基于深度学习发展科学探究素养

韩硕　姚文生　彭馨瑶　任坤艳　戴新

摘要：分析了“铁盐和亚铁盐”在实际教学中存在的问题：一是缺乏对于学生在真实情境迁移的训练，二是缺乏对于学生实际解决问题能力的培养。以“铁盐和亚铁盐”为例，从深度学习的理念出发，创新性地将趣味实验“百变果汁”作为教学情境，将“白纸变色”“流泪的铁心”等趣味实验活动作为学习评价方式融入教学，在真实情境中对学生进行迁移训练，培养学生解决实际问题的能力，促进学生科学探究与创新意识核心素养的发展。

关键词：科学探究;深度学习;真实情境;核心素养

文章编号：1008-0546（2022）06x-0017-04   中图分类号：G632.41   文献标识码： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.004

“铁盐和亚铁盐”是人教版化学1（必修）（2017年版）第3章第1节“铁及其化合物”的内容。许多一线教师和学者都对该内容进行了教学实践和研究[1-3]，注意到了真实情境在教学中的重要作用，但普遍存在两个问题：一是缺乏对学生进行真实情境迁移的训练，二是缺乏对学生实际解决问题能力的培养。多数教师和学者选择通过演示教材实验或展示趣味实验来攻克重难点，学生的实验探究能力和动手操作能力却在这一过程中被忽视，这就导致学生在真实情境中解决实际问题的能力不足，对实验探究的认知偏向理想化，学生的科学创新意识与创新意识素养未能达到最大化的发展。

一、教学思想与设计创新

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）中明确提出了化学学科核心素养[4]，学科核心素养不仅要教会学生必备的知识和能力，还要锻炼学生在真实情境中知识迁移能力和解决实际问题的能力，更重要的是在这个过程中要树立正确的价值观念、形成坚毅的品质、养成科学态度。根据安富海[5]的深度学习理念，卡普尔及刘徽等[6]人将有效失败理论用于教学设计，解决上述教学现状中存在的这两个问题，促进学生化学科学探究能力的提升，促进学生科学探究与创新意识素养的发展。本课创新点如下：

1.为学生提供劣构问题。如：“如何设计白纸显字魔术？”“如何设计流泪的铁心的实验？”为学生提供有效指导，激活学生思路，增加学生有效成功的几率。在教学实验方面，从教师演示转向教师演示为辅，学生自主实验为主。

2.以实验的结果或者效果为教学评价的标准，并引导学生对实验过程进行分析，便于及时进行改正提升。郑东辉提出将评价融入教与学之中，通过明暗双线来推动教学进程，促进深度学习的发生[7]。根据这一理念将起着教学评价作用的迁移实验作为推动教学环节发展的一部分。

3.增添学生在真实情境中的知识迁移环节。学生在“百变果汁”的真实情境中获得铁离子与亚铁离子转化的认知模型。教师播放“流泪的铁心”实验视频，学生通过观察视频思考所用到的原料、涉及到的原理和实验步骤，进行实验复演。通过学生复演“流泪的铁心”的实验情况，来判断学生的知识迁移能力以及解决实际问题的能力水平。

4.增加迁移前测和迁移后测环节。迁移前测实验是原理及操作较为简单的“白纸显字”实验，迁移后测实验是涉及到原理相对较多，需要学生动用综合知识方能完成的“流泪的铁心”实验。通过迁移前测实验和迁移后测实验的对比，对学生的学习效果进行评价。

二、教学目标

1.认识铁盐和亚铁盐溶液的颜色，知道 Fe2+和 Fe3+检验方法，并在过程中发展学生科学探究的能力。

2.通过在真实情境中進行实验探究的方式，建立“Fe2+和 Fe3+相互转化”的认知模型，并在过程中发展“科学探究与创新意识”的化学核心素养。

3.通过在真实情境中对“铁盐和亚铁盐”有关知识的迁移，能综合运用“铁及其化合物”的有关知识解决真实情境中的问题，促进学生深度学习。

4.通过实验探究掌握科学探究的一般方法，并在探究过程中使学生形成正确对待失败的态度。

三、教学过程

1. Fe3+和Fe2+的检验与鉴别

[教师]表演魔术（见图1），请同学们通过学习探究老师今天做的魔术的原理，并进行实验复演。

[实物展示]展示Fe2（SO4）3溶液、FeCl3溶液、FeSO4溶液、FeCl2溶液、KSCN溶液。

[学生]Fe2（SO4）3溶液、FeCl3溶液都是铁盐，颜色均是黄色。而 FeSO4溶液、FeCl2溶液都是亚铁盐，颜色均是浅绿色，KSCN溶液为无色溶液。

[实验演示]取两只试管，分别加入少量的 FeCl3溶液、FeCl2溶液，再向两只试管中各滴入几滴 KSCN 溶液，观察并记录现象。

[学生1]装有 FeCl3溶液的试管中在加入 KSCN 溶液后，有明显的血红色的沉淀生成。而装有 FeCl2溶液的试管中，无明显变化。因此，可用KSCN溶液来检验Fe3+的存在。

[学生2]我们认为在装有FeCl3溶液的试管中产生的血红色的物质与沉淀的状态不一样，不是血红色的沉淀。

[教师]FeCl3溶液和 KSCN溶液产生的血红色物质Fe（SCN）3确实不是沉淀，它是一种络合物也叫做配位化合物，它一般是指由过渡金属或离子与含有孤对电子的分子通过配位键结合形成的化合物。

[教师]刚刚我所展示的蜂蜜柚子茶其实就是氯化铁溶液，请同学们思考一号杯颜色由黄变红的原理，小组合作进行实验复演。从表演者的角度考虑，如何确保表演成功？影响表演成功的因素有哪些？注意思考在实际操作时可能遇到的问题。

[学生]一号杯中的实验原理是：Fe3++3SCN-Fe（SCN）3，为确保表演成功，应事先将 KSCN 溶液润于杯子内壁。在实验中应该注意两种溶液的浓度比，调试二者在杯子中的含量的配比为1∶4以达到最佳观看效果。D6BAEDCC-6FC5-43C4-8731-BF345EBEEE52

設计意图：以魔术引入本节课的教学内容，同时将各个知识内容关联起来。通过实验复演等方式掌握 Fe2+和Fe3+检验方法，知道三种鉴别方式。

2.知识迁移前测——“白纸显字”

[教师]请学生利用Fe3+与 KSCN反应的原理，设计一个白纸显字的魔术表演。注意思考魔术有哪些特点？成功的关键是什么？如何能让观众信服？

[学生1]我们在设计实验时，预先构想把FeCl3溶液用毛笔蘸取写在白色的A4纸上，然后烘干。但是，实验时才发现由于氯化铁溶液是黄色的，烘干后纸张带有黄色的水迹且纸张褶皱明显。所以，我们改换将无色的KSCN溶液写在白色的A4纸上然后烘干，最后用喷壶喷氯化铁溶液。

[学生2]我们认为喷壶里的氯化铁溶液是黄色的，观众会直接看穿魔术。我们在进行实验时也遇到了纸张变黄褶皱的问题，我们怀疑变黄问题是 FeCl3的浓度过大，因此，我们重新配制了浓度较低的 FeCl3溶液。针对变皱问题，我们更换了滤纸代替白色的 A4纸，因为滤纸比 A4纸有更好的吸水性。我们将整张滤纸浸入 FeCl3溶液，再小心取出放在玻璃片上赶走气泡，缓慢烘干。这样得到的滤纸整体呈现一致的颜色，局部变皱的问题也得到了改善，实验成果见图2。

设计意图：通过小组合作，将知识迁移到真实情境中，对学生在真实情境中解决实际问题的能力进行初步的评价。

3. Fe3+和Fe2+之间的转化

[教师]实验演示：向试管中加入适量的 FeCl3溶液，再向其中加入适量的铁粉，振荡试管。充分反应后，滴入几滴KSCN溶液。

[学生]观察并记录实验现象。试管中没有血红色物质生成，分析是由于Fe3+转化为Fe2+。

[教师]可见 Fe3+可以转化为 Fe2+，刚刚老师所展示的二号杯中发生的正是这一原理。但是，很显然老师在二号杯中放入的不是铁粉。那么，除此之外，还有哪些物质可以将Fe3+转化为Fe2+呢？请同学们进行实验探究，并复演二号杯实验。

[学生3]我们认为将Fe3+转化为Fe2+的物质是一种还原剂，具有还原性的物质有Fe、Cu、Zn等金属，都可以将Fe3+转化为Fe2+。二号杯内含有的物质我们推测可能是维生素C溶液，为此我们进行了二号杯复演实验，并取得了成功。

[学生4]我们也用维生素 C进行了复演实验，发现转化效果较好。我们用的是口服维生素 C 片，将其研磨成粉末，再溶于水后溶液呈现乳白色，加热后维生素 C 也没有完全溶解。通过和其他小组的交流，我们发现维生素 C 片中还含有淀粉等其他不溶于水的物质，所以在进行实验时应该将溶液过滤，除去淀粉。

[教师]实验演示：将上述实验试管中的上层清液倒入另一支试管中，再滴入几滴氯水。

[学生]观察并记录实验现象。试管中有血红色物质生成，分析原因是Fe2+转化成了Fe3+，Fe3+与KSCN 溶液反应生成Fe（SCN）3。

[教师]可见 Fe2+也可以转化为 Fe3+，刚刚老师所展示的二号杯与三号杯混合后有 Fe3+生成，也是这一原理。那么，请同学们猜想三号杯盛放的紫色试液是什么呢？除此之外，还有哪些物质可以将 Fe3+转化为 Fe2+呢？请大家进行实验探究，并复演二号杯实验。

[学生5]我们认为将Fe2+转化为 Fe3+的物质是一种氧化剂，常见的氧化剂酸性高锰酸钾溶液、浓硫酸、硝酸、氯水都可以将Fe2+转化为Fe3+。我们认为三号杯盛装的是酸性高锰酸钾溶液，并成功进行了实验复演。

设计意图：通过小组合作分析设计实验，构建Fe3+和Fe2+间的转化模型，通过动手实验，加深学生的印象，同时锻炼学生在真实情境中的动手能力。

4.知识迁移后测——“流泪的铁心”

[教师]播放“流泪的铁心”视频，请同学们利用今天所学的知识以及以往所学的知识，对这一实验进行实验复演。请同学们思考影响实验成功的变量有哪些？提示同学可以从反应的原理、反应发生的顺序、药品选择、药品含量等方面进行思考。

[学生4]分析实验原理：铁心表面有气泡说明有气体产生，猜测应该是单质铁与某种酸溶液反应生成 Fe2+和氢气。然后 Fe2+与氧化剂反应生成 Fe3+，最后， Fe3+与 SCN-反应生成红褐色的 Fe（SCN）3。依据猜测绘制实验原理（图3）。

[学生5]讨论实验药品：在试剂选择上，为使实验效果明显，所有试剂都应该使用无色溶液，且无其他影响实验效果的反应发生，所以可以选择盐酸、过氧化氢溶液、硫氰酸钾溶液进行实验。实验中使用的铁丝应该事先进行打磨，确保去除表面铁锈。为了保证Fe2+能够被完全氧化成Fe3+，氧化剂过氧化氢的含量应该略高一些，因此可以将过氧化氢溶液作为主体试剂。为保证实验视觉效果好，也应加入多一点的硫氰化钾试剂。由于除铁丝外所用试剂均为液体且互相不发生反应，因此在试剂加入顺序上，为了方便控制实验的进行，应该最后加入铁心，设计实验流程图见图4，实验作品见图5。

设计意图：小组合作分析实验原理，设计实验方案及流程图并进行实验，考查学生综合运用铁及其化合物知识的能力。与迁移前测对比，考察学生在真实情境中解决实际问题的能力是否提升，以此来判断学生是否进行高阶思维，深度学习是否发生。

四、总结

以深度学习为指引，促进学生“科学探究与创新意识”素养的发展，让学生在真实情境中进行一系列实验复演和科学探究，在这一过程中学生的知识迁移及创新意识得以发展，提升了解决问题的能力。关于教学评价的设计不仅要能诊断学习效果，更要能够及时地对教学效果进行反馈，推进教学环节地进行，将教学评价贯穿课堂始终，让教学评价是评更是教。在教学实施的过程中，要给予学生充分的时间思考与探究，准许学生有效地试误，这样才能促进学生科学探究能力的发展和深度学习的产生，才能更好地落实化学学科核心素养的发展。

参考文献

[1]刘妍，王秀红，张冬华.基于化学学科核心素养的“铁盐和亚铁盐”教学设计[J].化学教育（中英文），2019，40（07）：33-37.

[2]袁振东，赵东亚，李现山，刘凤梅，毛润泽.“铁盐和亚铁盐”的教学设计[J].化学教育，2013，34（04）：30-33.

[3]李井亮.“Fe2+与Fe3+的相互转化”教学设计[J].化学教育，2010，31（S2）：115-120.

[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]安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[6]刘徽，杨佳欣，徐玲玲，张朋，王司闫.什么样的失败才是成功之母？——有效失败视角下的STEM教学设计研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2020，38（06）：43-69.

[7]郑东辉.促进深度学习的课堂评价：内涵与路径[J].课程·教材·教法，2019，39（02）：59-65.D6BAEDCC-6FC5-43C4-8731-BF345EBEEE52