大概念统领的“铁及其化合物”单元整体教学设计与实施

宋靳红 申燕 曹璨 丁晓武

摘要：以真实情境“聚合硫酸铁絮凝剂的制备与应用”为贯穿单元始终的总任务，设计“寻找合适铁源”、“絮凝剂的制备”及“絮凝剂的应用”三课时的“铁及其化合物”的单元教学，突出“含有相同元素的物质在一定条件下是可以相互转化的”大概念对本单元学习的统领作用，并引导学生基于“价类”二维视角认识铁及其化合物之间的转化。设计单元整体评价，力求全面诊断学生的学习过程和学习结果。

关键词：大概念；铁及其化合物；单元教学；“价类”二维

文章编号：10056629（2023）12003007

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

新一轮教学改革中，在《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）指导下，以新教材的实施使用为契机，教与学方式的转变成为当下教学实践探索的热点。新课标指出重视开展“素养为本”的教学，更加关注学生在真实情境下通过多感官参与探究活动建构知识体系^［1］。而单元教学是介于课程规划与课时教学设计之间的中观层面的教学实践，通过“瞻前顾后”的联系将知识适度整合，有效地避免了知识散点化、碎片化，有利于学生阶段性学科核心素养的达成。学科大概念在单元教学中发挥统摄作用，是各课时教学内容高度融合的核心，并且大概念本身具有可迁移功能，对学生形成结构化的知识体系、提升举一反三的能力是大有裨益的。因此，大概念統领的单元整体教学是落实学生素养发展的有效途径。

本次单元整体教学基于新课标主题2关于“元素与物质”的具体要求，抽提出“含有同种元素的物质在一定条件下是可以相互转化的”这一大概念，并以此统摄整个教学单元。教学过程中注重整体规划，创造性地开发了较为新颖又贴近学生的情境总任务“聚合硫酸铁絮凝剂的制备与应用”，以真实的生产流程情境为明线推进各教学环节，而大概念的建构作为暗线渗透于教学的始终。利用任务和问题驱动，引导学生在真实情境中建构并应用“铁及其化合物”的相关知识，实现思维的进阶发展。

1 教学主题

“铁及其化合物”是高中化学金属元素及其化合物中较为典型的教学内容，新课标针对该部分内容更加强调真实情境在学生知识建构与应用中的承载功能，突出元素及其化合物与生产生活的实际关联，重视氧化还原反应等核心概念的指导作用。同时，元素及其化合物知识的不断丰富也为发展学生已有核心概念提供了支持，为解释生产生活现象、解决实际问题提供了依据。

基于学生已有认知，“钠及其化合物”重点突出从不同物质类别视角研究物质性质，“氯及其化合物”更注重从价态变化视角研究物质性质，而“铁及其化合物”教学主题，则是集元素价态和物质类别视角于一体，引导学生建构“价类”二维视角。

2 教学思想

2.1 抽提大概念，发挥大概念对教与学的统领作用

本单元教学设计以生产生活中一种重要的“聚合硫酸铁絮凝剂的制备和应用”为情境贯穿单元始终，充分发挥学科大概念在本单元教学过程中的统领作用，重在引导学生从“价类”二维视角认识铁及其化合物，逐步完善、应用并发展认识视角。本单元教学的大概念和各层级概念之间的关系如图1所示。

2.2 创设真情境，引导学生在真实问题解决中建构

新课标颁布后，针对“铁及其化合物”教学情境的开发，广大化学教育者进行了大量的探索，如线路板腐蚀液的研究、菠菜中铁元素的定量测定、各种补铁剂等。目前开发的教学情境多源于新课标提供的情境素材建议，情境的创新与优化同样值得研究与探讨^［2，3］。

近年来，可持续发展的理念逐渐贯穿于各领域，絮凝剂的市场需求量正逐年增加。聚合硫酸铁^［4］{［Fe₂（OH）_n（SO₄）_3-n/2］_m}是一种无机高分子高效絮凝剂，被广泛应用于工业废水、生活污水等的处理，该物质的制备流程比较贴近高中学生认知发展。以生产硫酸中废弃的烧渣为原料，经酸溶、催化氧化、聚合等步骤实现其工业制备^［5］，可在课堂上模拟该过程获得絮凝剂并检验其净水效果。为便于课堂实施，笔者团队多次优化制备实验过程^［6，7］，如酸浸后采用离心分离提升了课堂效率；借助微波辅助技术大大缩短了“催化氧化”步骤的时间；摸索悬浊液的最佳配比，便于使用浊度计检测净水效果。此外，基于流程将铁的单质、氧化物、氢氧化物、盐等知识内容进行整合，使该情境成为本节教学的优良载体。

2.3 评价贯始终，全面诊断学情及时反馈优化教学

本单元教学采用整体评价设计，除镶嵌于教学各环节中的形成性评价之外，还包括课前测、课时测、课后测及学生访谈（见表1）。

灵活运用活动表现、问卷、学生访谈、纸笔测验等多样化的评价方式，通过学生自评、同伴互评与教师评价相结合，发挥多元评价的合力作用。

3 单元教学目标

依据新课标内容要求及学业要求，结合具体的教学设计，梳理出本单元的整体教学目标。

（1）通过对聚合硫酸铁组成的分析，结合铁元素在自然界中的存在，从生产实际出发寻找铁源并设计转化路线，经过预测、验证、观察等过程，建立基于“价类”二维视角研究物质性质的思路模型。

（2）通过合适氧化剂的选择，聚焦Fe²⁺到Fe³⁺的转化并确定制备方案，经过试剂选择、方案设计、实验验证、产品检验和对比分析等过程，发展基于氧化还原视角设计物质转化方案的能力。

（3）通过絮凝剂的组成特点、净水原理分析及净水效果检验的过程，掌握Fe（OH）₂的制备方法，了解定性、定量检测净水效果的方法，了解实验方案设计、条件控制、操作技术等化学调控的重要意义。

4 教学流程

本单元教学以“聚合硫酸铁的制备与应用”为情境载体，参照制备聚合硫酸铁的工艺流程路线展开各课时的教学（见图2）。

第1课时认识聚合硫酸铁絮凝剂的成分，设计并分析制备方案，最終确定以废烧渣为原料，初步建构铁及其化合物“价类”二维模型；第2课时聚焦分析氧化过程，对比不同氧化剂的氧化效果，最终确定氧化方案，通过分组实验成功制备聚合硫酸铁絮凝剂产品，并基于“价类”二维视角完善铁及其化合物的转化路径；第3课时从产品组成角度分析工艺过程，分组实验测试絮凝剂的净水效果，拓展了解高铁酸盐的净水原理，完整构建基于“价类”二维视角的铁及其化合物的转化关系。具体教学流程见图3。

5 教学实录

教学实施过程由三位教师合作并连续完成，分别选取三课时中围绕重点问题解决的师生对话进行梳理。

5.1 情境任务驱动，设计制备方案

通过任务驱动，将铁单质、铁的氧化物以及铁盐和亚铁盐的部分性质融入其中，通过将已有知识及所获取的新知识作为解决问题的工具，逐步建构知识网络。具体如下：

［师］经济发展，离不开对环境的保护，绿水青山的美好，需要化学工作者努力实现，那么如何让浑浊的污水变成清水呢？

［生］加净水剂。

教师展示初中教材“自来水厂净水过程示意图”，引出本单元教学主题——聚合硫酸铁絮凝剂的制备及应用。

［师］聚合硫酸铁中核心元素是什么？

［生］铁元素。

［师］制备聚合硫酸铁，我们首先需要寻找铁源。铁从何而来？思考自然界中铁有哪些存在形式？

［生］单质铁、氧化铁，矿石……

［师］请同学们梳理常见的铁及其化合物物质类别，结合之前所学元素及其化合物的认识角度，我们可以基于哪些视角来研究铁及其化合物？

［生］物质类别和元素价态。

［师］请同学们将你所知道的铁及其化合物绘制于“价类”二维图中。

［师］铁及其化合物种类丰富，哪些物质可用作制备聚合硫酸铁的中间产物Fe₂（SO₄）₃的原料呢？请同学们设计合理的转化路线。

学生开展小组讨论，并由代表结合“价类”二维图汇报转化路线（见图4）。

［生1］Fe与H₂SO₄反应先转化为FeSO₄，再氧化生成Fe₂（SO₄）₃。

［生2］Fe先转化为Fe₂O₃，再与H₂SO₄反应生成Fe₂（SO₄）₃。

［生3］Fe先转化为Fe₃O₄，再与H₂SO₄反应生成Fe₂（SO₄）₃。

［师］Fe如何转化为Fe₃O₄？

［生］Fe在O₂中燃烧。

［师］是否还有其他方法？

［生］Fe与H₂O（个别学生回答，应为提前作了预习）。

［师］炼铁时，炽热的铁水或钢水注入模具前，模具必须充分干燥，不得留有水。这是为什么？高温下，Fe与H₂O（g）如何反应？产物是什么？我们来验证一下。

教师演示实验，引导学生根据实验现象推导得出结论，并在“价类”二维图中补充Fe→Fe₃O₄的转化方式。

［师］除了以Fe为原料实现转化，是否还有其他的转化方案？

［生1］可以直接从铁的氧化物出发，自然界也有铁的氧化物。

［生2］Fe₃O₄与H₂SO₄反应。

［生3］Fe₃O₄与H₂SO₄反应得到Fe²⁺和Fe³⁺，需要继续氧化，以赤铁矿为原料与H₂SO₄反应可以一步实现转化。

［师］同学们都能基于物质类别和价态视角设计转化方案！请大家阅读关于Fe₃O₄的资料信息，你能得到哪些重要信息？

［生］Fe₃O₄的晶型不同，其性质就不同。试剂纯的Fe₃O₄可与稀硫酸缓慢反应，但磁铁矿中的Fe₃O₄及炼铁烧渣中的Fe₃O₄几乎不与稀硫酸反应。

［师］除反应原理，其实反应条件、反应速率及成本等都需要在实际工业生产中综合考虑。请大家根据实际工艺流程，分析工业生产所选择的转化方案。

开展分组实验，以实验室模拟烧渣和废铁屑为原料，完成硫酸亚铁的制备。

5.2 注重思维培养，完成核心转化

学生在限选试剂中选择适合于工业生产的氧化剂并说明理由，多角度综合考虑实际生产问题，有利于诊断学生应用氧化还原知识分析问题的能力，发展学生的认识视角。

［师］我们已经制得了FeSO₄，然后怎样实现从Fe²⁺到Fe³⁺的转化呢？需要加入什么试剂？

［生］需要氧化，加入氧化剂。

在“价类”二维图中补充此步转化过程。

［师］请大家在所给试剂中选择，并设计实验验证方案是否可行（见图5）。

［生1］我们组选择酸性KMnO₄溶液作为氧化剂，实验时，酸性KMnO₄溶液紫色退去，滴加KSCN溶液后，溶液变红。

［生2］我们组选择氯水、H₂O₂溶液氧化Fe²⁺，再滴加KSCN溶液，观察到溶液变红，可以验证方案可行。

［生3］我们组同样选择H₂O₂溶液，除观察到前面小组同学描述的现象外，我们还观察到溶液中有气泡产生。

［师］这个气泡是什么？为什么会产生该气体？

［生］应该是H₂O₂分解产生的O₂。

［师］为什么H₂O₂自身分解缓慢，而此时却快速分解？

［生］Fe³⁺起催化作用。

［师］还有没有其他方案？

［生4］我们组选择KClO₃，也是可行的。

［生5］我们组选择Na₂S，我们认为钠元素处于+1价（高价态），也应具有氧化性，但我们的实验没成功。

［生6］Na₂S是还原剂，其中硫元素为-2价，处于最低价。

［师］Na⁺有没有氧化性呢？

［生6］有，但是比较弱。钠单质很容易失去电子，金属还原性很强，形成Na⁺比较稳定，得电子能力很弱，氧化性弱。

［师］通过实验方案的设计及验证，我们初步得出了结论。如果你是工程师，你会选择哪种方案？

［生1］选择氯水或者KMnO₄，反应快。

［生2］但是氯水有毒，KMnO₄会引入重金属，都会产生污染；我们选H₂O₂溶液，绿色环保。

［生3］但是H₂O₂分解会导致大量损失浪费，我们选择KClO₃。

［师］同学们从多重角度进行了利弊分析，实际工艺中，选择KClO₃作氧化剂。此外，我们在课堂上模拟此过程时还可借助微波辅助加快反应速率。

5.3 控制变量，检验絮凝效果

利用所制得的絮凝剂完成对高岭土悬浊液的絮凝净化，结合数字化仪器（浊度计）定量测定浊度值的变化。让学生真切地感受到通过小组合作制得的絮凝剂的使用价值，从实验的成功中获得成就感。

［师］制得的聚合硫酸铁絮凝剂的净水效果如何？请同学们对高岭土悬浊液进行絮凝净化，并用浊度计测定使用絮凝剂前后的浊度值，判断净水效果。

教师介绍浊度计的使用方法，并示范测量使用絮凝剂前的浊度值为483.3NTU。随后，学生分组实验，记录实验数据，汇报实验结果。

［生1］我们小组净水后，浊度值是330NTU，降浊效果不是特别好，可能是操作失误导致的，因为取样时，取到了底部的杂质，导致数据出现偏差。但从现象上可以明显看出絮凝沉降效果。

［生2］我们小组吸取上层清液，测出的浊度值为140.0NTU。

［师］在课堂有限的时间内，虽静置时间较短，但我们已经看到了所制得絮凝剂的净水效果。老师在课前的实验摸索中，发现污水样本的浊度可以降至28.5NTU，这是符合国家城镇污水排放标准的（<30NTU）。

教师引导学生进一步讨论制备净水效果优良的絮凝剂的关键实验因素，并拓展介绍具备双重净水效果的高铁酸钾净水剂，了解其制备及净水原理，完善铁及其化合物的“价类”二维图。

6 评价实施与结果分析

采用单元整体评价包括课前测、课时测、课后测、课后访谈，以及教学各环节中的形成性评价，进一步实现“教、学、评”一体化。

在课前测中，学生对物质分类、氧化还原反应、离子反应等基础知识的掌握情况良好，而对于“你认为Cu与FeCl₃溶液可以反应吗”这一问题近40%的学生仅从金属活动性强弱视角预测两者不能反应；对于“你认为Fe与H₂O可以反应吗”则80%的学生比较陌生，即使认为Fe与H₂O能反应，也无法正确书写化学方程式，主要是产物书写不正确。同样地，97%的学生都对聚合硫酸铁絮凝剂的制备感兴趣，但几乎所有的学生都不能准确预测该絮凝剂的制备原料和制备原理。通过课前测数据，了解了学生的已有认知、现阶段的认知发展点，以及学生对所创设教学情境的感兴趣程度，为教师適度调整教学提供了依据。

在各课时测中，基于以含铁烧渣为原料的制备工艺设计问题，伴随着学习深入，问题的复杂度和综合度也逐渐提升。如第1课时作业第8题，围绕硫铁矿烧渣制备聚合硫酸铁絮凝剂的主要流程，仅针对获得“精制FeSO₄溶液”的部分工艺步骤进行设问，75%的学生掌握情况良好；第2课时作业第6题，围绕从烧渣到产品获得的完整流程，针对实验操作、离子检验、机理探究、符号表征等维度进行综合测评，有40%的学生不能结合流程中含铁物质的转化准确分析离子的检验方法；第3课时作业第7题，则是以烧渣为原料迁移拓展制备水合氧化铁［FeO（OH）］，实现从熟悉情境到陌生情境知识的迁移应用，对流程中“加热氧化”步骤化学方程式的书写，30%的学生写成Fe（OH）₂氧化为Fe（OH）₃的反应［正确应为4Fe（OH）₂+O₂△4FeO（OH）+2H₂O］，说明学生对相对陌生的流程分析不到位。通过课时测结果的反馈得出，学生经过本单元的学习，对于铁及其化合物的性质、转化、化学（离子）方程式书写以及相关离子的检验等，掌握情况良好，但对于相对陌生情境中知识的综合应用，仍需后期再进行拓展强化。

在课后测中，大部分学生能借助实验探究情境书写铁与水蒸气反应的化学方程式，但对于给出铁泥、部分转化原理、物质稳定存在的酸碱性环境等信息，由学生设计以铁泥为原料制备Na₂FeO₄晶体的工艺路线（此题对应学业质量水平4），50%的学生仅写出原料，说明尚未形成方案设计的角度和思路，而对于其中的氧化步骤，学生的正确率较高。究其原因，复杂陌生问题需学生尽可能全面地调用所学知识加以解决，但由于其认识发展的阶段性，学生解决此类问题仍表现出缺乏系统思考或尚未形成完整的解决问题的思路。

访谈时，学生表示“这三节课是一条线顺下来的，具有连贯性”“这三节课所学的内容与实际有关联，能应用于生活中”“亲手制备出来絮凝剂产品，觉得特别有成就感”“对不一样的实验现象，老师可以进一步分析原因，如同样的实验步骤，为什么得到的产品有些比较干燥，有些却呈现粘稠状”……通过教师不断追问和学生讨论，充分表达了他们在本单元学习过程中的真实体验和感受，学生的反馈也为教师整体把握教学实施的价值、优势与不足提供参考。

多维度评价的结果表明，学生在任务驱动下，初步完成了铁及其化合物知识体系的建构，但仍需不断提升知识的综合应用水平。

7 教学总结

本单元教学抽提出“含同种元素的物质在一定条件下可以相互转化”的学科大概念，在其统领下，聚焦“铁及其化合物”的相互转化，创设情境贯穿始终，整合了该单元的核心知识，创设性地开发了制备、应用等探究实验，将离心分离、微波辅助、浊度检测等实验引入课堂，增强了学生解决真实问题以及成功制得产品后的积极情感体验。此外，通过多元互动促进学生思维外显，引导学生建构并应用“价类”二维的认识视角，实现了知识到素养的转化。

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