情境引线，制备型实验方案设计教学研究——以“含铁净水剂的制备”为例

西安交通大学苏州附属中学（215000）尹 之

一、高中化学制备型实验方案设计的教学背景及学情分析

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》明确指出，应选取真实的、具有意义的、能够激起学生兴趣的思考和探究性问题，强调高层次思维的过程。因此在实验方案设计教学过程中，需要确立一条结构化思路，设计一连串挑战性问题，以调动学生的高阶思维。

江苏省新高考重点考查学生的科学探究和创新能力，实验方案设计类问题作为江苏省新高考化学试题的热点与难点，一般位于综合题最后一小题。该类试题情境新颖，考点灵活，开放性、探究性、创新性较强，一般涉及基于真实的情境进行物质的制备和提纯内容，考查学生的信息获取与加工能力、对实验原理和操作方法的综合运用能力、对实验条件的控制和优化能力以及规范表达实验方案的能力。这类试题关涉信息获取与方案表达等，对学生的思维能力要求较高。学生在答题时常出现跳步漏步、回答不完整、毫无头绪、畏难退缩等问题。

情境教学的倡导者布朗认为，知识唯有在其产生和应用的情境中才会发挥出意义。笔者提出用情境引线，将知识线与情境线相融合的课堂教学理念，从真实的生活情境问题出发，引导学生从化学视角看问题，凸显学生的主体性，并通过讨论、实验等环节，强化学生解决问题的能力，实现学生思维的深度发展，提升学生的学科核心素养。下面，以“含铁净水剂的制备”实验方案的设计教学为例，深入探究情境引线式高中化学制备型实验方案设计教学。

二、教学过程

（一）创设情境，引入课程

【情境一】太湖是国家一级水源地，太湖水能否直接饮用？若不能，该如何净化？

【出示资料】氯化铁、硫酸亚铁等都被认为是优良的净水剂。

【设问】氯化铁之所以能用于净水的原因是什么？如何才能获取铁元素？

【出示资料】自然界中，铁元素大多以铁矿石的形式存在于地壳中。

【引出课题】如何设计用铁矿石制备含铁净水剂的实验方案？

设计意图：化学源于生活，本环节从学生熟悉的真实情境出发，从自然水过渡到水的净化，引出课题。

（二）基于考题，自主尝试

教师先出示相关考题，引导学生自主思考，尝试书写方案，再进行有针对性的指导，然后选出典型方案，通过希沃系统进行展示，最后让学生对比多种设计方案，评价各方案的优劣。

【出示考题】某研究团队想要从硫铁矿烧渣（主要化学成分为Fe2O3、SiO2、Al2O3）出发，制备绿矾（FeSO4·7H2O）。表1 列出了相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH。请你根据图表信息，补充完整下列实验步骤：向一定量烧渣中加入足量的稀硫酸充分反应，____________，得到FeSO4溶液，___________，得到FeSO4·7H2O 晶体。过滤，用冰水洗涤固体2～3 次，低温干燥。（可选试剂：H2SO4溶液、NaOH溶液、铁粉）

表1

图1

设计意图：基于高考真题创设的真实情境，让学生自主尝试书写实验设计方案。通过展示、交流与评价学生设计的方案，显露出学生思维的缺陷，为下一阶段的设计模型构建打下基础。

（三）确定流程，初建模型

针对学生方案中的不足进行讨论，让学生分享方案设计中的难点与困惑，引导学生寻找信息与方案之间的中间媒介——制备流程。如何确定制备流程呢？需要对三个问题进行进一步探讨：（1）从原料铁矿石到产品硫酸亚铁净水剂，如何依据核心转化反应确定流程主线？（2）实验过程中每一步的试剂选择和实验条件控制各有什么需要注意的？（3）需要用到哪些添加试剂以及操作方法？

通过讨论，学生可以发现，要将铁矿石转化为FeSO4·7H2O，主要流程应包括除去SiO2、Al2O3杂质，进行还原Fe3+的核心反应，分离硫酸亚铁结晶这三个主要步骤。在操作时还需考虑试剂选择、实验条件控制、实验操作方法等方面。如除Al3+杂质时，需使用NaOH 溶液，并将pH 控制在5.0～5.8，因此可以使用“边滴边搅拌”的操作方法将Al3+完全转化为A（lOH）3沉淀，再过滤除去；在分离提纯时，可以通过搜集相关信息，确定蒸发浓缩和降温结晶的温度。教师进一步指导学生将思考成果绘制为流程图（如图2）。

图2

制备型实验方案的流程模型可由一条流程主线和试剂选择、操作方法、条件控制等模块组成。具体模型如图3所示。

图3

设计意图：通过构建流程模型，引导学生将流程转化为文字方案，确定相对较好的实验方案。

（四）反馈修正，模型加工

【情境二】在空气中，FeSO4晶体易被氧化，难以长期存储，需寻找可替代它的净水产品。

【出示资料】FeSO4与（NH4）2SO4以等物质的量混合即可制得摩尔盐［（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O］。摩尔盐的主要化学性质如下：它易溶于水，不溶于乙醇，接近100 ℃时易失去结晶水，性质上相对于普通硫酸亚铁盐更加稳定。相关物质的溶解度曲线如图4所示。

请补充完整由久置于空气中的FeSO4·7H2O样品合成摩尔盐的实验步骤：将样品溶于适量的硫酸溶液中，加热使其溶解，然后向其中加入_____________。（可选试剂：蒸馏水、饱和硫酸铵溶液、3%H2O2、铜粉、铁粉、无水乙醇）

设计意图：结合真实情境，让学生补充完整操作细节，规范实验方案表达。同时通过问题，引导学生对初步构建好的流程模型进行进一步加工。

图4

（五）拓展延伸，模型应用

【情境三】普通净水方法还需通入Cl2以达到消毒效果，是否有一种净水剂，能够同时起到净化和消毒作用？［引出多功能净水剂高铁酸钾（K2FeO4），分析其可以起到消毒作用的原因。］

【出示资料】以绿矾（FeSO4·7H2O）为原料制备高效水处理剂高铁酸钾（K2FeO4）的部分生产工艺流程如图5所示。

图5

【设问】请补充提纯K2FeO4粗产品［含有Fe（OH）3、KCl等杂质］的实验方案：将一定量的K2FeO4粗产品溶于冷的3 mol·L-1KOH溶液中，______________。

设计意图：通过拓展延伸，引导学生应用制备型实验方案设计的思维模型，尝试总结的条件控制及操作方法，如试剂用量、温度控制、pH 控制、添加试剂等，学会归纳知识线，规范方案表达。

三、教学思考

(一)情境引线，构建知识

化学源于实际生活，真实的化学情境可激发学生自主学习的热情和积极性。创设教学情境的核心内涵是引导知识建构，将知识线和情境线相融合，推动学生的知识构建。将教学情境视为引出知识和构建知识的重要载体，能够起到有效开展和拓展教学的作用。在化学课堂中创设真实情境，可以让学生体验到知识获取的乐趣，有效解决化学知识运用时可能出现的困难和问题。

本节课以含铁净水剂的制备过程为牵引，从自然水如何净化开始，引入用铁矿石制备含铁净水剂的制备流程；通过分析硫酸亚铁净水剂的性质，由其易被氧化有所不足，引出新型含铁净水剂摩尔盐的制备；通过净水过程包含消毒步骤，引出多功能含铁净水剂高铁酸钾的制备。教学过程中，知识线与情境线相互穿插，通过三个教学情境巧妙地将制备型实验方案的设计方法串联在了一起，构建了制备型实验方案设计的思维模型，促进了学生思维能力的提升。本节课的明线是含铁净水剂的制备方案，暗线是制备型实验方案设计的思维模型构建。

此外，教学情境要让学生获得正面积极的情感体验。教师在创设教学情境前可以自由选取和提炼一些与主题有关的素材，还可以补充相关课外教学内容，以使创设的真实情境能更好地与知识内容有机融合在一起。如本节课教师创设了含铁净水剂的制备这一情境，并以其为引线，不仅提升了学生的兴趣，开阔了学生的视野，还激发了学生探索和研究的动机。

（二）引入媒介，构建模型

新情境下制备型实验方案设计类试题对学生思维能力要求较高，学生不仅要获取相关信息，还要表达方案，这对他们来说较为困难。对此，可借助中间媒介——流程图，将信息转化为流程再规范表达为方案来分解问题难度，构建制备型实验方案设计的思维模型。

本堂课引入典型问题，对学生进行训练，引导学生通过自主讨论分析问题的特点和答题所需条件，加深学生印象。同时，引入中间媒介，开阔学生思路，引导学生弄清各种物质、各个步骤、各种操作的意义和功能，再用语言文字来补充方案的细节，有效地构建思维模型，分解难点。层层递进、螺旋上升的教学，符合学生逻辑思维的特点，便于学生进行深入学习。

（三）培养思维，提升素养

化学中的模型认知素养主要包括认识、感悟化学模型，利用模型学习化学，评价和创建模型，以及运用建模解决问题等方面，体现了模型认知素养由低到高的四个层次。本节课通过典型考题尝试建模、借助制备流程初建模型、通过反馈修正加工模型、通过拓展延伸应用模型四个步骤，完善了制备型实验方案设计的思维模型，凸显了模型认知素养的四级水平。

高三学年段的课堂专题复习更需要有效地帮助学生激活、深化和整合所学知识，提高其运用所学知识和方法解决实际问题的能力。传统的高三复习课偏向于做题，并以特定的主题讲授的形式进行。而本节课围绕含铁净水剂的制备实验方案的设计来重新组织教学内容，以综合性学习目标和任务来引导学生学习，通过任务驱动式的学习活动，让学生在体验知识形成的过程中培养高级思维能力，提升科学探究素养。

无论是从学生的终身发展还是从眼前的教学成绩来看，基于真实情境解决实际问题，对培养学生高阶思维和提升学生相关素养都是真实有效的，这为高三教学的优化提供了一个新的突破口。