以“核心素养”为本的实验课程设计

温晓杰 李传雄

[摘   要]实验是中学化学教学的重要组成部分，它有助于培养学生的科学思维和创新意识。文章以Fe（OH）3胶体制备实验为例，详细阐述了以“核心素养”为本的实验课程设计。首先，以Fe（OH）3胶体的制备实验为切入点，采用控制变量法对制备条件进行探究;然后，引导学生通过丁达尔现象区别胶体和溶液，并提出浊液是否具有丁达尔效应的问题;接着，通过探究实验验证该观点，并引出新知——胶体聚沉的条件;最后，将聚沉原理与胶体实际应用——净水相结合，升华所学知识。

[关键词]Fe（OH）3胶体;制备实验;核心素养;课程设计

“Fe（OH）3胶体制备实验”是高中阶段的第一堂实验课，对学生理性思维的启蒙和实验探究精神的激发起着重要作用。本节课的课程设计以科学精神为指导，以学生的自主探究为主线，以培养实践创新能力和社会责任感为目标。课程首先以教材上的演示实验为出发点，通过控制变量法探究胶体制备的几个必要条件——蒸馏水、沸水和饱和FeCl3溶液;然后通过丁达尔效应区分溶液和胶体，并提出浊液是否会产生丁达尔效应的问题;最后引导学生以Fe（OH）3胶体为原料制备悬浊液，并对浊液的丁达尔现象进行探究。此过程中还可引出胶体的聚沉方法，并迁移出胶体的实际应用价值（净水），最后不仅可以培养学生的动手能力和科学态度，还可以发扬创新精神。

一、教学设计

环节一：实验引入，激发兴趣

【实验引入】参照教材实验1-1的步骤完成Fe（OH）3胶体的制备实验，并思考：为何选用这种方法制备胶体？是否可用在FeCl3溶液中滴加NaOH溶液的方法来制备？

【学生回答】根据初中的化学知识，向FeCl3溶液中滴加NaOH溶液并不会制得Fe（OH）3胶体，而是产生Fe（OH）3沉淀，因此不能用此方法来制备Fe（OH）3胶体。教材中的方法制备过程的要求较多，可能跟胶体的特殊性有关。

设计意图：首先，通过新奇的化学实验吸引学生的注意力并引入课题;随后，通过提问的方式引导学生回顾初中化学知识，并引出Fe（OH）3胶体制备条件的苛刻性，为探究Fe（OH）3胶体的制备步骤埋下伏笔。需要注意的是，在新课导入环节中，教师可先略讲采用沸水法制备胶体的原因，把它作为悬念，引发学生思考。

环节二：设计实验，自主探究

【追问】制备Fe（OH）3胶体需要哪些必要条件？请通过实验进行探究。

【学生A】沸水是制备Fe（OH）3胶体的必要条件。通过对比实验进行探究：第一组，蒸馏水煮沸后滴加5～6滴FeCl3饱和溶液;第二组，在蒸馏水中直接滴加5～6滴FeCl3饱和溶液。

【学生B】蒸馏水是制备Fe（OH）3胶体的必要条件。通过对比实验进行探究：第一组，蒸馏水煮沸后滴加5～6滴FeCl3饱和溶液;第二组，自来水煮沸后滴加5～6滴FeCl3饱和溶液。

【学生C】FeCl3饱和溶液也是制备Fe（OH）3胶体的必要条件。通过对比实验进行探究：第一组，蒸馏水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液;第二组，蒸馏水煮沸后滴加5～6滴FeCl3稀溶液。

【教师总结】沸水、蒸馏水和FeCl3饱和溶液是制备Fe（OH）3胶体的三个必要条件。它的制备原理为[FeCl3+3H2O△ ]Fe（OH）3（胶体）+3HCl。加热可以使HCl挥发从而使胶体的制备反应得以发生;如果不加热，就仅仅是对FeCl3溶液进行稀释。同时，自来水中含有较多的Cl-、Ca2+、Mg2+等离子，会使Fe（OH）3胶体变成沉淀;而蒸馏水含有的离子数目较少，不会使Fe（OH）胶体沉淀。FeCl3饱和溶液的加入是为了增大FeCl3的浓度，使化学平衡向右移动，有利于Fe（OH）3胶体的生成。

设计意图：为培养学生捕捉问题的能力和促进学生学会应用控制变量法，该部分内容被设计为探究性实验。除此之外，教师可通过板书展示化学方程式，提升学生书写化学方程式的能力。值得注意的是，胶体的制备步骤涉及化学平衡、盐类水解等复杂的物理化学过程。在授课过程中，教师要把握“先薄后厚”的原则，即先请学生记住Fe（OH）3胶体制备的步骤把知识学“薄”，随后提供有关化学平衡的资料作为课外学习再把知识学“厚”。

【提问】胶体和溶液都有均一透明的性状，如何区分两者呢？

【学生回答】用红色激光笔照射液体，如果出现光亮的“通路”，则是胶体;反之，则是溶液。

【追问】浊液是否具有丁达尔现象？请利用现有的药品和器材制备浊液并进行验证。

【学生活动】实验探究。（见表1）

【教师总结】浊液没有丁达尔现象。丁达尔效应与分散质粒子的尺寸相关：当粒子尺寸在1～100 nm时，粒子尺寸与光的波长相近，粒子会对光有散射作用，因此可观察到光的“通路”;当粒子尺寸小于1 nm时，不能发生光的散射，因此没有丁达尔现象;当粒子尺寸大于100 nm时，由于粒子尺寸较大，光全被粒子反射了，因此也没有丁达尔现象。

设计意图：除了像传统教学中使用丁达尔现象区分胶体和溶液，本部分增加了探究“浊液的丁达尔效应”的环节。首先，通过Fe（OH）3悬浊液的制备实验，培养学生“科学探究与创新意识”化学学科核心素养。该部分内容还为胶体聚沉的概念和方法埋下了伏笔。随后，详细阐述了丁达尔效应的微观机理——光的散射，实现了宏观辨识与微观探析相结合。

环节三：刨根问底，获得新知

【追问】产生浊液的原因是什么？请同学们设计实验进行探究。

【学生活动】归纳实验探究结果。（见表2）

[ 猜想原因 实验设计 实验现象及结论 学生A CuSO4使Fe（OH）3胶体变成沉淀。 对浊液过滤，观察沉淀颜色;再向沉淀中加入盐酸，观察溶液的颜色 沉淀呈棕褐色，盐酸溶解后的溶液为棕黄色，推测CuSO4使Fe（OH）3从胶体变成沉淀。 学生B CuSO4与Fe（OH）3发生反应并产生沉淀。 沉淀呈棕褐色，盐酸溶解后的溶液为棕黄色，推测CuSO4没有与Fe（OH）3发生反应。 ]

【教师总结】CuSO4溶液可以使Fe（OH）3从胶体变成沉淀，像这样从胶体变成沉淀的过程叫作胶体的聚沉。根据表1的实验探究结果可知，加入CuSO4、加热和搅拌都可以使Fe（OH）3从胶体变成浊液。胶体聚沉的方法主要包括加热、搅拌和加入像CuSO4这样的电解质。

【追问】三种胶体聚沉方法的微观机理分别是什么？

【知识拓展】胶体变成浊液的实质是分散质粒子尺寸变大。加热是通过增加热运动，使胶体粒子碰撞在一起的机会变大，从而增大粒子尺寸;搅拌是通过增加胶体粒子的碰撞概率，从而增大粒子尺寸;大部分胶体粒子带电，电解质（异种电荷的离子）的加入会使胶粒聚集，从而增大粒子尺寸，最终变成浊液。

设计意图：在该环节中，先通过实验探究的方式引出新知识——胶体的聚沉，不仅使学生印象深刻，还培养了学生的化学实验能力。随后，通过知识拓展的形式，从微观的角度分析了加热、搅拌和加入电解质三种胶体聚沉方法的微观机理。整个过程体现了“证据推理与微观探析”化学学科核心素养。

环节四：归纳总结，回归应用

【情境创设】胶体在实际生产生活中有很多应用，例如它可作为一种净水材料。结合本课程所学知识，分析一下胶体净水的原理。

【学生回答】根据胶体的聚沉原理，胶体可以吸附水中的离子和不溶物，并以沉淀的形式析出，再通过过滤操作，就可以实现净水的作用。胶体粒径较小，表面积较大，吸附量也较大，综合考虑成本和净水能力，常用于工业和生活净水。

【教师总结】明矾（KAl（SO4）2·12H2O）常常用于净水，就是因为它在水中可产生Al（OH）3胶体。除此之外，胶体还可应用于农业生产、医疗卫生、废水处理、食品工业等领域。

设计意图：将所学知识与实际应用相结合，培养学生解决实际问题的能力，并使他们感受到化学的魅力和作用，这体现了“科学精神与社会责任”化学学科核心素养。

二、教学反思

化学是一门以实验为基础的学科。实验是化学之魂，古往今来，从拉瓦锡发现氧气到夏蓬迪埃和杜娜开发的基因编辑技术，都是通过大量严谨的科学实验来实现的。实验不仅可以促进新理论的发现，还可以推动人类科学技术的发展。然而，实验技术的提升和科学思维的培养不是一蹴而就的，“不积跬步，无以至千里;不积小流，无以成江海”，因此开展实验教学，从小培养学生的科学意识十分重要。

在高中阶段，学生的智力迅速发展，高中课程实验教育必不可少，它不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以培养学生的科学思维和创新意识，这为学生日后的科研和学习奠定了基础。因此，在课时允许的条件下，应多进行课堂实验演示、实验探究和课外实验活动等。

巧妙提问和即时捕捉课堂生成是实验课程的关键。课堂提问是一门艺术，好的提问不仅可以调动学生的学习积极性，营造良好的课堂氛围，还有利于教学环节的推进。在制备Fe（OH）3胶体的实验课程设计中，提问一环扣一环，从“制备Fe（OH）3胶体的必要条件”到“探究浊液的丁达尔效應”。在探究过程中，学生不仅可以获得新的知识，还锻炼了动手能力和掌握了科学思维方法。即时捕捉课堂生成也是实验课程的关键。实验课上往往会出现一些“意外”，如预料之外的实验现象、一些意外“事故”等，把握住这些“意外”，对生成问题进行探讨或拓展，不仅可以加深学生印象，还可以让学生收获新知识。在制备Fe（OH）3胶体的实验课程设计中，“制备Fe（OH）3悬浊液”这一环节的灵感就源自实验课的一次“意外”：一位学生误把CuSO4溶液倒进Fe（OH）3胶体中，并观察到胶体变成了悬浊液。教师即时捕捉课堂生成，进一步讲授胶体聚沉的知识，这样不仅增大了这堂课的知识容量，还满足了学生的好奇心并解决了疑惑。

[   参   考   文   献   ]

[1]  王晶，郑长龙.普通高中课程标准教科书化学（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]  金吾伦.科学变革论：拉瓦锡化学革命探究[M].北京：科学出版社，1991.

[3]  DOUDNA J A， CHARPENTIER  E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9[J].Science， 2014（6552）：1077.

（责任编辑 罗 艳）