钟国华
（广东广雅中学 广东 广州 510160）
1.教学主题内容的功能、价值分析
“铁的单质”是人教版（2019年版）必修第一册第三章第一节“铁及其化合物”第1课时的内容，［1］是高中化学元素化合物知识中典型变价金属元素的代表。它是第二章钠、氯两种元素及其化合物的延续，是在学生学习物质分类、氧化还原和离子反应等工具性知识之后，初步形成分类观、价态观的基础上进行的学习。
普通高中化学课程标准明确提出“能依据物质类别和元素价态列举铁元素的典型代表物。能利用离子反应、氧化还原反应等概念对铁及其化合物的相关反应进行分类和分析说明”［2］。因此，本课应引导学生从物质类别、元素价态的二维角度（即“价类二维”）认识物质的性质及转化，帮助学生将原来从类别或价态的单一认识思路完善成价类二维的认识思路，建构认识物质的二维或多维的思维模型，为后续元素周期律、氮和硫元素及其化合物的学习做好知识和方法的储备。
2.教学现状及学生学习障碍分析
以“铁的单质”“铁及其化合物”等为检索词，发现《化学教与学》近十年发表的与中学化学教学相关的文章共23篇，其中新授课课例研究16篇，复习课课例研究7篇。
经研读发现新授课研究方向几乎全部集中在“铁及其化合物”第2课时“铁的重要化合物”的教学上，即文章课例的研究是基于“Fe2+和Fe3+的相互转化”而展开。主要有围绕“硫酸亚铁溶液的配制”、［3］“栀子花患黄化病需要补铁”、［4］“五色土探究”［5］展开的情境教学；
以“铁及其化合物”为例的“教、学、评”一体化的教学实践与思考；
［6～8］以“铁及其化合物”为对象提出各种教学策略与模型。［9～11］
但上述课例的研究点几乎全部围绕“铁的重要化合物”展开，关于“铁的单质”的教学研究寥寥无几，除冯莹、［12］陈艳艳［13］外几乎没有体现教材意图、突显教学逻辑的“铁的单质”的完整教学设计。期刊网之所以收录到的研究都是第二课时“铁的重要化合物”，是因为以“Fe2+和Fe3+相互转化”为核心可以找到很多相关教学素材、创新情境和实验改进，有足够广度和深度的内容支撑课堂研究，例如围绕“补铁剂”的情境教学设计已经实现从第一代补铁剂→第二代补铁剂→第三代补铁剂的全面覆盖。而第一课时“铁的单质”内容相对单一固定且表面关联度不大，导致目前“铁的单质”教学存在以下主要问题：
（1）缺少研究教材栏目的内在逻辑关系。人教版（2019年版）“铁及其化合物”第一课时中的图、数据、思考与讨论、方程式的先后呈现本质上体现教材知识呈现的内在逻辑，但是目前缺少对上述逻辑进行厘清和意义建构，导致部分知识不是很有效。
（2）由于没有梳理教学逻辑，导致部分课堂的教学方式以平铺直叙为主，“铁的单质”教学设计过度关注知识与技能的教学，缺少学科能力培养活动，弱化了其在形成和运用价类二维思维模型中的功能价值，深度不够，无法迁移。
（3）“铁粉与水蒸气反应”的实验只是纸上谈兵，讲实验或者只做演示实验和播放实验视频等，无法让学生亲身体验“从问题出发确定研究目的→依据研究目的设计方案→亲自动手进行实验验证→基于证据进行推理得出结论”的科学探究过程。
知识为本的思想和缺乏逻辑的教学，往往导致在“铁的单质”教学时没有让学生通过学科能力培养活动获得足够的感性认识，致使部分学生只能死记硬背，再通过题海战术强化。鉴于此，本课设计的创新点主要有4点：
（1）基于情境实现意义生成。意义生成是一个自主的生成过程，是深度学习的重要表征。“意义生成”强调意义应从学生内部有序生长出来，而不是外部嫁接进去。崔允漷提出指向素养的学习是有真实情境与任务介入的真实学习，只有在真实情境下运用某种或多种知识完成特定的任务，才能评估关键能力、必备品格和价值观念。［14］因此本课利用“锻剑”为核心情境（见图1）。“锻剑”对象是钢铁剑，“铸剑”对象是青铜剑，先后利用图片介绍古代锻剑原料来源及其物理性质→根据初三已有知识从物质分类的角度回忆铁的化学性质和介绍现代炼铁常用手段→探讨锻剑时铁水要注入干燥模具的原因［15］及分组实验→分析锻剑关键环节“淬火”的意义，把教材内容整合成一条有逻辑的教学主线，使知识有意义地生成。
图1 以“锻剑”为核心情境整合教学内容
（2）完成“铁粉与水蒸气反应”的学生分组实验。“理论预测→方案设计→实验验证→解释推理→建立模型→运用模型”是元素化合物性质学习的核心环节。其中，实验验证尤其分组实验是学生习得知识与形成方法的关键一环。学生只有通过亲手做实验（见图2）、亲眼看现象、用脑去推理才能有效实现用旧知识（钠与水可以反应、难溶性弱碱易受热分解等）生成新知识（类比得到铁与水在一定条件下反应生成金属氧化物和H2），使知识（物质分类和氧化还原）工具化，使思维（分类观、价态观和类比思维）显性化。
图2 “铁与水蒸气反应”分组实验
（3）基于学科能力培养活动实现从知识到能力再到素养的发展。学科知识能否形成学科能力和学科素养关键取决于知识能否转化为自觉使用的认识角度、认识思路和相应的认知方式。本课设计若干个需要学习和理解（见图3中的辨识记忆、概括关联和说明论证）、应用和实践（见图3中的推论预测和简单设计）、迁移和创新（见图3中的复杂推理）的学科能力培养活动，使物质分类和氧化还原的知识经过从陈述性知识到程序性知识再上升至观念化的自主认识过程，最终转化成学科核心素养。
图3 “铁的单质”的学科能力培养活动
（4）整合教材栏目实现基于逻辑的教学（见图4）。本课设计注意在“锻剑”的核心情境下梳理教材内容和教学栏目的内在逻辑并有机整合，带领学生充分理解教材的设计意图，实现知识是有需要的生成，并非无意义的堆砌。
图4 结合教材栏目的“铁的单质”的教学逻辑线索
1.学情分析
经过初三学习，学生了解金属的物理通性，知道铁作为一种活泼金属可以和氧气、盐酸、某些盐溶液发生反应。学生在高一“氯及其化合物”中学习了铁可以和氯气反应。但学生对铁单质性质及转化的认识还是零散的，并没有形成系统的认识。
相对钠而言，“铁及其化合物”的知识点多，难度大。在钠的学习中学生更多停留在物质类别的角度认识物质性质，还未完全建构基于“价类二维”认识物质性质的两个角度。铁是高中唯一选择的典型变价金属元素的代表，因此需要重点发展从元素化合价认识物质性质的角度，建构和完善从“价类二维”角度预测、分析物质性质的模型，以期在后续元素化合物学习中能实现基于模型进行认知。
在实验探究方面，学生已经初步掌握气体制备的装置组合，但对其他目的的实验装置的选择比较陌生，还需要通过陌生情境进一步发展其探究能力。
2.教学与评价目标
课程标准关于该课时的内容要求是：结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解铁的主要性质，了解铁在生产、生活中的应用；
学业要求是：（1）能列举、描述、辨识铁的物理和化学性质及实验现象。能用化学方程式、离子方程式正确表示铁的主要化学性质。（2）能从物质类别、元素价态的角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测物质的化学性质和变化，设计实验进行初步验证，并能分析、解释有关实验现象。
基于课标，本课时制定的教学与评价目标有：
（1）通过观察展示的图片来描述金属铁的物理性质，培养学生描述陌生物质物理性质的能力，诊断学生描述物质物理性质是否有序。
（2）通过列出铁能和哪些物质反应、写出化学方程式并把相关物质放到“价类二维图”的活动，帮助学生从氧化还原角度理解Fe生成Fe2+还是Fe3+的原因。诊断学生已有对铁的类别通性的掌握程度，进一步发展学生基于物质类别和氧化还原的角度分析物质性质的水平。
（3）通过对铁与水能否反应的判断活动，促使学生通过已有知识类比和从氧化还原的角度分析问题，诊断并进一步发展学生从类比和氧化还原预测陌生物质反应的水平。
（4）通过对铁与水反应产物的预测和设计实验装置验证的活动，提高学生根据已有知识进行推理和设计实验方案的能力，进一步发展学生宏观辨识、证据推理和科学探究的学科核心素养。
（5）通过铁粉与水蒸气反应的分组实验，帮助学生掌握重要实验操作（如检验装置气密性），提高学生动手实验和捕捉现象的能力，建立证据意识，发展学生动手实验和有序描述实验现象的能力。
（6）通过“铁水定型模具干燥”和“锻剑最后淬火步骤”的对比，展现化学知识的两面性，渗透具体问题具体分析的科学精神，同时诊断和发展学生对化学反应调控的理解水平。
本课以生产生活中实际存在的“锻剑”为境脉，设置系列问题线索，进行学科能力培养活动，让学生在启发中互动、在探究中体验、在逻辑中上升，其具体教学流程如图5所示。
图5 以“锻剑”为核心情境的“铁的单质”教学流程
1.环节一：回忆与梳理
【展示】古代名剑干将和莫邪（见图6）。
图6 干将、莫邪宝剑
【教师】我们古代有十大名剑，包括轩辕、干将、莫邪、鱼肠等。大家知道从西汉东汉开始锻剑的原料来自哪里？
【学生】来自太空的铁陨石。
【教师】请根据陨铁和锻剑过程的图片（见图7）描述铁的物理性质。
图7 陨铁和锻剑过程
【学生】铁是带银白色金属光泽的固体，熔点高，有良好的延展性和导热性。
【教师】我们还知道铁有良好的磁性和导电性。古代锻剑不仅历史悠久，其实还有很多关于“剑”的诗词。例如唐代诗人陈子昂《送东莱王学士无竞》记载道“宝剑千金买，生平未许人”，为何里面谈到“宝剑要千金买”呢？
【学生】因为当时锻剑的原料铁很少，而且铁非常活泼，所以锻造出来的剑就更少。
【教师】请根据已有知识说说铁能和哪些类别物质发生反应，写出对应的化学方程式，并把相关含铁产物准确放入价类二维图中。
【学生】初三已经学习过铁是活泼金属，可以和氧气、酸、盐溶液发生反应。写出对应方程式并梳理价类二维图。
【教师】根据价类二维图我们发现铁单质有时生成+2价化合物，有时生成+3价化合物，是取决于什么？
【学生】如果遇到较弱的氧化剂，铁会失去2个电子生成+2价铁的化合物；
如果遇到较强的氧化剂，铁会失去3个电子生成+3价铁的化合物。
【教师】目前钢铁大量应用在日常生活中，不可能像古代一样依靠来自太空的陨铁，当下常用的炼铁方法是什么，请用化学方程式表示。
【学生】结合不同的铁矿石写出对应的“高炉炼铁”的化学方程式。
设计意图：通过观察图片有序梳理铁的物理性质；
通过诗词鉴赏、方程式书写、价类二维图完善总结学生已掌握的铁的化学通性。
2.环节二：预测与验证
【教师】在锻剑过程中，炙热的铁水注入模具之前，模具必须进行充分的干燥，不得留有水。请分析可能的原因并说出你的判断依据。
【学生】铁与水可能发生反应。之前我们学习过金属钠能与水反应，铁也是活泼金属的一种，因此估计铁也能和水在一定条件下发生反应。
【教师】没错，铁在高温条件下能与水蒸气发生反应，请根据已有知识判断可能的产物并说出你的判断依据。
【学生甲】铁是金属，肯定是还原剂失电子，类比金属钠应该得到氢氧化铁和氢气。
【学生乙】铁是变价金属，也可能得到氢氧化亚铁和氢气。
【教师】大家可能都忘记初三曾经学习过的难溶性弱碱热稳定性问题。
【学生甲】难溶性弱碱受热容易分解，因此应该是三氧化二铁和氢气或者氧化亚铁和氢气。
【学生乙】初中还学习过四氧化三铁，也有可能是四氧化三铁和氢气。
【教师】大家都基本确定有H2生成，那请设计实验装置完成铁粉与水蒸气的实验并检验H2。请说说解决这个问题的思路。
【学生甲】我们要根据实验目的确定要完成哪几个具体内容，然后再选择对应装置去完成。
【学生乙】这里要有铁粉与水蒸气的反应装置，然后还要有收集H2的装置，最后再通过验纯的方法检验
H2。
【学生丙】水蒸气要有发生装置，因为水的常见状态是液态。
【教师】大家都有道理，我们一起看看课本给出的实验装置图3-5，分析每部分装置的作用。
【学生】最左边的酒精灯和试管内的湿棉花是提供水蒸气的装置，中间是铁粉和水蒸气反应的装置，最右边的肥皂泡是收集并检验H2的装置。
【教师】该实验产生H2不多，因此用肥皂泡可以快速收集少量H2，并且点燃后可以通过爆鸣声加以证明。因为这套装置相对复杂，所以老师先演示一次如何搭建装置。装置搭建的基本原则是由下往上，由左往右，所以在铁架台的左侧先放好高低不同的两个酒精灯，然后将大试管由下往上穿过铁夹，塞上胶塞后检验装置气密性。如气密性良好，再往试管底部加入一团棉花，均匀滴加20滴蒸馏水，然后用药匙加入两大匙还原铁粉，塞上胶塞，添加肥皂水。点燃酒精灯加热湿棉花，一会后再点燃酒精灯加热铁粉，30s后用点燃着的木条点燃吹起的肥皂泡，观察现象。下面开始分组实验，戴好护目镜，注意实验安全（见图8）。
图8 老师演示指导和学生分组实验
说明：这是学生在高中阶段第一次搭建大型实验装置的分组实验，建议教师务必通过演示交代实验过程，否则学生会手忙脚乱，在仪器组装、药品填装等将环节消耗较长时间。
【学生】完成分组实验，记录实验现象。
【教师】大家观察到什么现象，说明哪些问题？
【学生甲】听到尖锐的爆鸣声，说明有H2生成。
【学生乙】试管内还是黑色粉末，说明没有Fe2O3生成，但是生成FeO还是Fe3O4无法证明。
【教师】大家会想到什么方法快速区分FeO和
Fe3O4？
【学生甲】可以用磁铁吸引。
【学生乙】铁也可以被磁铁吸引，这个方法不太科学。
【教师】老师现在取任意一组实验完的黑色粉末于研钵中稍微研磨，再用磁铁吸引，大家用心观察，看到什么现象，说明什么问题？
【学生】根据前面听到的爆鸣声说明铁粉与水蒸气一定发生反应，试管内黑色粉末全部能被磁铁吸引起来，说明产物一定是Fe3O4，不可能是FeO。
【教师】请大家根据观察到的现象写出铁粉与水蒸气反应的化学方程式。
【学生】书写化学方程式。
设计意图：通过对铁与水反应产物的预测和设计装置验证的活动，帮助学生建立通过已有知识类比和从氧化还原的角度分析问题，提高学生根据已有知识进行推理和设计方案的能力，进一步发展学生宏观辨识、证据推理和科学探究的学科核心素养。通过铁粉与水蒸气反应的分组实验，帮助学生掌握重要实验操作（如检验装置气密性），提高学生动手实验和捕捉现象的能力，建立证据意识，发展学生有序描述实验现象的能力。
3.环节三：拓展与延伸
【教师】请对照图9，在锻剑过程中，炙热的铁水注入模具之前，模具必须进行充分的干燥，不得留有水；
但是在锻剑过程后期要将热得通红的剑加入冷水中进行淬火。你觉得矛盾吗？请大家分析淬火过程发生什么变化？
图9 模具干燥与锻剑淬火的对比
【学生】淬火过程应该和刚才铁粉与水蒸气反应的原理一致，但是不太明白为什么要淬火。
【教师】锻剑时模具不干，倒入铁水时水会急剧气化，力量很大，可使铁水飞溅，造成事故；
淬火时是整把热剑插入冷水中，不会有铁水飞溅的危险，此时是通过急剧冷却改变原子排列结构，从而使剑变硬变脆。另外，淬火后一般在剑身会看到部分区域变蓝，这就是常说的“烤蓝”现象，金属表面氧化为氧化物，形成比较能抗锈蚀的保护层。大家可以再仔细观察大试管的黑色固体，是否发现有蓝色？
【学生】再次观察大试管内的“烤蓝”现象。
【教师】化学就是这么有趣，有时我们要避免一个反应的发生，有时希望促使一个反应发生。总而言之，要一分为二、实事求是地看待实验过程，要通过控制条件使化学反应往有利于人类的生产和生活方向进行。今天，我们通过一把剑学习了铁的相关性质，希望大家课后好好梳理，同时把你在初三学习过的铁的化合物放入价类二维图中，并思考制备氢氧化铁和氢氧化亚铁的最佳方案，说出判断依据。
设计意图：通过“铁水定型模具干燥”和“锻剑最后淬火步骤”的对比，渗透化学知识的两面性，渗透具体问题具体分析的科学精神。
（1）教学情境的选择与创设是开展素养为本教学的重中之重，基于化学学科核心素养的教学在情境创设时要关注情境的“价值”。胡久华指出一个好的教学情境，应该能够不断地产生驱动性问题，驱动学生层层深入分析问题，解决问题，从而获得知识与方法。［16］而本课的成功之处以“古代锻剑”为核心情境，一气呵成把铁的物性、类别通性、价类二维、高炉炼铁、铁水反应、冷水淬火等重要内容串联起来，连接知识与素养，帮助学生在建构知识的同时形成看待问题的化学视角（如价类二维、类比已学知识等），发展学生宏观辨识、证据推理、科学探究、科学态度等化学学科核心素养。
（2）教学是体现教师有智慧地处理教材内容的过程。如何正确分析和解读教材文本、有效开发文本背后的教育价值，是基于逻辑进行教学的核心。本课尊重教材栏目，重视教材编排的逻辑顺序，基于旧知识的逻辑关系生成新知识，让学生觉得一切都顺理成章。用逻辑思维方式来统领元素化学的教学，非常符合启发性的教学思想或教学理念，能无限激发学生的学习兴趣和求知欲望，聚焦学生的思维活动和注意中心，培养学生的学习能力，提高教学效率。［17］
（3）作为对元素化合物教学增长点的定位，回忆铁作为金属的通性和学习铁与水蒸气反应并不是本节课的核心目标，学生要能主动从物质类别的角度有序梳理铁的已有性质才是核心目标，学生要能在陌生情境中主动结合氧化还原的知识或者从类比的角度预测陌生反应能否发生才是核心目标，学生能主动结合气体制备的一般装置模型设计出铁与水蒸气反应的装置才是核心目标。可喜的是，学生在本课各项活动表现出的类比思维、价类思维、实验思维都证明前面章节教学的铺垫行之有效。
创设情境不只是为了课堂的引入、不只是为了阐述知识，而是为了使学生知识储备与即将学习的新知识产生关联，使学生已掌握的化学研究方法与新学习内容所蕴涵的科学方法产生关联。［18］虽然“铁的单质”一课知识体系简单，但也是很好的提升学生基于价类二维思维模型解决问题的素材，应该可以寻找到除“锻剑”外的其他有意义的教学情境实现基于逻辑的化学课堂教学。
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