科学思维：化学探究实验的灵魂

摘要： 科学思维是化学探究实验的灵魂。对铁钉与CuSO4溶液反应pH降低的“异常”现象进行深入探究，设计成时长80分钟的高三复习课。沿着“发现异常→设计方案→分析解释→又见异常→系统梳理→模型内化”六个教学环节层层递进，促进核心知识、认识思路和学科观念结构化，全面提升学生的思维品质。

关键词： 科学思维； 探究实验； 铁与硫酸铜反应； 高三复习

文章编号： 10056629（2023）10005006 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

科学思维是在化学学习中基于事实与逻辑进行独立思考和判断，对不同信息、观点和结论进行质疑与批判，提出创造性见解的能力；是从化学视角研究物质及其变化规律的思路方法；是从宏观、微观、符号相结合的视角探究物质及其变化规律的认识方式［1］。科学思维是化学探究实验的灵魂。

由铁钉与CuSO4溶液反应后pH降低，推测发生了反应：4Fe2++O2+10H2O4Fe（OH）3↓+8H+，该“异常”现象此前并未引起太多关注，相关文献只搜索到一篇［2］，文献作者在九年级“质量守恒定律”一节的演示实验中发现铁钉与CuSO4溶液反应后pH下降的现象，通过对比实验得出异常现象产生的原因是Fe2+被O2氧化，建议演示实验时铁钉与CuSO4溶液的反应装置应该密闭。笔者改进了该实验，发现了更多的探究点，于是设计成一堂高三实验探究课，以进一步发展学生的高阶思维。

1 情境素材的教学价值

基于课标、学情及探究实验过程，笔者梳理了Fe与CuSO4溶液反应蕴含的教学价值，如图1所示。

Fe与CuSO4溶液的反应涵盖了一系列科学探究要素：提出问题（铁钉与硫酸铜溶液反应后为什么pH下降）→作出假设［Fe3+水解生成Fe（OH）3］→设计实验［检验Fe（OH）3］→依据一系列现象论证观点、评估和改进观点等。经历80分钟的探究过程，可使这个真实的情境素材最大限度地发挥其功能价值，促使学生的核心知识、认识思路和核心观念进一步系统化、结构化，促进科学思维的发展。

2 资料卡片的呈现方式

在Fe与CuSO4溶液反应实验现象的分析过程中，要用到相应的支撑数据或事实性知识。高三复习阶段，若还像新授课或一轮复习课那样在需要的环节呈现所用信息，则脚手架太过明显，反而会限制学生的思维。本节课模拟高考探究实验题中“资料”的呈现方式，将可能用到的信息集中给出，让学生根据解决问题的需要，适时选取合适的数据或事实。相当于给学生提供一个“工具箱”，至于要用到什么工具，什么时候使用，均由学生自行决定。这样，既给了学生自由度，同时也带来挑战，有利于分析、综合、评价、创新等高阶思维的发展。表1、2是本节课的“资料卡片”。

K4［Fe（CN）6］与Fe3+产生蓝色沉淀、与Cu2+产生红棕色沉淀。

3 教学目标及流程

教学目标：

（1） 通过实验探究铁钉与硫酸铜溶液反应后pH降低的原因，建立从热力学和动力学两个角度研究化学反应的视角，纠正对盐类水解程度的偏差认识，发展系统思维、批判思维，提升宏微结合、变化平衡等学科核心素养。

（2） 在Fe3+水解产物Fe（OH）3的检验过程中，发展对“分散系”概念的科学认识，强化识别和排除干扰因素的能力，反复将证据与结论进行逻辑关联，提升证据推理学科核心素养。

（3） 结合具体实验和试题对探究过程建立分析解释“异常”现象的思维模型，促使核心知识、认识思路与核心观念进一步结构化，全面提升思维品质。

探究实验教学流程如图2所示。

4 课堂实录

4.1 发现异常

［驱动性任务］预测铁钉与CuSO4溶液反应过程中的实验现象、溶液pH的变化，并说明依据。

课堂上教学活动过程沿着图3所示的顺序展开。

在之前的学习中，学生已经建构了“物质性质类”和“反应规律类”探究试题的问题解决思维模型，因此在教师提供证据（溶液的pH从4.19降到2.83）之前，有个别学生想到Fe2+可能被O2氧化，但随即被同伴否定，认为Fe、 Cu存在的情况下，Fe3+会被还原为Fe2+。教师提供证据后，新的质疑再次产生：盐类水解程度很弱，Fe3+水解产生的H+能够弥补Fe、 O2反应消耗的H+且还能“绰绰有余”吗？

经过多轮次思维碰撞与简单计算，学生形成了科学的观点：Fe、 Cu与Fe3+的反应是自发反应，但是由于反应速率较慢，故可以在相当长的时间内大量共存；水解程度不是一成不变的，溶液越稀，水解程度越大，pH为2.83时，Fe3+基本水解完全。

注：Fe3+在水中以［Fe（H2O）6］3+形式存在，水解可生成［Fe（H2O）5OH］2+、 ［Fe（H2O）4（OH）2］+等，水解后还可能发生缔合作用产生双聚体［3］。为适应高中生的认知水平，水解产物一律用Fe（OH）3表示，后文也将水解产物统称为Fe（OH）3。

4.2 设计方案

［驱动性任务］设计实验证实反应体系中存在Fe（OH）3，用流程图呈现实验方案，方框内为实验对象，箭头上标明试剂和操作。

此环节让学生独立设计并将方法、思路以流程图的形式进行显性化表达，促使其对实验过程产生身临其境的“画面感”，尽可能全面地考虑细节问题，避免思维碎片化。教师巡视过程中对学生的方案做出评价，并指定一位中等程度的学生上讲台板书其方案，随后同伴点评，板书的学生认可后作改进，最终形成如图4的方案（两次过滤后的滤液和滤渣用数字1和2区分）。

学生首先想到Fe（OH）3为沉淀，应该与反应生成的Cu一起存在于红色固体1中，加入H2SO4将其溶解，过滤掉Cu（红色固体2）后，向滤液2中加入KSCN｛依据资料卡片还可以加入K4［Fe（CN）6］、 Na2S｝检验Fe3+；但是开始并未想到沉淀会吸附Fe3+干扰后续检验，经过互动、补充，确定红色固体1要进行“洗涤”。有几位思维灵活的学生立即想到Fe（OH）3具有胶体性质，于是推测滤液1中可能也有Fe（OH）3，便设计了用激光笔照射滤液1以检验是否产生“光亮的通路”。

4.3 分析解释

科学思维是化学探究实验的灵魂和聚焦点。二轮复习的课时有限，图4实验方案并未让学生动手实施，由教师提前在实验室完成并拍成视频和照片，课堂上作为证据呈现，让学生将证据与结论进行逻辑关联。

当然，规范操作是实验成功的保证，基础实验操作亦不可忽视。例如，学生对如何过滤比较熟悉，但对如何洗涤沉淀却颇感陌生。于是，教师播放洗涤红色固体1的实验视频，强调“淋洗、浸没”等关键点，帮助学生内化基本技能，学生表现兴致盎然。

此环节的重点是发展学生的批判性思维。实验现象与结论进行关联的过程中，学生需作深入思考：现有证据是否足够充分支持这个观点？现有证据还有哪些其他解释？课堂上的独立思考、敏锐发现、大胆猜想和周密论证等此起彼伏、精彩不断。

教学片断一：

［师］怎样证明红色固体1已洗涤干净？

［生A］取最后一次洗涤液检验是否含Fe3+。

［生B］我认为不能马上检验Fe3+，因为红色固体中含有Fe（OH）3，洗涤过程中可“溶解”出Fe3+。

［师追问］如何排除干扰？

［生C］可以另取纯净的Fe（OH）3固体于试管中，加水溶解，滴加KSCN溶液看是否变红。

［生D］也可以依据Fe（OH）3的Ksp计算一下溶解出的Fe3+是否可以使KSCN溶液变红。

［师］两位同学从定性、定量两个角度给出了很好的建议。那么，检验其他离子能证明沉淀中吸附的Fe3+已洗净吗？

［生E］加BaCl2检验SO2-4，若没有SO2-4，则原体系中其他离子也都已洗净。

［师追问］为什么？

［生E］因为这是CuSO4溶液，部分变成了FeSO4，溶液中SO2-4浓度应该最大。浓度最大的离子都没了，浓度小的就更甭提了。

学生纷纷点头，教师也为生E的创新思维点赞！

教师继续呈现证据：取三份滤液2，分别加入KSCN、 K4［Fe（CN）6］、 Na2S溶液，依次出现溶液变红、生成蓝色沉淀、有气泡且出现黄色浑浊的现象，均证实了固体中存在Fe（OH）3。学生逐一写出相关反应的化学（离子）方程式。

［生C质疑］加入Na2S产生黄色沉淀不能证明溶液中存在Fe3+，空气中的O2也可能将S2-氧化。

［师追问］那如何排除干扰？

［生F］可以做一个对比实验，向等体积蒸馏水中滴加同样多的Na2S溶液，看是否产生相同的现象。

［师］思维缜密，系统考虑了反应体系中可能存在的微粒，特别棒！

教学片断二：

［师］反应后滤液1产生丁达尔效应（见图5），由此你可以得出什么结论？

［生F］滤液1中有Fe（OH）3胶体。

［师讲解］Fe3+水解生成Fe（OH）3分子，多个Fe（OH）3分子聚集“长大”，当聚集体直径达到1～100nm范围内，形成Fe（OH）3胶体；沉淀则是聚集体进一步“长大”导致的结果。可见，同一种物质在不同的条件下可以分散成溶液、胶体和浊液。

［生G］我认为Cu（OH）2也可能形成胶体，所以有丁达尔效应不一定能证明滤液中有Fe（OH）3。

［生H］那就排除Cu2+的干扰，向滤液1中加入Na2S溶液，Cu2+会生成CuS黑色沉淀。

［生I］CuS沉淀过程中会不会也有长不到沉淀尺度范围的胶体粒子呢？

［生J］而且Fe3+也可与S2-发生氧化还原反应。

全班陷入沉默、思考中……

见无人发言，教师提供加入铁钉前用激光笔照射CuSO4溶液的照片（见图6），没有丁达尔效应。

［生G］真是大道至简呀，我怎么就没有想到呢！

［师］加入铁钉前后对比，可以说明问题了吗？

［生J］可以。加入铁钉之前，Cu2+浓度大，水解产生的Cu（OH）2浓度也大，此时尚且没有丁达尔效应。反应后Cu2+浓度降低，水解产生的Cu（OH）2浓度也降低，更不可能产生丁达尔效应。所以，反应后丁达尔效应一定是Fe（OH）3胶体所致。

［生K］反应后溶液pH=2.83，根据Ksp数据计算，此时Cu2+、 Fe2+还未开始沉淀，Fe3+则已几乎沉淀完全，所以丁达尔效应确实能证明含有Fe（OH）3胶体。

4.4 又见异常

Fe（OH）3由Fe3+水解产生，该反应可逆，故学生推测滤液1中有“游离”的Fe3+存在，加入KSCN溶液理应变红。教师播放滤液1中加入KSCN溶液的视频，溶液立即变红，但红色很快褪去，产生了白色沉淀。请学生利用化学用语解释该“异常”现象。

结合已有知识与资料卡片，生L上台板书写出两个反应的方程式：

（1） Fe3++3SCN-Fe（SCN）3

（2） 2Cu2++4SCN-2CuSCN↓+（SCN）2

两个反应解释了溶液变红和生成白色沉淀。

［生M举手］我发现刚滴入KSCN溶液立即变红，说明反应（1）速率快；随着白色沉淀生成，红色褪去，说明反应（2）限度大。

［师］思维敏捷，考虑全面！不仅解释了实验结果，还解释了实验过程。一般来说，氧化还原反应的活化能较大，反应速率较慢；而复分解反应活化能较小，反应速率较快。

本环节用实验视频代替照片，目的就是让学生不能只关注结果，还要关注反应过程，稳固从热力学和动力学研究反应的两个角度，再次呼应环节1中Fe、 Cu与Fe3+既能相互反应（热力学角度），又可以共存的事实（动力学角度）。

4.5 系统梳理

教师呈现对比实验：将等质量铁粉加入等浓度、等体积的CuSO4溶液，反复振荡使其充分反应，一段时间后溶液pH升高。取等量的三份上层清液于试管中，分别加入K3［Fe（CN）6］、 K4［Fe（CN）6］和KSCN溶液，现象如图7所示。