基于物质转化的铁及其化合物...
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实验教学 教育与装备研究 2016 年第 3 期
基于物质转化的铁及其化合物高三复习教学
沈 军 孟哲虹
沈军ꎬ北京市第十四中学高级教师、市级中学化学骨干教师ꎻ孟哲虹ꎬ北京市第十四中学高级教师ꎮ 本文系
2015 年北京市级学科带头人及骨干教师“化学观念教学研究”工作室成果、北京教育学院“学科教育学”重点学科
建设、北京教育学院 2015 年度重大科研课题(课题编号 JYZD201506)的部分成果ꎮ
摘 要:以“铁及其化合物”为载体ꎬ以“物质转化”为切入点ꎬ就高三元素化合物知识的复
习教学活动设计与教学策略进行了探讨ꎮ 通过 FeSO4 的制备与保存、用硫酸渣制备
Fe2O3 等任务驱动ꎬ利用“元素化合价 -物质类别”二维图为分析工具ꎬ将物质的转化与物
质的性质、实现物质转化的途径与条件等知识建立联系ꎬ帮助学生形成对物质的组成、性质与转化及其相互关系的认识思维模型ꎬ力求促进学生知识结构的改造ꎬ提升学生的化学
思维水平ꎬ进而促进学生运用知识分析和解决具体问题ꎮ关键词:化学元素观ꎻ物质转化ꎻ铁及其化合物ꎻ高三复习教学设计
作为高中化学课程内容的重要组成部分ꎬ无机元素化合物知识以典型的元素及其重要化
合物为代表ꎬ包括物质的性质、反应、制法、检验、存在及应用等内容ꎬ可以丰富学生对物质及
其变化的感性认识ꎬ也是学生开展实验探究和
学习化学概念原理知识的重要载体ꎮ 由于其具
有庞杂、零散的特点ꎬ学生常常感觉元素化合物
知识易混淆、难记忆ꎮ 为此ꎬ加强从元素视角认
识物质及其转化以建立元素化合物知识的内在
联系ꎬ帮助学生建立起研究和认识物质性质与
反应的思路与方法ꎬ就显得尤为重要[1]ꎮ 在不
同学段元素化合物知识的教学要求不同ꎬ高三
化学元素化合物知识的一轮复习教学应以知识
的整合和运用为导向ꎬ重在引导学生形成和完
善物质的组成、性质和转化及其相互关系的认
识思维模型[2]ꎬ提高学生分析和解决相关问题
的能力ꎮ 为此ꎬ笔者以“铁及其化合物”为例ꎬ
运用化学元素观为指导ꎬ就基于物质转化的复
习课教学实践展开探讨ꎮ
一、基于“物质转化”的内容分析
物质是由元素组成的ꎬ从元素的视角看物
质的性质与反应是“化学元素观”的重要内涵ꎮ从元素的视角认识物质性质ꎬ要认识物质的性
质是由组成物质的元素种类、元素形态等所决
定的ꎻ要认识到基于物质元素组成ꎬ可以将纯净
物进行分类ꎬ基于物质类别认识同类物质具有
相似的性质ꎮ 从元素的视角认识化学反应ꎬ其中一个重要方面就是从元素视角认识物质的转
化ꎬ即以元素为核心ꎬ认识含有同种元素不同物
质之间的转化规律ꎬ建立某一元素的不同物质
之间的联系ꎬ形成相应的知识结构ꎮ 这包括两
方面:一是同一元素相同价态不同物质间的转
化ꎬ属于非氧化还原反应ꎻ二是同一元素不同价
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态物质之间的转化ꎬ如属于氧化还原反应[1]ꎮ以“化学元素观”为指导ꎬ以物质转化为切
入点ꎬ基于物质的元素组成和核心元素的化合
价来分析物质的性质、关注物质发生化学反应
的条件和实现途径ꎬ建立物质的组成、性质与反
应(转化)等知识间的内在联系并形成相应的
认识思维模型(见图 1)ꎬ可以发展学生从元素
的视角认识和把握物质的性质与反应ꎬ有利于
指导学生分析和解决相关问题ꎮ
图 1 基于物质组成、性质与转化知识间关系的
认识思维模型
铁及其化合物是元素化合物知识的重要组
成部分ꎮ 以铁及其化合物间的性质与转化为载
体ꎬ不仅可以帮助学生经历形成如图 1 所示的
认识思维模型ꎬ而且可以对后面非金属单质及
其化合物的复习起到引领作用ꎬ也可指导学生
以实验为载体ꎬ依此思路进行对陌生物质的研
究ꎬ有利于指导学生分析和解决相关问题ꎮ
二、基于“物质转化”的学情分析
从知识方面看ꎬ在高中化学必修阶段ꎬ学生
集中学习了几种典型元素(钠、铁、铝、氯、硫、氮)及其化合物的性质、用途及检验等相关知
识ꎮ 特别是通过物质分类、氧化还原反应、离子
反应相关知识的学习ꎬ教师引导学生初步建立
了研究物质性质的两个视角ꎬ即基于元素组成
的物质类别和核心元素化合价ꎮ 学生对“元素
化合价 -物质类别”二维关系图有了初步的认
识ꎬ能初步以某一核心元素为中心ꎬ从物质类别
的角度认识金属(非金属)、氧化物、氢氧化物
(酸)、盐等物质间的转化ꎬ从核心元素化合价
的角度分析同一元素不同价态物质之间的转化
等ꎮ 通过选修阶段化学反应原理知识的深入学
习ꎬ学生了解了盐类的水解问题ꎬ拓展和深化了
对水溶液体系中物质性质与转化的认识ꎮ从能力角度看ꎬ学生已经学习了不少含铁
元素的物质ꎬ如 Fe、Fe3O4、FeCl2、Fe2O3、FeCl3、FeSO4 等ꎬ但学生不能自觉、主动地从物质的组
成与性质的角度分析这些物质的转化ꎬ特别是
在面对如何基于物质的性质通过控制条件来
达到物质转化的目的、当物质之间转化有多
种途径时如何评价并找出最佳途径等问题
时ꎬ往往缺乏思路与方法ꎮ 为此ꎬ打通元素化
合物知识与其他相关知识之间的联系ꎬ将知
识结构化和功能化ꎬ是本复习课所要解决的
主要问题ꎮ
三、基于“物质转化”的复习教学活
动与策略
(一)以形成认识思维模型为导向设计复
习教学思路
基于上述分析ꎬ本节复习课以“含铁物质
的转化” 为切入点ꎬ通过 “ FeSO4 的制备与保
存”、“设计用硫酸渣制备 Fe2O3 的流程”两个
连续性的学习任务ꎬ引导学生运用“铁元素化
合价 -含铁物质的类别”二维图来分析和解决
相关问题ꎬ在活动体验、完成任务的基础上引导
学生进行归纳、概括ꎬ从而形成对物质组成、性质与转化间关系的整体认识ꎬ提升学生的化学
思维水平ꎬ其教学思路见表 1ꎮ(二)借助“元素化合价 - 物质类别”二维
图将认识思路外显
在任务 1 中ꎬ问题 1 的设计是为了探查学
生对铁及其化合物间转化已有的认识ꎬ了解学
生是否会利用“铁元素化合价 - 含铁物质的类
别”二维图来分析和解决问题ꎮ 在设计制备
FeSO4 时ꎬ多数学生能写出两种以上的途径ꎬ但能自觉地应用二维图来解决问题的学生不多ꎮ这时老师有意地将学生的制备途径在二维图
(见图 2)上进行表达ꎬ学生便能感受到二维图
为解决元素家族各个物质间转化提供了两个认
识角度ꎬ即利用同价态不同物质间的转化ꎬ如酸
碱反应ꎻ不同价态物质间的转化ꎬ如氧化还原反
应ꎮ 通过此活动ꎬ学生不仅能体会二维图的应
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表 1 基于物质转化的“铁及其化合物”复习教学思路
学习任务 主要问题与活动设计 学生认知发展
任务 1FeSO4 的制备与保存
[问题 1] 通过哪些物质间的反应可以得到 FeSO4?
[问题 2]实验室如何配制和保存 FeSO4 溶液?[对比实验] 将 FeSO4 溶解在不同 pH 条件下
以“铁元素化合价 - 含铁物质的类别”二维图为工具来分析物质的组成、性质和转化关系ꎬ通过实验感受到物质的转化是有条件的ꎮ
任务 2设计用硫酸渣制备 Fe2O3 的流程
[问题 3]以黄铁矿为原料制硫酸产生的硫酸渣中含 Fe2O3、Fe3O4、SiO2、Al2O3、MgO 等ꎮ 假如你是
一名工程师ꎬ想利用硫酸渣来制备铁红( Fe2O3 )ꎬ请写出你所设计的制备流程(在箭头上注明所用的试剂和操作方法)ꎮ
[问题 4]在上述转化的途径中凡是涉及使 Fe2 + 升价的ꎬ都是通过加入氧化剂实现的ꎮ 如果不加氧化剂ꎬ还有什么途径能实现这一转化? 请写出相应的反应原理ꎮ
基于真实问题的分析与解决ꎬ体会物质间的转化存在多途径ꎬ需要选择最优途径ꎻ要通过对反应条件的调控ꎬ使反应向着人们需要的方向进行ꎮ
用ꎬ而且进一步体会了铁及其化合物间可以转
化、转化是有规律的、转化是多途径的ꎮ
图 2 制备 FeSO4 的途径
(三)利用实验将认识和分析问题的思维
引向深入
以问题 2 为驱动ꎬ引发学生思考 FeSO4 的
化学性质有哪些、如何检验 Fe2 + 等问题ꎮ 关于
如何配制和保存 FeSO4 溶液ꎬ学生的回答是将
FeSO4固体直接溶于蒸馏水中ꎬ并滴入几滴稀
H2SO4 以防止 Fe2 + 水解ꎬ加少量铁粉以防止
Fe2 + 被空气中的氧气氧化ꎮ 这时教师进行了如
下演示实验:分别将 1g 的 FeSO4 溶解于等体积
的 pH =1 的 H2SO4(试管①)、pH = 5 的 H2SO4
(试管②)和蒸馏水(试管③)中ꎬ振荡后ꎬ三支
试管中溶液的颜色无明显差异ꎮ 接着展示了放
置 2 小时后的三支试管ꎬ发现试管③中溶液的
颜色略有变化ꎮ 用激光笔照射此溶液ꎬ出现了
丁达尔效应ꎬ说明有 Fe(OH) 3 胶体产生ꎮ 接着
又展示了放置 24 小时后的三支试管ꎬ发现试管
②和试管③都有不同量的Fe(OH) 3 红褐色沉
淀ꎮ 这组实验很直观地说明 Fe2 + 被空气中的
氧气氧化与溶液的酸性强弱有关ꎬFe2 + 的还原
性在强酸性溶液中体现不出来ꎮ 这个实验也证
明了 Fe(OH) 3 沉淀在 pH = 5 的酸中能稳定存
在ꎮ 这个实验引出了物质间的某些转化是有条
件的ꎬ为后续对转化条件进行调控做好了铺垫ꎮ从课堂实施看ꎬ此时能利用二维图进行分析的
学生数明显增多ꎮ(四)在运用知识解决具体问题的体验中
获得实践经验
任务 2 让学生以工程师的身份利用硫酸渣
制备铁红ꎮ 硫酸渣是含 Fe2O3、 Fe3O4、 SiO2、Al2O3、MgO 等的混合物ꎬ由此出发制备一个纯
净物 Fe2O3 的流程中涉及元素分离和物质的制
备ꎬ即涉及到酸碱反应和氧化还原反应ꎬ必然有
多种转化途径ꎬ学生通过讨论ꎬ比较选取最优途
径ꎮ 为了达到对条件的控制ꎬ教学中给学生提
供了氢氧化物沉淀开始时和沉淀完全时的 pH等资料ꎬ学生需对信息加以理解和分析ꎬ才能
应用ꎮ在这个学习任务中ꎬ有了角色扮演ꎬ学生异
常活跃ꎮ 课堂上老师给学生充分表达的时间ꎬ当有学生出现错误时ꎬ其余学生立即纠正ꎮ 当
设计出了三条途径(见图 3)后ꎬ学生又对这 3条途径进行了评价ꎬ选出了最佳的途径ꎮ
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图 3 用硫酸渣制备铁红的三种流程
在讨论 Fe2 + 转化成 Fe(OH) 3 的途径时ꎬ学生设计的三条途径都是加氧化剂实现的ꎮ 教
师接着利用问题 4 让学生思考:如果没有氧化
剂ꎬ怎么办? 学生想到电解ꎮ 教师给出惰性电
极电解 pH = 1 的 FeSO4 溶液的装置图(见图
4)ꎬ让学生先分析生成 Fe ( OH) 3 的原理:c(H + )减小ꎬpH 增大ꎬ达到 Fe3 + 沉淀的 pH 时ꎬ便形成 Fe(OH)3 沉淀ꎻ进而书写电极反应式ꎬ由此会导致写出 Fe2 + 放电或 Cl - 放电ꎬ造成认识冲
突ꎮ 这时可利用 2014 年北京高考题ꎬ引导学生
在分析中得出 Fe2 + 和 Cl - 放电的电压范围不同ꎬ因而可通过调控电压ꎬ达到控制反应的目的ꎮ
图 4 惰性电极电解 pH = 1 的 FeSO4 溶液
在上述活动中ꎬ由于学生是以工程师的身
份设计制备流程ꎬ能感受到工业生产就是通过
对条件的调控ꎬ使反应向着人们需要的方向进
行ꎬ从而体会化学对人类社会发展的贡献ꎮ
四、教学效果分析与反思
上课一周后ꎬ在复习硅及其化合物知识时ꎬ让学生思考如何分离 Al2O3、Fe2O3、SiO2、CuO的混合物ꎮ 全班 29 人中有 19 人(占 65. 5% )
在没有任何信息提供的前提下ꎬ想到通过调 pH达到物质分离ꎬ表明多数学生能够想到当物质
间的转化有条件时ꎬ可以通过对条件的控制来
实现物质的转化ꎻ有 11 人(占 37. 9% )能够想
到采取多种途径实现转化ꎬ并设计了不同的实
验方案ꎮ 由此可见ꎬ基于物质转化的“铁及其
化合物”的复习课教学ꎬ对学生形成和完善物
质的组成、性质与转化间关系的认识思维模型、提升分析和解决问题的能力是有帮助ꎮ
总之ꎬ复习不仅要整理知识ꎬ更重要的是能
运用知识解决具体问题ꎬ提升解决问题的能力ꎮ在高三元素化合物知识的复习中ꎬ将元素化合
物知识与化学实验、化学概念原理等知识进行
整合ꎬ将物质的转化与物质的性质、实现物质转
化的途径与条件建立联系ꎬ帮助学生增进对物
质的组成、性质与转化之间内在关系的整体认
识ꎬ引导学生形成体现分析思路或操作程序的
认识模型ꎬ使学生的认识能够基于具体知识但
又超越具体的知识ꎬ实现知识的结构改造和认
识事物方式的变化ꎬ这是提升学生的化学思维
水平与解决问题能力的重要教学策略[3]ꎮ致谢:本文得到了北京教育学院何彩霞、王
钦忠老师、首都师范大学陈康叔老师的指导和
帮助ꎬ在此表示衷心的感谢!
参考文献:[1]何彩霞. 引导学生从元素视角认识物质及其转
化———以“金属及其化合物”教学为例[J] . 化学教
学ꎬ2013(9):27 - 29.[2]王磊ꎬ郭晓丽等. 元素化合物认识模型及其在复习教
学中的应用———以高中«化学 1»“金属元素及其化合
物”单元复习为例[J]. 化学教育ꎬ2015(5):15 -21.[3]何彩霞ꎬ余丽蓉. 多角度地认识化学反应[ J] . 教学
仪器与实验ꎬ2014( 9):3 - 7.[4]白建娥ꎬ何彩霞. 论促进学生“元素观”发展的铁及其
化合物的教学.中学化学教学参考ꎬ2014(10):1ꎬ5 -6.[5]沈军. 通过实验探究发展学生对研究物质化学性质
的认识———以人教版高中必修 1“铁的重要化合
物”为例[J] . 教学仪器与实验ꎬ2013(5):11 - 14.[6]王桐. 利用问题情境促进学生知识系统化———以
“Fe3 + 的性质及应用”复习教学为例[ J] . 教学仪
器与实验ꎬ2014(4):8 - 11.
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