创新实验融入课堂，提升学生素养发展

2022-03-17周斌强顾仲良

化学教与学 2022年6期

周斌强顾仲良

摘要：以“铁三角教学”教学为例，灵活处理教材，通过拓展其他卤素与铁粉的化合及产物检验实验，增设常见验证试剂实现亚铁离子与铁离子转化的验证实验，创新开发活泼金属还原铁盐和电解亚铁盐反应的实验，增强实验现象和效果，增加教学资源和素材，建构完整的知识体系，使学生的化学学科能力得到提升，核心素养得到发展。

关键词：科学探究;创新实验;铁三角

文章编号：1008-0546（2022）03x-0046-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.011

化学实验不仅是研究和学习物质变化的基本方法，同时也是探究和证据化学规律和化学理论的重要手段，《普通高中化学课程标准（2017版）》建议：“教学中应注重运用实验事实、数据等证据素材，帮助学生转变偏差认识”[1]。新人教版《化学必修·第一册》[2]“铁及其化合物”一节中，“铁的重要化合物”课时教学的“思考与讨论”栏目要求归纳“铁三角”关系模型，下面我们就通过创新实验来探究归纳Fe、Fe²⁺、Fe³⁺三者之间的相互转化关系。

一、教学现状分析

此章节内容以多种试剂来实现铁的不同价态之间相互转化，并探究铁盐与铜的反应，但这些相互转化的素材资源，大多是初中单质铁与酸、盐知识再现，以及前期氯气教学内容，同时对于亚铁盐、铁盐被还原转化为铁单质也缺少相关说明，若能丰富实验的素材与资源，将更有利于学生建构完整的知识体系。在此，我们灵活处理教材内容，适当拓展实验方案，合理增设实验验证，创新开发实验资源，以增强实验教学的效果，提升学生化学的学科能力，在重点促进学生“科学探究与创新意识”发展的基础上，全面发展学生化学核心素养。

二、教学目标与评价目标

（一）教学目标

1.通过实验探究铁单质与澳、碘单质的反应，初步形成不同强度的氧化剂与铁反应时氧化产物的不同，突出可变价态金属的化学特性。

2.通过多种氧化剂实验验证亚铁离子向铁离子的转化，创建离子间转化与元素价态的关联性。

3.通过创新实验探究不同价态的化合态铁元素向游离态铁单质的转化，感受创新实验的价值，初步形成物质类别、元素价态、原子结构对物质性质的预测和检验模型。

（二）评价目标

1.通过澳单质与碘单质分别与铁粉反应的产物检验，诊断并发展学生对铁离子和亚铁离子检验方法的掌握水平。

2.通过验证多种氧化剂对亚铁离子转化为铁离子的过程，诊断并发展学生物质及其转化思路的理解水平。

3.通过对创新实验的设计和点评，诊断并发展学生实验探究的水平和对化学价值观的理解水平。

（三）教学重点与难点

重点是铁离子与亚铁离子的检验，难点是铁三角转化结构模型的建立。

三、教学设计策略与教学流程

经过前两个课时的教学，学生已经初步认识铁单质及其不同化合物，掌握了铁离子与亚铁离子的检验方法，也了解了一些不同价态铁元素转化的过程。在教学中，我们倡导要“用教材教，而不是教教材”[3]，因此“铁三角教学”内容的教学，立求基于核心素养，以主题式实验探究为导向，本教学设计通过拓展铁与澳、碘、硫之间化合及产物检验的实验方案，增设多种试剂氧化亚铁离子和还原铁离子的实验，创新开发铝粉还原铁盐反应和电解亚铁盐溶液，通过学生自主设计，主动操作，亲身体验科学探究的过程，充分调动学生的思维，使其成为知识的主动建构者，最后建构“铁三角”模型，说明铁的重要化合物之间的转化关系与电子转移情况，教学流程如图1

1.主题一：拓展实验、明确强弱——铁的“擢升”

【引入】我们在初中和本教材的前期学习中，知道了下列反应。

【多媒体展示】3Fe+2O₂=Fe₃O₄

Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑

Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

2Fe+3Cl₂=2FeCl₃

3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑

【讲解】分析这五个反应，我们发现铁与不同物质反应转化为化合态的结果是不同的，那是因为什么呢？

【作答】因为不同物质的氧化性强弱（或氧化能力）不同。

【讲解】氧化性弱的物质，只能把单质铁氧化到正二价，氧化性强的物质，则可把单质铁氧化到正三价，中等氧化性的O₂就能氧化Fe成为Fe₃O₄。我们熟知的氯气，可以把铁氧化到高价，那与它同主族的其他卤素单质能把铁氧化到什么价态呢，氧化性有多强呢？

【演示实验】铁粉与液澳、铁粉与碘粉的反应（见图2）

【实验操作】在通风条件下，用胶头滴管取少量液澳于点滴板上，加入过量铁粉，立即会有澳蒸气挥发，这是因为反应放热;将少量铁粉与过量碘粉混合均匀于点滴板上，然后打湿玻璃棒一端，轻轻搅拌混合物，在水的催化下，发生激烈反应，同时会有紫色的碘蒸气。

反应片刻后，分别用玻璃棒头部蘸取兩处实验少许生成物，浸入到预先准备好的装有蒸馏水与CCl₄分层液的试管中，使玻璃棒头部的物质溶解。振荡试管，待上下层液体颜色稳定，滴入几滴KSCN溶液，可以观察到只有澳与铁反应的生成物的上层溶液立即变血红色。

【讲授】根据刚才实验，探究得到了什么样的结论？写出两个反应的化学方程式。

【作答】澳可以将铁粉氧化到正三价，碘只能将铁粉氧化到正二价。

2Fe+3Br₂=2FeBr₃

Fe+I₂=FeI₂

【讲授】这也说明了澳的氧化性比碘强。

【小结】从这个反应我们可以得到，Fe³⁺的氧化性强弱处于单质Br₂和I₂之间，即：Cl₂>Br₂>Fe³⁺>I₂。

设计意图：在氯气与铁粉的基础上，通过拓展其他鹵素与铁粉反应及产物检验的实验探究，不仅使学生眼界得到开阔，Fe³⁺、Fe²⁺的检验方法这一知识重点得到了巩固，同时还发现了不同卤素单质与铁粉反应生成产物状态，归纳了同主族非金属元素性质的递变规律。在实验教学中，将同类物质系统地进行对比反应，可以帮助学生在实验过程中更好地掌握这些化学规律和理论，得到认识上和思维上的双重提升。

2.主题二：增设验证、强化知识——铁的“迁转”

【引入】用KSCN溶液检验Fe²⁺溶液时，滴加几滴氯水后，立即变血红色。

【讲解】氯水作用：2Fe²⁺+Cl₂=2Fe³⁺+2Cl^-，那我们如果用H₂O₂代替氯水会有什么样的结果呢？

【作答】H₂O₂也有氧化性，会氧化亚铁离子。

【讲解】我们就用实验来验证一下。

【多媒体展示】（如图3）

【学生活动】分组操作实验，验证推理结论。

【讲解】大家都看到了溶液变血红色，说明H₂O₂这种氧化剂是可以将亚铁离子氧化为铁离子的。我们一起来写一下此反应的离子方程式。

【学生活动】板演：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O

【讲解】H₂O₂是一种常见的绿色氧化剂，它在氧化其他物质后变成水，不会引入杂质离子。那同学们还知道哪些物质也可以氧化亚铁离子为铁离子呢。

【作答】O₂、O₃、KMnO₄、HNO₃等。

【讲解】这些都是可以氧化亚铁离子的氧化剂，它们的氧化性比Fe³⁺强。我们能不能想办法使溶液中的血红色褪去呢（结合化学方程式）？

【学生活动】加入铁粉（或铜粉）。

板演：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺

2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺

【讲解】我们可以加入铁粉、铜粉，它们可以还原溶液中的铁离子为亚铁离子，那么锌粉能不能呢？

【作答】能，因为锌比铁活动。

【多媒体展示】（见图4）

【学生活动】分组操作实验，验证推理结论。

【讲解】我们验证了锌也可以像铁、铜一样还原铁离子，写出此反应的离子方程式。

【学生活动】板演：2Fe³⁺+Zn=2Fe²⁺+Zn²⁺

【设问】如果我们用非常活泼的金属钠，能不能将铁离子还原为亚铁离子呢？

【作答】不能，钠会先与水反应，生成氢氧化钠，使铁离子生成红褐色的氢氧化铁沉淀。

【讲解】除了金属钠，镁粉、铝粉加入到氯化铁溶液中也会出现红褐色沉淀。这是因为太活泼的金属可能会与水或氯化铁溶液中的氢离子反应，促进Fe³⁺离子水解生成Fe（OH）₃。

【小结】亚铁离子转化为铁离子需要比较强的氧化剂，铁离子转化为亚铁离子可以加入一定活泼性的金属单质或还原性强的离子。

设计意图：科学探究是假设—推理—验证—结论的过程，实验的验证功能是科学探究中的一个重要环节，在科学的发现与发展过程中，正确的科学规律除了保留其结论外，还需要保留其可以不断地接受验证[4]。对于H₂O₂的氧化性、单质Zn的还原性学生早已掌握，但这些简单的实验，学生往往也缺乏探索求证的机会，合理安排的验证实验，增添了学生对此内容和原理的感性素材，对学生的思维结果起到了验证作用，使学生心中的疑虑消散。

3.主题三：开发实验、创新意识——铁的“致仕”

【演示】取FeCl₃与锌粉经过较长时间反应的试管，用磁铁来检验一下产物。

【学生活动】发现有铁粉生成。

【讲解】这是因为锌粉进一步与Fe²⁺发生了置换反应，生成了铁粉。那更活泼的铝粉能不能从化合态的铁盐中置换出单质铁呢？请大家来设计一下这个实验。

【学生活动】讨论实验方案。

【讲解】铝粉与铁盐溶液反应的实验由于太耗时了，我们改用铝粉与FeCl₃晶体混合共热来试试。

【实验方案】将两药匙铝粉与FeCl₃晶体均匀混合置于石棉网上，用酒精灯加热片刻即发生反应，用磁铁检验生成产物。

【学生活动】观察实验，发现磁铁上吸有大量铁粉。

【讲解】这是一个复杂的反应过程，还有一些副反应尚在研究中。但我们从这个反应中都观察到了有单质铁粉生成，实现了从铁盐向单质铁的转化。那除了置换反应，还有什么类型的反应可以实现化合态转化为游离态单质呢？提示参考金属铝、镁、钠的获得。

【作答】电解法。

【讲解】那我们试试电解含有Fe²⁺的溶液看，能不能电解得到铁单质。

【实验方案】用石墨作为阳极，用一片干净的纯铜片作为阴极，以大于6伏的电压来电解浓度较高的FeCl₂溶液，电解片刻后，发现阴极铜片的表面有一层黑色的单质铁出现。（如图5）

【讲解】虽然在放电顺序上Fe²⁺排在H⁺的后面，但由于Fe²⁺的浓度比较高，所以发生了电解。

【小结】从化合态的铁向游离态的单质铁转化，不仅可以通过CO还原，或者H₂、活泼金属的置换反应，还可以通过电解浓溶液的方法。

设计意图：在铁盐溶液与锌置换反应的基础上，开发不同价态铁盐向单质转化的创新实验，拓展学生化学知识广度与深度，延伸置换反应与电解反应的应用，创新实验既充满趣味新意，又附有本质内涵，使学生在探究过程中体验到实验所蕴含的化学原理，又使建构的“变化观念”模型更趋完善，提升了化学学科能力，重点发展了“科学探究与创新意识”的核心素养。

4.主题四：建构模型、拓展提升——“铁三角”图

【多媒体展示】铁的价-类二维图（如图6）。

【讲解】归纳出由铁的常见物质组成的价-类二维图。实现这些物质价态变化的“铁三角”关系。

【学生活动】制作“铁三角”图，讨论转化途径。

【PPT展示】“铁三角”关系图（如图7）

【小结】通过“铁三角”关系图的架构，可以帮助我们系统理解并记忆铁及其化合物间的相互转化。

设计意图：价-类二维图是基于物质属性的模型结构，从价-类二维图出发，学生可以自主地整理并归纳“铁三角”关系转化，不仅可以清楚地感受物质变化的观念，还可以帮助学生完善全面的知识体系，建构起有序的网络模型，发展学生的“模型认知”的核心素养。

四、课后反思

新一轮课程改革倡导“用教材教”，要求我们一线教师的教学活动要从“目标意识”转向“资源意识”，教材中的实验素材并非唯一的教学资源，而是引导教学活动的一个线索[5]，在实际的教学中，我们可以根据学生的具体学情，灵活地调整开发创新教学实验，从而达成教学目标。

实验探究是化学研究最重要的方法，是学生感性认识抽象理论的最好途径。在以项目主题式实验探究为导向的教学设计中，让学生通过多个实验进行有效探究活动，进行深入学习，解决综合复杂问题，获得结构化的化学核心知识，建立运用化学学科思想解决问题的思路方法[6]，重点发展学生“科学探究与创新意识”核心素养。

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）[S].北京：人民教育出版社，2020.