基于真实问题情境开展实验探究的教学设计与实施——以“探秘第三代补铁剂”为例《普通高中化学课程标准 (2017版) 》[1]指出实验探究是化学学科核心素养的构成要素之一教师应精心设计实验探究活动，增进学生对科学探究的理解、发展科学探究能力真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，而情境素材的选择需要整体设计，注意情境素材呈现的连贯性[2]依据此理念，本文以探秘第三代补铁剂为例，基于真实问题情境开展实验探究的教学设计，教学实施与教学反思1 教学内容及学生情况分析本教学内容是鲁科版化学必修第一册第3章第1节铁的多样性的课时1亚铁盐和铁盐[3]，本部分内容既可以为第2章物质分类、离子反应和氧化还原反应这些理论知识补充感性认识的材料，帮助学生掌握认识物质的基本角度和方法，也可以为必修第二册介绍化学反应与能量转化等理论知识打下重要基础；还能使学生真正认识化学在促进社会发展、改善人类生活条件等方面所起到的重要作用通过初中的学习学生已经知道金属铁及其常见的化合物，通过第二章物质的分类和氧化还原的学习，学生已经形成了从物质类别和氧化性、还原性这样的角度去认识物质的意识，但还不能自主的研究代表元素的氧化性和还原性，欠缺将真实问题转化为化学问题的能力，科学探究的化学素养有待进一步提升。
2 教学现状分析在已有的教学研究中，情景素材的选择主要有2种方式，第1种直接以实验室中FeCl3或Fe2(SO4)3，FeCl2或FeSO4为研究对象来学习铁盐和亚铁盐[4-8]，然后应用所学知识去解释与此相关的生活现象，例如解释印刷电路板腐蚀的原理，解释补铁剂与维生素C同服效果更佳第2种以生活中的真实问题为研究对象展开对铁盐和亚铁盐的学习，例如补铁剂[9-11]，暖宝宝[12]，菠菜[13]在新课标的指导下，显然以第2种方式来选择情景素材进行教学，更利于培养学生的学习兴趣，提高化学核心素养但是，在现有的以补铁剂为研究对象的教学中存在以下几个问题：（1）更侧重学习具体的事实性知识2）实验探究的方案基本由教师以流程图的形式给出或以教师演示为主，降低了学生实验探究的自主性和开放性3）在进行实验探究的过程中，缺少分析并解决相应问题的思路引导4）补铁剂的选择单一，以硫酸亚铁片为主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Fe2+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，FeSO4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Fe3+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Fe2+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Fe3+，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Fe3+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Fe3+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Fe2+？[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，Fe2+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Fe3+的检验方法，那就可以直接检验，如果无法直接检验，例如Fe2+，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Fe3+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。