【优质课例】基于真实问题情境开展实验探究的教学设计与实施：探秘第三代补铁剂

3 教学思想与创新点

（1）创设真实而富有价值的问题情境

在开展铁盐、亚铁盐的教学时，并没有选择实验室常用试剂FeCl3或Fe2(SO4)3，FeCl2或FeSO4为研究对象，而是选择更具有生活情境，更具有探究价值，且从补铁剂进化史的角度出发，补铁效果更优良的第3代补铁剂为研究对象，凸显科学技术的进步。按照真实且具连贯性的问题线索展开教学：“老奶奶怎么了——补铁剂的主要成份可能是什么——第1、2代补铁剂的主要成份是什么——第3代补铁剂的存在形式是什么——如何促进第3代补铁剂被吸收——老奶奶康复了吗。”

（2）开展基于真实问题解决的多样化的实验探究任务

在解决不同复杂和陌生程度的真实问题的过程中，经历多个具有化学学科特质的实验探究学习任务[1]，以达到促进“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”、“实验探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”等化学核心素养的目的。所有实验探究活动均由小组合作完成，实验方案由学生结合相应资料自主设计，通过实验证据进而推理验证猜想，教师的工作是组织、引导学生汇报，帮助学生对实验探究过程中涉及的知识与方法进行双重总结提升。探究1“第3代补铁剂是否含有三价铁”较为简单和熟悉，教师提供资料，学生自主探究，属于模型与解释、证据与推理类学习活动；探究2“第3代补铁剂是否含有二价铁”、探究3“Fe2+是否能被氯水氧化”较为复杂和陌生，在教师的引导下，学生共经历2轮次的探究，探究2属于模型与解释、证据与推理类学习活动，探究3属于模型与预测、证据与推理类学习活动；探究4“第3代补铁剂中铁元素的物质类别属性”较为简单和陌生，属于分类与概括类学习任务；探究5“Fe3+是否具有氧化性”较为复杂和陌生，属于模型与预测、证据与推理类学习活动。

4 指向核心素养的教学目标

（1）通过预测第三代补铁剂中铁元素的存在形式，建立含铁元素的物质类别与化合价的二维关系模型，培养学生的模型认知能力。

（2）通过预测补铁剂中铁元素的价态，借助资料设计实验方案，完成实验探究。借助铁元素的价类二维关系模型并依据宏观现象进行微观解释，学习Fe2+、Fe3+的检验方法，实现Fe2+向Fe3+的转化，培养学生科学探究与创新意识及根据证据进行推理的能力。在活动中建构解决检验性任务的一般思路模型，进一步提升学生使用模型解决问题的能力。

（3）通过学生活动“如何使补铁剂更好的被人体吸收”，诊断学生应用价类二维关系模型进行物质性质预测的能力，诊断学生应用解决检验性任务的一般思路模型进行实验探究的能力，完成Fe3+向Fe2+的转化。构建完整的铁盐与亚铁盐的化学性质及转化关系。在解决真实问题的过程中体会科学精神与社会责任。

5 基于真实问题和实验探究的教学流程解读

5.1 基于真实问题和实验探究的教学流程图

5.2 实验探究线索的具体解读

6 教学过程

[引入]我家隔壁住着一位奶奶，前段时间总听她说：“经常头昏眼花，身上没有劲儿，迷迷糊糊，总觉得睡不醒，就连最爱的广场舞都懒得去跳了。”于是我劝她赶快去医院看看，结果拿回来一张化验单，请你帮她诊断，她这是怎么了？

[学生]缺铁。

[环节一]补铁剂的主要成份可能是什么

[老师]你知道哪些含有铁元素的化学物质？请全面而有序的写在学案上，并说明书写思路。

[学生]书写学案（见图3学案1），我按照类别去写，先是单质，然后氧化物，碱，盐。

[老师]氢氧化铁与氢氧化亚铁都属于碱，他们有区别吗？

[学生]铁元素的化合价不同。

[知识与方法小结]我们如何全面而有序的书写，可以从两个角度进行思考，一是物质类别，二是化合价。铁元素常见的化合价有+3，+2，0。所以在二维图中按照一一对应的关系可以快速的写出这些物质。请大家在学案上与我一起来整理（见图4学案2）。

[环节二] 第三代补铁剂的存在形式

[补铁剂的进展史资料]在19世纪出现了以硫酸亚铁为代表的第1代补铁剂，在20世纪中期出现了以琥珀酸亚铁为代表的第二代药物，它的吸收效果虽然提高了，但是仍然避免不了副作用对肠胃的刺激。后来随着技术的革新，20世纪末第3补铁剂诞生了，这款药物无论是吸收效果、口味或是副作用方面都得到了优化 [14-15]。

[老师]第1、2代补铁剂的主要成份是什么？

[学生]第1代补铁剂的代表是硫酸亚铁，第2代补铁剂的代表是琥珀酸亚铁。

[老师]请从物质类别和化合价2个角度并依据资料预测第三代补铁剂中铁元素可能的存在形式？并说明理由。

[学生]可能是三价铁，因为二价铁易引起严重胃肠副作用。

[学生]也可能是二价铁，因为游离Fe 2+更易被人体吸收。

[老师]无法确定的情况下就要通过实验进行探究。课前我将补铁胶囊拆开，发现里面是固体小颗粒，取两等份，以2种形式进行溶解，左边为水溶物，右边为酸溶物（见图5药物溶液），模拟人体肠胃酸环境。请大家根据提供的试剂、仪器及2份资料，小组合作设计方案并实验验证猜想，此补铁剂中铁可能为几价？

[试剂]补铁药物酸（盐酸）溶液，补铁药物水溶液，氯水，FeSO 4溶液，0.1mol/l KSCN，30%NaOH，蒸馏水

[仪器]试管、胶头滴管、离心管、离心机、药匙、油性笔

[资料]①离心机：离心机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体混合物中各组分的机械。例如当氢氧化铁、氢氧化亚铁浓度较小时，在水中处于较为均一的分散状态，离心机可起到固液分离的作用。②检验Fe 3+的微视频：方法1，取氯化铁溶液于试管，滴加一种灵敏试剂硫氰化钾，溶液变为血红色，但不能直接用硫氰化钾检验Fe 2+。方法2，取氯化铁溶液于试管，滴加氢氧化钠溶液，有红褐色沉淀氢氧化铁产生，而氢氧化亚铁为白色沉淀。[学生]汇报方案、实验现象、实验结论。（见表2学生方案）

[老师]方案2中需要补加离心实验，为每组提供了离心管，请大家进行离心实验。

[学生]离心后有红褐色沉淀（见图9离心实验），说明药物酸溶液中含有三价铁。

[老师]药物水溶液检测不到Fe 3+，说明第三代补铁剂药物本身有何特点？

[学生]此药物在水中能溶解，但是难电离。

[老师]在Fe 3+的检验资料中介绍了2种方法，哪种方法更灵敏？

[学生]滴加KSCN。

[老师]课前老师做了一组对照实验。当氯化铁浓度较小时，肉眼通过颜色分辨不清浓度大小，但是滴加KSCN溶液后（见图10、11），可以通过血红色的深浅定性判断氯化铁溶液浓度的高低，进而说明KSCN是检验Fe 3+非常灵敏的方法。这是借助铁离子的化学特性：与KSCN相遇溶液变为血红色。对于二价铁的检验，我们通过加入氢氧化钠溶液并离心，只看到红褐色沉淀，没有看的白色沉淀，是否可以说明无Fe 2+？

[学生]可能氢氧化亚铁量太少，如果2种沉淀都存在，会相互遮盖，不易观察。

[老师]还有其他方法检验二价铁吗？给大家一点提示：检验物质其实是借助物质特有的化学性质，Fe 2+的检验既然在本实验中无法直接借助盐的类别通性进行检验，是否可以采取迂回战术间接检验呢？

[学生]借助亚铁离子的还原性，向药物酸溶液中加KSCN，将混合液一分为二，向其中一份加入氯水。如果加入氯水后颜色更红则表明有二价铁。实验（图12）表明溶液没有更红，说明没有二价铁。

[老师追问]二价铁为何具有还原性？

[学生]化合价可以升高，具有还原性。

[老师]没有更红，是否一定说明无二价铁呢？我们还没有学习过亚铁盐的化学性质，虽然亚铁离子具有还原性，氯水具有氧化性，但是亚铁离子是否一定能被氯水氧化？如果两者不能发生氧化还原反应，那么加入氯水后颜色没有变得更红就是理所当然。所以还需要论证一件什么事情呢？

[学生]亚铁离子是否可以被氯水氧化为铁离子。取硫酸亚铁溶液于试管中，加入KSCN溶液，出现淡淡的红色（见图13右）。可能是硫酸亚铁在空气中变质了，亚铁离子变为了铁离子。[老师]那我们能否接着用此硫酸亚铁继续进行实验呢？

[学生1]不能。

[学生2]如果溶液没有变质完全，里面仍有一部分的硫酸亚铁，我们就可以尝试使用其继续完成实验。

[学生3]取淡红色溶液2等份，向其中一份加入少量氯水，溶液红色加深（图13左）。说明硫酸亚铁溶液没有变质完全，同时证明氯水确实可以氧化亚铁离子为铁离子。第三代补铁剂中的铁是三价铁，无二价铁。

[知识小结]本节课，咱们学习了铁的两种化合物：亚铁盐和铁盐。请梳理刚刚涉及到的亚铁盐和铁盐的化学性质（见表3）。

[方法小结]我们虽然探秘的是补铁剂中铁的化合价，但其实这里面的化学问题是检验亚铁离子和铁离子。解决检验性任务的方法是：首先找到物质特征性质或性质差异，如果是你熟悉的，例如资料提及Fe 3+的检验方法，那就可以直接检验，如果无法直接检验，例如Fe 2+，可以从物质类别和元素价态2个角度去预测，再进行物质转化，间接检验（图14）。

[老师]结合以上实验探究及资料，说明第3代补铁剂中铁元素所属物质类别？

[资料]：[主要成分]多糖铁复合物，铁为三价。[药品性状]溶水后成红棕色溶液，并以分子形式存在。[药物相互作用]维生素C与本品同服，利于本品吸收。

[学生]通过实验发现，该药品在水中能溶解，但是难电离。酸性环境可破坏该药物结构，使Fe 3+游离出来，由于胃酸主要成份是HCl，所以药物酸溶液中的Fe元素以氯化铁，铁盐的形式存在，药物本身属于多糖铁复合物，属于有机铁。

[环节三] 促进第三代补铁剂被吸收

[老师]通过学习我们知道二价铁更易被人体吸收，如何使该补铁剂更好的被人体吸收？

[学生]铁离子化合价为+3价，具有氧化性，用维生素C将三价铁还原为二价铁。

[老师]为大家提供以下试剂，请小组合作设计方案并用实验证明Fe 3+具有氧化，可以被转化为亚铁离子。

[试剂]补铁药物酸（HCl）溶液，0.1mol/l KSCN，维生素C，Fe粉，0.1mol/l KI。

[学生1]向药物酸溶液中加入KSCN溶液，溶液变为红色（图15左），再加维生素C，红色褪去（图15右），说明铁离子被还原，具有氧化性。

[学生2]向药物酸溶液中加入KSCN溶液，溶液变为红色（图16左），再加Fe粉，红色变浅（图16右），同时有气泡产生，说明铁离子被还原，具有氧化性。

[学生3]向药物酸溶液中加入KSCN溶液，溶液变为红色（图17左），再加KI溶液，红色褪去（图17右），说明铁离子被还原，具有氧化性。

[环节四] 完善铁元素的价类二维图

[老师]请在二维图中以图示的形式表示铁盐与亚铁盐的化学性质，及两者之间的转化关系。[学生1]亚铁盐的化学性质：亚铁离子的化合物的水溶液呈浅绿色，在二维图中二价的亚铁盐可以通过加碱的方式来实现其类别转化，生成氢氧化亚铁。从价态上看，正二价是铁元素常见价态中的中间价，可以通过加还原剂的方法将其向0价转化，也可以通过加氧化剂的方法将其向正三价转化。

[学生2]铁盐的化学性质：三价铁离子的化合物的水溶液呈黄色，在二维图中，三价铁盐可以通过加碱的方式实现类别转化生成氢氧化铁，从价态上看，正三价是铁元素常见价态的最高价，可以通过加还原剂的方法，实现向正二价或0价的转化。同时铁盐还有特性，与KSCN相遇溶液显血红色。

[学生3]三价铁盐与二价亚铁盐的转化：从亚铁离子转化为铁离子，常见的氧化剂有氧气，氯气等。铁离子向亚铁离子转化，常用的还原剂有铁粉，碘化钾等。

[总结]本节课围绕真实情境探秘第三代补铁剂展开，通过一系列实验探究，来学习铁盐、亚铁盐的化学性质，通过实验了解到该药物中的铁是正三价的多糖铁复合物，在胃酸的作用下稳定的结构变得不稳定，游离出铁离子，以铁盐FeCl 3的形式存在。而亚铁离子才更易被人体吸收，如果同服具有还原性的维生素C可以促进其转化，转化是为了发挥亚铁离子的化学功效，而在刚才的实验中也是靠转化才实现了对亚铁离子的检验。其实，本药物还可以以多糖铁分子形式在消化道内被吸收利用。希望大家日后在学习物质性质时能够继续关注2个核心角度，一个是物质类别，另一个是通过化合价预测氧化和还原性。同时关注对比实验，控制变量意识是实验探究的根基。最后告诉大家一个好消息，昨天晚上我回家的时候碰到了邻居奶奶下楼，我问她干嘛去啊？你们猜怎么着？奶奶和伙伴们约好了楼下去跳广场舞！看来这个补铁剂还真是有效果啊！

7 学生课后访谈、测评及教学反思

7.1 学生访谈

课后访谈环节由学生谈自己的最大收获或实验中印象最深刻的地方，学生反馈主要分为以下6个方面：

（1）有学生反思自己动手操作将铁离子向亚铁离子转化的时候没有做对比试验，没用控制变量，自己在日后实验操作时会注意。

（2）有学生表示用氢氧化钠检验药物酸溶液中的铁离子时没有看到明显的沉淀，离心后现象明显，得到启示：有时看不到明显现象并不能说明没有发生反应，可能另有原因，需要对异常现象多思考。

（3）在检测亚铁离子的时候，很多学生表示起初想不到转化思想，而是会疯狂加入氢氧化钠。这启示自己以后遇到问题可以直面思考直接检验，行不通时换个角度转化一下，将其转化为三价铁再去检验。

（4）对于学习方法上的重要收获，学生谈到可以从多方面来学习物质，比如这节课学习到可以从物质类别和化合价两个角度预测物质性质。

（5）对于价类二维图的理解，学生认为可以方便的将含铁元素的物质进行分类，可以把所有含铁元素的物质之间建立转化关系。

（6）这节课对补铁剂的历史有了一些了解，希望医学更好的发展研制出更厉害的补铁剂。

7.2 后测题目分析

测试（表4）表明通过本节课的学习，学生预测物质化学性质的角度得到了发展，价类二维思维角度已初步建立，具有解决检验性任务的思路，同时具备一定的应用价类关系实现物质制备的能力。

7.3 基于学生访谈和后测反馈的教学反思

从学生访谈和后测试题的作答情况来看，基于真实问题开展实验探究的的教学效果良好。笔者有以下三点反思：（1）实验探究任务的选取：实验探究任务要服务于教学目标并非为了解决所有与真实问题相关的疑惑。例如，对于补铁剂药物的前处理有2种途径：其一是提供给学生药物胶囊，学生通过思考自行用水溶解、等待充分溶解3小时，发现问题后再尝试用酸溶解。其二是本节课所呈现的直接提供给学生两种药物溶液（水溶和酸溶），学生无需药物前处理，直接取样开始探究性实验。显然途径2更适合本节课的教学目标。（2）实验探究活动的类型：引导学生开展分类与概括、证据与推理、模型与解释、模型与预测等具有学科特质的学习活动探究任务，有利于提升学生的化学核心素养。而实验探究的过程不可能一蹴而就，需要教师从旁引导、循循善诱。例如，学生根据建立的价类二维模型自主探究第三代补铁剂中是否含有二价铁时，部分学生课后反馈自己单独解决此问题存在一些困难，仍需要教师通过启发性问题引导、梳理，再由学生活学活用，例如，后续探究三价铁是否具有还原性时，学生表现的很从容，本教学环节中涉及的模型与预测、证据与推理类学习活动达到较好的效果。（3）真实问题的选择：学生实验探究能力的培养在于教师课堂所设计的探究性任务是否恰当，而真实问题的解决是极具价值的学习活动。将真实问题转化为化学问题，在挖掘科技前沿、创新求变的基础上应本着与教材内容、课程标准相匹配原则，并根据学情和教学内容有梯度的设计真实情境下不同复杂和陌生程度的问题解决类活动。

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