初中化学“含铁物质的转化与应用”项目式学习的设计——敦煌壁画的创作*

金荣妹 符爱琴

（苏州市吴江区实验初级中学 江苏苏州 215200）

一、项目主题内容分析

本课题的主题内容涉及沪教版九年级化学上册第5章“金属的冶炼与利用”和九年级化学下册第7章“应用广泛的酸、碱、盐”中的相关知识。教学内容中，学科的核心知识在实际社会发展中有重要应用价值，教学过程对核心素养的发展也有重要的积极意义；依据《义务教育化学课程标准（2022 年版）》中有关要求和教学建议，在初三化学“含铁物质的转化与应用”的教学中，将化学与跨学科知识进行综合应用，贯彻可持续发展观的目标，设计实验方案、完成实验探究，解决实际问题，制作项目作品，并及时进行修正和优化，用一课时的安排完成了本项目的设计与实施。

1.教学内容概述

沪教版九年级化学上册“金属的性质和利用”一节中金属与氧气、金属与酸以及金属与盐的反应的相关知识，第7章中金属氧化物与酸、碱与酸、盐与酸的反应等相关知识，从教材的编排上看，含铁物质的相关知识分散于这两个不同的章节，教学内容整体性和连贯性不强，在学习过程中学生获得的知识有些零散，对构建清晰的、结构化的知识网络有一定的影响，不利于学生将所学的知识应用于生活实践，本项目对以上教材内容进行有机整合，以敦煌壁画的创作为情境，组织成符合学生认知发展要求，贴近学生生活实际的跨学科项目式任务，完成含铁物质的转化及应用的复习，帮助学生建构不同类别物质间的相互反应及转化，从而解决以上实际问题［1］。

2.课程标准的相关概述

《义务教育化学课程标准（2022年版）》在课程内容中新增设了“化学与社会·跨学科实践”栏目，利用化学、艺术、历史、地质学、道德与法治等多学科融合的思路与方法解决跨学科问题。在实践活动中，初步学会运用元素观、变化观等化学观念和科学探究方法解决问题；在解决实际问题的过程中，将各学科知识加以综合运用，选择合适的方法和策略，使科学技术得以有效应用，体会以合作、协同、创新的方法解决问题的重要性［2］。

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》在学业要求中提出：能依据物质的组成对物质进行分类并列举一些简单的单质、氧化物、盐、碱等；如列举含铁物质中的单质铁、铁的氧化物、亚铁盐，铁盐和氢氧化铁等。能运用研究物质的一般思路与方法，从物质类别的视角，依据金属、酸、碱、盐的主要性质，设计实验方案，如利用铁获得氧化铁，或利用赤铁矿石获得氧化铁的工艺设计流程。

《义务教育化学课程标准（2022年版）》在课程理念中提出：在化学教学中重视以核心素养为导向，注重真实问题情境的创设，倡导“创中学”，开展项目式学习，重视跨学科实践活动［3］。本课程在敦煌壁画的创作中开展项目式学习，从探究壁画颜料、自制壁画颜料和应用颜料创作这三个项目任务的活动中，融合了对敦煌壁画的历史研究，渗透学生对美术作品的审美观，尝试了工业生产氧化铁的工艺流程，了解了我国氧化铁工业的出口数据，拓展了氧化铁在生产、生活中的用途，充分发挥了跨学科实践活动课程的育人功能，培养学生适应社会发展的必备品格、关键能力并厚植爱国主义情怀，树立为推动社会进步而奋斗的崇高追求［4］。

3.项目主题内容与核心素养

项目式教学对知识的综合应用非常重视，让学生在项目式学习中收获知识，又发展技能，同时提升核心素养。本跨学科项目主题的设计思路，通过学生完成物质的鉴别、氧化铁的制取、氧化铁的应用等一系列真实情境问题和跨学科实践活动中落实科学探究能力和实践能力的培养，并在解决与化学相关的真实问题中形成质疑、批判和创新等科学思维能力，同时融入艺术元素来增强文化自信［5］。

二、项目教学目标

（1）通过追溯壁画颜料的来源，设计简单实验检验颜料成分，了解真实问题情境下探究物质成分的基本方法，体验中华文化的源远流长；

（2）通过选择原料制取壁画颜料，培养实验设计能力以及实验探究能力，建构含铁物质性质及相互转化的结构化知识图，强化对物质多样性的认识；

（3）通过对资源的开发和资源的回收等社会议题的讨论，形成保护和节约资源的可持续发展意识。

三、项目任务及教学流程

结合项目主题“敦煌壁画的创作”设计3个项目任务，通过驱动性问题，调动学生进行颜料成分的探究，颜料的制作以及利用颜料进行壁画创作等一系列探究活动。

四、项目实施过程及学生学习成果

1.项目任务一：探究壁画颜料

［教师］播放莫高窟壁画九色鹿的视频。

［学生］从历史角度，回顾敦煌壁画的悠久历史。

［学生］从艺术角度，体会壁画的艺术美。

［学生］从化学角度，对壁画颜料的成分产生了浓厚的兴趣。

设计意图：通过对壁画历史的了解，体会中国古代劳动人民的博大智慧；通过对艺术作品的欣赏，培养学生对艺术的欣赏能力；通过对颜料的颜色鲜明、保存时间久远等性质的总结激发学生对物质世界的好奇心、想象力和探究欲。

［教师］壁画比较庞大，老师给大家准备了一些迷你模特，我们亲手制取颜料，然后尝试创作一个微型的敦煌壁画模特。

［问题］敦煌壁画的颜料中最醒目、最具代表性的一种，是红色颜料，它含有什么成分呢？

［资料］研究人员对采集的壁画标本进行检测，经过大量的分析研究证明，敦煌壁画的颜料全是天然无机矿物颜料，主要含有金属氧化物。

［问题］请同学们依据物理性质是红色的物质进行猜想：我们初三化学学到的哪些金属氧化物是红色的？

［学生1］氧化铁。

［学生2］氧化亚铜。

［教师］同学们如何用实验鉴别红色颜料是氧化铁还是氧化亚铜？

［资料］Cu2O+2HCl==== CuCl2+Cu+H2O。

［教师支持］提供与敦煌壁画成分相同的红色颜料。

［学生］取红色颜料样品少许于试管中，加稀盐酸或稀硫酸，然后观察溶液颜色。

［学生探究实验］

①将迷你试管中的稀盐酸全部加入盛有红色颜料的试管中；

②充分振荡试管；

③将混合物转移到井穴板的空穴中；

④用注射器吸取混合物并留有1 cm空柱；

⑤套上过滤器，将滤液挤压到井穴板中观察颜色。

图1 鉴别氧化铁和氧化亚铜的探究实验

［教师］请小组代表描述实验时观察到的现象并推测结论。

图2 观察红色颜料与酸反应的现象

［学生］观察到黄色溶液，说明红色颜料中含有氧化铁。

［问题］在认识颜料的过程中我们用到了哪些方法鉴别物质？

［学生1］颜色、状态或溶解性等。

［教师］某些物质若用物理方法无法区分，又应该如何操作呢？

［学生2］利用物质的化学性质，是否与酸反应，以及与酸反应后的现象等。

［教师］经过一系列探究实验验证红色颜料中含有氧化铁。

设计意图：通过设计实验、探究实验、观察现象、分析结论，培养了学生的实验探究能力，完成了金属氧化物与酸反应的知识梳理，建立了对物质鉴别的化学实验探究活动的一般思路的认知模型。从素养养成的角度，培养了学生严谨求实的科学态度，从能力发展的角度，发展了学生运用化学知识对生活和实际问题作出正确判断的能力。

2.项目任务二：自制壁画颜料

［教师］古代人们是如何制得氧化铁颜料的呢？

视频：矿石颜料的物理加工。

［教师］对这样的古法研制你如何评价？

［学生］主要发生物理变化，耗时耗力。

［设计意图］通过视频感受古人的勤劳和智慧，并体会古人对美、对艺术的追求。

［教师］展示我国现代工业制取氧化铁的出口量数据图。

图3 2015～2021年中国氧化铁进出口贸易情况

［教师］随着时代的发展，颜料的需求量不断增加，而氧化铁系颜料是产量和用量最大的颜料产品。目前我国已成为氧化铁产品的生产大国。

设计意图：了解含铁物质在生产和社会发展中的重要作用，初步认识科学、技术、社会、环境的相互关系，并培养学生的责任担当。

［教师］现代工业上制取颜料更多的是利用化学方法。请利用你所学的原理，自选原料制取氧化铁，小组讨论。

［资料］（1）氯化亚铁灼烧后可得氧化铁；

［教师］请其他组同学评价一下这一方案。

［学生］可行，但是反应速度太慢，生成的铁锈分离困难。

［教师］这一组同学设计的方案是从原料铁开始的，请其他组同学评价一下这一方案。

［学生］氯元素会形成污染性气体，对环境不利。

［教师］每一组同学都有自己的想法，综合各方面因素，如实际生产中为了降低成本，变废为宝，原料我们可以尝试用废铁屑。

［教师］废铁屑中含有什么成分？

［学生］铁和氧化铁。

［教师］老师给大家准备好了废铁屑，我们一起来试试。

［学生探究实验］

①将迷你试管中的稀盐酸全部加入盛有废铁屑的试管中；

②充分振荡试管；

③将混合物转移到井穴板的空穴中；

④用注射器吸取混合物并留有1 cm空柱；

⑤套上过滤器；

⑥将滤液挤压到井穴板中观察颜色。

图4 废铁屑与酸反应的探究实验

［教师］同学们过滤后的滤液中含有什么溶质？观察到滤液是什么颜色？

［学生］溶质中含有氯化铁和氯化亚铁。

［学生］滤液是浅绿色的。

［教师］这是为什么呢？

［教师］原来是氯化铁被还原为氯化亚铁，我们想要制得氧化铁，需要将氯化亚铁氧化成氯化铁。你知道最常见的氧化剂吗？

［学生］氧气。

［教师］非常好，不过利用空气中的氧气，需要的时间很长，我们可以改用双氧水。

［资料］2FeCl2+H2O2+2HCl====2FeCl3+2H2O

［学生探究实验］将注射器中已酸化的双氧水缓缓推入井穴板中的浅绿色溶液中，并观察现象。

图5 氯化亚铁转化为氯化铁的探究实验

［学生代表1］溶液由浅绿色变为黄色。

表1 项目任务及教学流程

［学生代表2］有沉淀产生。

图6 氯化亚铁在碱性条件下与过氧化氢反应的现象

［教师］为何会有这样的异常现象呢？

［资料］氯化亚铁在碱性条件下与双氧水反应则会生成FeOOH 沉淀，俗称氧化铁黄，由于FeOOH 还能继续与亚铁离子反应生成Fe3O4而使制得的氧化铁黄不纯。

［讨论］已知：FeOOH 及铁的氧化物受热分解的温度如下：

称取含Fe3O4的FeOOH 样品76.6 g，进行热分解实验。控制不同的温度对样品加热，测得剩余固体的质量随温度的变化如下图所示。

图7 加热含Fe3O4 的FeOOH 样品，剩余固体的质量随温度的变化图像

请同学们计算样品中FeOOH 的含量为多少？（精确到0.1%）

［学生］设样品中FeOOH 的质量为x。

［教师］为了能得到较纯的铁红，我们选择将氯化铁转化为氢氧化铁，如何转化呢？

［学生］加氢氧化钠溶液。

［学生探究实验］向盛有氯化铁溶液的井穴板中滴入氢氧化钠溶液。

［学生］观察到有红褐色沉淀产生。

图8 废铁屑制取氧化铁的工艺流程图

［教师］我们按照这样的工艺流程进行制备，工业制备物质需要考虑哪些因素?

［学生］高效、价廉、简便、绿色、安全。

设计意图：通过自选原料制备氧化铁，完成含铁物质的转化及应用的复习，通过对实验异常的猜想、探究、分析，培养学生实事求是的探究精神；通过对含铁物质的定量分析，了解化学反应的结果受诸多因素的影响并建构工业制备物质的一般模型。

［教师］今天老师利用了这种方法制得了氢氧化铁，并在经过了过滤和洗涤后分发给大家，请同学们通过灼烧自制氧化铁颜料。

［学生探究实验］灼烧氢氧化铁。

［教师］我们在制备物质的过程中主要经过哪些步骤？

［学生］选择原料、确定原理、选择装置、分离提纯、获得产品。

［设计意图］及时将化学观念进行提炼和升华，既培养了学生解决问题的能力，也造就了学生建构模型的能力。

3.项目任务三：应用颜料创作

［教师］现在同学们可以利用你自制的铁红颜料在壁画模特上进行创作了。

［学生］壁画模特的创作。

小组完成作品。

图9 壁画模特的创作作品

设计意图：利用自制颜料完成跨学科的艺术创作，既锻炼了学生创作艺术的能力，也使学生的动手实验能力得到了培养，在创作中还培养了学生合作、创新能力，同时体会了化学来源于生活，化学与生活息息相关。

［教师］氧化铁作为颜料除了可以创作壁画和DIY上色，氧化铁颜料还有什么用途？

［学生］查阅资料得到氧化铁作为颜料还可以给地坪、地砖等上色，也可以用以墙砖美缝等。

［教师］氧化铁不仅作为颜料，还可以用作催化剂等等。

［教师］本以为氧化铁一无是处，

没想到氧化铁用途广泛。

其实事物都有两面性，

创造万物的太阳，

也不能照到一张叶片的两面，

总有明暗两面的遗憾。

但我们可以选择向阳而生，

让我们努力绽放熠熠生辉的一面。

［设计意图］体会物质性质决定物质用途，并利用跨学科知识、颜料的应用，了解物质的两面性，铁锈的主要成分氧化铁并不是一无是处，从而上升到思想品德的教育，激励学生积极进取，培养学生崇尚真理的科学态度和养成攻坚克难的优秀品格。

［教师］今天我们在壁画创作的过程中复习了含铁物质的转化，请同学们归纳涉及的反应原理。

图10 含铁物质转化的价类二维图

设计意图：利用价类二维图将不同物质类别和铁元素不同化合价态时的物质转化关系建构含铁物质的转化模型，认识了变化的是物质，守恒的是元素这一化学观念。通过含铁物质的应用建构物质性质与应用之间的关系模型，认识物质的性质决定应用，认识合理利用物质的重要性。从物质转化的视角解决与化学相关的实际问题，树立辩证唯物主义世界观。

五、项目教学建议

1.实验探究微型化

课堂教学中的微型实验、微型过滤，节省了时间，简便了操作，节约了药品，减少了污染，直观了现象，这样的设计让课堂的设计能在有限的时间内完成项目式任务。井穴板这一微型仪器的一板多用，既储存了待过滤的悬浊液，又承载了过滤后的滤液，还作为壁画创作的调色板，小小身形，发挥了它最大的功效。微型壁画模特的创作，既完成了创作的使命，又缩短了创作的时间，让学生在一课时内完成作品，深刻体会化学的实用，化学与生活的关系，同时也获得了创作成功的成就感。

2.教学内容跨学科

以跨学科的敦煌壁画的创作教学活动为真实情境进行教学，需要融合敦煌壁画的历史知识，语文学科中九色鹿的育人故事，壁画创作的审美和艺术知识，在颜料的自制过程中融入了工业制取化学物质的基本思路和绿色化学的实践意义，联系了数学知识坐标图，完成含铁物质的价类二维图，这既培养了学生全面发展的能力，也激发了教师教学能力提升的主动性和必要性，构建了教师和学生共同进步的良好氛围。

3.教学成果项目化

项目式任务驱动教学，首先调动了学生学习的兴趣和热情，通过完成任务制取了红色颜料，创作了微型壁画模特，既推进了含铁物质转化和应用的复习进程，也让学生获得了知识和能力的成就感。整个教学过程中，小组合作完成项目式学习，既提升了学生之间的协调能力，也促进了组员之间的人际关系和沟通交流，这些收获远远超越知识本身，这是学生终身能力的培养。