气、水共同作用会生成铁锈（主要成分 Fe2O3）；铁锈会与酸反应生成 Fe3+、铁单质会与酸反应生成Fe2+；Fe2+在氧化剂的作用下转变为Fe3+、Fe3+在还原剂的作用下转变为Fe2+。
【教师】布置任务：从物质类别和元素价态两个视角构建铁及其化合物的转化关系图。见图6。
3.任务3：讨论在生产生活中如何科学除铁锈
【评价目标】应用所学的除铁锈原理解决实际问题，设计生产、生活中除铁锈的方案时能考虑到多种因素。
【评价任务】通过评价学生制定的除锈方案，诊断学生的问题解决能力（孤立水平、系统水平）和学科价值认识水平（学科、社会单一视角，社会和学科双视角）。
【教师】生产生活中如何科学除锈？
【查询资料】（1）除锈方法分为机械法和化学法两大类，除锈液中的缓蚀剂既不影响制件表面氧化物的清除以保证除锈效率，又能有效地保护制件基体少被腐蚀。[6]（2）用盐酸除铁锈的效果比同浓度硫酸的效果更好，原因是氯离子具有较强的穿透金属表层或裂缝的能力。[7]（3）升高温度、反应速率加快。
【学生】小组讨论后得出结论：
（1）在生活中，给家中的铁制厨具除锈可以使用白醋、可乐、番茄酱、柠檬等家庭食用酸性除锈液，还能通过加热、加入适量的食盐提供 Cl-的方法提高除锈效率。同时综合使用机械法除锈，比如先用砂纸打磨进行人工除锈、再使用酸液浸泡。
（2）在工业生产中，由于工程量较大，使用机械法效率低且劳动强度大，因此首选化学法除锈。由于酸会和铁单质反应，对基建造成腐蚀而产生不必要的浪费，因此在除锈时加入缓蚀剂保护内部的金属。
五、教学反思
在教学中落实学生学科核心素养的培养，需要关注知识、情境、活动、实验等要素。本节教学关注知识的系统化、教学情境的生活化和完整化、活动探究的系列化、教学评的一体化设计。
1.知识的系统化设计
以铁离子和亚铁离子的检验，铁、氧化铁、铁盐和亚铁盐的相互转化为知识主体，开展一系列的实验教学，采用了主题式、任务式、目标式的设计过程，驱动学生用化学知识探讨生活问题，在完成三个研究任务的过程中获取铁、氧化铁、铁盐和亚铁盐的相关知识并进行构建，形成结构化、系统化、网络化的知识体系，这是学科核心观念和学科方法形成的前提。
2.情境的完整性设计
以铁及其化合物的性质为知识载体，挖掘生活中的真实情境，充分发挥情境的教育和迁移价值。从网络上流传的“实测除铁锈最佳利器”科普小短片出发，带领学生通过实验解读酸除F锈的原理，激发学生的兴趣，设计了“分析酸除铁锈的化学原理、研究除锈液中发生了哪些变化、讨论在生产生活中如何科学除铁锈”三项任务。情境贯穿于教学的始终，不断地产生驱动性任务引导学生深入研究，以获得知识和发展能力。
3.活动的系列化设计
以发展学生探究能力为目标、以活动为导向，通过任务和活动搭建了知识与素养间的桥梁，使学生经历真实的探索和问题解决过程。在实验探究中经历预测、设计方案、验证的步骤，发展推理等高阶思维能力。在活动中整合学科知识构建网络，形成学习元素化合物知识的思路和方法，发展氧化还原、物质分类的研究视角，利于变化观、守恒观、分类观、微粒观、元素观等化学核心观念的构建，为核心素养的发展奠定基础。
4.教学评的一体化设计
《课程标准》指出，应当树立“素养为本”的化学学习评价观。“教学评”一体化即教学目标、学习任务、评价任务的整体性、一致性设计，可以保证所教即所学、所教即所评，所学即所评，实现核心素养可教、可学、可评价。[4，8]本节课将一个完整的教学主题规划为3个不同的阶段，在每个阶段设计了探究任务、学生学习任务和活动、评价任务，对活动过程中学生所体现的知识掌握和运用的状况、能力发展状况进行诊断，开展及时性、持续性的教学评价以促进教学目标的达成。
参考文献
[1]袁振东，赵东亚，李现山，等.“铁盐和亚铁盐”的教学设计[J].化学教育，2013，34（4）：30-33.
[2]叶书林.“铁离子，亚铁离子的性质与转化”教学设计[J].中学化学教学参考，2014（11）：27-29.
[3]王建林.“铁的重要化合物”教学设计[J].化学教育，2010（S2）：68-70，79.
[4]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[5]胡久华，王磊，支瑶，等.促进学生认识发展的“电离和离子反应”专题的单元整体教学研究[J].化学教育，2013，34（4）：44-49.
[6]王祥洪，谢兵.新型配方除锈剂的研究与应用[J].材料开发与应用，2010，25（5）：34-38.
[7]谈小强.关于钢铁腐蚀的理论探讨和实验分析[J].化学教学，2012（5）：47-48.
[8]崔允t，雷浩.教―学―评一致性三因素理论模型的建构[J].华东师范大学学报：教育科学版，2015（4）：15-22.
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