初中化學“含鐵物質的轉化與應用”項目式學習的設計
——敦煌壁畫的創作*

金榮妹 符愛琴

（蘇州市吳江區實驗初級中學 江蘇蘇州 215200）

一、項目主題內容分析

本課題的主題內容涉及滬教版九年級化學上冊第5章“金屬的冶煉與利用”和九年級化學下冊第7章“應用廣泛的酸、堿、鹽”中的相關知識。教學內容中，學科的核心知識在實際社會發展中有重要應用價值，教學過程對核心素養的發展也有重要的積極意義；依據《義務教育化學課程標準（2022 年版）》中有關要求和教學建議，在初三化學“含鐵物質的轉化與應用”的教學中，將化學與跨學科知識進行綜合應用，貫徹可持續發展觀的目標，設計實驗方案、完成實驗探究，解決實際問題，制作項目作品，并及時進行修正和優化，用一課時的安排完成了本項目的設計與實施。

1.教學內容概述

滬教版九年級化學上冊“金屬的性質和利用”一節中金屬與氧氣、金屬與酸以及金屬與鹽的反應的相關知識，第7章中金屬氧化物與酸、堿與酸、鹽與酸的反應等相關知識，從教材的編排上看，含鐵物質的相關知識分散于這兩個不同的章節，教學內容整體性和連貫性不強，在學習過程中學生獲得的知識有些零散，對構建清晰的、結構化的知識網絡有一定的影響，不利于學生將所學的知識應用于生活實踐，本項目對以上教材內容進行有機整合，以敦煌壁畫的創作為情境，組織成符合學生認知發展要求，貼近學生生活實際的跨學科項目式任務，完成含鐵物質的轉化及應用的復習，幫助學生建構不同類別物質間的相互反應及轉化，從而解決以上實際問題［1］。

2.課程標準的相關概述

《義務教育化學課程標準（2022年版）》在課程內容中新增設了“化學與社會·跨學科實踐”欄目，利用化學、藝術、歷史、地質學、道德與法治等多學科融合的思路與方法解決跨學科問題。在實踐活動中，初步學會運用元素觀、變化觀等化學觀念和科學探究方法解決問題；在解決實際問題的過程中，將各學科知識加以綜合運用，選擇合適的方法和策略，使科學技術得以有效應用，體會以合作、協同、創新的方法解決問題的重要性［2］。

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》在學業要求中提出：能依據物質的組成對物質進行分類并列舉一些簡單的單質、氧化物、鹽、堿等；如列舉含鐵物質中的單質鐵、鐵的氧化物、亞鐵鹽，鐵鹽和氫氧化鐵等。能運用研究物質的一般思路與方法，從物質類別的視角，依據金屬、酸、堿、鹽的主要性質，設計實驗方案，如利用鐵獲得氧化鐵，或利用赤鐵礦石獲得氧化鐵的工藝設計流程。

《義務教育化學課程標準（2022年版）》在課程理念中提出：在化學教學中重視以核心素養為導向，注重真實問題情境的創設，倡導“創中學”，開展項目式學習，重視跨學科實踐活動［3］。本課程在敦煌壁畫的創作中開展項目式學習，從探究壁畫顏料、自制壁畫顏料和應用顏料創作這三個項目任務的活動中，融合了對敦煌壁畫的歷史研究，滲透學生對美術作品的審美觀，嘗試了工業生產氧化鐵的工藝流程，了解了我國氧化鐵工業的出口數據，拓展了氧化鐵在生產、生活中的用途，充分發揮了跨學科實踐活動課程的育人功能，培養學生適應社會發展的必備品格、關鍵能力并厚植愛國主義情懷，樹立為推動社會進步而奮斗的崇高追求［4］。

3.項目主題內容與核心素養

項目式教學對知識的綜合應用非常重視，讓學生在項目式學習中收獲知識，又發展技能，同時提升核心素養。本跨學科項目主題的設計思路，通過學生完成物質的鑒別、氧化鐵的制取、氧化鐵的應用等一系列真實情境問題和跨學科實踐活動中落實科學探究能力和實踐能力的培養，并在解決與化學相關的真實問題中形成質疑、批判和創新等科學思維能力，同時融入藝術元素來增強文化自信［5］。

二、項目教學目標

（1）通過追溯壁畫顏料的來源，設計簡單實驗檢驗顏料成分，了解真實問題情境下探究物質成分的基本方法，體驗中華文化的源遠流長；

（2）通過選擇原料制取壁畫顏料，培養實驗設計能力以及實驗探究能力，建構含鐵物質性質及相互轉化的結構化知識圖，強化對物質多樣性的認識；

（3）通過對資源的開發和資源的回收等社會議題的討論，形成保護和節約資源的可持續發展意識。

三、項目任務及教學流程

結合項目主題“敦煌壁畫的創作”設計3個項目任務，通過驅動性問題，調動學生進行顏料成分的探究，顏料的制作以及利用顏料進行壁畫創作等一系列探究活動。

四、項目實施過程及學生學習成果

1.項目任務一：探究壁畫顏料

［教師］播放莫高窟壁畫九色鹿的視頻。

［學生］從歷史角度，回顧敦煌壁畫的悠久歷史。

［學生］從藝術角度，體會壁畫的藝術美。

［學生］從化學角度，對壁畫顏料的成分產生了濃厚的興趣。

設計意圖：通過對壁畫歷史的了解，體會中國古代勞動人民的博大智慧；通過對藝術作品的欣賞，培養學生對藝術的欣賞能力；通過對顏料的顏色鮮明、保存時間久遠等性質的總結激發學生對物質世界的好奇心、想象力和探究欲。

［教師］壁畫比較龐大，老師給大家準備了一些迷你模特，我們親手制取顏料，然后嘗試創作一個微型的敦煌壁畫模特。

［問題］敦煌壁畫的顏料中最醒目、最具代表性的一種，是紅色顏料，它含有什么成分呢？

［資料］研究人員對采集的壁畫標本進行檢測，經過大量的分析研究證明，敦煌壁畫的顏料全是天然無機礦物顏料，主要含有金屬氧化物。

［問題］請同學們依據物理性質是紅色的物質進行猜想：我們初三化學學到的哪些金屬氧化物是紅色的？

［學生1］氧化鐵。

［學生2］氧化亞銅。

［教師］同學們如何用實驗鑒別紅色顏料是氧化鐵還是氧化亞銅？

［資料］Cu2O+2HCl==== CuCl2+Cu+H2O。

［教師支持］提供與敦煌壁畫成分相同的紅色顏料。

［學生］取紅色顏料樣品少許于試管中，加稀鹽酸或稀硫酸，然后觀察溶液顏色。

［學生探究實驗］

①將迷你試管中的稀鹽酸全部加入盛有紅色顏料的試管中；

②充分振蕩試管；

③將混合物轉移到井穴板的空穴中；

④用注射器吸取混合物并留有1 cm空柱；

⑤套上過濾器，將濾液擠壓到井穴板中觀察顏色。

圖1 鑒別氧化鐵和氧化亞銅的探究實驗

［教師］請小組代表描述實驗時觀察到的現象并推測結論。

圖2 觀察紅色顏料與酸反應的現象

［學生］觀察到黃色溶液，說明紅色顏料中含有氧化鐵。

［問題］在認識顏料的過程中我們用到了哪些方法鑒別物質？

［學生1］顏色、狀態或溶解性等。

［教師］某些物質若用物理方法無法區分，又應該如何操作呢？

［學生2］利用物質的化學性質，是否與酸反應，以及與酸反應后的現象等。

［教師］經過一系列探究實驗驗證紅色顏料中含有氧化鐵。

設計意圖：通過設計實驗、探究實驗、觀察現象、分析結論，培養了學生的實驗探究能力，完成了金屬氧化物與酸反應的知識梳理，建立了對物質鑒別的化學實驗探究活動的一般思路的認知模型。從素養養成的角度，培養了學生嚴謹求實的科學態度，從能力發展的角度，發展了學生運用化學知識對生活和實際問題作出正確判斷的能力。

2.項目任務二：自制壁畫顏料

［教師］古代人們是如何制得氧化鐵顏料的呢？

視頻：礦石顏料的物理加工。

［教師］對這樣的古法研制你如何評價？

［學生］主要發生物理變化，耗時耗力。

［設計意圖］通過視頻感受古人的勤勞和智慧，并體會古人對美、對藝術的追求。

［教師］展示我國現代工業制取氧化鐵的出口量數據圖。

圖3 2015～2021年中國氧化鐵進出口貿易情況

［教師］隨著時代的發展，顏料的需求量不斷增加，而氧化鐵系顏料是產量和用量最大的顏料產品。目前我國已成為氧化鐵產品的生產大國。

設計意圖：了解含鐵物質在生產和社會發展中的重要作用，初步認識科學、技術、社會、環境的相互關系，并培養學生的責任擔當。

［教師］現代工業上制取顏料更多的是利用化學方法。請利用你所學的原理，自選原料制取氧化鐵，小組討論。

［資料］（1）氯化亞鐵灼燒后可得氧化鐵；

［教師］請其他組同學評價一下這一方案。

［學生］可行，但是反應速度太慢，生成的鐵銹分離困難。

［教師］這一組同學設計的方案是從原料鐵開始的，請其他組同學評價一下這一方案。

［學生］氯元素會形成污染性氣體，對環境不利。

［教師］每一組同學都有自己的想法，綜合各方面因素，如實際生產中為了降低成本，變廢為寶，原料我們可以嘗試用廢鐵屑。

［教師］廢鐵屑中含有什么成分？

［學生］鐵和氧化鐵。

［教師］老師給大家準備好了廢鐵屑，我們一起來試試。

［學生探究實驗］

①將迷你試管中的稀鹽酸全部加入盛有廢鐵屑的試管中；

②充分振蕩試管；

③將混合物轉移到井穴板的空穴中；

④用注射器吸取混合物并留有1 cm空柱；

⑤套上過濾器；

⑥將濾液擠壓到井穴板中觀察顏色。

圖4 廢鐵屑與酸反應的探究實驗

［教師］同學們過濾后的濾液中含有什么溶質？觀察到濾液是什么顏色？

［學生］溶質中含有氯化鐵和氯化亞鐵。

［學生］濾液是淺綠色的。

［教師］這是為什么呢？

［教師］原來是氯化鐵被還原為氯化亞鐵，我們想要制得氧化鐵，需要將氯化亞鐵氧化成氯化鐵。你知道最常見的氧化劑嗎？

［學生］氧氣。

［教師］非常好，不過利用空氣中的氧氣，需要的時間很長，我們可以改用雙氧水。

［資料］2FeCl2+H2O2+2HCl====2FeCl3+2H2O

［學生探究實驗］將注射器中已酸化的雙氧水緩緩推入井穴板中的淺綠色溶液中，并觀察現象。

圖5 氯化亞鐵轉化為氯化鐵的探究實驗

［學生代表1］溶液由淺綠色變為黃色。

表1 項目任務及教學流程

［學生代表2］有沉淀產生。

圖6 氯化亞鐵在堿性條件下與過氧化氫反應的現象

［教師］為何會有這樣的異?，F象呢？

［資料］氯化亞鐵在堿性條件下與雙氧水反應則會生成FeOOH 沉淀，俗稱氧化鐵黃，由于FeOOH 還能繼續與亞鐵離子反應生成Fe3O4而使制得的氧化鐵黃不純。

［討論］已知：FeOOH 及鐵的氧化物受熱分解的溫度如下：

稱取含Fe3O4的FeOOH 樣品76.6 g，進行熱分解實驗?？刂撇煌臏囟葘悠芳訜?，測得剩余固體的質量隨溫度的變化如下圖所示。

圖7 加熱含Fe3O4 的FeOOH 樣品，剩余固體的質量隨溫度的變化圖像

請同學們計算樣品中FeOOH 的含量為多少？（精確到0.1%）

［學生］設樣品中FeOOH 的質量為x。

［教師］為了能得到較純的鐵紅，我們選擇將氯化鐵轉化為氫氧化鐵，如何轉化呢？

［學生］加氫氧化鈉溶液。

［學生探究實驗］向盛有氯化鐵溶液的井穴板中滴入氫氧化鈉溶液。

［學生］觀察到有紅褐色沉淀產生。

圖8 廢鐵屑制取氧化鐵的工藝流程圖

［教師］我們按照這樣的工藝流程進行制備，工業制備物質需要考慮哪些因素?

［學生］高效、價廉、簡便、綠色、安全。

設計意圖：通過自選原料制備氧化鐵，完成含鐵物質的轉化及應用的復習，通過對實驗異常的猜想、探究、分析，培養學生實事求是的探究精神；通過對含鐵物質的定量分析，了解化學反應的結果受諸多因素的影響并建構工業制備物質的一般模型。

［教師］今天老師利用了這種方法制得了氫氧化鐵，并在經過了過濾和洗滌后分發給大家，請同學們通過灼燒自制氧化鐵顏料。

［學生探究實驗］灼燒氫氧化鐵。

［教師］我們在制備物質的過程中主要經過哪些步驟？

［學生］選擇原料、確定原理、選擇裝置、分離提純、獲得產品。

［設計意圖］及時將化學觀念進行提煉和升華，既培養了學生解決問題的能力，也造就了學生建構模型的能力。

3.項目任務三：應用顏料創作

［教師］現在同學們可以利用你自制的鐵紅顏料在壁畫模特上進行創作了。

［學生］壁畫模特的創作。

小組完成作品。

圖9 壁畫模特的創作作品

設計意圖：利用自制顏料完成跨學科的藝術創作，既鍛煉了學生創作藝術的能力，也使學生的動手實驗能力得到了培養，在創作中還培養了學生合作、創新能力，同時體會了化學來源于生活，化學與生活息息相關。

［教師］氧化鐵作為顏料除了可以創作壁畫和DIY上色，氧化鐵顏料還有什么用途？

［學生］查閱資料得到氧化鐵作為顏料還可以給地坪、地磚等上色，也可以用以墻磚美縫等。

［教師］氧化鐵不僅作為顏料，還可以用作催化劑等等。

［教師］本以為氧化鐵一無是處，

沒想到氧化鐵用途廣泛。

其實事物都有兩面性，

創造萬物的太陽，

也不能照到一張葉片的兩面，

總有明暗兩面的遺憾。

但我們可以選擇向陽而生，

讓我們努力綻放熠熠生輝的一面。

［設計意圖］體會物質性質決定物質用途，并利用跨學科知識、顏料的應用，了解物質的兩面性，鐵銹的主要成分氧化鐵并不是一無是處，從而上升到思想品德的教育，激勵學生積極進取，培養學生崇尚真理的科學態度和養成攻堅克難的優秀品格。

［教師］今天我們在壁畫創作的過程中復習了含鐵物質的轉化，請同學們歸納涉及的反應原理。

圖10 含鐵物質轉化的價類二維圖

設計意圖：利用價類二維圖將不同物質類別和鐵元素不同化合價態時的物質轉化關系建構含鐵物質的轉化模型，認識了變化的是物質，守恒的是元素這一化學觀念。通過含鐵物質的應用建構物質性質與應用之間的關系模型，認識物質的性質決定應用，認識合理利用物質的重要性。從物質轉化的視角解決與化學相關的實際問題，樹立辯證唯物主義世界觀。

五、項目教學建議

1.實驗探究微型化

課堂教學中的微型實驗、微型過濾，節省了時間，簡便了操作，節約了藥品，減少了污染，直觀了現象，這樣的設計讓課堂的設計能在有限的時間內完成項目式任務。井穴板這一微型儀器的一板多用，既儲存了待過濾的懸濁液，又承載了過濾后的濾液，還作為壁畫創作的調色板，小小身形，發揮了它最大的功效。微型壁畫模特的創作，既完成了創作的使命，又縮短了創作的時間，讓學生在一課時內完成作品，深刻體會化學的實用，化學與生活的關系，同時也獲得了創作成功的成就感。

2.教學內容跨學科

以跨學科的敦煌壁畫的創作教學活動為真實情境進行教學，需要融合敦煌壁畫的歷史知識，語文學科中九色鹿的育人故事，壁畫創作的審美和藝術知識，在顏料的自制過程中融入了工業制取化學物質的基本思路和綠色化學的實踐意義，聯系了數學知識坐標圖，完成含鐵物質的價類二維圖，這既培養了學生全面發展的能力，也激發了教師教學能力提升的主動性和必要性，構建了教師和學生共同進步的良好氛圍。

3.教學成果項目化

項目式任務驅動教學，首先調動了學生學習的興趣和熱情，通過完成任務制取了紅色顏料，創作了微型壁畫模特，既推進了含鐵物質轉化和應用的復習進程，也讓學生獲得了知識和能力的成就感。整個教學過程中，小組合作完成項目式學習，既提升了學生之間的協調能力，也促進了組員之間的人際關系和溝通交流，這些收獲遠遠超越知識本身，這是學生終身能力的培養。