基于真实情境的价类二维模型认知图的应用

2021-11-24马续莹窦金雨

化学教与学 2021年7期

马续莹窦金雨

摘要：以菠莱中铁元素检测为目标，通过不断调用物质类别一价类二维模型认知图，设计基于含铁元素化合物转化视角的检验方法，并进行实验方案交流与点评，最终实验验证得出结论。菠菜中铁元素检测不仅是真实情境中铁及其重要化合物的主要性质的应用实例，而且是学生应用化学知识解决陌生问题的思维方法的提升过程，促进了学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理與模型认知”“科学探究与创新意识”学科核心素养的完善和发展。

关键词：价类二维认知模型;铁元素检测;实验方案;点评交流;核心素养

文章编号：1008-0546（2021）07-0011-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.003

普通高中化学课程标准（2017年版）提出“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解铁及其重要化合物的主要性质，了解这些物质在生产、生活中的应用”[1]。化学学科核心素养提出能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用实验方法进行定性研究。能建立认识模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。基于上述指导思想和理论依据，笔者在执教北京市教育综合改革背景下学科教学研究现场会时，围绕“菠菜中铁元素的检验”情境素材展开，引导学生在价类二维认知模型的指导下，认识物质及其转化在食品检验中的重要价值。

一、教学内容与学情分析

“菠菜中铁元素检验的研究与实践”选自人教版化学必修第一册第三章研究与实践栏目“检验食品中的铁元素”[2]。以铁元素及其化合物作为典型代表物，是第一次系统地应用化学理论（物质分类及其转化、氧化还原反应）认识元素化合物性质及转化关系，本节课既是对铁元素及其化合物性质的高水平的综合应用，也是对化学实验探究能力的发展和提升。因此，开展基于菠菜中铁元素检验的研究与实践活动具有真实的教学价值。

本节课之前，对实验班47人进行前测，测试结果（如图1所示）表明：64%学生已经具备物质类别和氧化还原两个角度认识物质性质的意识，能分析、解释、预测一些简单物质的性质[3]。由于学生学习元素化合物知识迁移能力会比较薄弱，因此，在面对复杂问题时，当需要用化学知识去解决陌生问题时，学生很难形成一个系统的思维过程和方法。所以，在解决真实情境中的真问题时，学生就会表现出不能很好地预测物质性质，并根据性质设计实验去实现物质的转化。

综上所述，本节课既是对元素化合物性质和转化关系的思维模型的建立，又是对学生知识迁移能力的提升。

二、教学与评价目标

1.教学目标

（1）通过铁元素及其化合物性质和转化的应用，体会价类二维模型认知图的价值。

（2）通过菠菜中铁元素检测方案的设计，提升探究实验的设计、评价能力。

（3）通过对食品中铁元素检测的延伸，再次感受价类二维模型认知图的价值，初步形成元素检测的一般思路和方法。

2.评价目标

（1）通过菠菜中铁元素的检测，诊断学生基于化合价和物质类别认识元素化合物性质及其转化的水平。（模型认知）

（2）通过对菠菜样品处理和检测的方案交流与点评，诊断并发展学生实验探究水平。（科学探究、定性水平）

（3）通过对食品中铁元素的检测流程设计，发展学生对化学价值的认识水平。（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）

三、教学重难点

1.教学重点

基于价类二维认知模型，进行铁及其化合物的性质和转化的综合应用。

2.教学难点

实验方案设计、交流与点评的能力。

四、教学与评价流程

教学与评价流程图（表1）。

五、教学过程

环节一：创设情境，明确任务

[创设情境]动画片大力水手的形象至今让人印象深刻，他一吃菠菜就会变得力大无穷;生活中我们听过“菠菜补铁”这样的说法，同学们知道铁元素在人体中的重要作用吗？

[学生]组成血红蛋白的重要元素。

[追问]铁元素对人体健康和发育都有重要影响，其中最大的影响就是缺铁性贫血，大家知道哪些补铁方式吗？

[学生]吃菠菜、红肉、大枣等（食补）;吃补铁剂（药补）。

【任务一】本节课以菠菜为代表物，学习食品中铁元素的检测。假设你是食品检验员，请规划检测菠菜中铁元素，需要经历哪些环节？

[学生]收集菠菜样品;浸泡菠菜、研磨榨汁。

[教师反馈]同学们的角度很好。实验前，需要考虑样品的采集问题和处理问题，继续思考，处理样品后检验铁元素有哪些方面工作呢？

[学生]定性检验，定量分析。

[归纳总结]食品中元素提取（富集）的一般步骤和方法[4]：采集样品→样品预处理→检验Fe元素（定性、定量）

设计意图：明确学习主题和目标。引导学生了解铁元素在人体中的生理作用，以及缺铁性贫血如何补铁。建立实施在后，计划先行的问题解决意识。

环节二：基于认知模型，方案设计评价

[任务二】基于上述分析，小组合作讨论菠菜样品的预处理方式及定性检验方法。

[方案展示]：

第一小组：

第二小组：

第三小组：

[引导评价]请同学们对比这三组实验方案设计，说说你们的想法。

[学生]因为菠菜汁有颜色可能会干扰实验现象的观察，所以我觉得第二、三组将滤液脱色考虑很严谨;第一、二组的定性检验方法比较好，灵敏，直观，干扰可能会小。

[教师追问]“干扰可能小”的原因是什么，能说说你的想法吗？

[学生1]因为我还不知道菠菜中有没有其他还原性物质，所以加一滴管氯水可能不足以将二价铁氧化，另外，如果氯水加过量还会把硫氰化钾氧化，对铁元素的检验带来干扰。

[学生2]第三组为什么用硫酸浸泡呢？目的是什么？

[教师组织]可能其他同学也存在这样的疑惑，我们请第三小组派个代表来给我们说说原因。

[学生3]因为刚刚学过铁的化合物知识，从含铁元素的物质类别来看，我们感觉铁元素在菠菜中不一定是铁的可溶盐存在形式，还可能是其他铁的化合物。比如可能是铁的氧化物、氢氧化物、碳酸盐的存在形式，都可以溶于酸，溶出亚铁或铁离子，所以我们就考虑用稀硫酸浸泡。

多媒体展示：（图2）

[学生4]不是所有铁盐都能溶于酸，所以实验现象还是说不准？

[教师反馈]首先，表扬各小组精心的实验方案设计，以及同学们积极的分享想法和见解。其次，经过方案的评价和反思，同学们都已经关注到了从物质类别角度和价态两个角度实施物质转化和检测。最后，请同学们根据老师提供的试剂进行实验验证。

（实验药品：未脱色菠菜汁、脱色菠菜汁、酸化脱色菠菜汁、硫氰化钾溶液、铁氰化钾溶液;实验仪器：试管若干、胶头滴管）

[学生展示实验结果]（表2）

[教师提问]能否解释上述实验现象的原因以及可能得到的结论？

[学生1]未脱色菠菜汁无明显变化可能是颜色干扰;活性炭脱色后的菠菜汁无明显变化可以推测菠菜中的铁元素不是自由离子;酸化脱色菠菜汁无明显变化，可以推断菠菜中铁元素不是常见的铁的氧化物、氢氧化物或者能溶于稀硫酸的盐。

[教师追问]同学们同意这位同学的观点吗？还有其他想法或补充的吗？

[学生2]我认为还有可能是菠菜中铁元素含量太低了，所以无明显变化，没有检出。

[教师反馈]很好，同学们经过思考不仅可以从存在状态角度思考问题，而且还关注到了“量”的因素进行反思评价。

设计意图：在相对应的学业要求中，指出“能利用典型代表物的性质和反应，设计常见物质分离、提纯、检验等简单任务的方案。能从物质类别和元素价态变化的视角说明物质的转化途径”。以无机铁盐为检测目标，通过菠莱中含铁元素物质类别和价态的分析，推测物质性质，寻找预处理方案，解释可行性，并通过实验验证，分析解释实验现象背后的原因。

环节三：基于转化原理，设计实施检测

[教师引导]基于已有知识储备和实验方案设计思路，我们已经对菠菜中的铁元素有了初步的认识，接下来，我们需要查阅相关文献和资料进行下一步探究。

[资料]菠菜富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、钙、磷、铁、维生素A、维生素B1、维生素B2、烟酸、维生素C、维生素K、辅酶Q10等多种营养素。菠菜中的铁元素是以非血红素铁（铁与蛋白质结合）的形式存在，属于有机铁化合物。无机铁化合物包含常见的铁的氧化物、氢氧化物、盐。

[教师提问]同学们知道哪些有机化合物？它们具有的化学通性是什么？

[学生]甲烷、酒精等，可以燃烧。

[教师追问]根据“资料”，如何检验有机铁化合物？

[学生]将菠菜灼烧后检验。

【任务三】基于焙烧方案，思考如下三个问题：

①如何焙烧菠菜更高效？

②焙烧后，铁的存在形式？推测依据？

③焙烧后如何实现Fe3+或Fe2+的检测？

[学生小组讨论并汇报]