基于化学学科“具体化的元素观念”培养的高三复习课例研究

魏良怡　刘敏

摘要：“元素观”是化学的核心观念，是学习元素化合物的基本方法。根据高三一轮复习的教学经验，在学生已有“铁、铜及其化合物”的具体知识与观念认识基础上将“元素观”进一步建构。依靠问题链的问题驱动、比较推理、实验探究等方法，紧贴高考考试说明的要求和高考方向，将铁、铜及其化合物的“元素观”具体演变成“价态观”、“强弱观”、“水解观”，以此帮助学生实现元素化合物知识网络的构建和解题能力的提高。

关键词：核心素养； 化学学科观念；元素观

文章编号：1008-0546（2017）07-0061-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.018

一、教材及教情、学情分析

苏教版化学《必修1》将“铁、铜的获取及应用”编排在专题3“从矿物到基础材料”的第二单元。在学习教材内容“铁、铜及其化合物的应用”编写上来看，首先从回顾初中已学过的铁、铜的基本性质引入，再重点探究三个知识点：（1）从氧化还原角度分析Fe2+和Fe3+的相互转化；（2）Fe3+的检验方法；（3）Cu与FeCl3反应的应用——制作印刷电路板。经过多个课时学习，学生能够建立铁及其化合物相互转化的知识网络，例如铁三角关系、铁及其化合物的二维关系（图1和图2）[1]。金海宏[2]、黄朝霞[3]等老师利用思维导图和框图构建进行教学，内容丰富多彩，对学生新课时的学习和复习有很大的帮助。但在高考题中涉及“铁、铜及其化合物”知识点主要集中在两种题型：（1）实验选择题（如Fe2+和Fe3+的检验、Fe（OH）2制备、Fe3+和Cu2+的水解问题等）；（2）化工流程题（其中氧化还原反应方程式书写为必考内容），这就要求高三学生能学以致用，对已有的知识进行升华和提炼才能解决高考题中的相关问题。化学元素观是化学观念中的核心观念[4]，笔者根据高三化学一轮复习的教学情况和内容，努力将学生的“元素观”进行具体化地拓展（图3和图4），发展学生的化学学科思维，帮助学生实现化学学科观念的建构[5-7]，实现“元素及其化合物”问题的高得分率。

二、基于“元素观”的三维目标

1. 知识与技能

掌握铁、铜及其化合物的性质和应用，能从氧化还原反应的角度书写相关方程式，加强实验操作技能。

2. 过程与方法

通过Fe2+与Fe3+的相互转化、Fe （OH）2的制备、Fe3+与HCO3-的双水解等问题，运用归纳、总结、类比、实验等方法促进铁、铜及其化合物的“价态观”“强弱观”“水解观”的建立。

3. 情感态度与价值观

（1）学科价值：铁、铜是典型的金属元素，对铁、铜化合物的学习也有利于其他金属元素的学习。

（2）认识价值：在已有的元素观（组成和价态）知识体系上对铁、铜化合物进行更深层次的學习和讨论，提高学生的认识能力和水平。

（3）生活价值：铁、铜是生活中应用较为广泛的金属，它们与工业生产、科学研究、百姓生活有着密切的联系，它们是我们“最亲密的金属”之一。

三、教学过程和设计

1. 引入

【问题驱动1】将FeCl3溶液滴加到淀粉-KI试纸上为何变蓝？

【问题驱动2】向FeBr2溶液中通入Cl2为何先氧化Fe2+？

【问题驱动3】 如何除去CuSO4溶液中混有少量Fe3+？

【生1】2Fe3++2I- ■ I2+2Fe2+，Fe3+将I-氧化成I2，淀粉遇碘变蓝。（体现价态观）

【生2】由2Fe2++Br2■2Fe3++2Br-可知，还原性Fe2+>Br-。（体现氧化性/还原性的强弱观）

【生3】 利用Fe3+的水解平衡原理，Fe3++3H2O■Fe （OH）3+3H+，可以加入CuO、CuCO3、Cu（OH）2、Cu2（OH）2 CO3消耗H+，增大溶液的pH值，由于Cu（OH）2和Fe（OH）3的Ksp差异，可使得Fe3+的水解程度增大直至生成

Fe（OH）3沉淀而不使Cu2+沉淀，最终除去Fe3+。（体现Fe3+的水解观）

【设计意图】通过已具备的铁、铜及其化合物“元素观”知识来解决三个角度的问题，引导学生将知识网络进行延伸，实现由“学”向“用”，由“是什么”向“为什么”的转变。让学生从每个问题中体会“具体的”元素观（价态观、强弱观、水解观），掌握思考和答题的方法。

2. 价态观

【投影】展示多种相同价态和不同价态的铁、铜化合物和Fe2+与Fe3+的相互转化关系（图5和图6）。

【设计意图】根据元素组成找到物质所属类别，学习物质的通性；根据核心元素的化合价，可判断物质的氧化性和还原性[5]，而“具体化的元素观”-“价态观”直观地引导学生体会和预测已学过和未学过物质的性质，为下面的铁、铜化合物参与氧化还原反应的方程式书写做好铺垫。

【问题驱动1】下列离子的检验方法合理的是（D）

A.向某溶液中滴入KSCN溶液呈红色，说明不含Fe2+

B.向某溶液中加入酸性KMnO4溶液，溶液褪色，说明原溶液中一定含Fe2+

C.向某溶液中加入NaOH溶液，得红褐色沉淀，说明溶液中一定不含Fe2+

D.向某溶液中加入NaOH溶液得白色沉淀，又观察到颜色逐渐变为红褐色，说明该溶液中含有Fe2+，可能含有Mg2+。

【问题驱动2】请同学们分析氢氧化亚铁的制备原理（图7）。

【问题驱动3】请写出下列反应的离子反应方程式。

1. 向Fe（NO3）2溶液中加入稀硫酸的反应。

2. FeCl3溶液吸收H2S气体，得到S单质的反应。

3. K2FeO4是一种新型的净水剂，利用FeCl3与KClO在强碱条件下可制取K2FeO4。净水时，K2FeO4与水反应生成红褐色沉淀和O2（两个反应）。

4. 铜与稀硫酸不反应，加入H2O2后溶液很快变成蓝色。

5. Cu2O在稀硫酸中不稳定，有Cu单质生成，溶液成蓝色。

6. CuSO4溶液中加入一定量的Na2SO3和NaCl溶液，加热生成CuCl沉淀。

【 设计意图】此处设计了三个问题：（1）Fe2+和Fe3+的检验；（2）氢氧化亚铁的制备；（3）含有不同价态铁、铜化合物的离子反应方程式的书写。问题1是对所学知识的回顾，目的是做到“温故而知新”。问题2目的是培养学生的化学思维，通过思考“如何防止氢氧化亚铁被空氣氧化而保持长时间的白色沉淀状态”的问题，并贯穿复分解反应（氢氧化亚铁的制备）→氧化还原反应（氢氧化亚铁的不稳定性）→电解池（电化学）知识，将问题层层递进来提高学生的化学学科素养。问题3目的是理解和感受高考题中有关化工流程问题“氧化还原反应方程式”的书写，而离子反应方程式又是反应的本质，通过书写练习引导学生利用“价态观”来解决问题，将“元素观”的认知进行具体化和扩大化。

3. 强弱观

【师】Fe3+和Cu2+都具有氧化性，如何比较二者的氧化性强弱呢？

【生】利用FeCl3溶液腐蚀Cu电路板的原理比较：2Fe3++Cu■2Fe2++Cu2+，在同一氧化还原反应里，氧化剂的氧化性大于氧化产物，即Fe3+>Cu2+。

【问题驱动1】请大家利用这一结论思考一下这一问题。

FeCl3、CuCl2的混合溶液中加入铁粉，充分反应后仍有固体存在，则下列判断不正确的是（C）

A. 加入KSCN溶液一定不变红色

B. 溶液中一定含Fe2+

C. 溶液中一定含Cu2+

D. 剩余固体中一定含铜

【生】剩余固体是Cu或Fe和Cu，因为先发生Fe + 2Fe3+■3Fe2+，后发生Fe + Cu2+■Fe2+ + Cu，Fe3+一定没有剩余，有铁必有铜，故选C。

【问题驱动2】在FeCl3、CuCl2、FeCl2的混合溶液中，Fe3+、Cu2+和Fe2+的物质的量之比为3∶2∶1，现加入适量铁粉，使溶液中三种离子的物质的量之比变化为1∶2∶4，则参加反应的铁粉与原溶液中Fe3+的物质的量之比为（C）

A.2∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶4

【生】因氧化性：Fe3+>Cu2+>Fe2+，从离子比的变化可以看出Fe3+有剩余，则Cu2+、Fe2+没有参加反应，根据反应的定量关系可以判断C是正确的。

【设计意图】为了加强学生的“强弱观”，此处设置了如下的“问题链”——根据氧化还原反应的组成：氧化剂+还原剂=氧化产物+还原产物，利用氧化还原反应规律比较不同价态物质的氧化性和还原性强弱（Fe3+>Cu2+）→问题1从定性的角度进行运用→问题2从定量的角度分析理解不同的价态铁微粒间的相互转化。

4. 水解观

【实验探究1】对于Fe2+、Fe3+、Cu2+在水溶液中存在水解情况，所以我们除了要掌握它们的“价态观”、“强弱观”，还要考虑它们的“水解观”。如泡沫灭火器原理是AlCl3与NaHCO3溶液的双水解反应迅速生成Al（OH）3和CO2，那么FeCl3与NaHCO3溶液混合有什么现象呢？

【现象1】在试管底部生成红褐色沉淀[Fe（OH）3]，有气体生成（CO2）。

【实验探究2】将镁条放入硫酸铜溶液中有什么现象呢？

【现象2】反应剧烈，有蓝绿色沉淀[Cu（OH）2]和大量气泡生成（H2）。

【生1】根据水解原理——Fe3++3H2O■Fe（OH）3+3H+、HCO3-+H2O■H2CO3+OH-，二者的水解互相促进生成Fe （OH）3沉淀和CO2气体，即Fe3++3HCO3-■Fe（OH）3↓+3CO2↑。

【生2】Cu2++2H2O■Cu（OH）2+2H+，Mg消耗H+反应生成H2，从而促进Cu2+生成Cu（OH）2沉淀，即Mg+Cu2++2H2O■Mg2++Cu（OH）2↓+H2↑。

【问题驱动1】已知Fe2+生成Fe（OH）2开始沉淀的pH为5.8，沉淀完全的pH为8.8，FeSO4+Na2CO3■FeCO3↓+Na2SO4，请回答：制备FeCO3时，选用的加料方式

C （填字母），原因是防止生成Fe（OH）2沉淀。

A.将FeSO4溶液与Na2CO3溶液同时加入到反应容器中

B.将FeSO4溶液缓慢加入到盛有Na2CO3溶液的反应容器中

C.将Na2CO3溶液缓慢加入到盛有FeSO4溶液的反应容器中

【问题拓展2】将溶液中的Cu2+、Fe2+、Fe3+沉淀为氢氧化物，需溶液的pH分别为6.4、9.6、3.7。现有含FeClx杂质的氯化铜晶体（CuCl2·2H2O），为制取纯净的CuCl2·2H2O，首先将其制成水溶液，然后按图示步骤进行提纯。

（1）加氧化剂的目的为将Fe2+转化为Fe3+，便于除去，本实验最适合的氧化剂X是 C 。

A.K2Cr2O7 B.NaClO C.H2O2 D.KMnO4

（2）加入CuO调节溶液的pH来除去Fe3+，pH值范围为 [3.7，6.4]。

（3）除去Fe3+的离子方程式为 3H2O+2Fe3++3CuO■2Fe（OH）3+3Cu2+。

（4）溶液Ⅲ能不能直接蒸发结晶得到CuCl2·2H2O晶体？不能。

若不能，应如何操作？向CuCl2溶液中通入HCl气体后进行加热浓缩、降温结晶、过滤得到晶体。

【设计意图】化学学习过程需要通过实验获取宏观现象，并从微观视角探讨其本质，从而得出物质及其变化的基本规律。离子的“水解观”是高考考查的重点，它是“微观微粒”发生“宏观可观察”反应的内在动力。通过FeCl3与NaHCO3溶液混合的现象帮助学生理解离子间“双水解”的意义。通过镁条与硫酸铜溶液的反应现象，能帮助学生在已有的认知（Mg将Cu置换出来）基础上进一步理解Cu2+的“水解观”作用。通过对问题驱动1（2013年江苏高考化学第19题）的思考，要求学生能运用Fe2+和CO32-的水解来解决FeCO3的制備问题。问题拓展2是典型的高考化工流程题的考查，主要考查Fe2+与Fe3+的转化、利用“水解观”调节溶液的pH值除杂的原理和溶液中晶体获得的方法三个知识点，这同时也是对前面知识的综合总结和应用。

四、教学反思

笔者通过一节课的设计和“45分钟”的教学，前后经历了多样的复杂心情，本着打破传统元素化合物的复习教学为目标，致力帮助学生建构元素及其化合物的化学基本观念“元素观”、培养学生的化学思维，提升学生的化学素养为宗旨。

1. “问题驱动”是“问题链”的“具体”呈现

问题链是教师在特定的环境下，为实现某一特定的教学目标而设计的问题组合。随着“问题链”的呈现，学生或独立思考，或合作交流，或师生共同探讨，将学生的思维一次一次推向高潮，极大地激发学生的学习热情和学习兴趣，突出学生在学习活动中的主体地位，鼓励学生独立思考、大胆质疑中既解决了问题，又获得了知识和方法[8]。

（1）“价态观”中的问题链

Fe2+和 Fe3+的检验与转化[Fe（OH）2的不稳定性]→ Fe（OH）2的制备（从复分解反应到电解）→多样价态的铁、铜化合物发生的氧化还原反应。

（2）“强弱观”中的问题链

Fe3+的氧化性为何大于Cu2+？→若同时加入铁粉或铜粉有何影响（定性分析）？→由定量的反应给予我们什么启示？

（3）“水解观”中的问题链

FeCl3与NaHCO3溶液的混合为何类似于AlCl3与NaHCO3溶液的混合？Mg与CuSO4溶液反应为何剧烈？→制备FeCO3或Fe（OH）2时需要注意什么？→如何除去溶液中的Fe2+、Fe3+？→如何从溶液中获得铁盐或铜盐晶体？

2. “具体化的元素观”是化学基本观念的“立体”呈现

化学基本观念主要包括元素观、微粒观、变化观、实验观、分类观和化学价值观等。化学基本观念是化学学科核心素养的五大基本要素之一，是化学学科与化学教育有机结合的“阿基米德支点”之一[6]。“具体化的元素观”是对化学基本观念的“具体”塑造和“立体”呈现，它是学生在学习“具体”的元素化合物时，通过“价态”、“强弱”、“水解”的角度对铁、铜及其化合物的深刻理解，它是一种独特的视角。通过对铁、铜化合物的性质有一定的认识之后，还能对它们的化合物的保存、制备、分离、提纯、应用有一定的了解，乃至在生产和生活中都能体现它们的化学学科价值。

3. “化学实验”是化学素养的“直观”呈现

学生通过化学实验能够加深理解某些化学概念，能够激发学生学习兴趣与动力，能够提高问题解决的能力和理解化学反应的本质。由于课堂的时间有限，遗憾的是没有进行学生实验，采用的是老师演示实验。引导学生将“FeCl3与NaHCO3溶液的反应与AlCl3与NaHCO3溶液的反应”通过知识的迁移进行预测反应结果，再从实验结果中发现问题的价值并为之寻找合理的解释。Mg与CuSO4溶液的反应是在已有的知识体系上进行“拉伸”提高，通过实验现象分析探讨产生的可能因素并得到明确的结论。总之，化学实验不仅引导学生体验科学探究活动，还能培育学生的知识、技能和价值观。

参考文献

[1] 虞琦，倪娟. 基于学科观念培养的高三一轮复习课堂教学——以“铁及其化合物”为例[J]. 中学化学教学参考，2013（8）：27-29

[2] 金海宏. 思维导图在“元素及其化合物”复习中的应用研究[J]. 中学化学教学参考，2015（11）：42-44

[3] 黄朝霞. 借框图构建之风扬思维发散之帆 [J]. 化学教与学，2016（12）：51-53

[4] 梁永平. 论中学生化学元素观的建构 [J]. 化学教育，2007（11）：10-15

[5] 白建娥，何彩霞. 论促进学生“元素观”发展的铁及其化合物的教学[J]. 中学化学教学参考，2014（10）：1，5-6

[6] 毕华林，万延岚. 化学的魅力与化学教育的挑战[J]. 化学教学，2015（5）：3-7

[7] 刘江田. 学科素养、能力与观念的考查与导向——2015年高考江苏化学试卷评析[J]. 化学教学，2015（11）：76-78

[8] 陆国琴. “问题链”在元素化合物教学中的应用——以“铁及其化合物的转化”教学为例 [J]. 化学教与学，2015（2）：40-41