素养为本的线上虚拟化学实验教学——以《探究补铁剂的变质情况》为例

郭志强，张晓明，王冬明

(1.湖北师范大学 化学化工学院，湖北 黄石 435000；2.湖北省黄石二中，湖北 黄石 435002)

1 问题的提出

受新冠疫情影响，2020年1月27日，教育部发出通知，要求各地大中小学校推迟春季开学时间[1]，并于1月29日发出倡议：利用网络平台，开展“停课不停学”[2]。线上教学改变了学生的学习环境、教学的管理方式及信息技术的地位，教师必须适当调整教学的方式、方法，以应对这些转变，才能确保学生居家学习的质量[3]。

2017 年版高中化学课程标准突出强调教学要重视学生核心素养的提升[4]，化学实验是化学教学的重要组成部分, 不仅具有教育教学功能, 而且具有发展学生化学学科核心素养的功能[5]。但受制于线上教学的客观条件，多数教师都只能采取视频形式或图片形式进行实验教学内容的讲解，这样的实验教学，缺乏了实验探究的过程，不能最大化地发挥实验教学的优势。本文重现了高一上学期“以探究补铁剂的变质情况”的虚拟实验教学，从而向教师介绍如何基于NOBOOK虚拟实验室平台开展虚拟实验教学，以期线上教学能够有效发挥实验教学功能，力争学生化学核心素养得到最大化提升。

2 虚拟实验室简介

虚拟实验室 (Virtual Laboratory) 概念，是由美国弗吉尼亚大学 (University of Virginia) 威廉·沃尔夫 (William Wolf) 教授于1989年首次提出，其初衷是为了方便科学研究工作[6]，而随着信息技术的不断发展，虚拟实验室也逐渐被应用到日常教学中。本文所用的NOBOOK虚拟化学实验室可以提供初高中课程所需实验，由于使用了公式算法引擎，可根据实验所需更改实验参数,从而使得实验更为灵活，更贴近真实实验，是虚拟实验室商业化的代表作[7]，基于自身运用，通过计算机绘图将NOBOOK虚拟化学实验室所含元素及功能进行了绘制(如图1)。

图1 NOBOOK虚拟实验室界面图

3 教学设计

3.1 教学内容分析

“铁及其化合物”是人教版必修①“金属及其化合物”的重要章节，学生在此之前已经学习了离子反应、氧化还原反应，较之于“铝及其化合物”的知识，该章节可以更好地强化学生对氧化还原反应知识的理解和应用。同时，学好本节内容，对后面非金属及其化合物的学习有着深刻的借鉴意义。该章节在教材中的内容可分为三个板块(见表1)。

表1 铁及其化合物在教材中的内容编排

本文将“铁的氢氧化物”及“铁盐和亚铁盐”两部分教学内容进行组合，借鉴苏教版教材中的内容[8]，以“探究补铁剂的变质情况”为主题，基于NOBOOK虚拟实验室平台将学生置于实验、问题情境中进行教学。

3.2 教学目标

教学目标是一切目标的基础,它对每一学段、每一课时、每一知识、每一项活动都具有导向功能和评价功能[9]。要发展学生的学科核心素养，首先，教师要学会从基于“三维目标”的教学设计转向基于“核心素养”的教学设计[10]。化学五大核心素养各有侧重，本节课拟重点提升学生三大核心素养。图2是本文基于化学学科核心素养所制定的教学目标。

图2 核心素养的课时教学目标

3.3 教学思路

1)教师利用NOBOOK软件新建空白试验，“配置”4种稀释为无色的不同溶液，每种溶液均“配置”两份，并对它们进行编号，充当“补铁剂的溶液”。

①——溶质全为Fe2(SO4)3(完全变质的补铁剂)

②——溶质全为FeSO4(未变质的补铁剂)

③——溶质为FeSO4和Fe2(SO4)3(部分变质的补铁剂)

④——溶质不含FeSO4和Fe2(SO4)3(伪劣补铁剂，不含铁元素)

2)通过化学实验检验“补铁剂溶液”中的铁元素，从而证明“补铁剂”的变质或假冒伪劣情况。在实验探究过程中，教授本章节与铁的氢氧化物、铁盐和亚铁盐有关化学知识，发展学生核心素养。具体教学思路如图3.

图3 探究“补铁剂”中的铁元素教学思路

4 课堂教学

4.1 教授三法检验Fe2+和Fe3+

【视频】播放白纸显红字的魔术视频。

【教师】这个神奇的魔术，就是利用我们今天所学的化学知识进行的，那么让我们一起来揭秘魔术的本质吧！

【讲解】字呈现为红色是因为Fe3+与无色KSCN溶液会发生化学反应，反应后的溶液是血红色的。

【教师】经过刚才的讲解，同学们是否能够揭开这个魔术的谜底呢？

【学生】在白纸上提前用无色的KSCN溶液书写，再准备含Fe3+的溶液，将溶液进行稀释，使得溶液变得近乎无色，用喷壶盛装该溶液对白纸喷洒，即可使得白纸上出现红字。

【教师】非常好，同学的回答中有一个关键点，是极为重要的。那就是将含Fe3+的溶液稀释至近乎无色，依旧也可以产生现象。该反应的灵敏性很高，所以这个反应经常用来检验无色溶液中是否含有Fe3+.

【教师】我们在之前的学习中，还学习到有关于Fe3+的检验方法，请同学们举手回答。

【学生】可以直接观看溶液的颜色，含有Fe3+的溶液是棕黄色。

【学生】还可以向溶液中滴加NaOH溶液，如果产生红褐色沉淀，可以证明溶液中含有Fe3+.

【教师】请同学们书写NaOH溶液与含有Fe3+溶液反应，产生红褐色沉淀的离子方程式。

【PPT】展示缺铁性贫血症的症状。

【教师】在生活中，如果被医生诊断为“缺铁性贫血症”，一般是需要服用补铁剂来进行治疗的。

【PPT】展示补铁剂说明书

【教师】请大家阅读说明书，告诉老师该补铁剂的主要成分是什么？

【学生】主要成分是硫酸亚铁，每片补铁剂中含有硫酸亚铁0.3g.

【教师】现在小明同学得了缺铁性贫血症，购买了上述补铁剂，但是服用一周后，病情依旧没有改善，请大家根据所学知识，猜想一下原因。提示大家，补铁剂中的主要成分是硫酸亚铁。

【学生】该补铁剂的主要成分是硫酸亚铁，二价铁才可治疗贫血。但是二价铁并不稳定，可能是由于保存不当，在空气中被氧化成三价铁而失去了效用。

【教师】非常好，那么为了帮助小明同学检测所服用补铁剂的变质情况，我们不仅要掌握Fe3+的检验方法，同时还需要学习Fe2+应当如何检验，那么请大家回答常见Fe2+的检验方法。

【学生】可以直接观看溶液的颜色，含有Fe2+的溶液是浅绿色。

【教师】与Fe3+相同，Fe2+也有其特征颜色。Fe3+可以与NaOH溶液反应产生红褐色沉淀，用以检验Fe3+.那么Fe2+是否也可以和NaOH溶液反应产生沉淀呢？如果产生沉淀，沉淀的颜色是否还是红褐色呢？

【NOBOOK虚拟实验平台】FeSO4溶液与NaOH溶液反应(如图4)。

图4 FeSO4溶液与NaOH溶液反应现象

【教师】观察到实验现象为先产生白色沉淀，紧接着白色沉淀迅速变为灰绿色沉淀，最后变为红褐色沉淀。产生上述现象的原因和之前同学们所说的一样，因为二价铁的不稳定，所以白色的Fe(OH)2沉淀不能在空气中稳定存在，容易被空气中的氧气氧化成红褐色的Fe(OH)3沉淀。请大家书写出Fe(OH)2在空气中被氧化为Fe(OH)3的化学方程式。

【教师】大家氧化还原配平的实际运用能力很棒，那么请问大家如果想要较长时间观察到白色的Fe(OH)2沉淀，实验的关键在哪里？

【学生】由于白色的Fe(OH)2沉淀不能在空气中稳定存在，所以实验成功的关键应该是隔绝Fe(OH)2沉淀与空气的接触。

【教师】大家回答得很正确，那么由于Fe2+可以与NaOH溶液反应，产生特殊现象，所以也可以用该方法检验溶液中的Fe2+.

【PPT】总结检验Fe2+和Fe3+的三种方法、展示本节课类价二维图，如图5、图6所示。

图5 检验Fe2+和Fe3+的三种方法

图6 本节课类价二维图

4.2 讲解三种方法的适用情况

【教师】观察法与氢氧化物沉淀法均可用于检验Fe2+和Fe3+，但是这两种检验方法适用于常量下两种离子的检验。而显色法中Fe3+与无色KSCN溶液反应灵敏度高，故而该反应经常用来检验微量下的Fe3+，但却不能检验Fe2+.(提出疑问：难道真的不能吗？这么灵敏的反应试剂不就无法继续发挥价值了嘛，请大家仔细看一下本节课的类价二维图，创造性的利用KSCN溶液。)

【学生】可以将Fe2+转化为Fe3+从而检验Fe2+.

【教师】思路是非常正确的，Fe2+转换为Fe3+化合价会升高，我们可以通过添加氧化剂的方法实现这样的转换，应该添加什么氧化剂呢？在这里又有什么限制呢？请大家举例。

【学生】该反应最后会变为红色，所以加入的氧化剂必须是无色的，不能有其他颜色干扰。可以加入双氧水。

【教师】大家分析的很透彻，方法我们都已经掌握了，那么我们现在一起来探究如何检验补铁剂的变质情况吧！

4.3 虚拟实验探究“补铁剂”的变质情况

【NOBOOK虚拟实验平台】检验四种“补铁剂”的变质情况

【PPT】展示8支利用NOBOOK虚拟实验室配制的四种未知溶液(如图7)。

图7 自配补铁剂

【教师】向盛有4支不同溶液的试管中滴加KSCN溶液，观察实验现象(如图8)。

图8 滴加KSCN溶液后实验现象

【教师】向每支试管滴入KSCN溶液后，发现1号和3号试管溶液变成了红色，可以证明什么？

【学生】1号和3号试管中都含有Fe3+.

【教师】那能否得出结论1号与3号“补铁剂”完全变质了吗？有没有可能有其他的情况？

【学生】如果“补铁剂”部分变质，也可以产生Fe3+，虽然还含有Fe2+，也会出现上述现象。

【教师】大家的推测是完全正确的，那怎样证明，哪一支试管中的“补铁剂”是部分变质呢？如何证明还存在Fe2+？观察法和沉淀法显然不能有效地验证Fe2+的存在。(给予提示：请大家再观察一下本节课的类价二维图，思考Fe2+具备什么性质。)

【学生】部分变质的“补铁剂”中还存在Fe2+，Fe2+有还原性，如果把酸性KMnO4溶液滴入溶液中，酸性KMnO4溶液的紫红色褪去了，就可以证明原溶液含有Fe2+.

【教师】请问大家是不是向已经变红的溶液中滴加酸性KMnO4溶液？

【学生】不对，已经变红的溶液中存在颜色干扰，应该向编号相同的未滴加KSCN溶液的试管中滴加酸性KMnO4溶液。

【教师】大家防干扰的实验意识很强，将酸性KMnO4溶液分别滴入备用的1号和3号试管中。请大家观察实验现象，并得出结论(如图9)。

图9 滴加酸性KMnO4溶液后实验现象

【学生】观察到1号试管溶液变成了浅紫红色，而3号试管依旧是无色的，证明1号试管全都为Fe3+，不含Fe2+；3号试管既有Fe3+又有Fe2+.所以1号试管“补铁剂”完全变质，3号试管“补铁剂”部分变质。

【教师】大家的分析很正确，该实验现象利用了Fe2+与酸性KMnO4溶液的氧化还原反应，那么我们一起来书写一样该反应的离子方程式。(利用氧化还原反应的缺项配平法讲解方程式)

【教师】我们已经通过实验验证了，1号和3号“补铁剂”的变质情况。2号和4号试管与KSCN溶液反应无现象发生，难道可以直接得出结论2号和4号试管中未变质，都只含有Fe2+吗？有没有其他可能？

【学生】应该只有这种可能了。

【教师】那么我们按照同学们所推论出的知识，向未变色的2号和4号试管中滴加H2O2溶液，请大家观察实验现象，得出实验结论。

图10 滴加H2O2溶液后实验现象

【学生】观察到2号试管溶液变成了红色，而4号试管依旧是无色的，证明2号试管确实全都为Fe2+，所以2号试管“补铁剂”未变质；但是并不知道4号试管为什么会出现这种现象。

【教师】大家犯了先入为主的错误，认为老师所配制的“补铁剂”就一定含有铁元素，有没有可能是老师买到了假药呢？

【学生】(恍然大悟)4号试管不含有Fe3+和Fe2+，4号试管的“补铁剂”是伪劣产品，该“补铁剂”未含铁元素。

【教师】我们将每支试管的“补铁剂”变质情况都进行了检验，“补铁剂”保存不得当会失去药用。在生活中医生经常嘱咐患者在服用“补铁剂”时可同时服用抗氧化剂“维生素C”，不仅可以有效的防止“补铁剂”中的亚铁元素被氧化，还能将已经被氧化的亚铁元素还原。

【教师】在实验室中，为了防止含有Fe2+的溶液被氧化，会在试剂瓶中加入铁粉。这样的措施也正是利用了Fe3+能在还原剂的作用下还原成Fe2+的氧化还原反应原理。

4.4 课堂知识总结

【教师】今天我们学到了的Fe3+和Fe2+常见的三种检验方法与相互转化。本节课课堂知识总结如图11所示。

图11 本节课课堂知识总结

5 结语

落实新化学课程标准，对于化学教师来说是一个新的、富有挑战性的任务。王后雄教授强调：“每位教师都应当积极开展‘素养为本’的化学教学[11]”。利用虚拟实验室开展化学实验教学，并非疫情期间的无奈之举。在课堂实验教学中，也会经常出现有害、有危险的实验(例如浓硫酸与蔗糖反应)，教师可以将虚拟化学实验融入日常的实验探究教学中，真正地实现每节课都以学生核心素养提升为最终目标的教学。