导向深度学习的化学实验结构化教学

［摘 要］现行化学常态课中，说实验、背实验等现象很常见。这样的课堂教学，缺乏知识建构过程，缺少深度思考，课堂互动与评价缺位，与新课改的育人目标不符。文章结合刑侦案情创设情境，基于化学实验教学“四要素”设计范式进行教学设计，探究墨水中亚铁离子含量的测定在辨别文书真伪方面的重要意义，培育学生的社会责任感和决策能力，让学生的学习从探究性学习走向深度学习。

［关键词］深度学习；要素；化学实验教学；亚铁离子

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）11-0070-03

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中指出，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力［1］。

现行化学常态课中，说实验、背实验等现象很常见，即使偶有实验，也多以演示实验为主。这样的课堂教学，缺乏知识建构过程，缺少深度思考，课堂互动与评价缺位，与新课改的育人目标不符。这样的课堂教学是浅层化的［2］。

胡久华将化学学科的深度学习界定为：在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，开展以化学实验为主的多种探究活动［3］。 然而化学实验的影响因素、研究维度颇多，如何进行探究呢？本校化学课题组基于四个动态要素对化学实验教学的内容设计和过程控制进行结构化处理，构建了化学实验教学“四要素”设计范式［4］。

一、化学实验教学“四要素”设计范式

如图1所示，化学实验教学设计的“四要素”分别是品质点、探究点、异常点和生成点。“品质点”是教学育人观，统摄课堂教学，应优先设置；“探究点”是实验教学主线，是核心要素；“异常点”指向化学实验创新，可根据学情进行适切处理；“生成点”为教学主线服务，侧重知识关联，提升知识迁移能力。教学评价重视学生认识思路的结构化、外显化，聚焦学科核心素养［5］。

二、基于化学实验教學“四要素”设计范式的“刑侦学中的‘铁证”教学

（一）教学内容分析

“刑侦学中的‘铁证”是人教版高中化学教材必修第一册第三章第一节“铁及其化合物”知识的整合运用。通过鞣酸与硫酸亚铁、硫酸铁的反应实验，启发学生通过对象变换等探究操作来研究反应，探究墨水久置变色的原理，体验科学实验探究过程；用溶氧传感器测定亚铁离子转化成铁离子的过程中溶解氧的浓度变化以及用分光光度法模拟测定字迹留存时间等的实验，促进化学与信息技术的融合，培养学生严谨的科学态度和求实精神，提升学生的探究素养。同时，通过探究性实验，让学生掌握从定性检验到定量测定的研究元素化合物的方法，并能运用价类二维图模型分析设计测定墨水中铁元素含量的实验方案，为后续的学习发展奠定基础。

（二）学情分析

从知识内容角度分析，学生在第一节“铁及其化合物”前面课时的学习中已建构了铁元素价类二维图模型，对物质分类观和转化观有了一定的认识，但对价类二维图的运用还不够熟练，特别是对坐标系的理解还不够深入；在第一、二章学习了物质分类、离子反应和氧化还原反应等理论，以及钠、氯元素及其化合物和物质的量的计算方法后，有了一定的问题分析能力和计算能力。从实验操作角度分析，学生对实验操作的兴趣很高，而且在学习钠、氯元素及其化合物内容时，做过一些实验，有一定的操作经验和能力，但部分学生的实验操作还不太规范，对实验现象的观察和分析还不够深入，不善于利用各种变换进行实验探究。

（三）“四要素”设计目标及方法分析

针对化学实验教学“四要素”，可设计如表1所示的目标与方法。

（四）教学过程

环节一：情境引入

【创设情境】播放电视剧《案发现场》片段。

【品质点设计】通过创设办案真实情境，培育学生的社会责任感和决策能力。

【问题设计】案件中办案人员是如何辨别遗书真伪的？

【互动交流】通过墨水字迹鉴定书写时间。

评析：通过电视剧《案发现场》片段创设情境，激发学生的学习兴趣；遗书中墨水字迹的书写时间鉴定既是案情分析线索也是课堂教学线索，让课堂充满活力和正能量，能很好地培育学生的社会责任感和决策能力，引导学生树立公平正义的价值取向。

环节二：原因分析，实验探究

【问题设计】结合资料卡片，分析墨水由蓝变蓝黑色的主要原因。

【互动交流】鞣酸和硫酸亚铁混合最终产生黑色鞣酸铁沉淀。

【探究点1】 实验模拟墨水变色过程。

向FeSO4、Fe2（SO4）3溶液中分别滴加鞣酸，现象如表2所示。

【异常点】硫酸亚铁溶液中加鞣酸变紫黑色并缓慢加深。

【生成点】空气中的氧气将Fe（Ⅱ）氧化成Fe（Ⅲ），鞣酸亚铁转化成鞣酸铁。

【探究点2】用溶氧传感器测定亚铁离子转化成铁离子的过程中溶解氧的浓度变化。

评析：“探究点1”通过鞣酸和硫酸亚铁、硫酸铁的反应，模拟探究墨水变色原因。“异常点”是宏观现象，“生成点”是微观分析，而“探究点2”则是实验论证，展现了严谨的科学探究过程，发展了学生的结构化思维。“生成点”和“探究点2”由氢氧化亚铁在空气中转化为氢氧化铁的反应原理模型迁移而来。探究活动突出了对学生实验观察与动手操作能力的培养，以及对学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知核心素养的培养，也突出了化学与数字技术的应用价值。

环节三：原理探析，方案设计

【问题设计1】如何利用墨水变色原理确定字迹的书写时间？

【互动交流】先测定Fe2+的量，再与标准浓度变化表对比，最终确定文件中鞣酸铁墨水字迹的形成时间，从而判断遗书的真伪。

【问题设计2】 如何测定FeSO4中的Fe2+含量？请运用所学知识设计模拟方案。

【互动交流】沉淀法。方案1，加碱测氢氧化亚铁的质量；方案2，先将亚铁离子转化为铁离子，再加碱测氢氧化铁的质量；方案3，先将亚铁离子转化为铁离子，加碱测氢氧化铁的质量，再测氢氧化铁加热分解后的产物氧化铁的质量（如图2）。考虑到测量的准确性，方案3更好。

【问题设计3】1.请分析该转化过程中每一步所需的试剂。2.请书写该转化过程中相关反应的离子方程式。3.步骤②和③中的实验操作是什么？

【互动交流】步骤①中加过氧化氢；步骤②中加氢氧化钠，充分反应后过滤、洗涤、干燥；步骤③中加热至恒重，称量氧化铁质量。写出相关反应的离子方程式（略）。

【问题设计4】此沉淀法的方案能否应用于测定墨水字迹中的Fe2+含量？

【互动交流】操作步骤较多，可能会有损失；墨水中亚铁离子含量太少，可能测定不准确。

【问题设计5】1.还有其他方案可以更准确地测定Fe2+含量吗？2.已知KMnO4是常用于测定Fe2+含量的试剂，反应过程中被还原得到Mn2+，该方法能否用于检测墨水字迹中的Fe2+含量？

【互动交流】墨水本身有颜色，对高锰酸钾反应过程中颜色变化的观测有干扰；根据资料卡片信息可知， 蓝色有机染料具有一定的还原性，可能会过多消耗高锰酸钾，使测定不准确。

评析：根据前面的实验探究得出墨水变色的原因，设计5个有层次、有关联、有深度的驱动性关键问题，形成问题链，导向深度学习。问题设计1指向案情分析，揭秘遗书真伪，是后续问题设计的逻辑起点。问题设计2至问题设计5，是对测定FeSO4中的Fe2+含量模拟方案的探讨，主要有沉淀法方案和氧化还原法方案。对于沉淀法方案，可从原理科学性、试剂绿色化、操作简约性、结果准确性等角度进行评价；对于氧化还原法方案，可从原理科学性、试剂干扰性等角度进行评价。问题设计5的探讨也是后续拓展性学习的逻辑线索。整个环节的活动设计，有助于提升学生对铁元素价类二维图的工具性的认识，使学生学会建构定量测定的实验方法模型，即物质性质—转化关系—方案设计与评价—定量测定。对不同方案的评价和分析，突出了对化学思辨能力，分析、解决复杂真实问题的能力以及化学高阶思维能力的培养。

环节四：了解方法，模拟测定

【问题设计】基于上述实验方案存在的局限性，阅读色度法相关资料，了解定量测定铁元素的新方法。

【互动交流】1.根据溶液的吸光度与浓度成正比，可以通过测一定浓度梯度的标准溶液，绘制吸光度与浓度的曲线，然后测定待测液的吸光度，从而计算出待测液的浓度。2.色度法适用于有颜色的溶液，浓度越大，颜色越深，吸光度越大。3.在Fe2+、Fe3+共存的情况下，邻菲罗啉不受Fe3+干扰，可专一识别Fe2+。因此，可利用邻菲罗啉在Fe2+、Fe3+共存的复杂环境中检测Fe2+的浓度。4.用色度傳感器进行数据采集。

【探究点】分光光度法模拟测定字迹留存时间实验。

【学生实验】处理字样—配制标准溶液—绘制标准曲线—测定样品吸光度—对照标准曲线读数。

【课堂总结】从价类二维图模型、定量测定实验方法、育人观念等角度总结评价，提升学生认知，促进学生发展。

评析：用沉淀法测定存在质量损失，不够准确，而用氧化还原法测定会有颜色和其他还原性物质的干扰。用色度法测定较为准确，从其测定原理又关联到更准确的分光光度法，提升了学生对化学与信息技术融合的认识，拓宽了学生的科学视野。

三、教学反思

本节课按化学实验教学“四要素”设计范式制订教学流程和教学策略，通过分析遗书真伪的案情创设教学情境，以探究墨水中亚铁离子的含量为主线索，借助铁元素价类二维图模型，建构定量测定的实验方法模型，提升学生的证据推理和科学探究素养。

本节课“探究点”的设计主要聚焦在墨水的变色原因上，而探究过程中出现的与“应然现象”相冲突的“异常点”现象，催发了微观分析的“生成点”，进而进入实验论证。教学过程逻辑严密有序，体现了严谨的科学探究过程，培养了学生的科学求实精神。通过原理迁移，由色度法测定迁移到分光光度法测定，拓展了学生视野。在“原理探析，模拟方案”环节，主要是从理论上进行方案设计与评价，若能增加证实或证伪的探究性实验，效果会更好。

本节课“品质点”的设计是为“立德树人”的育人理念服务的。本节课引入溶氧传感器、色度传感器、分光光度计等数字化实验仪器，呈现了科技发展新成果，培养了学生严谨求实的探究精神。通过鉴定遗书真伪的办案情境，培育了学生的社会责任感和决策能力，正向引导学生树立公平正义的价值取向。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  杨恒建，贝伟浩.深度学习视角下的高三化学实验复习教学［J］.中学教学参考，2021（32）：61-63.

［3］  胡久华.以深度学习促核心素养发展的化学教学［J］.基础教育课程，2019（Z1）：70-78.

［4］  贝伟浩，蓝仁敏，张金恒.化学实验教学“四要素设计模式”研究［J］.广西教育，2021（2）：28-30.

（责任编辑 罗 艳）