基于真实情境的化学教学设计——以“检验食品中铁元素”为例

张连花，王应红，张海连※

（乐山师范学院 a.教师教育学院；b.新能源材料与化学学院，四川 乐山 614000）

0 引言

最新颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版2020 年修订）》有14 处提出“基于真实情境”进行教学，可以看出：在课程内容、实施建议、命题建议等多处都提到了“真实情境”的教学要求，即要求学生学习化学不仅是停留在化学知识点的理解，还要会运用化学知识解决身边的问题或解释身边的化学现象。其中对金属及其化合物的学习，就明确提出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[1]。《标准》在关于教学评价建议时也提到：应注意设计真实情境下不同复杂和陌生程度的问题解决活动，引导学生多样化方式解决问题[1]。可见，真实情境的创设可通过多种形式和途径实现，以达到培养学生核心素养的教学目标。

课程标准为课题组选择“检验食品中的铁元素”作为基于真实情境的教学设计探讨提供了初步的理论依据；同时查阅文献，学界对铁及其化合物的教学设计较多，引入真实情境的教学设计较少，且停留在设想层面的较多，较少从实证的角度来探讨食品中的铁元素，在这样的背景下，通过不同种类的食物中铁元素检验的实验，确定了黑木耳作为最终教学素材，从证据推理的角度反复论证了食物中铁元素检验实验和教学相融合的可行性，此课题也获得了四川省师范技能大赛的一等奖，故该课题的真实情境教学值得探讨。

1 理解真实情境

化学来源于生活，一直以来学者们都倡导创设真实情境应用于中学化学课堂，它的知识形成特点是以化学实验为基础再经过科学研究形成化学概念。本课题围绕“真实情境”教学展开，则必须深入理解真实情境的内涵，通过查阅文献，以及新高考形势下的命题趋势来看，笔者对真实情境的理解如下。

1.1 “真”实情境的理论及实现路径

化学是与生活联系十分紧密的一门学科，情境创设十分重要。“真实情境”的“真实”，即与客观事实符合，不假[2]，而情境创设的程度也影响着学生的思维水平，华东师范大学杨玉琴提到情境教学的效果分为四个层次：

图1 情景教学的效果四层次

笔者在整理资料和各类公开课视频的过程中也发现：一堂顶级好课，基本符合第四层次的情境教学水平，通常具备“全情境”的特点。王磊认为情境素材的选择要兼顾其真实性、适切性和包容性[3]。即真实的、符合教学目标的达成、包含能深入挖掘的化学知识，具有一定的深度。

通过阅读文献，结合笔者的理解，基于真实情境教学的实现路径大致如下：

图2 真实情境教学的实现路径

本课遵循这一基本原则，选择了黑木耳作为本节课的主要情境素材，以其为载体深入挖掘本节课的化学问题，以达到教学目标。

1.2 “真”必有真情实感

基于真实情境的教学目的之一是学生从与化学相关的不同生活情境素材中能体会化学知识、科技、工农业对人类生产生活的重大意义，培养学生的化学情感，体现情境素材的科学育人价值[4]。从人本主义的角度来看，首先要让学生从情感上认可化学，明白学习化学对生活的帮助和意义，这样能大大提高学习效率和学习的持久性。本课题“检验食品中的铁元素”蕴藏着科学态度的情感态度价值观的培养契机，在体验探究的过程中体会化学的魅力。

1.3 考查内容更强调“真”实问题的解决

高考化学命题在近几年已呈现真实情境化的趋势，将考题蕴含在生产生活中，以实现对学生核心素养的全面考查[5]。从近年的命题趋势和评价要求来看，命题的方向以解决实际的化学问题为主，将中学化学知识蕴含其中，往往需要灵活的思辨能力；更加反映了教学过程中真实情境的引入的迫切性。

基于以上可知，“真实情境”的创设为学习化学知识的主要载体，相应的情境素材使用也要遵循“从教学目标→情境素材→（核心问题）→教学活动（情境）”的逻辑关系[3]。将核心知识按照一定的逻辑顺序围绕真实情境展开，旨在探讨如何运用真实情境进行教学，以及思考这一过程中的问题解决方式。

2 “检验食品中的铁元素”教学探讨及设计

2.1 教材与学生情况分析

“检验食品中的铁元素”选自最新人教版高中化学必修一第三章第一节“铁及其化合物”。教材开展了“研究与实践”活动——检验食品中的铁元素。

本着“利用教材、挖掘教材”的原理，本研究对本小节作了适度处理：

一是用酸浸法获得不同食物的提取液进行检验，但发现酸浸之后浓度极低效果不理想，加之不同食物本身含有色素如菠菜汁的深绿色、猪肝血的红色会干扰观察；进而选择用马弗炉烧制不同食物得到食物灰烬，再酸浸，经过对比，在尝试了菠菜、鸡蛋、猪肝血和黑木耳后，以实验现象最显著为原则，最终选择了黑木耳提取液为实验对象。这和教材上和其他文献选择菠菜作为研究对象的建议是不同的，具有更合理的实证意义。

二是统筹安排“铁及其化合物”，分为2 课时：第一课时学习铁单质、氧化物、氢氧化物、铁盐和亚铁盐，并介绍了Fe3+的检验；第二课时检验生活中的铁元素进而总结Fe3+和Fe2+之间的转化，即将所学化学知识用于解决实际问题。本课题主要讨论第二课时的基于真实情境的教学。

三是在黑木耳提取液中加入氢氧化钠之后，重复实验表明，木耳提取溶液会产生较多的白色沉淀。由此引发疑问：这些白色沉淀是什么？是否会引起高一学生对实验结论的误判——可能是Fe(OH)2？老师抓住契机产生问题冲突培养学生的思维能力：白色沉淀一定是Fe(OH)2吗？同时为什么提取液中直接加入KSCN 显示较淡的红色而不是血红色？如果有Fe3+，为什么加入NaOH时无红褐色的Fe(OH)3沉淀呢？这些问题引发了学生强烈的认知冲突，在解决问题的过程中将学生的思维活动外显，从而实现学有所思，学有所获。再通过一系列的探究活动，将知识上升到思维层面，认识铁及其化合物的本质问题。

高一学生对于本节课的学习有了一定的知识基础和方法；具有一定的实验操作、观察分析和表达交流的能力，但在严密性、完整性及逻辑推理等方面尚存在欠缺。

2.2 教学目标

基于以培养学生核心素养为本的教学理念，最终确定本课时的教学目标如下：

（a）通过补铁剂的真实案例引出生活中铁元素的检验，通过真实体验定性检验木耳中的铁元素的过程，提高解决问题的能力以及对化学价值的认同；

（b）通过对木耳中铁元素检验的现象的分析，发展从物质类别和元素价态两个视角认识物质间转化关系认识的水平。

2.3 教学重难点

重点：体验Fe3+的检验过程，形成铁元素相互转化关系的知识网络结构；难点：理解铁元素检验的证据推理过程。

2.4 教学流程

本课题基于真实情境教学和核心素养的培养为评价导向，设置教学流程见图3：

图3 基于真实情境的《检验铁元素》的流程

2.5 教学过程

真实情境一：通过药品补铁剂引入新课生活中的补铁剂。

【教师】展示补铁剂说明书，引发学生思考以下问题：

【问题组1】

（a）为什么补铁剂不能与浓茶同服？

（b）为什么和Vc一起服用更加有利于吸收？

【学生】操作1：茶水与硫酸亚铁粉末混合，仔细观察，硫酸亚铁粉末与浓茶混合迅速变为蓝色不透明的墨水状物质，显然生成了人体难以吸收的物质。

【教师】简述实验原理，Fe2+和茶叶中的鞣酸发生了反应，生成鞣酸亚铁（可溶于水），然后鞣酸亚铁迅速在空气中被氧化为鞣酸铁（不溶于水的墨水色物质）。

【学生】操作2：向蓝色墨水物质加入Vc，仔细观察，蓝色墨水物质逐渐恢复为茶水颜色，思考原理。

【教师】引导学生理解：服用补铁剂时的注意事项。

【教师】那么生活中有没有天然补铁剂呢？

【学生】举例：菠菜、黑木耳、蛋黄、动物内脏等。

设计意图：通过对服用补铁剂的注意事项展开茶水实验，激发学生兴趣，强调化学转化观念，在设计鉴定实验中产生认知冲突，使学生更深入的进行学习和思考。

真实情境二：化身检测员，检测木耳中的铁元素。

活动一：提出假设，设计实验。

【教师】展示图片，介绍黑木耳制备提取液的步骤，展示准备好的黑木耳提取液，明确任务，提问学生：

图4 黑木耳提取液制备过程

【问题组2】

（a）如何鉴定无色黑木耳提取液中是否存在铁元素？

（b）如果存在铁元素又是以什么形式存在的呢？

【学生】积极讨论，木耳中可能含有Fe2+与Fe3+。通过讨论学生大致能形成以下方案：

方案一：向木耳提取液中滴加NaOH 溶液，观察是否有红褐色的Fe(OH)3或白色的Fe(OH)2沉淀产生，已验证是否有Fe2+或Fe3+。

方案二：向木耳提取液中滴加KSCN 溶液，观察溶液是否变为血红色，以检验是否有Fe3+。

设计意图：由于菠菜汁的深绿色会干扰观察，在尝试了菠菜、鸡蛋和黑木耳后，以实验现象最显著为原则，我们选择了黑木耳提取液为实验对象，通过学生自主讨论设计定性检验铁元素的实验，围绕基于真实情境解决实际问题。

活动二：亲手操作 验证猜想。

【探究】分组实验，分析结论，通过探究实验，发现以下化学现象：

现象一：向木耳提取液中加入NaOH 溶液，有白色沉淀产生；

现象二：向木耳提取液中滴加KSCN 溶液，溶液变为淡红色；

【教师】展示实验现象，分组思考以下问题：

【问题组3】

（a）得到了什么样的实验现象？

（b）根据实验现象得出什么样的结论？

【学生】思考问题，分别得出结论：

设计意图：通过实验现象，在初步得出结论的过程中，发现结论矛盾之处——白色沉淀一定是Fe2+吗？为什么KSCN 检验出来有Fe3+，而加入NaOH 时无红褐色沉淀产生？引发新的教学契机，为后续深入思考奠定基础。

表1 黑木耳提检验实验

活动三：深入思考 引发冲突。

【教师】通过同学们得出的结论，发现了矛盾之处，追问：

【问题组4】

（a）通过“滴加KSCN溶液，溶液变为淡红色”这一现象可以肯定：提取液中存在Fe3+，但白色沉淀里并没有出现红褐色的沉淀？

（b）白色沉淀里面是否一定存在Fe2+？加入KSCN 后溶液的淡红色说明什么问题？

【学生】积极讨论，思考回答，得出以下结论：

（a）Fe3+含量极低，NaOH 溶液无法检测出来，只有灵敏度高的KSCN 能检测出含量极低的Fe3+，所以加入KSCN 后溶液呈现淡红色；

（b）白色沉淀可能是Ca(OH)2或Mg(OH)2，不确定是否为Fe(OH)2，故Fe2+的检验还有待进一步探讨。

设计意图：提高解决实际问题的能力，加深对化学价值的认同感。教师在实施此教学片断时，也可以对学生的化学学习水平和思维严谨性进行评价。

【问题组5】

（a）如果要检验是否存在Fe2+，应该选用什么试剂？

（b）在提取液的制备过程中，是否可能已经发生了Fe2+向Fe3+的转化，在制备提取液的过程中应注意什么问题？

【拓展】简单介绍K3[Fe(CN)6] 的是检验Fe2+的特征试剂：若溶液中含Fe2+，则溶液与K3[Fe(CN)6]溶液会生成具有蓝色的铁氰化亚铁沉淀。

【教师】现场展示加入K3[Fe(CN)6]的现象，发现溶液变为淡蓝绿色，说明提取液中Fe2+含量极低或已经发生了Fe2+向Fe3+的转化。分析原因：Fe2+含量也极低，或Fe2+在灰化过程中或实验过程中被氧化了。

【学生】积极讨论，得出观点：要想检验出明显的Fe2+的特征现象，需注意以下两点：

灰化过程必须无氧化环境，可在氮气流中灰化；

木耳的灰化质量可以适当增多，或盐酸浸出液的量适当减少或适当增加盐酸的浓度——以增加木耳提取液的浓度；

设计意图：深入探讨Fe2+检验的科学方法，同时进一步体会Fe2+和Fe3+的相互转化原理，为铁三角转化图和价类二维图的制备引发契机。

活动四：强化转化 认识本质。

【学生】分组总结并制作Fe、Fe2+、Fe3+三者之间的转化关系图和铁的价类二维图。形成铁三角之间的转化关系。

【展示】学生自己制作的铁三角转化图和价类二维图。

图5 铁的价类二维图示例

【问题组6】

（a）常见的氧化剂，还原剂有哪些呢？

（b）物质之间互相转化的核心思想本质是什么？

【讨论】

【学生】（a）总结常见的氧化剂、还原剂。

（b）物质之间的转化内在因素是物质本身的性质决定的，内在因素我们较难改变，主要从外在条件思考如何完成物质之间的相互转化：可以从氧化还原反应、非氧化还原反应两个角度来思考，对于需要氧化还原反应达到相互转化的物质，则需要选择合适的氧化剂、还原剂以及适宜的外部条件；对于非氧化还原反应达到相互转化的物质，则重在外部条件的探讨。本节内容恰好提供了物质之间相互转化的学习范式。

设问小结

【教师】通过本节课的探究，学生是否有所感悟？

【学生】组内讨论，交流感悟。

【结课】化学知识的形成不是简单的探究活动形成的，而是科学家们经过长期的大量的实验论证而得出的结论，科学研究不能被表面现象所迷惑；化学研究一定是基于解决真实化学问题而产生的，基于真实情境的学习也非常重要。

3 基于真实情境的教学反思

本设计的打磨对象为化学师范生，试讲授课对象为不同理科生，在打磨过程主要取得的成效有：

（a）从师范生角度看，基于真实情境的教学设计较大的增强了教学设计素养。在此思想指导下，开阔了师范生教学设计思维，为教学设计的书写提供模板，有助于他们建立核心素养的教学设计体系。

（b）从听课的学生角度看，基于真实情境的教学设计能较好的激发学生的学习兴趣，建立良好的知识应用观。结合身边常见的食物入手拉近了学生与化学知识的距离，并能用科学探究的方法学习化学知识。

（c）从核心素养的培养来看，本课题较强的体现了证据推理与模型认知的核心素养的建构。基于客观实验现象实现证据推理的过程，再建立价类二维图的元素化合物的模型认知。

存在的问题主要有：教学设计实证过程较长，需要教师有较强的耐心做完相关实验；本教学设计经反复打磨而成，其中的实验也是经过实践论证的而设计，由于课时有限，主要定性研究食品中有无铁元素，可以延伸至课外组织实践活动，深入探讨食品中的铁元素的定量研究，提升学生的实践能力和思维能力；该设计为中学课堂而设，但缺乏真实一线实践资料，在此也值得继续探讨设计的合理性，且可从知识和能力两方面出发做相应的教学评价。

笔者深刻体会到：化学教学活动的展开绝对不是纯粹的知识呈现，化学是一门以实验为基础的应用性极强的学科，新课程标准提出“基于真实情境”的教学具有深刻的指导意义，但要注意情境的选择不能停留于表面，要具有深入的挖掘意义，将真实情境融入教学活动的设计中，对教师的要求较高，要求教师平时善于观察和积累素材，同时结合实验进行课堂教学效果更好；体现了新课程理念下学为所用的的最终目标，是培养学生的化学核心素养的良好载体。