邓梅 高恒飞 李一梅

摘要：以“为缺铁性贫血人群制定补铁策略”为项目任务，开展铁及其化合物的教学。教师将总项目拆解为“探明人体中的铁”“探究人体铁吸收和转运的机理”“探究补铁剂中的铁”“探究补铁剂服用注意事项”四个项目任务，以真实问题驱动项目，培养了学生的问题意识，引导学生从元素价态和物质类别的角度学习亚铁盐、铁盐以及铁的氢氧化物的形成和转化，在实验探究的过程中形成证据意识，培养科学探究能力。

关键词：项目式教学；教学设计；高中化学

文章編号：1008-0546（ 2022）11-0029-06

中图分类号：G632.41

文献标识码：Bdoi：10.3969/i.issn.1008-0546.2022.11.007

一、项目教学主题内容及教学现状分析

项目式教学法以项目驱动问题为出发点，以学生为项目学习和执行的主体，以工程实际构建真实有意义的“问题”情境，在其中嵌入学科知识内容，将项目任务划分为若干个独立的子项目，学生在完成项目任务的过程中自主建构科学知识、掌握科学方法、提高解决问题的综合能力。[1]在2017版高中化学课程标准“金属及其化合物”的学习要求中明确提到了“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解钠、铁及其重要化合物的主要性质，了解这些物质在生产、生活中的应用”。[2]因此，项目教学法十分契合高中化学课程中金属及其化合物的教学，应用真实情境发展学生化学核心素养。

本文选取高一化学人教版必修第一册第三章第一节铁及其化合物进行项目式教学，以“为缺铁性贫血人群制定补铁策略”为项目，重新整合教材内容进行教学。学生在前面已经学习了物质的分类及转化、离子反应和氧化还原反应，已经初步掌握了物质分类及转化和质量守恒的知识，为本节课学习铁及其化合物铺垫了基础；在学习了钠、氯两个主族元素之后，学生初步具备了元素观、结构观、价态观，基本掌握了学习元素及其化合物知识的思路。铁作为学生学习的第一个副族元素和变价元素，有助于学生构建元素化合物的认识模型，既是再次深度认知之前的主族元素钠和氯，也为之后氮、硫等元素的学习打下基础。本课时首先通过让学生了解全球仍有1/2的人口处于缺乏微量元素的“隐形饥饿”的背景下，了解缺铁性贫血人群，在完成“为缺铁性贫血人群制定补铁策略”项目的过程中，将总项目拆解为各个子项目，在完成子项目的过程中构建起元素及其化合物的知识网络，发展问题意识，培养科学探究能力，在实验探究过程中，培养学生的动手能力，发展学生的合作能力，实现知识功能和素养功能的协调发展。

二、项目教学目标

本文根据2017版课标中对该主题的内容要求以及学业要求和实习学校的实际情况，制定了以下项目教学目标：

（1）通过实验探究补铁剂中的铁元素存在形式，培养学生收集证据、猜想假设的能力，面对检验多种离子的复杂实际问题时，能够主动分析问题，激活已知，制定改进实验方案，形成证据意识，发展学生问题解决能力，培养学生科学探究和合作交流的能力。

（2）通过实验探究补铁剂中的铁元素含量是否合格，促使学生思维发散，设计实验方案，培养学生科学探究能力；面对氢氧化亚铁沉淀颜色变化的实验“意外”时，会从物质类别和元素价态的角度分析原因，促进科学探究能力的提升。

（3）根据资料支持，了解人体吸收铁的原理，联系课堂，观察、比较、概括出Fe2+与Fe3+的转化模型，学会从物质类别和元素价态的视角认识变价元素物质间

*通信联系人，E-mail：yml116@ahnu.edu.cn的转化关系，并建立认知模型。

三、项目教学流程

本项目教学设计思路如表1所示。

四、项目教学过程实录

【创设情境】同学们对贫血这种疾病有所了解吗？请阅读下述材料。

【情境素材1】世界卫生组织（WHO）和联合国儿童基金会（UNICEF）等国际组织联合发布的《2018年世界食品安全和营养报告》和《2019年世界儿童状况：儿童、食物与营养》指出，全球仍有超过1/2的人口正面临着微量营养素摄取不足，即“隐性饥饿”。[4]微量营养素摄人不足导致的婴幼儿发育障碍和成年人免疫下降、肥胖和贫血等问题日趋严重，在人体所需微量元素中铁元素含量最多，学龄前儿童、孕龄女性的贫血比例更是高达1/3。中国营养学会推荐的中国居民铁的摄人量为15～25 mg/天。

【学生】根据情境素材和查阅资料得知，缺铁人群主要有婴幼儿、孕妇、青少年三类人群，婴幼儿因生长发育需铁量较大，青少年因偏食易缺铁，孕妇因妊娠需要易缺铁。

【项目提出】铁元素对人体来说十分重要，缺铁人群也各有不同，那么缺铁性贫血人群应当如何补铁？今天请各位“小医生”来为缺铁性贫血人群开具补铁处方吧。

1．探明人体中的铁

【项目驱动性问题】若需要补铁，需先明确人体中的铁元素以什么形式存在？

【情境素材2】

（1）细胞中有两种形式的铁：Fe2+和Fe3+。Fe3+性质较稳定，可以作为铁的储存和运输形式；Fe2+可以转移电子，参与人体内各种氧化还原反应并可充当反应催化剂。[5]

（2）血红蛋白（Hb）是血液中运输氧及二氧化碳的蛋白质，由球蛋白和血红素结合而成。血红素是由中心Fe2+和配体卟啉衍生物结合成的大环配位化合物，其结构如图1所示。[6]

【小组汇报】人体中的铁元素主要以Fe2+和Fe3+的形式存在，Fe3+作为铁的储存形式，Fe2+则是人体能够直接吸收的铁。

2．探究人体铁的吸收和转运

【项目驱动问题】普通人通过食物获得铁，缺铁病人服用补铁剂补铁。食物中的铁都是Fe2+吗？人体是如何吸收铁的呢？

【情境素材3】

饮食中的铁存在于亚铁血红素和非亚铁血红素中，前者主要来自肉制品，后者来自肉类和植物。亚铁血红素为可溶性二价铁，可被肠粘膜细胞直接吸收。非亚铁血红素主要以铁离子（Fe3+）的形式存在于食物中，这些铁离子必须被还原成亚铁离子（Fe2+）才能运输到肠细胞中。

当食物进入人体时，胃酸中的HCl将食物中的铁转变为Fe2+和Fe3+，至肠道处，Fe3+首先被细胞膜上的十二指肠细胞色素B（金属还原酶）还原为可溶性的Fe2+，然后被细胞膜上的转运蛋白质（DMTl）转运至肠细胞内。Fe2+进入细胞内，一部分成为铁蛋白储存起来，一部分透过细胞膜进入血液，经铜蓝蛋白氧化成Fe3+，与转铁蛋白结合后转运到组织，再与转铁蛋白分离并还原成Fe2+，参与形成血红蛋白。[7-8]肠道铁吸收和转运的机理图根据教学实际稍作修改，如图2所示。[7]

【教师】根据这段素材，请你从化学的角度分析肠道中Fe3+与Fe2+的相互转化。

【小组讨论】从元素价态上看，Fe3+处于铁元素的最高价态，具有氧化性，可被还原剂还原为Fe2+；Fe2+处于铁元素的中间价态，既具有还原性又具有氧化性，可被氧化剂氧化为Fe3+。

【小组汇报】

氧化剂：KMnO4（H+）、H2O2、新制氯水等

还原剂：Cu、Fe等

【小结】从元素价态一物质类别的角度，总结Fe2+与Fe3+的转化模型。

3．探究补铁剂中的铁

【药品展示】市面常见补铁剂有乳酸亚铁、硫酸亚铁等，以FeSO4为例，见图3。

【项目驱动问题】该补铁剂中的铁元素是以什么形式存在的？是Fe2+还是Fe3+呢？如何检验？该补铁剂中铁的含量是否符合标准呢？

【小组讨论】制定检验补铁剂是否合格的实验方案，见图4。

【小组汇报】根据硫酸亚铁片的说明书，其主要成分为FeSO4，Fe2+易被氧化，推测出样品溶液中存在三种可能性：①溶液中只有Fe2+；②溶液中只有Fe3+；③同时含有Fe2+和Fe3+。

【小组实验】将5片硫酸亚铁片（m=2.6 g）研碎溶于200mL水中，加入约2 mL HCl，制得样品溶液3份。

【教师】溶液中可能既存在Fe2+，也存在Fe3+。如何检验这两种离子呢？

【学生1】溶液中可能含有Fe2+和Fe3+两种离子，可先检验Fe2+，再检验Fe3+。

【学生2】Fe2+盐溶液为浅绿色，Fe3+盐溶液为棕黄色，可以通过观察样品溶液的颜色来判断。

【學生3】如果溶液中只有少量的Fe2+被氧化为Fe3+，颜色变化不明显，无法判断溶液中存在何种离子。

【教师】同学们说得都有理，通过颜色观察来判断样品溶液中离子的种类暂时不可行。还有没有其他的方法可以在溶液中可能存在Fe3+的情况下检验出Fe2+是否存在呢？

【小组讨论】根据之前学习检验氯气的方法——淀粉碘化钾试纸，从氧化还原的角度出发，Fe2+处于铁元素的中间价态，Fe2+具有还原性和氧化性，Fe3+处于铁元素的较高价态，Fe3+主要体现氧化性，因此，选择紫色的酸性高锰酸钾溶液来鉴别。实验步骤及现象：将样品溶液I加入KMnO4（H+）中，若紫色褪去，则证明含有Fe2+。

【追问】Fe3+又该如何检验呢？

【资料支持】含有Fe3+的盐溶液遇到KSCN溶液时变成红色，可用来检验Fe3+。[3]

【教师】同学们，光说不练假把式。请同学们依据刚才的猜想完成实验（见表2）。

【小组实验】分组实验，完成表2相关内容。

【小结】应用物质类别一元素价态模型，总结检验Fe2+和Fe3+的方法。

【教师】现已验证样品溶液中同时存在Fe2+和Fe3+，该如何测量溶液中铁元素的质量呢？

【小组讨论】铁元素在溶液中以离子形式存在，难以测量。可将溶液中的亚铁离子、铁离子转化为沉淀，易于称量。

【教师】耳听为虚，眼见为实。请同学们完成Fe（OH）2和Fe（OH）3的制备实验，并完成表3。

【资料支持】部分酸、碱和盐的溶解性表：Fe（OH）2白色沉淀，Fe（OH）3红褐色沉淀。[3]

【小组实验】分组实验，并完成表3。

【学生】实验1中观察到生成了灰绿色沉淀，最终变为了红褐色，未看到白色沉淀。实验2中观察到生成了红褐色沉淀Fe（OH）3，实验3中生成灰绿色沉淀，最终变为红褐色。Fe（OH）2沉淀难道不是白色吗？

【演示实验】在盛有FeSO4溶液的试管中覆盖一层煤油，加入一小块钠。观察实验现象，见图7。

【小组讨论】实验现象：钠在煤油层和水层中来回跳动，产生气泡，生成了白色沉淀。实验原理：煤油密封试管，隔绝O2。p（H2O）>p（Na）>p（煤油），钠在油层和水层之间来回跳动，遇水生成了NaOH，与FeSO4反应生成了白色沉淀Fe（OH）2。

【追问】为什么Fe（OH）2的颜色会发生变化呢？

【小组讨论】Fe2+为+2价，属于铁元素的中间价态，具有还原性，据此推测，Fe（OH）2也具有还原性，易被空气中的O2氧化成Fe（OH）3。

【追问】Fe（OH）2易被氧化成Fe（OH）3，为了计算方便能否将两种沉淀转化为一种呢？

【成果展示】见图8。

【教师】这两个实验方案哪一个更好？

【小组讨论】方案二更好，操作简便。

【教师】拿出事先干燥称量好的Fe2O3，m（Fe2O3）=0.3 g，m（样品）=2.6 g。

【小组讨论】补铁剂中铁元素质量分数计算公式为：

【小组汇报】计算出补铁剂中w（Fe）=11.54%>11.36%（说明书中的w（Fe）），该补铁剂质量合格。

【教师】除了沉淀法测量补铁剂中铁元素的含量之外，还有其他方法可以测量。如：氧化还原滴定法、比色法、原子发射光谱法……。

4．探究补铁剂服用的注意事项

【项目驱动问题】补铁剂为什么不能与浓茶同服，却与维生素C同服效果更好？

【实物展示】硫酸亚铁片说明书，如表4所示。

【教师讲解】茶水中含有大量的鞣酸，易与Fe2+反应生成鞣酸亚铁，鞣酸亚铁化学性质不稳定，易被氧化为蓝黑色的鞣酸铁，人体难以吸收。而维生素C可以将Fe3+重新还原为Fe2+，抑制Fe2+的氧化。

【小组讨论】制定茶水与FeSO4片实验方案：向茶水中加入FeSO4片粉末，观察实验现象，再加入维生素C粉末，观察实验现象，加入KSCN，观察实验现象，再加入H2O2，观察实验现象。

【小组实验】实验现象如图9所示。

5．项目任务：为缺铁性贫血人群制定补铁策略

经过探究人体中的铁、人体吸收铁的过程、补铁剂中的铁，了解了补铁剂服用的注意事项和课后查阅资料，部分小组项目成果展示见图10。

五、项目教学效果与反思

本项目以“为缺铁性贫血人群制定补铁策略”为任务，将总项目拆解为四个独立且相关的子项目，在查阅文献和实验探究相结合下，发展学生猜想与假设和收集证据的探究能力，通过抓住实验过程中的“意外”，培养学生发现问题的能力。在拆解总项目、完成各个子项目的过程中，使同学们形成宏观与微观相结合来研究物质的基本思路，并且学会从元素价态、物质类别两个视角来认识变价元素物质间的转化关系，并建立认知模型，从而解决生产生活中简单的化学问题。

本项目在取得一些成效的同时，也暴露出了一些学生在实验过程中存在的问题和项目本身的不足之处。如面临检验样品溶液中多种离子存在的問题时，部分小组在制定实验计划时，思考不够全面，变量控制意识薄弱，需要进一步强化科学探究能力。此外，由于本项目中涉及人体内铁吸收和转运的医学知识，较为复杂，多由教师提供，需要继续挖掘科学技术真实与学科知识间的联系，加深问题解决与学习知识之间的联系，在此基础上进一步完善该项目的教学设计。

参考文献

[1]Joseph S Krajcik， Czerniak M Charlene， Carl F Berger．中小学科学教学——基于项目的方法与策略[M]，王磊，等译．北京：高等教育出版社，2004：9-13.

[2]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）[s]．北京：人民教育出版社，2020：15.

[3]王晶，郑长龙．普通高中教科书（化学必修第一册）[M].北京：人民教育出版社，2019：120.

[4]Anne-Sylvia Sacri， Alain Bocquet， Mariane D Montalem-bert， et al. Young children formula consumption and Irondeficiency at 24 months in the general population：A nation-al-level study[J].Clinical Nutrition，2021，40（1）：166-173.

[5]Sundararaman Swaminathan. Iron homeostasis pathways astherapeutic.targets in acute kidney injury[J].Nephron，2018，40（2）：156-159.

[6]宋天佑，徐家宁，程功臻，等，无机化学：下册（3版）[M]．北京：高等教育出版社，2016：798-799.

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[8]袁粒星，高举，潘玲丽．肠道铁吸收及转运调节的研究进展[J]．现代预防医学，2005，32（12）：1652-1654.