指向关键能力的高中化学实验项目化学习实践探究

张引娣

摘 要：文中以“柠檬酸亚铁的制备与测定”为主题，分析了“柠檬酸亚铁的制备与纯化”“产品中有效成分的检测”两个项目任务，探索遵循发现问题→论证推理→实验验证→模型建构的认知发展过程，旨在项目化学习中实现知识功能化，彰显化学学科价值，培育学生关键能力。

关键词：项目化学习；关键能力；化学实验

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出：高中化学学科核心素养是学生通过化学学习而逐步形成的正确化学学科理念、必备品格和关键能力[1]。高考评价以立德树人为核心，聚焦“关键能力”和“思维品质”，关键能力主要从理解与辨析、分析与推测、归纳与论证、探究与创新能力四个维度构建。关键能力[2]可以通过学会做事的项目来实现，必备品格与价值观念可以通过学会做人的项目来培养。项目式学习本质上是一种教与学的方式，更强调对知识的深度理解，在做事中形成专家思维，引发跨情境的迁移[3]。项目化学习既可以提升教师的教学能力，也能“实现知、情、意、行相统一的学科育人，切实提高核心素养”[4]。目前，项目化教学被认为是最具有核心素养融合发展效力的教学方式[5]。本文以“柠檬酸亚铁的制备与测定”的项目实践为例，探讨如何彰显化学学科价值，培育学生关键能力这一重要议题。

一、项目主题分析

（一）项目内容分析和功能价值分析

“柠檬酸亚铁的制备与测定”是基于《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中主题1：基础实验围绕“物质性质和反应规律的研究”“物质的制备、分离与提纯”“物质的检测”等实验活动来确定主题。本项目包括两个任务驱动，任务一是柠檬酸亚铁的制备与纯化，任务二是产品中有效成分的检测；分3个课时实施，第1课时制备柠檬酸亚铁并纯化，第2课时探寻检验Fe3+试剂的选择模型，第3课时检测柠檬酸亚铁产品中的Fe2+。

项目以柠檬酸亚铁为研究对象，研究了物质的制备、提纯、检验和测定等实验方法，承载了物质转化与应用、实验原理与方法等必备知识，深化学生类价二维、微粒观、平衡观、定量观等学科观念认识，培养“理解与辨析，分析与推测、归纳与论证、探究与创新”等关键能力，发展“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等核心素养，促进学生德智体美劳全面发展。

（二）项目主体学情分析

本项目适合高二下学生的项目化学习或高三学生的实验复习，要求学生储备元素化合物、氧化还原反应、离子反应、元素周期律和表、化学平衡等核心知识，具备一定认识问题的视角和分析问题的方法。

核心知识方面，学生已学习了Na、Cl、Fe、S、N等元素化合物的性质和转化，掌握了学习化合物的思路和方法，通过“物质结构与性质”“化学反应原理”“有机化学基础”等选修学习，深化认识了元素化合物的转化条件，具有一定的化学观念和理论基础，积累了一定的实验方法。

关键能力方面，通过必修和选修教学内容的开展，学生已初步掌握了科学研究的一般过程与方法，掌握了一些实验操作，可以进行简单的实验探究和证据推理，形成了良好的实验习惯和严谨求实的科学态度。但在真实复杂的情境中做出合理预测和科学探究，还需教师的支持。

二、项目设计思路

以“柠檬酸亚铁的制备与测定”为主题，学生在完成“柠檬酸亚铁的制备与纯化”“产品中有效成分的检测”两个项目任务过程中，运用“类价二维”预测转化路径，分析评价选出合理的途径。学生基于“证据推理”论证转化的可能性，通过实验探究转化的可行性，自主构建出物质制备与测定的思维模型，以期提升学生的关键能力，见图1。

三、项目教学目标

通过“柠檬酸亚铁的制备与检测”项目，帮助学生复习核心知识，建立核心知识与化学观念的联系，使知识与认识思路结构化，培养学生的科学思维能力，提升关键能力，促进德智体美劳全面发展。为此制订本项目的教学目标如下：

（一）通过“设计柠檬酸亚铁的制备与纯化”，复习实验基础知识，形成物质转化的认识视角，掌握科学探究的一般思维方法，提升构建物質制备与纯化的思维模型的能力。

（二）通过“设计产品中有效成分的检测”，深化对学科本质的理解，系统认识物质制备、纯化与检测的构建思路和方法。

四、项目教学流程

五、项目学习实施

本项目在厦门大学附属科技中学高三创新班进行教学实践，由于篇幅有限，在此仅以第1课时为例具体阐述项目实施过程。

【情境导入】柠檬酸亚铁作为高效补铁剂，无论是从吸收率、口感，还是从生物学效价更高方面看，都是值得采用的一种补铁剂。在实验室中如何制备柠檬酸亚铁？

任务一：柠檬酸亚铁的制备与纯化（第1课时）

子任务1：柠檬酸亚铁粗品的制备

【活动1】基于“类价二维”预测转化路径

设计意图：通过此活动引发学生回忆元素化合物的学习方法，构建铁元素及其化合物的“类价二维图”。基于“类价二维图”探寻转化路径，结合查阅资料和已有原料选择合适的转化路径：原料→FeSO4→FeCO3→柠檬酸亚铁。

【学生汇报】

【学生评价】

学生1：铁、氧化铁、四氧化三铁、氧化亚铁均可能转化；这位同学设计的转化路径可以优化为铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁。

学生2：依据现有原料选择转化路径，在原料选择中运用物质循环的思想。

学生3：根据资料显示，柠檬酸亚铁是可溶性盐。类比上述转化，将路径中硫酸替换为柠檬酸即可。

【教师评价】同学们成功地从“类价二维”视角预测了合理的转化路径，还采用了物质循环，有很好的绿色化学思想。在本项目中所用原料是硫酸工业的废渣，成分复杂。对于上述转化路径如何优化？如何实现铁元素与其他元素的分离呢？

学生：将铁元素转化为氢氧化亚铁沉淀析出。

【教师评价】铁元素的氢氧化物沉淀为絮状、颗粒小、易吸附其他成分，故转化为碳酸亚铁沉淀效果良好，对产率和纯度影响较小。为了节省原料，可以将硫酸亚铁溶液结晶再转化为碳酸亚铁。

【学生成果】

【活动2】基于“热力学”理论，论证FeSO4转化FeCO3的可能性

设计意图：学生通过化学反应原理的学习，已建立起水溶液中的平衡观，形成了热力学论证的认识视角。在本活动中引导学生从定性和定量两个视角认识离子反应，促进学科观念建构，提升学生的证据推理能力。

【学生汇报】FeSO4→FeCO3转化的试剂和评价：

学生1：碳酸钠溶液碱性过强，认为欠妥。

学生2：碳酸氢钠溶液碱性稍弱，可能可行。

学生3：碳酸氢铵溶液略偏碱性，应该可行。

【学生论证】（说明：本计算超出高中学生的能力范围，论证计算为竞赛学生完成）

【活动3】基于“实证”探究FeSO4转化FeCO3的可行性

设计意图：学生基于探究目的设计实验、优化方案、动手操作，体验探究过程，准确观察、记录实验现象，得出实验结论。与此同时，引导学生学会收集证据，并基于证据进行分析推理，能解释证据与结论之间的关系。

【学生汇报】

【学生评价】

学生1：滴加碳酸氢钠溶液时，观察到略显茶色沉淀。其他现象一致。

学生2：滴加碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液时，出现灰绿色沉淀，滴加碳酸氢铵溶液出现白色沉淀，一段时间后会略显茶色。

学生3：滴加碳酸钠溶液没有观察到白色沉淀，滴加碳酸氢钠溶液和碳酸氢铵溶液均出现白色沉淀。大家的实验结果都合理，三种溶液碱性不同，OH-和CO32-的浓度不同，现象不太一致。

学生4：发现滴加碳酸氢铵出现现象与预期一致，其他不一定。

【教师追问】实践是检验真理的唯一方法。综合以上分析，你会选择哪种试剂？

【学生成果】

【活动4】制备柠檬酸亚铁粗品

设计意图：了解物质制备的一般过程，自主建构物质制备的思维模型。

【学生成果】

子任务2：柠檬酸亚铁粗品的纯化

【活动1】纯化柠檬酸亚铁粗品

设计意图：复习物质分离提纯的原理与方法，学生能根据产品性质选择合适的提纯方法。

【学生成果】

学生：若溶质溶解度随温度升高而降低，则采用蒸发结晶；若溶质溶解度随温度升高而升高，则采用降温结晶。根据资料可知，降温结晶可以制得柠檬酸亚铁晶体，后重结晶即可。

【活动2】构建物质制备与纯化的思维模型

设计意图：基于本项目的开展，学生能提取出物质制备与纯化的思维模型。

【学生成果】

六、项目教学反思

实践证明，项目式学习中教师围绕项目主题来系统地设计驱动性问题和学生活动，让学生在真实情境中发现问题，在项目活动中设计方案、交流讨论、改进实施，能体会科学研究的过程，可以培养关键能力。

（一）在情境中培育理解与辨析能力

学生在活动1回忆元素化合物的学习方法，绘制铁元素及其化合物的“类价二维图”。类比硫酸亚铁与柠檬酸亚铁的性质特点，顺利地将硫酸亚铁的转化路径迁移至柠檬酸亚铁。学生获取原料为工业废渣的信息，分析含有多种成分，利用绿色化学思想判断可能会影响产品纯度和产率，联想海水提溴的工艺加工过程进而提出解决策略：先分离、富集铁元素，再根据预测转化路径具体实施。

（二）在活动中发展归纳与论证能力

项目活动中，学生面临两个挑战：一是如何有效富集铁元素；二是如何实现硫酸亚铁转化为碳酸亚铁。学生通过查阅资料获知，铁的氢氧化物从溶液中析出多以絮状形态，颗粒小，易吸附其他成分，从而将转化路径调整为：FeSO4转化FeCO3为此迎来第二个挑战，选择什么试剂可以高效转化？学生通过分析，Fe2+、OH-和CO32-微粒之间存在作用，做出预测：碳酸亚铁沉淀和氢氧化亚铁沉淀都有可能产生，但这需定量数据来佐证。学生请教化学竞赛选手完成了计算论证，证实了预测的科学性，形成了热力学论证的认识视角，加深了学科观念理解，发展了学生归纳与论证的能力。

（三）在合作中提升探究与建构能力

学生基于探究目的设计实验、优化方案、动手操作，准确观察、记录实验现象，得出实验结论。学生在预测与实证过程中，既体验了科学探究的一般过程，又体会到真实实验环境的复杂性，培养了科学研究的思维能力。在项目梳理中，学生用实验流程图表示实验环节，抽提出物质制备的思维模型和纯化的一般方法，有力地提升学生模型建构与认知能力。

结束语

总之，本项目要求学生有高中必修和选修的知识储备，熟练掌握实验原理和方法，对能力要求较高，在项目实施过程中如何设计高效的驱动性问题，如何诊断、评价关键能力发展的层级仍需要继续探索。

参考文献

[1]教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020修订）[M].北京：人民教育出版社，2020：5.

[2]单旭峰.科学命题，深化改革：2018年高考化學试题解析[J].中学化学教育参考，2018（7）：62-65.

[3]夏雪梅.项目化学习设计：学习素养视角下的国际与本土实践[M].北京：教育科学出版社，2021.

[4]王磊，胡久华，魏锐，等.化学项目式学习的课程、教学与评价系统研究：北京师范大学化学教育研究团队20年研究历程与成果[J].化学教育（中英文），2022，43（16）：24-29.

[5]王磊，陈光巨.外显学科核心素养促进知识向能力和素养的转化：北京师范大学“新世纪”鲁科版高中化学新教材的特点[J].化学教育，2019（17）：9-19.

本文系厦门市第六批基础教育课程改革研究课题“高中化学主题式项目化实验教学模式改革研究”（课题批准号：Z675）。