开展综合实践活动 培育科学探究素养

摘 要： 以沪科版《普通高中教科书〈化学〉必修第二册》第5章项目学习活动“如何测定菠菜中铁元素的含量”为例，在“科学探究与创新意识”素养导向下，立足学生全面个性发展，做好科学细致的教学分析；基于校情、师资、学情和教材资源，开展综合实践活动，注重“教-学-评”一体化设计；基于情境设置问题导引，拓展时空贯通学习过程；关注学生科学经历体验，开展问题导学的探究学习活动；贴近经验发现问题，体验试错学会方法，亲身感悟问题解决，有效落实教学目标，培育学生科学探究素养。

关键词： 高中化学； 综合实践活动； 科学探究素养； 问题解决； 铁元素含量

文章编号： 1005-6629（2024）11-0048-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

沪科版高中化学必修新教材增设了“项目学习活动”栏目，这部分内容虽然源于教材的单元主题学习，但往往因其含有高于化学课程标准的内容要求，所需课时也较多，深受“课时特别紧张”困扰的一线教师少有真正将它落实到课堂教学中去的。高中化学新课程标准指出，“在问题解决中发展学生核心素养，基于学科素养进行化学课程学习评价”［1］。在使用新教材的课改实践中，我们感到教材中的“项目学习活动”栏目为学生提供了不错的开展综合性、实践性探究活动的素材，是提升学生化学核心素养、夯实科学素养根基的良好载体，只要我们基于校情、学情对教材中的“项目学习活动”进行细研究和再设计，并有效实施，就可以让它在培育学生科学探究素养等方面发挥独特的作用。本文以“如何测定菠菜中铁元素的含量”为例，介绍我们是怎样在课堂教学中开展综合实践活动，培育学生科学探究素养的。

1 立足学生全面个性发展，做好科学细致教学分析

《普通高中教科书·化学必修第二册》（沪科版）第5章“金属及其化合物”的项目学习活动“如何测定菠菜中铁元素的含量”，是一个任务引领的综合实践活动，设置在学习金属元素单质及其化合物之后，意欲定量检测真实食品中微量铁元素含量，锻炼学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。

我校是地处远郊的市实验性示范高中，学生对理科学习有兴趣，也有一定的探究欲望，但由于从小实验机会少，动手能力较弱。他们在高一生物课中已学过分光光度法，使用分光光度计分别测定过蛋白质和叶绿素的含量。本章也已学习了铁及其化合物的性质及转化，具备了一定的物质检验、提纯、定量测定的知识，但独立完成实验设计的机会不多、动手自主完成任务的能力不足。

我校是全国科学教育实验学校，注重在各学科日常教学及课后自主学习期间开展科学教育。学校科创大楼设有数字化实验室、标准化实验室、环境分析实验室等专用教室，配备有传感器、分析仪器等先进的仪器设备，学校的图书馆、计算机房每天傍晚向学生开放，为学生的探究性学习活动提供了良好的环境支持。

为了促进学生全面个性化的发展，本章的项目学习活动设计为深入的、问题链式的科学探究活动，以自主、合作、探究的活动实施来提升学生的科学探究素养。

2 着力提升化学核心素养，展开科学探究教学设计

基于上述分析，我们选择性地使用教材内容，精心设计适切的教学目标，创设情境，强化问题导引，设计成系列的合作探究活动；拓展时空，允许试错，为探究性学习活动的切实开展提供保障。

2.1 素养导向制定教学目标，注重“教-学-评”一体化设计

探究活动的设计要基于科学教育的目标，并将评价贯穿教与学的全过程，从而实现以评促学、以评促教。因此，我们以科学探究素养为导向制定教学目标，围绕目标设计适宜的学习活动和相应的评价指标，注重过程性与终结性评价相结合的多角度全程性评价，实现“教-学-评”一体化设计（如表1所示），以此获取精准的反馈信息，优化教学内容，最终提升课堂教学质量。

2.2 设置问题导引，凸显问题解决的探究活动设计

科学源于生活，只有贴近生活的探究活动才能让学生真正体会到科学的魅力。根据教学目标，设计本节课的探究活动流程（如图1所示），以问题引导贯穿整个探究活动，分解难度，呈螺旋式上升。立足学生全面个性化的发展，引导学生提出系列的问题链，激发内生学习动力，促进他们主动投入、深度参与、多角度地深层思考，综合运用知识解决问题。

2.3 拓展时空激发学生潜能，贯通“课前-课中-课后”整体设计

科学探究要贯穿始终，以自主、合作、探究的学习方式整体设计探究活动。课前提倡自主探究，将教材中的菠菜预处理前置，引导学生自主组队查阅资料，运用化学提纯思想，设计菠菜预处理的方案，并开展小组实验。课中注重合作探究，将难度较大的关键实验步骤拆解为四步，每组学生只选择其中一步进行深入研究，再分享交流，以集体智慧加深对整个实验方案设计的理解；同时，将耗时稍长、重复多次的标准溶液配制实验进行拆分，6个小组各负责配制一种标准溶液，然后集中起来测定吸光度，合作绘制出一条标准曲线，以提高实验效率。课后注重拓展研究，以分层作业的形式，鼓励学生应用所学方法继续深入探究，从而贯通“课前-课中-课后”整体探究活动的设计。

3 关注学生科学经历体验，有效落实

科学探究活动

实践出真知，科学教育关注学生的科学经历，只有

亲身体验科学探究的艰辛、不断试错才能寻求到科学的真谛。探究活动的落实注重学生体验，学生在经历解决问题的过程中激发求知欲，提升科学探究素养。

3.1 贴近学生生活经验，情境引入发现问题

基于学生已学的铁元素及其化合物知识、生物课分光光度法实验和“吃菠菜可以补铁”的生活经验，引发学生主动提出“什么样的食品铁元素含量较高”“如何测菠菜中铁元素含量”等问题，引出学习活动，引导学生主动投入、深层思考和主动参与。

3.2 体验试错学会方法，亲身感悟问题解决

科学方法的学习不是照方抓药，而是在“试错-纠正-再试”的过程中自主学会、逐步掌握。学生对单一体系的铁离子检验信心十足，但面对真实样品中多种离子的干扰，显得一筹莫展。教师需引导学生学会分析问题、查资料、找方法、再设计、再动手、发现新问题、再纠错、再实践，一次次深度学习探究，最终解决问题。

3.2.1 活动1 课前实验分享，探究菠菜处理

科学学习是永无止境的，要关注前沿科学，学会借助资料学习新知。教师放手让学生课前自主探究菠菜样品的预处理，给学生初次试错体验的机会。

［教师］课前同学们通过查阅资料，了解菠菜中铁的存在形态。

［问题讨论］（1） 菠菜中铁的存在形式如何？

（2） 如何提取菠菜中的铁元素，以便于检测？能研磨榨汁后直接测定吗？能加水提取铁元素吗？

［教师］菠菜中哪些物质会影响铁的测定？如何预处理？

［学生交流分享］

××学生：查阅资料发现，菠菜中的叶绿素对铁元素测定有影响，陈丽等用灼烧法排除草酸、叶绿素等有机物的影响［2］。因此，我们小组采用灼烧酸泡法，称取5g洗净晒干的菠菜茎样品于坩埚中灼烧，除去叶绿素。然后将灼烧后的菠菜灰转移至100mL烧杯中，加入20mL 6mol·L-1的盐酸浸泡。

……

［小结］同学们主要采用了两种方法，“灼烧酸泡法”将铁元素转化为铁离子，“研磨酸泡法”主要将铁元素转化为亚铁离子。

设计意图：菠菜的预处理要求较高、步骤繁琐、浸泡耗时长，但也很有探究的价值。将其前置为课前学生自主活动，通过查文献、初学新知，层层深入探究菠菜中铁元素的存在形式、价态以及性质，设计提取铁元素的方案并进行实验。然后在课中分享交流，聆听各小组的不同方法，加深理解预处理中“烘干、灼烧、溶解”等关键问题。

［实施效果］不同学生小组给出了不同的处理方法，通过问题链讨论和分享交流，破解了学生的困惑，理解了“真实样品不能直接研磨后测铁、不能加水提取”的原因，为下一步实验设计奠定基础。

3.2.2 活动2 定性定量对比，探究测铁方法

检验方法的选择是学生第二次试错。学生讨论发现，单一铁离子、亚铁离子检验的方法竟然都不适用于菠菜中铁元素的检验，一度很困惑。试错后，学生不断纠错、迁移、拓展，从定性到定量、从常量到微量、从传统实验到数字实验，最终建立起真实样品元素检测的方法模型。

［教师］预处理得到的菠菜样品溶液，同时存在亚铁离子和铁离子。为了精准测定铁元素含量，须将铁元素转化为一种价态，如何转化呢？

［学生］根据氧化还原反应原理，加氧化剂如高锰酸钾、双氧水等可将亚铁离子转化为铁离子，或者加盐酸羟氨溶液、维生素C等还原剂将铁离子转化为亚铁离子。

［思考与讨论］（1） 定性检测铁离子、亚铁离子的方法有哪些？

（2） 定量检测铁离子、亚铁离子的方法有哪些？

（3） 请猜想这些方法能否检测菠菜中微量铁元素？

［小结］菠菜中铁元素的含量很小，重量法得到的固体质量太小，误差较大；滴定法，受菠菜中其他还原性杂质干扰较多，如菠菜中的草酸也会被高锰酸钾氧化；显色法可用于微量铁元素的检测。

［教师］随着科技发展，现代仪器分析中测定微量铁元素的方法有火焰原子吸收分光光度法、荧光光度法、分光光度法等。

［思考］高一生物课曾用分光光度法测蛋白质含量，其原理是什么？是否可用于测菠菜中铁元素含量？

［学生］测定某物质在特定波长处的吸光度，理清吸光度与该物质浓度之间的关系，可进行定量分析。

［问题讨论］（1） 溶液浓度与吸光度有什么关系？

（2） 对有色物质有什么要求？

（3） 菠菜测铁元素选用哪种显色剂？

［小结］根据实验原理，利用分光光度计，先对不同浓度的邻二氮菲-亚铁标准溶液进行检测，得到

A-c关系曲线。再测定菠菜样品的吸光度，在标准曲线上找到与之相应的溶液浓度，即可换算该样品铁元素的含量。

设计意图：参照高一生物实验，思考如何排除叶绿素对铁元素测定的干扰；在活动2中，根据实验目的、要求、精度和灵敏度等，逐步引导学生从价-类二维图分析物质的转化，并从氧化还原反应等角度思考测定原理，学会真实样品中微量元素含量的测定方法。

［实施效果］从混合体系到单一体系，从传统实验到数字实验，从生物实验迁移到化学实验，拓展介绍分光光度传感器，提升实验效率，关注前沿科学的应用。让学生逐步地、自主地构建测定微量元素含量的方法模型（如图2所示）。

3.2.3 活动3 分组设计步骤，分享完善方案

科学实验的步骤（方案）是如何设计产生的？先是由学生主动提出了一系列问题，如每一步操作的关键点是什么、影响定量实验精准度的因素有哪些、它们是如何影响实验的……然后通过小组间合作讨论进行深度学习，

借助集体智慧解决了问题。

［教师］实验操作有关键四步：配制亚铁标准溶液、探究最大吸收波长、绘制标准曲线、样品铁元素含量测定计算。请每个小组根据兴趣选择其中一个关键步骤，深入思考关键点，设计实验步骤。

［学生讨论］略。

［学生分享］交流小组讨论结果，互相质疑、补充完善。

小组1“配制亚铁标准溶液：（1）试剂选择：为了调控溶液酸碱性，加盐酸及醋酸钠溶液；

（2）浓度选择：配制标准溶液，菠菜中铁元素含量约2.90/［mg·（100g）-1］，配制0～2mg·L-1之间6个均分点的亚铁标准溶液；

（3）配制方式：为了配制方便，减少误差，用同一浓溶液，量取不同体积后，进行稀释”。

小组2“探究最大吸收波长：（1）仪器使用：比色皿要润洗2～3次，盛三分之二容积即可；

（2）光谱范围：全波长扫描，或者测定450～540nm波长范围；

（3）最大波长确定，在曲线上找到最大吸光度对应的波长”。

小组3“绘制标准曲线：（1）测绘基准：标准溶液1是亚铁离子浓度为0、其他物质浓度相同的参比溶液，做对照用的。不能用蒸馏水代替，因为其他试剂的吸光度可能不为0；

（2）测试方法：将比色皿放入分光光度计中，设定波长为最大吸光度对应的波长，依次测量‘标准液1’至‘标准液6’的吸光度，并记录相应浓度与吸光度数据；

（3）绘制方法：以亚铁离子浓度为横坐标、吸光度为纵坐标，进行线性拟合，即得标准曲线”。

小组4“样品铁元素含量测定计算：（1）分离样品：过滤，洗涤，分离提纯菠菜酸浸液；

（2）测定样品：将过滤液配好溶液，测定吸光度并记录数据；

（3）计算浓度：在标准吸收曲线中进行比对，得出浓度，或通过线性方程算出溶液浓度。注意：若是研磨酸泡法，要扣除叶绿素的吸光度再计算”。

……

［教师］下面请根据各组讨论结果，优化设计实验步骤。

设计意图：定量测定时，为了优化实验步骤提高精确度，针对实验细节的难点，采用小组内深度研究逐点突破、小组间交流共享完善，逐步优化实验步骤，共同合作攻克难点问题。

［实施效果］分解四步关键操作的核心问题进行讨论，通过组内、组间共同合作，不断完善实验步骤，深化理解变化观念与平衡思想。图3是某学生小组设计的实验步骤，对实验原理、操作的理解更深入。

3.2.4 活动4 小组分工合作，体验实验探究

创设实验机会，学生在动手实验、亲身实践中不断试错、解决问题，深化学习定量思想、实验方法和实验操作。

［播放视频］分光光度传感器的使用视频。

［教师］请各小组按照优化设计的实验步骤，分别测定同一种方法预处理的不同部位的菠菜样品的含铁量，观察并做好实验记录。

［学生实验］小组分工，动手操作，记录数据，计算结果。

设计意图：化学实验探究是关键环节。6个小组根据优化设计的实验步骤，严格按照实验方案进行操作，分别选择菠菜的根、茎、叶中的一种样品进行测定，学生经自由选择、协商调整，使每种样品均有2个对照组。

［实施效果］教师加强巡视指导和释疑；学生分工合作，严谨实验，及时纠错、反思改进，认真分析发现的问题和各种数据（图4是某学生小组的实验数据记录），养成严谨求实的科学态度。

3.2.5 活动5 分享交流成果，反思评价研究

只有亲身体验了，才能真正建立基于真实情境解决问题的一般思路和方法。只有不断实践和反思，在交流评价中不断碰撞和纠错，体会科学探索之艰辛，才能激发学生不断攀登科学高峰的勇气。

［教师］各组实验完成，下面进行小组分享与交流，请

从方案设计、实验过程、实验结果、交流展示等方面进行汇报和自评，并请其他小组派一名学生（观察员）进行互评。

［学生交流］

……

×××学生体会：“我们小组采用研磨酸泡法提取铁元素，比第1组灼烧酸泡法

测定的铁元素的含量略低。反思原因，可能是选取的菠菜叶的部位有所差异，也可能在实验操作中有损耗。实验中，大家遇到了一些困难，但都一起想办法讨论、改进，克服困难，让实验方案更完善。数字化实验测铁，简便、直观、快捷、有趣。我们对动手体验探究活动很感兴趣，收获很大！”

××学生评价：“第2小组的方案设计步骤简单、完整，仪器使用规范。小组分工合作，研究氛围好。实验数据处理正确，误差分析好。汇报思路清晰，观点凸显，体现化学逻辑美；反思提出了减小实验误差的措施，但准确性还需进一步提高。”

……

［小结］通过小组测定情况的交流分享，可以发现不同部位菠菜的铁元素含量有所差异；不同方法提取菠菜中的铁元素，测定结果略有差异。

［教师］哪些因素会影响铁元素含量测定？

［讨论］影响因素有菠菜的取样部位、提取方式、灼烧程度、称重、量取溶液体积、定容、操作损耗等。

［师生小结］本节课所学的知识、方法及感悟。

设计意图：完成实验后，引导学生从组内到全班进行自由到集中的交流分享，对实验进行反思，汇总全班各小组测定结果建立数据库，呈现不同预处理方法、不同部位菠菜的铁元素含量的差异，进而引导学生质疑、分析误差及其产生的原因，培养严谨求实的科学态度。

［实施效果］通过各小组的分工协作，y/1VdS05mT7rrpR7/Hw58A==圆满完成了探究学习任务，体验了基于真实情境解决问题的一般思路和方法（如图5所示）。同时，结合评价量表进行互评，提升了学生的表达、评价以及反思能力。

3.3

提供学生分层作业，关注延伸探究

正如学生总结体会时所说“科学世界的每一次探索都是一场未知的旅程，每一次突破都伴随着艰辛与挑战”。

综合活动课后，教师提供给学生一定的分层作业，学生除了必须完成的研究报告外，还可根据兴趣选做“测定黑木耳中铁元素的含量”“测定豆浆中钙元素的含量”等拓展性实验作业。鼓励他们关注科技前沿和社会热点，应用科学探究方法拓展解决其他实际问题，提升科学态度与社会责任素养。

4 立足教改改善教学方式，提升素养达成教学目标

本节课通过课前自主调研与课中合作探究相结合的方式，顺利完成了“如何测定菠菜中铁元素的含量”综合实践活动，是一个把教材中项目学习活动的综合性问题在有限课时下很好实施的成功范例。

学生在体会中谈到，在知识和技能方面获得了提升，亲身体会到化学定量思想的核心是“精准”；

在生物课学习分光光度法的基础上，进一步掌握了测定微量元素的实验原理；在不断试错并解决问题的过程中，习得解决实际问题的方法，培养了科学思维；综合应用生物学与化学知识，学会获取信息、关注社会、热爱生活，关爱生命。通过学生问卷调查发现，经历本综合实践活动后，学生的探究能力、合作能力、解决问题能力等均得到了提升（如图6所示），后续学习化学的劲头更足、兴趣更浓了！同时，教师在探究活动的设计与实施过程中，提升了新教材的执教能力，对新课标倡导的素养为本的教学积累了更多的实践经验。

由于本综合实践活动的研究体系较为复杂、实验所需时间较长、实验误差也较大，如何更好地设计学生探究活动、怎样加强学生小组成员之间的合作、如何更好地评价研究过程和结果、如何提高教师的指导能力，还有待进一步实践与探索。

参考文献：

［1］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.

［2］陈丽， 李娜， 于善亮等. 检验菠菜中的铁元素［J］.化学教育（中英文）， 2021， 42（11）： 77～81.