高中化學(xué)主題作業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐與反思

摘要：分析高中化學(xué)主題作業(yè)的內(nèi)涵和價(jià)值，對主題作業(yè)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理。以“認(rèn)識Fe3O4”主題作業(yè)設(shè)計(jì)為例，對Fe3O4從多角度分析教學(xué)價(jià)值并設(shè)計(jì)習(xí)題，圍繞古籍中的Fe3O4、生活中的Fe3O4、神奇的Fe3O4納米粒子等子情境將習(xí)題串聯(lián)整合形成主題作業(yè)，探討Fe3O4主題作業(yè)設(shè)計(jì)的思路和整體結(jié)構(gòu)。實(shí)踐后反思：針對主題的深度挖掘是前提，圍繞主題的情境串聯(lián)是關(guān)鍵，引領(lǐng)主題的評價(jià)目標(biāo)是靈魂。關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；主題作業(yè)；作業(yè)設(shè)計(jì)；Fe3O4主題化學(xué)作業(yè)是課堂的延續(xù)和拓展，是課程的重要組成部分?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在教學(xué)與評價(jià)建議中指出：教師應(yīng)充分發(fā)揮課后作業(yè)對學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心知識的復(fù)習(xí)、鞏固、評價(jià)、診斷和發(fā)展功能；精心編制的課后作業(yè)，才能有效開展化學(xué)日常的學(xué)習(xí)評價(jià)，實(shí)施“教學(xué)評”一體化，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地［1］。隨著課程改革的推進(jìn)，作業(yè)及試題的情境化研究已較為深入和廣泛，作業(yè)或試題幾乎做到“題題有情境”，但也存在無效情境、情境濫用等問題；同時從作業(yè)整體結(jié)構(gòu)看，大多數(shù)情境只針對單一題目，情境雖多但之間缺乏聯(lián)系，只會增加學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，不利于知識鞏固和能力提升。因此，進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)結(jié)構(gòu)，從整體的角度對作業(yè)進(jìn)行主題化設(shè)計(jì)，注重習(xí)題之間情境素材、任務(wù)解決、評價(jià)目標(biāo)等的有機(jī)關(guān)聯(lián)，是作業(yè)設(shè)計(jì)研究的一個方向。1高中化學(xué)主題作業(yè)的內(nèi)涵及研究現(xiàn)狀1.1高中化學(xué)主題作業(yè)的內(nèi)涵與價(jià)值化學(xué)主題教學(xué)是以化學(xué)學(xué)科核心概念或化學(xué)學(xué)科思想觀念為引領(lǐng)，充分發(fā)揮主題對教學(xué)的統(tǒng)攝作用，通過對各類資源的挖掘整合，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境及驅(qū)動性問題，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo)的一種教學(xué)模式［2］?；瘜W(xué)主題作業(yè)是將主題教學(xué)的思想融入作業(yè)設(shè)計(jì)，以一個特定的主題統(tǒng)攝整份作業(yè)，將一系列與該主題關(guān)聯(lián)緊密的真實(shí)情境下的問題解決以習(xí)題的形式呈現(xiàn)，再以一定的編排思路對習(xí)題進(jìn)行串聯(lián)整合的作業(yè)設(shè)計(jì)模式。主題作業(yè)情境、知識和認(rèn)知角度三線并行，有機(jī)融合，將習(xí)題任務(wù)與化學(xué)核心知識的實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，從而優(yōu)化作業(yè)結(jié)構(gòu)，提高作業(yè)完成的有效性，有助于實(shí)現(xiàn)“教學(xué)評”一體化。1.2主題作業(yè)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀在中國知網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn)，與高中化學(xué)相關(guān)的“主題教學(xué)”“主題命題”“作業(yè)設(shè)計(jì)”均有較多論述，尚未在高中化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)“主題作業(yè)”這一提法，但有相似觀點(diǎn)的論述。呂天恩以“烴的衍生物”單元作業(yè)為例，提出將情境化與作業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合的“情境化作業(yè)”，并提出情境化作業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)主題化、結(jié)構(gòu)化、項(xiàng)目化和層次化［3］。胡樂萌以“溴和碘的提取”單元教學(xué)為例，設(shè)計(jì)基于真實(shí)情境的開放性、實(shí)踐性的新型作業(yè)，涉及實(shí)驗(yàn)操作、文獻(xiàn)閱讀、調(diào)查走訪和研究報(bào)告撰寫等，從多角度培養(yǎng)學(xué)生多層次的綜合能力［4］。總之，鮮有對高中化學(xué)作業(yè)進(jìn)行主題化設(shè)計(jì)的研究報(bào)道。2高中化學(xué)主題作業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐案例2.1Fe3O4主題作業(yè)設(shè)計(jì)的背景蘇教版化學(xué)必修第二冊（2020版）教材將“鐵及其化合物性質(zhì)”安排在“專題九”，是必修部分學(xué)習(xí)的“壓軸出場”，專題及單元標(biāo)題名稱為“探究鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化”“反應(yīng)的合理選擇”和“反應(yīng)條件的控制”。教學(xué)目標(biāo)是以鐵及其化合物轉(zhuǎn)化的探究為載體，學(xué)會根據(jù)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和物質(zhì)性質(zhì)特點(diǎn)從多方面對制備路線進(jìn)行選擇，對反應(yīng)條件進(jìn)行控制?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》必修課程主題２的情境素材建議欄目中，提出可用打印機(jī)（或復(fù)印機(jī)）的墨粉（含有Fe3Ｏ4）創(chuàng)設(shè)真實(shí)的教學(xué)情境，展開鐵及其化合物的性質(zhì)與應(yīng)用的教學(xué)［5］。Fe3O4具有豐富的教學(xué)價(jià)值。Fe3O4的性質(zhì)、用途、制備、提純等幾乎涵蓋鐵及其化合物不同價(jià)態(tài)及不同類別間的所有典型轉(zhuǎn)化，有助于鞏固形成“價(jià)態(tài)和類別”的無機(jī)物認(rèn)識角度；沉淀法制備Fe3O4路線在方案設(shè)計(jì)、反應(yīng)條件的控制與優(yōu)化等實(shí)驗(yàn)過程涉及多種化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作的綜合運(yùn)用，有助于鞏固無機(jī)物制備的思維模型，提升實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化等能力，其中，對磁性的運(yùn)用如磁性檢驗(yàn)、磁性分離是Fe3O4的特色，豐富了高中化學(xué)的物質(zhì)分離方法。2.2Fe3O4主題作業(yè)設(shè)計(jì)的思路和整體結(jié)構(gòu)本主題作業(yè)為面向高一學(xué)生的“探究鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化”專題復(fù)習(xí)作業(yè)，以“認(rèn)識Fe3O4”為主題（整體結(jié)構(gòu)如表1），以“性質(zhì)→用途→制備”認(rèn)識無機(jī)物一般思路為主線，串聯(lián)“古籍中的Fe3O4”“生活中的Fe3O4”“神奇的Fe3O4納米粒子”等子情境，每個子情境均設(shè)計(jì)若干真實(shí)問題解決的習(xí)題任務(wù)，并以不同角度、難度、題型加以呈現(xiàn)。每個習(xí)題承載著相應(yīng)的評價(jià)目標(biāo)，并串聯(lián)成整個主題作業(yè)的總目標(biāo)。學(xué)生在完成作業(yè)、解決問題的過程中，鞏固鐵及其化合物知識，形成無機(jī)物的認(rèn)識角度，促進(jìn)核心素養(yǎng)的多維發(fā)展，通過了解一種物質(zhì)，擴(kuò)大知識面，使作業(yè)兼具科普性和趣味性。2.3Fe3O4素材挖掘和作業(yè)設(shè)計(jì)示例2.3.1古籍中對Fe3O4的記載主要成分為Fe3O4的礦石古稱“慈石”，現(xiàn)稱“磁石”。磁石始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，“慈石取鐵，如慈母之招子，故名”。磁石為常用中藥，歷版《中國藥典》均有收載。磁石炮制的主要方法是“火煅醋淬后研末水飛”?，F(xiàn)代研究認(rèn)為“火煅”能降低有害元素錳、鉛、鉻、鋇等的含量?！按状恪笨墒硅F氧化物變?yōu)槿芙舛容^大的醋酸鐵，增加溶出率?！八w”是固體在濕潤條件下研磨，再利用粗細(xì)粉在水里不同的懸浮性進(jìn)一步提純而取得極細(xì)粉末［7］。例1“慈石”，現(xiàn)稱“磁石”，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》：“慈石取鐵，如慈母之招子，故名”。磁石是一味中藥，多采用醋淬的炮制方法，更有利于藥效的發(fā)揮。宋《圣濟(jì)總錄》記載：煅，醋淬七遍搗研如粉。下列說法不正確的是（

）。A.磁石的主要成分是Fe2O3B.“煅”是高溫煅燒，可能是為了除去某些雜質(zhì)C.“醋淬”利用了鐵的氧化物可以和酸反應(yīng)的性質(zhì)D.“慈石取鐵，如慈母之招子”指慈石具有磁性答案：A設(shè)計(jì)意圖：將本草古籍作為素材融入化學(xué)學(xué)習(xí)，用化學(xué)的視角和化學(xué)知識對古籍進(jìn)行解讀，增添化學(xué)學(xué)習(xí)的人文色彩，弘揚(yáng)中醫(yī)藥文化。2.3.2Fe3O4的用途Fe3O4的用途主要源于其磁性、硬度大、化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定等特點(diǎn)。利用硬度大可作磨料、拋光劑、剎車片等；利用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定制作底漆和面漆、鋼鐵的“烤藍(lán)”以減慢銹蝕等；利用磁性可用作磁記錄材料、打印機(jī)墨粉等。此外，利用Fe3O4晶胞剩余空隙以及Fe2+與Fe3+間電子的相互轉(zhuǎn)移可作為催化劑載體或催化劑如鐵觸媒等。材料科學(xué)尤其是納米技術(shù)的發(fā)展使得Fe3O4煥發(fā)出新的生機(jī)，它不僅化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、磁性優(yōu)良、催化活性高、環(huán)境友好、生物相容性好，而且來源豐富、價(jià)格低廉、制備工藝簡單，在環(huán)境治理、生物醫(yī)藥、催化合成、功能性材料制備等領(lǐng)域都有廣泛的研究和應(yīng)用。磁性給它帶來獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)——易于定向控制和分離，使得它在眾多納米材料中脫穎而出，引起了高度關(guān)注。吸附污染物后，利用磁性能從溶劑中快速分離，克服了傳統(tǒng)吸附劑分離困難和二次污染的問題；做催化劑或催化劑載體后，利用磁性快速分離得以循環(huán)使用；作為藥物載體在磁場作用下定向進(jìn)入生物體特定區(qū)域，并在當(dāng)撤去磁場后即被機(jī)體清除不產(chǎn)生殘留。此外，F(xiàn)e3O4也被研究應(yīng)用于特殊材料如電池電極材料、磁性液體、微波吸附材料、磁性密封材料等領(lǐng)域［8］。例2鐵鍋、槍支常經(jīng)過“烤藍(lán)”處理而呈現(xiàn)黑色?？舅{(lán)的原理是在鋼鐵表面生成一定厚度和強(qiáng)度的致密的Fe3O4氧化層，從而防止鐵生銹。（1）把一片銀白色刀片“烤藍(lán)”，只需用水潤濕后放在火上灼燒片刻，刀片變黑，烤藍(lán)完成。該過程中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是。（2）工業(yè)上用NaOH、NaNO2、NaNO3等配制成“烤藍(lán)液”在一定溫度下將零件放入烤藍(lán)液中浸泡一段時間從而對鐵質(zhì)零件進(jìn)行批量烤藍(lán)，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：①3Fe+NaNO2+5NaOH3Na2FeO2+H2O+NH3↑②

Fe+

NaNO3+

NaOH+

H2O

Na2Fe2O4+

NH3↑③Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2OFe3O4+4NaOH反應(yīng)①中NaNO2的作用是

；配平反應(yīng)②的方程式（直接寫在橫線上）；反應(yīng)③是

（填“氧化還原反應(yīng)”或“非氧化還原反應(yīng)”）。答案：（1）3Fe+4H2O（g）高溫Fe3O4+4H2；（2）①氧化劑；②8，3，5，2，4，3；③非氧化還原反應(yīng)例3Fe3O4中含有Fe（Ⅱ）、Fe（Ⅲ），以Fe3O4/Pd為催化材料，可實(shí)現(xiàn)用H2消除酸性廢水中的致癌物NO－2，其反應(yīng)過程如圖1所示。下列說法錯誤的是（

）。A.Fe（Ⅱ）與Fe（Ⅲ）的相互轉(zhuǎn)化起到了傳遞電子的作用B.反應(yīng)過程中NO-2被Fe（Ⅱ）還原為N2C.該反應(yīng)的總方程式為3H2+2NO-2+2H+N2↑+4H2OD．用該法處理后水體的pH降低答案：D設(shè)計(jì)意圖：以鋼鐵“烤藍(lán)”和Fe3O4/Pd催化下用H2消除廢水污染為背景，通過對兩種Fe→Fe3O4的轉(zhuǎn)化途徑和Fe3O4催化反應(yīng)機(jī)理的分析，提升運(yùn)用“價(jià)態(tài)”的角度分析問題及運(yùn)用“氧化還原反應(yīng)”解決問題的能力，促進(jìn)無機(jī)物認(rèn)識角度的形成。2.3.3Fe3O4的化學(xué)性質(zhì)及制備方法Fe3O4既有氧化性又有還原性：在空氣中加熱可被氧化成Fe2O3，可被濃硝酸等強(qiáng)氧化性酸溶解并氧化；可被氫氣、CO、鋁高溫下還原為鐵單質(zhì)；可以與鐵單質(zhì)在900℃至1000℃時歸中為Fe2O3。天然磁鐵礦與鹽酸反應(yīng)速率十分緩慢，但粉碎后加熱也可溶出；工業(yè)合成Fe3O4粒徑小、比表面積大，與鹽酸和硫酸在通常條件下均可反應(yīng)［9］。制備納米Fe3O4的方法總體上可分為固相法和液相法。固相法操作簡單、工藝成熟，但產(chǎn)品品質(zhì)較低且能耗高；液相法在溶液中經(jīng)過沉淀、脫水和結(jié)晶等過程得到納米Fe3O4能耗低、產(chǎn)物品質(zhì)高，其中主要有沉淀法、微乳液法、水熱法和溶膠法等。沉淀法應(yīng)用最為廣泛，是目前制備納米Fe3O4的主要方法。沉淀法設(shè)備簡單、反應(yīng)條件溫和、原料價(jià)格低廉、工藝流程短，易于工業(yè)化生產(chǎn)。沉淀法還分為共沉淀法、氧化沉淀法和還原沉淀法［10］，見圖2。粉末粒徑和磁學(xué)性能是重要指標(biāo)，影響因素較多。如堿性條件下，二價(jià)鐵極易被氧化使得產(chǎn)物中Fe2+和Fe3+的比例很難控制為1∶2；又如Fe3O4的磁性易導(dǎo)致納米粒子發(fā)生“團(tuán)聚”而使產(chǎn)品粒徑過大；反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度、鐵鹽的類型、沉淀劑的種類及加入方式、反應(yīng)終點(diǎn)的pH等都會影響產(chǎn)品品質(zhì)，需要對生產(chǎn)條件做精細(xì)的控制［11］。例4磁流體是磁性納米粒子用表面活性劑處理后，均勻分散在溶液中形成的穩(wěn)定膠體懸浮液。它既有液體的流動性，又有固體磁性材料的磁性，是一種新型的功能材料。某探究小組準(zhǔn)備制備Fe3O4磁流體，實(shí)驗(yàn)方案如下［12］：①取20mLmol·L-1FeCl3、5mLmol·L-1FeCl2溶液于燒瓶中，開啟磁力攪拌器；②用恒壓滴液漏斗向燒瓶中加入一定濃度氨水，得到黑色渾濁液體混合物；③將黑色渾濁液體混合物倒入燒杯中，分離、洗滌；④加入適量表面活性劑，用強(qiáng)磁鐵在燒杯底部來回運(yùn)動使其充分混合，即制得Fe3O4磁流體。（1）寫出制備反應(yīng)的離子方程式

。（2）步驟③中得到的液體混合物中，F(xiàn)e3O4顆粒較小，過濾很慢。該實(shí)驗(yàn)小組利用Fe3O4特性采取了一個方法可加速Fe3O4沉降過濾，該方法可能是

。（3）氨水濃度會影響沉淀顏色和磁響應(yīng)性（見表2），氨水的最佳濃度是

。（4）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，證明制得的黑色沉淀物同時含有+2價(jià)和+3價(jià)的Fe元素：答案：（1）2Fe3++Fe2++8NH3·H2OFe3O4↓+8NH+4+4H2O；（2）用強(qiáng)磁鐵吸附黑色沉淀使其快速沉降后，用傾析法傾倒出上層液體，得到黑色沉淀；（3）2mol·L-1；（4）取少量黑色沉淀并洗滌至檢驗(yàn)不出Fe3+、Fe2+后，加入鹽酸，充分反應(yīng)后，取上層溶液，分別滴加硫氰化鉀和鐵氰化鉀溶液，若分別出現(xiàn)血紅色溶液和藍(lán)色沉淀，則證明同時含有+2價(jià)和+3價(jià)的Fe元素。設(shè)計(jì)意圖：Fe3O4納米粒子的制備實(shí)驗(yàn)綜合體現(xiàn)含鐵物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，涉及分離提純、定性檢驗(yàn)和反應(yīng)條件的控制等多種化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作和基本方法，有助于無機(jī)物認(rèn)識視角的形成與鞏固、解決無機(jī)物問題綜合能力的提高以及多維度核心素養(yǎng)的提升。3高中化學(xué)主題作業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐反思3.1針對主題的深度挖掘是主題作業(yè)設(shè)計(jì)的前提主題作業(yè)設(shè)計(jì)前盡可能對主題做好全面而深入的價(jià)值挖掘，從中精選出合適的素材進(jìn)行整合。以具體物質(zhì)為主題時，可從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途、制備、古籍文獻(xiàn)記載、相關(guān)習(xí)題等角度進(jìn)行挖掘與素材搜集。了解足夠透徹，才能選取到足夠合適的素材承載相應(yīng)的評價(jià)目標(biāo)。如本作業(yè)主題物質(zhì)Fe3O4所選素材中，磁石的炮制方法運(yùn)用了常見的原理處理提取方法；Fe3O4納米材料的制備原理、分離檢驗(yàn)、Fe3O4催化機(jī)理等均充分體現(xiàn)了鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系。同時，對主題物質(zhì)深入挖掘才能保證其真實(shí)性和科學(xué)性，如常見關(guān)于“Fe3O4可以和氧化性酸及還原性酸反應(yīng)”的習(xí)題，并無太大的應(yīng)用價(jià)值，是缺乏真實(shí)情境的。3.2圍繞主題的情境串聯(lián)是主題作業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主題作業(yè)是情境化的，真實(shí)、多樣且有效的情境才能帶給學(xué)生真實(shí)且多面的學(xué)科體驗(yàn)。本作業(yè)中涉及古代科技文獻(xiàn)情境、實(shí)驗(yàn)探究情境、工業(yè)生產(chǎn)情境、生產(chǎn)生活情境，新科技情境等多種真實(shí)情境。同時，主題作業(yè)是結(jié)構(gòu)化的，應(yīng)關(guān)注情境之間的關(guān)聯(lián)，所有情境圍繞同一個主題，不論是一題一情境，或是多題一情境，情境間均不是簡單的拼盤，而是相互關(guān)聯(lián)的——前面的情境作業(yè)是對后面情境作業(yè)的鋪墊，或后面情境是對前面情境的深入探究，這樣才能促使學(xué)生帶著濃厚的興趣進(jìn)入后續(xù)的情境。本作業(yè)從古代科技文化中關(guān)于Fe3O4的記載引入對Fe3O4性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，接著運(yùn)用性質(zhì)分析Fe3O4的用途，再進(jìn)一步探究Fe3O4的制備。3.3引領(lǐng)主題的學(xué)習(xí)目標(biāo)是主題作業(yè)設(shè)計(jì)的靈魂鮮明的主題、結(jié)構(gòu)化的情境都是為了達(dá)成一定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。設(shè)計(jì)前先根據(jù)課標(biāo)、教材和學(xué)情制訂可測評的學(xué)習(xí)目標(biāo)，再結(jié)合教學(xué)過程規(guī)劃出主題作業(yè)