基于微项目学习的实验教学研究

江苏省前黄高级中学国际分校(213161) 潘桂芬 华丽芬

1 研究背景

《普通高中化学课程标准(2017年版)》提出：要让学生了解化学实验是科学探究过程中的一种重要方法；能够根据化学实验目的和要求设计实验方案、正确选用实验装置、掌握控制实验条件的方法、分析或处理实验数据得出合理结论、评价或改进实验方案。

2011年海南高考卷第17题是一道有关硫酸亚铁铵制备的实验探究题，此类题型一般以物质的组成、性质、制备及含量测定等为背景，加以流程图、装置图、数据图表等呈现方式，重点考查物质的分离与提纯、物质的检验、溶液的配制、滴定、反应原理等。此类题型不仅仅要考查实验操作方面的内容，也考查理论知识在实验过程中的运用。理论与实践相结合，对学生的考查是全方面的。因此，学生在日常学习中既要做到“真实验”“真探究”，同时在解题时也要看清整个实验的基本原理，结合流程图或装置图，明确发生的变化或装置的作用，相对陌生的实验环节要学会用所学知识进行类比迁移，最终使问题迎刃而解。

以这道高考题为背景，设计成基于微项目学习的实验教学课，通过创设真实问题情境激发学生对化学学科的兴趣，让他们在实际应用中加深对知识本身的理解，培养严谨求实的科学态度，提高实践能力，落实学科素养。

2 研究过程

本项目共包含两个子项目：一是硫酸亚铁铵晶体的制备，二是硫酸亚铁铵样品纯度的测定。子项目1通过“寻找铁源”“制备原理”“实验操作”三个环节，体现了元素化合物知识在物质制备过程中的重要应用价值，形成能从问题出发，确定研究目的，设计实验方案，进行实验探究的核心能力。子项目2通过对硫酸亚铁铵样品的定量分析，实现对物质性质的分析从定性到定量的思维进阶。

2.1 硫酸亚铁铵晶体的制备

2.1.1 寻找铁源

实验方案设计的基本原则是原理正确步骤简单、原料丰富价格低廉、产物纯净污染物少。那么实验室有哪些常见含铁物质满足以上要求可以作为制备硫酸亚铁铵晶体的原料？教师抛出这个问题后，学生从物质转化的角度提出了多种答案，主要有铁粉(铁粉与硫酸反应可以转化为亚铁离子且不引入其他杂质)、绿矾(溶于水就是硫酸亚铁溶液，操作简单)。在教师展示铁粉、绿矾、废铁屑的相关价格后，学生指出铁粉成本太高，可以使用废铁屑和绿矾作为铁元素的来源，但是绿矾久置易变质，所以选用废铁屑作为原料在实验室制备硫酸亚铁铵晶体比较合理。

2.1.2 制备原理

硫酸亚铁铵基本的制备原理是以废铁屑为原料，首先将其溶于稀硫酸中，制得硫酸亚铁溶液，反应的化学方程式为：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑；然后再加入一定量的硫酸铵固体使其充分反应，反应的化学方程式为：FeSO4+(NH4)2SO4+6H2O=(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O；最后结晶获得产品。教师提供三种盐在水中的溶解度曲线(图1)，请学生设计硫酸亚铁铵的结晶方案。对于溶解度随温度变化小的盐溶液，适合用蒸发结晶的方法，而对于溶解度随温度变化大的盐溶液，则适合用冷却结晶的方法。学生分析曲线后指出，硫酸亚铁铵的溶解度随温度变化较大，且在40 ℃以下，比七水合硫酸亚铁和硫酸铵的溶解度都小，可以采用蒸发浓缩、冷却结晶的方法获得摩尔盐。

2.1.3 实验操作

在铁→硫酸亚铁→硫酸亚铁铵的核心物质转化关系建立之后，接下来就要考虑除杂问题。原料废铁屑含油污、硫化物等杂质，如何除去油污？学生很容易想到用热的纯碱溶液。废铁屑与硫酸反应的过程中还会产生硫化氢气体，如何除去硫化氢？学生根据硫化氢所属类别提出用碱液可以吸收酸性气体。

实验条件的控制对物质制备具有至关重要的作用，如何快速获得中间产物硫酸亚铁溶液？如何减少硫酸亚铁的氧化和水解？学生讨论后提出以下措施：铁与硫酸反应时适当加热，但温度不能过高，采用水浴加热的方式容易控制；在酸性条件下反应，抑制亚铁离子的水解；还剩下少量铁屑时就迅速趁热过滤，防止硫酸亚铁被空气氧化而导致产品纯度降低；在硫酸亚铁溶液中加少量硫酸抑制亚铁离子的水解。经过具体讨论和方案优化，整个实验操作流程如图2所示。

图1 三种盐的溶解度曲线

图2 实验操作流程图

在学生实验过程中，教师对整个操作过程要给予及时关注和必要的指导，如蒸发浓缩时，一开始溶液体积较大，可以直接加热，后期还剩20 mL左右时建议学生用水浴加热，这样才有利于晶膜的形成，也缩短了实验时间。子项目1结束之后，教师要对学生实验结果及时评价和反馈，评价内容主要有两个方面：一是产品外观、二是产量。

2.1.4 装置改进

为减少尾气的污染，使操作更简便，教师鼓励学生在常规实验装置的基础上进行改装，图3装置的设计就很巧妙，检查装置的气密性之后，往三颈烧瓶中依次加入过量的废铁屑，关闭止水夹K2、打开K1，打开分液漏斗的旋塞并控制好硫酸溶液的滴速，反应一段时间后关闭止水夹K1、打开K2，装置甲继续产生的氢气会将装置甲中的溶液压入装置乙中，这样三颈烧瓶中的液体就会自动转移至装置乙中，当乙中出现大量浅绿色晶体时，关闭分液漏斗的旋塞。最后将装置乙中所得晶体快速过滤、洗涤和干燥，就能得到产品。装置丙中的NaOH溶液用于吸收H2S气体，防止污染空气，同时形成密闭环境。

图3 学生改进的实验装置图

2.2 硫酸亚铁铵样品纯度的测定

表1 硫酸亚铁铵的标定与纯度分析

在子项目2结束之后，教师对学生的实验结果要给予及时评价，引导学生总结反思、分析得失，培养严谨踏实的科学态度，提高实践能力。

3 研究感悟

基于微项目学习的实验教学，不仅要提高学生的解题能力，更着眼于学生实验能力的长期培养。通过扎实开展实验教学，让学生有更多的动手操作机会，增强他们的好奇心、激发他们的探索欲望。相信对学生来说，今后不论是否从事科学研究工作，都将受益于通过实验培养出来的科学方法和科学态度。