开展综合实践活动 培育科学探究素养

摘 要：  以沪科版《普通高中教科书〈化学〉必修第二册》第5章项目学习活动“如何测定菠菜中铁元素的含量”为例，在“科学探究与创新意识”素养导向下，立足学生全面个性发展，做好科学细致的教学分析；基于校情、师资、学情和教材资源，开展综合实践活动，注重“教-学-评”一体化设计；基于情境设置问题导引，拓展时空贯通学习过程；关注学生科学经历体验，开展问题导学的探究学习活动；贴近经验发现问题，体验试错学会方法，亲身感悟问题解决，有效落实教学目标，培育学生科学探究素养。

关键词：   高中化学； 综合实践活动； 科学探究素养； 问题解决； 铁元素含量

文章编号： 1005-6629（2024）11-0048-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

沪科版高中化学必修新教材增设了“项目学习活动”栏目，这部分内容虽然源于教材的单元主题学习，但往往因其含有高于化学课程标准的内容要求，所需课时也较多，深受“课时特别紧张”困扰的一线教师少有真正将它落实到课堂教学中去的。高中化学新课程标准指出，“在问题解决中发展学生核心素养，基于学科素养进行化学课程学习评价”［1］。在使用新教材的课改实践中，我们感到教材中的“项目学习活动”栏目为学生提供了不错的开展综合性、实践性探究活动的素材，是提升学生化学核心素养、夯实科学素养根基的良好载体，只要我们基于校情、学情对教材中的“项目学习活动”进行细研究和再设计，并有效实施，就可以让它在培育学生科学探究素养等方面发挥独特的作用。本文以“如何测定菠菜中铁元素的含量”为例，介绍我们是怎样在课堂教学中开展综合实践活动，培育学生科学探究素养的。

1 立足学生全面个性发展，做好科学细致教学分析

《普通高中教科书·化学必修第二册》（沪科版）第5章“金属及其化合物”的项目学习活动“如何测定菠菜中铁元素的含量”，是一个任务引领的综合实践活动，设置在学习金属元素单质及其化合物之后，意欲定量检测真实食品中微量铁元素含量，锻炼学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。

我校是地处远郊的市实验性示范高中，学生对理科学习有兴趣，也有一定的探究欲望，但由于从小实验机会少，动手能力较弱。他们在高一生物课中已学过分光光度法，使用分光光度计分别测定过蛋白质和叶绿素的含量。本章也已学习了铁及其化合物的性质及转化，具备了一定的物质检验、提纯、定量测定的知识，但独立完成实验设计的机会不多、动手自主完成任务的能力不足。

我校是全国科学教育实验学校，注重在各学科日常教学及课后自主学习期间开展科学教育。学校科创大楼设有数字化实验室、标准化实验室、环境分析实验室等专用教室，配备有传感器、分析仪器等先进的仪器设备，学校的图书馆、计算机房每天傍晚向学生开放，为学生的探究性学习活动提供了良好的环境支持。

为了促进学生全面个性化的发展，本章的项目学习活动设计为深入的、问题链式的科学探究活动，以自主、合作、探究的活动实施来提升学生的科学探究素养。

2 着力提升化学核心素养，展开科学探究教学设计

基于上述分析，我们选择性地使用教材内容，精心设计适切的教学目标，创设情境，强化问题导引，设计成系列的合作探究活动；拓展时空，允许试错，为探究性学习活动的切实开展提供保障。

2.1 素养导向制定教学目标，注重“教-学-评”一体化设计

探究活动的设计要基于科学教育的目标，并将评价贯穿教与学的全过程，从而实现以评促学、以评促教。因此，我们以科学探究素养为导向制定教学目标，围绕目标设计适宜的学习活动和相应的评价指标，注重过程性与终结性评价相结合的多角度全程性评价，实现“教-学-评”一体化设计（如表1所示），以此获取精准的反馈信息，优化教学内容，最终提升课堂教学质量。

2.2 设置问题导引，凸显问题解决的探究活动设计

科学源于生活，只有贴近生活的探究活动才能让学生真正体会到科学的魅力。根据教学目标，设计本节课的探究活动流程（如图1所示），以问题引导贯穿整个探究活动，分解难度，呈螺旋式上升。立足学生全面个性化的发展，引导学生提出系列的问题链，激发内生学习动力，促进他们主动投入、深度参与、多角度地深层思考，综合运用知识解决问题。

2.3 拓展时空激发学生潜能，贯通“课前-课中-课后”整体设计

科学探究要贯穿始终，以自主、合作、探究的学习方式整体设计探究活动。课前提倡自主探究，将教材中的菠菜预处理前置，引导学生自主组队查阅资料，运用化学提纯思想，设计菠菜预处理的方案，并开展小组实验。课中注重合作探究，将难度较大的关键实验步骤拆解为四步，每组学生只选择其中一步进行深入研究，再分享交流，以集体智慧加深对整个实验方案设计的理解；同时，将耗时稍长、重复多次的标准溶液配制实验进行拆分，6个小组各负责配制一种标准溶液，然后集中起来测定吸光度，合作绘制出一条标准曲线，以提高实验效率。课后注重拓展研究，以分层作业的形式，鼓励学生应用所学方法继续深入探究，从而贯通“课前-课中-课后”整体探究活动的设计。

3 关注学生科学经历体验，有效落实

科学探究活动

实践出真知，科学教育关注学生的科学经历，只有

亲身体验科学探究的艰辛、不断试错才能寻求到科学的真谛。探究活动的落实注重学生体验，学生在经历解决问题的过程中激发求知欲，提升科学探究素养。

3.1 贴近学生生活经验，情境引入发现问题

基于学生已学的铁元素及其化合物知识、生物课分光光度法实验和“吃菠菜可以补铁”的生活经验，引发学生主动提出“什么样的食品铁元素含量较高”“如何测菠菜中铁元素含量”等问题，引出学习活动，引导学生主动投入、深层思考和主动参与。

3.2 体验试错学会方法，亲身感悟问题解决

科学方法的学习不是照方抓药，而是在“试错-纠正-再试”的过程中自主学会、逐步掌握。学生对单一体系的铁离子检验信心十足，但面对真实样品中多种离子的干扰，显得一筹莫展。教师需引导学生学会分析问题、查资料、找方法、再设计、再动手、发现新问题、再纠错、再实践，一次次深度学习探究，最终解决问题。

3.2.1 活动1 课前实验分享，探究菠菜处理

科学学习是永无止境的，要关注前沿科学，学会借助资料学习新知。教师放手让学生课前自主探究菠菜样品的预处理，给学生初次试错体验的机会。

［教师］课前同学们通过查阅资料，了解菠菜中铁的存在形态。

［问题讨论］（1） 菠菜中铁的存在形式如何？

（2） 如何提取菠菜中的铁元素，以便于检测？能研磨榨汁后直接测定吗？能加水提取铁元素吗？

［教师］菠菜中哪些物质会影响铁的测定？如何预处理？

［学生交流分享］

××学生：查阅资料发现，菠菜中的叶绿素对铁元素测定有影响，陈丽等用灼烧法排除草酸、叶绿素等有机物的影响［2］。因此，我们小组采用灼烧酸泡法，称取5g洗净晒干的菠菜茎样品于坩埚中灼烧，除去叶绿素。然后将灼烧后的菠菜灰转移至100mL烧杯中，加入20mL 6mol·L-1的盐酸浸泡。

……

［小结］同学们主要采用了两种方法，“灼烧酸泡法”将铁元素转化为铁离子，“研磨酸泡法”主要将铁元素转化为亚铁离子。

设计意图：菠菜的预处理要求较高、步骤繁琐、浸泡耗时长，但也很有探究的价值。将其前置为课前学生自主活动，通过查文献、初学新知，层层深入探究菠菜中铁元素的存在形式、价态以及性质，设计提取铁元素的方案并进行实验。然后在课中分享交流，聆听各小组的不同方法，加深理解预处理中“烘干、灼烧、溶解”等关键问题。

［实施效果］不同学生小组给出了不同的处理方法，通过问题链讨论和分享交流，破解了学生的困惑，理解了“真实样品不能直接研磨后测铁、不能加水提取”的原因，为下一步实验设计奠定基础。

3.2.2 活动2 定性定量对比，探究测铁方法

检验方法的选择是学生第二次试错。学生讨论发现，单一铁离子、亚铁离子检验的方法竟然都不适用于菠菜中铁元素的检验，一度很困惑。试错后，学生不断纠错、迁移、拓展，从定性到定量、从常量到微量、从传统实验到数字实验，最终建立起真实样品元素检测的方法模型。

［教师］预处理得到的菠菜样品溶液，同时存在亚铁离子和铁离子。为了精准测定铁元素含量，须将铁元素转化为一种价态，如何转化呢？

［学生］根据氧化还原反应原理，加氧化剂如高锰酸钾、双氧水等可将亚铁离子转化为铁离子，或者加盐酸羟氨溶液、维生素C等还原剂将铁离子转化为亚铁离子。

［思考与讨论］（1） 定性检测铁离子、亚铁离子的方法有哪些？

（2） 定量检测铁离子、亚铁离子的方法有哪些？

（3） 请猜想这些方法能否检测菠菜中微量铁元素？

［小结］菠菜中铁元素的含量很小，重量法得到的固体质量太小，误差较大；滴定法，受菠菜中其他还原性杂质干扰较多，如菠菜中的草酸也会被高锰酸钾氧化；显色法可用于微量铁元素的检测。

［教师］随着科技发展，现代仪器分析中测定微量铁元素的方法有火焰原子吸收分光光度法、荧光光度法、分光光度法等。

［思考］高一生物课曾用分光光度法测蛋白质含量，其原理是什么？是否可用于测菠菜中铁元素含量？

［学生］测定某物质在特定波长处的吸光度，理清吸光度与该物质浓度之间的关系，可进行定量分析。

［问题讨论］（1） 溶液浓度与吸光度有什么关系？

（2） 对有色物质有什么要求？

（3） 菠菜测铁元素选用哪种显色剂？

［小结］根据实验原理，利用分光光度计，先对不同浓度的邻二氮菲-亚铁标准溶液进行检测，得到

A-c关系曲线。再测定菠菜样品的吸光度，在标准曲线上找到与之相应的溶液浓度，即可换算该样品铁元素的含量。

设计意图：参照高一生物实验，思考如何排除叶绿素对铁元素测定的干扰；在活动2中，根据实验目的、要求、精度和灵敏度等，逐步引导学生从价-类二维图分析物质的转化，并从氧化还原反应等角度思考测定原理，学会真实样品中微量元素含量的测定方法。

［实施效果］从混合体系到单一体系，从传统实验到数字实验，从生物实验迁移到化学实验，拓展介绍分光光度传感器，提升实验效率，关注前沿科学的应用。让学生逐步地、自主地构建测定微量元素含量的方法模型（如图2所示）。

3.2.3 活动3 分组设计步骤，分享完善方案

科学实验的步骤（方案）是如何设计产生的？先是由学生主动提出了一系列问题，如每一步操作的关键点是什么、影响定量实验精准度的因素有哪些、它们是如何影响实验的……然后通过小组间合作讨论进行深度学习，

借助集体智慧解决了问题。

［教师］实验操作有关键四步：配制亚铁标准溶液、探究最大吸收波长、绘制标准曲线、样品铁元素含量测定计算。请每个小组根据兴趣选择其中一个关键步骤，深入思考关键点，设计实验步骤。

［学生讨论］略。

［学生分享］交流小组讨论结果，互相质疑、补充完善。

小组1“配制亚铁标准溶液：（1）试剂选择：为了调控溶液酸碱性，加盐酸及醋酸钠溶液；

（2）浓度选择：配制标准溶液，菠菜中铁元素含量约2.90/［mg·（100g）-1］，配制0～2mg·L-1之间6个均分点的亚铁标准溶液；

（3）配制方式：为了配制方便，减少误差，用同一浓溶液，量取不同体积后，进行稀释”。