高中化学主题作业设计的实践与反思

陈斐 张贤金

摘要： 分析高中化学主题作业的内涵和价值，对主题作业设计的研究现状进行梳理。以“认识Fe3O4”主题作业设计为例，对Fe3O4从多角度分析教学价值并设计习题，围绕古籍中的Fe3O4、生活中的Fe3O4、神奇的Fe3O4纳米粒子等子情境将习题串联整合形成主题作业，探讨Fe3O4主题作业设计的思路和整体结构。实践后反思：针对主题的深度挖掘是前提，围绕主题的情境串联是关键，引领主题的评价目标是灵魂。

关键词： 高中化学； 主题作业； 作业设计； Fe3O4主题

文章编号： 10056629（2024）01007905

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学作业是课堂的延续和拓展，是课程的重要组成部分。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在教学与评价建议中指出：教师应充分发挥课后作业对学生化学学科核心知识的复习、巩固、评价、诊断和发展功能；精心编制的课后作业，才能有效开展化学日常的学习评价，实施“教学评”一体化，促进化学学科核心素养的落地［1］。随着课程改革的推进，作业及试题的情境化研究已较为深入和广泛，作业或试题几乎做到“题题有情境”，但也存在无效情境、情境滥用等问题；同时从作业整体结构看，大多数情境只针对单一题目，情境虽多但之间缺乏联系，只会增加学生学习负担，不利于知识巩固和能力提升。因此，进一步优化作业结构，从整体的角度对作业进行主题化设计，注重习题之间情境素材、任务解决、评价目标等的有机关联，是作业设计研究的一个方向。

1 高中化学主题作业的内涵及研究现状

1.1 高中化学主题作业的内涵与价值

化学主题教学是以化学学科核心概念或化学学科思想观念为引领，充分发挥主题对教学的统摄作用，通过对各类资源的挖掘整合，创设学习情境及驱动性问题，促进学生学科核心素养发展为目标的一种教学模式［2］。化学主题作业是将主题教学的思想融入作业设计，以一个特定的主题统摄整份作业，将一系列与该主题关联紧密的真实情境下的问题解决以习题的形式呈现，再以一定的编排思路对习题进行串联整合的作业设计模式。主题作业情境、知识和认知角度三线并行，有机融合，将习题任务与化学核心知识的实践应用相结合，从而优化作业结构，提高作业完成的有效性，有助于实现“教学评”一体化。

1.2 主题作业设计的研究现状

在中国知网进行相关文献搜索发现，与高中化学相关的“主题教学”“主题命题”“作业设计”均有较多论述，尚未在高中化学作业设计中出现“主题作业”这一提法，但有相似观点的论述。吕天恩以“烃的衍生物”单元作业为例，提出将情境化与作业设计相结合的“情境化作业”，并提出情境化作业设计应主题化、结构化、项目化和层次化［3］。胡乐萌以“溴和碘的提取”单元教学为例，设计基于真实情境的开放性、实践性的新型作业，涉及实验操作、文献阅读、调查走访和研究报告撰写等，从多角度培养学生多层次的综合能力［4］。总之，鲜有对高中化学作业进行主题化设计的研究报道。

2 高中化学主题作业设计的实践案例

2.1 Fe3O4主题作业设计的背景

苏教版化学必修第二册（2020版）教材将“铁及其化合物性质”安排在“专题九”，是必修部分学习的“压轴出场”，专题及单元标题名称为“探究铁及其化合物的转化”“反应的合理选择”和“反应条件的控制”。教学目标是以铁及其化合物转化的探究为载体，学会根据化学反应规律和物质性质特点从多方面对制备路线进行选择，对反应条件进行控制。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程主题２的情境素材建议栏目中，提出可用打印机（或复印机）的墨粉（含有Fe3Ｏ4）创设真实的教学情境，展开铁及其化合物的性质与应用的教学［5］。

Fe3O4具有丰富的教学价值。Fe3O4的性质、用途、制备、提纯等几乎涵盖铁及其化合物不同价态及不同类别间的所有典型转化，有助于巩固形成“价态和类别”的无机物认识角度；沉淀法制备Fe3O4路线在方案设计、反应条件的控制与优化等实验过程涉及多种化学实验基本操作的综合运用，有助于巩固无机物制备的思维模型，提升实验方案设计、优化等能力，其中，对磁性的运用如磁性检验、磁性分离是Fe3O4的特色，丰富了高中化学的物质分离方法。

2.2 Fe3O4主题作业设计的思路和整体结构

本主题作业为面向高一学生的“探究铁及其化合物的转化”专题复习作业，以“认识Fe3O4”为主题（整体结构如表1），以“性质→用途→制备”认识无机物一般思路为主线，串联“古籍中的Fe3O4”“生活中的Fe3O4”“神奇的Fe3O4纳米粒子”等子情境，每个子情境均设计若干真实问题解决的习题任务，并以不同角度、难度、题型加以呈现。每个习题承载着相应的评价目标，并串联成整个主题作业的总目标。学生在完成作业、解决问题的过程中，巩固铁及其化合物知识，形成无机物的认识角度，促进核心素养的多维发展，通过了解一种物质，扩大知识面，使作业兼具科普性和趣味性。

2.3 Fe3O4素材挖掘和作业设计示例

2.3.1 古籍中对Fe3O4的记载

主要成分为Fe3O4的矿石古称“慈石”，现称“磁石”。磁石始载于《神农本草经》，“慈石取铁，如慈母之招子，故名”。磁石為常用中药，历版《中国药典》均有收载。磁石炮制的主要方法是“火煅醋淬后研末水飞”。现代研究认为“火煅”能降低有害元素锰、铅、铬、钡等的含量。“醋淬”可使铁氧化物变为溶解度较大的醋酸铁，增加溶出率。“水飞”是固体在湿润条件下研磨，再利用粗细粉在水里不同的悬浮性进一步提纯而取得极细粉末［7］。

例1 “慈石”，现称“磁石”，始载于《神农本草经》：“慈石取铁，如慈母之招子，故名”。磁石是一味中药，多采用醋淬的炮制方法，更有利于药效的发挥。宋《圣济总录》记载：煅，醋淬七遍捣研如粉。下列说法不正确的是（  ）。

A. 磁石的主要成分是Fe2O3

B. “煅”是高温煅烧，可能是为了除去某些杂质

C. “醋淬”利用了铁的氧化物可以和酸反应的性质

D. “慈石取铁，如慈母之招子”指慈石具有磁性

答案：A

设计意图：将本草古籍作为素材融入化学学习，用化学的视角和化学知识对古籍进行解读，增添化学学习的人文色彩，弘扬中医药文化。

2.3.2 Fe3O4的用途

Fe3O4的用途主要源于其磁性、硬度大、化学性质相对稳定等特点。利用硬度大可作磨料、抛光剂、刹车片等；利用化学性质稳定制作底漆和面漆、钢铁的“烤蓝”以减慢锈蚀等；利用磁性可用作磁记录材料、打印机墨粉等。此外，利用Fe3O4晶胞剩余空隙以及Fe2+与Fe3+间电子的相互转移可作为催化剂载体或催化剂如铁触媒等。

材料科学尤其是纳米技术的发展使得Fe3O4焕发出新的生机，它不仅化学性质稳定、磁性优良、催化活性高、环境友好、生物相容性好，而且来源丰富、价格低廉、制备工艺简单，在环境治理、生物医药、催化合成、功能性材料制备等领域都有广泛的研究和应用。磁性给它带来独有的优点——易于定向控制和分离，使得它在众多纳米材料中脱颖而出，引起了高度关注。吸附污染物后，利用磁性能从溶剂中快速分离，克服了传统吸附剂分离困难和二次污染的问题；做催化剂或催化剂载体后，利用磁性快速分离得以循环使用；作为药物载体在磁场作用下定向进入生物体特定区域，并在当撤去磁场后即被机体清除不产生残留。此外，Fe3O4也被研究应用于特殊材料如电池电极材料、磁性液体、微波吸附材料、磁性密封材料等领域［8］。

例2 铁锅、枪支常经过“烤蓝”处理而呈现黑色。烤蓝的原理是在钢铁表面生成一定厚度和强度的致密的Fe3O4氧化层，从而防止铁生锈。

（1） 把一片银白色刀片“烤蓝”，只需用水润湿后放在火上灼烧片刻，刀片变黑，烤蓝完成。该过程中发生反应的化学方程式是 。

（2） 工业上用NaOH、 NaNO2、 NaNO3等配制成“烤蓝液”在一定温度下将零件放入烤蓝液中浸泡一段时间从而对铁质零件进行批量烤蓝，发生反应的化学方程式如下：

① 3Fe+NaNO2+5NaOH3Na2FeO2+H2O+NH3↑

②   Fe+  NaNO3+  NaOH+  H2O  Na2Fe2O4+  NH3↑

③ Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2OFe3O4+4NaOH

反应①中NaNO2的作用是    ；配平反应②的方程式（直接写在横线上）；反应③是    （填“氧化还原反应”或“非氧化还原反应”）。

答案：（1） 3Fe+4H2O（g）高温Fe3O4+4H2；

（2） ①氧化剂；②8， 3， 5， 2， 4， 3；③非氧化还原反应

例3 Fe3O4中含有Fe（Ⅱ）、 Fe（Ⅲ），以Fe3O4/Pd为催化材料，可实现用H2消除酸性废水中的致癌物NO－2，其反应过程如图1所示。下列说法错误的是（  ）。

A. Fe（Ⅱ）与Fe（Ⅲ）的相互转化起到了传递电子的作用

B. 反应过程中NO-2被Fe（Ⅱ）还原为N2

C. 该反应的总方程式为3H2+2NO-2+2H+N2↑+4H2O

D．用该法处理后水体的pH降低

答案：D

设计意图：以钢铁“烤蓝”和Fe3O4/Pd催化下用H2消除废水污染为背景，通过对两种Fe→Fe3O4的转化途径和Fe3O4催化反应机理的分析，提升运用“价态”的角度分析问题及运用“氧化还原反应”解决问题的能力，促进无机物认识角度的形成。

2.3.3 Fe3O4的化学性质及制备方法

Fe3O4既有氧化性又有还原性：在空气中加热可被氧化成Fe2O3，可被浓硝酸等强氧化性酸溶解并氧化；可被氢气、CO、铝高温下还原为铁单质；可以与铁单质在900℃至1000℃时歸中为Fe2O3。天然磁铁矿与盐酸反应速率十分缓慢，但粉碎后加热也可溶出；工业合成Fe3O4粒径小、比表面积大，与盐酸和硫酸在通常条件下均可反应［9］。

制备纳米Fe3O4的方法总体上可分为固相法和液相法。固相法操作简单、工艺成熟，但产品品质较低且能耗高；液相法在溶液中经过沉淀、脱水和结晶等过程得到纳米Fe3O4能耗低、产物品质高，其中主要有沉淀法、微乳液法、水热法和溶胶法等。沉淀法应用最为广泛，是目前制备纳米Fe3O4的主要方法。沉淀法设备简单、反应条件温和、原料价格低廉、工艺流程短，易于工业化生产。沉淀法还分为共沉淀法、氧化沉淀法和还原沉淀法［10］，见图2。

粉末粒径和磁学性能是重要指标，影响因素较多。如碱性条件下，二价铁极易被氧化使得产物中Fe2+和Fe3+的比例很难控制为1∶2；又如Fe3O4的磁性易导致纳米粒子发生“团聚”而使产品粒径过大；反应温度、反应物浓度、铁盐的类型、沉淀剂的种类及加入方式、反应终点的pH等都会影响产品品质，需要对生产条件做精细的控制［11］。

例4 磁流体是磁性纳米粒子用表面活性剂处理后，均匀分散在溶液中形成的稳定胶体悬浮液。它既有液体的流动性，又有固体磁性材料的磁性，是一种新型的功能材料。某探究小组准备制备Fe3O4磁流体，实验方案如下［12］：

① 取20mL mol·L-1 FeCl3、5mL mol·L-1 FeCl2溶液于烧瓶中，开启磁力搅拌器；

② 用恒压滴液漏斗向烧瓶中加入一定浓度氨水，得到黑色浑浊液体混合物；

③ 将黑色浑浊液体混合物倒入烧杯中，分离、洗涤；

④ 加入适量表面活性剂，用强磁铁在烧杯底部来回运动使其充分混合，即制得Fe3O4磁流体。

（1） 写出制备反应的离子方程式              。

（2） 步骤③中得到的液体混合物中，Fe3O4颗粒较小，过滤很慢。该实验小组利用Fe3O4特性采取了一个方法可加速Fe3O4沉降过滤，该方法可能是    。

（3） 氨水浓度会影响沉淀颜色和磁响应性（见表2），氨水的最佳浓度是    。

（4） 设计实验方案，证明制得的黑色沉淀物同时含有+2价和+3价的Fe元素：

答案：（1） 2Fe3++Fe2++8NH3·H2OFe3O4↓+8NH+4+4H2O；

（2） 用强磁铁吸附黑色沉淀使其快速沉降后，用倾析法倾倒出上层液体，得到黑色沉淀；

（3） 2mol·L-1；

（4） 取少量黑色沉淀并洗涤至检验不出Fe3+、 Fe2+后，加入盐酸，充分反应后，取上层溶液，分别滴加硫氰化钾和铁氰化钾溶液，若分别出现血红色溶液和蓝色沉淀，则证明同时含有+2价和+3价的Fe元素。

设计意图：Fe3O4纳米粒子的制备实验综合体现含铁物质的转化关系，涉及分离提纯、定性检验和反应条件的控制等多种化学实验基本操作和基本方法，有助于无机物认识视角的形成与巩固、解决无机物问题综合能力的提高以及多维度核心素养的提升。

3 高中化学主题作业设计的实践反思

3.1 针对主题的深度挖掘是主题作业设计的前提

主题作业设计前尽可能对主题做好全面而深入的价值挖掘，从中精选出合适的素材进行整合。以具体物质为主题时，可从结构、性质、用途、制备、古籍文献记载、相关习题等角度进行挖掘与素材搜集。了解足够透彻，才能选取到足够合适的素材承载相应的评价目标。如本作业主题物质Fe3O4所选素材中，磁石的炮制方法运用了常见的原理处理提取方法；Fe3O4纳米材料的制备原理、分离检验、Fe3O4催化机理等均充分体现了铁及其化合物的转化关系。同时，对主题物质深入挖掘才能保证其真实性和科学性，如常见关于“Fe3O4可以和氧化性酸及还原性酸反应”的习题，并无太大的应用价值，是缺乏真实情境的。

3.2 围绕主题的情境串联是主题作业设计的关键

主题作业是情境化的，真实、多样且有效的情境才能带给学生真实且多面的学科体验。本作业中涉及古代科技文献情境、实验探究情境、工业生产情境、生产生活情境，新科技情境等多种真实情境。同时，主题作业是结构化的，应关注情境之间的关联，所有情境围绕同一个主题，不论是一题一情境，或是多题一情境，情境间均不是简单的拼盘，而是相互关联的——前面的情境作业是对后面情境作业的铺垫，或后面情境是对前面情境的深入探究，这样才能促使学生带着浓厚的兴趣进入后续的情境。本作业从古代科技文化中关于Fe3O4的记载引入对Fe3O4性质进行预测，接着运用性质分析Fe3O4的用途，再进一步探究Fe3O4的制备。

3.3 引领主题的学习目标是主题作业设计的灵魂

鲜明的主题、结构化的情境都是为了达成一定的学习目标。设计前先根据课标、教材和学情制订可测评的学习目标，再结合教学过程规划出主题作业的功能价值，谋篇布局，合理编排，确保目标的覆盖和重难点的合理分布。本作业以巩固发展“结构决定性质、性质决定用途”“价类二维”素养目标贯穿始终，涵盖绝大多数铁及其化合物的必备知识，解决的问题涉及反应原理分析、工艺流程分析、实验探究等多种类型，情境有熟悉有陌生，问题有简单有复杂，有定性有定量，能力要求应符合对应学段的学生能力水平。学生在完成作业的过程中，对学科知识的运用由生疏到熟练，知识得到巩固，解决问题的方法由单一到综合，能力得到提升，在深度思考中建立解决复杂化学问题的思维框架，形成学科思想与认识角度，多维度地提升学科核心素养。

参考文献：

［1］房喻， 徐端钧主编. 普通高中化学课程标准解读［M］. 北京： 高等教育出版社， 2020： 104～105.

［2］王懷文， 张春燕. 高中化学主题教学研究文献综述及教学启示［J］. 中学化学教学参考， 2022， （3）： 5～9.

［3］吕天恩， 占小红， 林美凤. 高中化学情境化作业设计研究［J］. 化学教育（中英文）， 2022， （5）： 62～67.

［4］胡乐萌. 基于真实情境的“溴和碘的提取”新型作业设计［J］. 化学教学， 2022， （5）： 78～82.

［5］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 16.

［6］单旭峰. 高考化学学科关键能力的建构思路、基本内涵和考察实施途径［J］. 课程·教材·教法， 2022， （6）： 139～146.

［7］傅兴圣， 刘训红， 吴德康等. 磁石的本草考证及研究概述［J］. 现代中药研究与实践， 2011， （1）： 18～21.

［8］［10］［11］朱脉勇， 陈齐， 童文杰等. 四氧化三铁纳米材料的制备与应用［J］. 化学进展， 2017， （11）： 1366～1394.

［9］邵传强， 叶依丛. 四氧化三铁与酸反应的文献考证与实证研究［J］. 化学教育， 2021， 42（21）： 94～98.

［12］许亮亮， 张知为， 王简文等. 基于STEAM理念的高中化学创新实验研究［J］. 化学教育， 2020， （9）： 84～86.