项目式学习在高中化学实验实践的研究——以“检验食品中的铁元素”为例

摘要：“项目式学习”理念在各学科中得到了广泛应用，其对于提升学生的自主学习能力和核心素养具有显著的促进作用。对于高中化学学科而言，该理念有助于增强学生的动手实践能力和化学思维能力。本文以“检验食品中的铁元素”项目活动为例，探讨其在高中化学实验教学中的应用价值，旨在为一线教师提供教学参考。

关键词：项目式学习；高中化学；实验教学

项目式学习（Project-Based Learning，简称PBL）是一种以学生为中心的教学模式。随着新课程改革的不断推进，传统的以教师为中心的教学方法已难以满足现代教育的需求。作为一种强调学生主动参与和实践操作的教学方法，PBL能够显著提升学生的综合能力。在高中化学教学中，PBL通过具体项目的实施，使学生不仅掌握化学知识和技能，还能培养科学探究精神和创新意识。

一、“项目式学习”理念对高中化学实验实践的积极作用

在高中化学实验教学中，项目式学习有别于传统的固定课时教学模式。PBL整合了一段时间内学生应掌握的知识点和操作技能，以现实生活中的情境为项目主题，鼓励学生自主或在教师的引导下完成实验设计、通过小组合作进行实验操作，并总结实验成果与数据，最终形成完整的实验报告提交给教师或在班级中展示。这种学习活动不仅强调了学生自主意识的培养，还深化了核心素养，提升了学习能力，帮助学生更好地迁移知识，形成化学思维，并解决实际问题。将PBL理念应用于化学实验教学，也是“三新”背景下对教师教学能力提出的新要求。

二、教学目标

1. 宏观辨识与微观探析

① 能从物质分类和氧化还原反应的视角，辨识Fe2+与Fe3+的性质差异（如颜色、氧化性/还原性），构建Fe2+与Fe3+检验的推理模型，并掌握Fe2+、Fe3+的检验方法。

② 能通过实验现象（如显色反应、沉淀转化）建立宏观现象与Fe2+/Fe3+微观转化的关联，理解铁元素的变价规律。

2. 变化观念与平衡思想

① 能基于氧化还原反应的原理，设计Fe2+/Fe3+相互转化的实验方案（如使用KSCN溶液、[K3Fe(CN)6]溶液、Fe粉等试剂），理解反应条件对铁元素价态的影响。  

② 通过认识食品中铁元素的存在形式（非血红素铁和血红素铁），理解物质存在形态与生物利用度之间的动态平衡关系。 

3. 科学探究与与社会责任

① 能通过小组合作，改变实验条件（如加稀硝酸、Fe粉等试剂），设计并实施食品中铁元素的定性检测实验（如菠菜粉和木耳粉的前处理与显色反应）。

② 能通过铁元素的检测实验，理解化学技术在食品安全与营养分析中的社会价值，形成健康饮食的科学认知（如选择富铁食材、合理补铁）。   

③ 能在实验探究中养成严谨的数据记录习惯（如平行实验、空白对照），并通过实验报告展示证据的完整性与结论的可靠性，强化科学伦理意识。

三、项目背景与驱动性问题

1. 真实情境引入

社会问题：根据国家卫生健康委员会的数据，中国缺铁性贫血的患病率约为20%，合理补铁已成为重要的公共卫生议题。某电商平台销售的“天然菠菜粉”宣称富含易吸收的铁元素，但消费者反馈其补铁效果不佳，对其真实性提出质疑。

2.任务驱动

学生作为“食品检测实验室实习生”，需通过化学实验解决以下问题：①核心问题：该菠菜粉是否含有铁元素？铁元素主要以何种价态存在？如何检验铁元素？②延伸问题：食用哪些食物可以补铁?为何植物性铁的实际吸收率可能低于宣传值？人体需要哪种形式的铁元素？

四、项目流程设计

本项目设计将铁的相关知识融入实际问题情境中，教师可将项目划分为三个学习任务。基于项目式教学的“设计实验检验食品中的铁元素”教学设计思路包含任务线、活动线、知识线及核心素养目标，具体如图1所示。

图 1 基于项目式教学的 “设计实验检验食品中的铁元素”教学设计思路

任务1：问题分析、知识储备（确定食品中铁的存在形式）

教师：铁是人体必需的微量元素，缺铁会导致消瘦乏力、贫血和记忆力下降等症状。同学们在课下已经了解了人们通常通过哪些方式来补充铁元素吗？

学生：可通过服用补铁药片或口服液等药补方式来增加铁元素的摄入。

教师：是的，药物补充是常用的补铁方式之一。此外，通过食用含铁丰富的食物也可以有效补充人体所需的铁元素。同学们知道哪些食物富含铁元素吗？

学生：比如菠菜 、猪肝 、木耳 、胡萝卜、红枣等

教师：向学生展示从网上购买的天然蔬菜粉（如黑木耳粉、菠菜粉和羽衣甘蓝粉），并请学生尝试猜测这些产品中铁元素的主要价态形式？

学生：补铁主要依赖Fe2+，因为只有Fe2+才能被人体有效吸收。

学生：Fe2+具有还原性，易被氧气等氧化剂氧化，因此这些产品中的铁元素主要以Fe3+的形式存在。

教师：通过PPT展示天然蔬菜粉中铁元素的相关知识

①存在形式：若蔬菜粉由天然蔬菜直接加工（如脱水、研磨），其铁元素主要来源于植物本身的非血红素铁，化学形态为三价铁（Fe3+）。例如，菠菜粉、黑木耳粉和羽衣甘蓝粉等中的铁元素以Fe3+与植酸、草酸等结合存在。这些有机三价铁的化合物在水中的溶解度较低，但在酸性环境中溶解度较高。那么，我们如何将黑木耳中的铁元素提取到溶液中？

学生：选用盐酸溶液，形成氯化铁，氯化铁易溶于水。

学生：选用硝酸溶液，形成硝酸铁溶液。

学生：HCl和HNO3都有挥发性，挥发出来的气体有刺激性气味，因此选用不具有挥发性的稀硫酸进行溶解，以提取Fe3+至溶液中，并进一步进行检验和观察。

教师讲解：硫酸作为一种强酸，能提供H+离子，破坏有机结构，释放游离的铁离子，使其进入溶液以便后续检测。SO42-能与Fe3+形成稳定的硫酸铁络合物（如[Fe(SO4)]+），进一步防止铁离子沉淀，提高溶液的稳定性。相比之下，HCl和HNO3都有挥发性，且HNO3具有强氧化性，会分解有机物，会将Fe2+氧化为Fe3+，从而干扰对食品中原有铁元素存在形式的准确检验。

②吸收特点：天然蔬菜粉中的非血红素铁吸收率较低（约为2%-10%），且易受膳食中植酸、单宁酸等成分的抑制。为了提高吸收效率，需要在维生素C等还原剂的帮助下将Fe3+还原为Fe2+，从而促进人体对铁元素的吸收。在进行实验时，在进行实验时，我们可以选用哪些试剂来实现Fe2+、Fe3+间的相互转化？

学生：铁粉具有还原性，可以将Fe3+转化为Fe2+。

学生：氯水或稀硝酸具有氧化性，可以将Fe2+转化为Fe3+。

设计意图：通过师生互动和学生间的交流，使学生明确食品中铁元素的存在形式，完善实验方案，促使学生巩固Fe2+和Fe3+的基本性质及其相互转化的知识，培养学生严谨的实验探究思维。

任务2：实验方案设计与论证（食品中铁元素的检测）

【实验原理】根据相关文献，菠菜、黑木耳(新鲜和干燥)和羽衣甘蓝等食品中存在Fe3+。已知含有Fe3+的盐溶液遇到KSCN溶液时会呈现红色，而含有Fe2+的盐溶液遇到[K3Fe(CN)6]溶液时会产生蓝色沉淀。

【实验药品和仪器】菠菜粉、黑木耳粉、铁粉、硫酸铁溶液、硫酸亚铁溶液、稀硝酸、烧杯、试管、试管架、过滤装置、胶头滴管、稀硫酸、 溶液、[K3Fe(CN)6]溶液（铁氰化钾溶液）

【实验步骤及现象】

(一) 配制菠菜、黑木耳溶液

取上述菠菜粉、黑木耳粉分别放于两个烧杯中→加适量稀硫酸浸泡溶解一段时间→过滤→得到上层清液，实验过程记录见下图2。

图2：溶液配制过程

(二)取样准备

取上述清液，每份溶液分别加入各个试管中，写好标签加以区分(菠菜1，菠菜2，菠菜3，黑木耳1，黑木耳2...）

(三)分组实验，检测观察，记录实验结果

【小组1】①向试管（硫酸铁溶液1）和试管（硫酸铁溶液2）分别加入几滴铁氰化钾溶液和KSCN溶液，作为对照实验，并记录实验结果。②向试管（硫酸亚铁溶液1）和试管（硫酸亚铁溶液2）分别加入几滴铁氰化钾溶液和KSCN溶液，作为对照实验，并记录实验结果。

【小组2】①向试管（菠菜1溶液）滴加几滴铁氰化钾溶液，振荡→观察现象→记录实验结果②向试管（菠菜2溶液）滴几滴KSCN溶液，振荡→观察现象→记录实验结果

【小组3】①向试管（黑木耳1溶液）滴加几滴铁氰化钾溶液，振荡→观察现象→记录实验结果②向试管（黑木耳2溶液）滴加几滴KSCN溶液，振荡→观察现象→记录实验结果

【小组4】①向试管（菠菜3溶液）加入铁粉，振荡→滴加几滴铁氰化钾溶液→观察现象→记录实验结果②向试管（硫酸亚铁溶液3）加入稀硝酸→加入几滴KSCN溶液→观察现象→记录实验结果

任务3：结论展示与反思

师生活动：小组完成实验报告，各小组派一位代表进行结论陈述，师生交流，教师总结。

【小组1】向硫酸铁溶液中加入几滴铁氰化钾溶液，无现象；加入KSCN溶液时，溶液变红。向硫酸亚铁溶液中加入几滴铁氰化钾溶液，有蓝色沉淀生成；加入KSCN溶液时，无现象。

【小组2】关于菠菜1溶液的实验结果 ：加几滴铁氰化钾溶液时，无蓝色沉淀生成。关于菠菜2溶液的实验结果 ：加几滴KSCN溶液，溶液变红。则菠菜粉中含有Fe3+不含有Fe2+。

【小组3】关于黑木耳1溶液的实验结果：加几滴铁氰化钾溶液时，无蓝色沉淀生成。关于黑木耳2溶液的实验结果 ：加几滴KSCN溶液，溶液变红。则黑木耳粉中含有Fe3+不含有Fe2+。

【小组4】结合上述三位小组的实验结果，我们又进行了Fe2+和Fe3+的相关转化实验，结果为:菠菜中的Fe3+有氧化性能与还原剂铁粉反应，转化为Fe2+，Fe2+遇[K3Fe(CN)6]溶液时产生蓝色沉淀。硫酸亚铁溶液中的Fe2+有还原性，遇稀硝酸溶液，转化为Fe3+，Fe3+遇KSCN溶液时，溶液变成红色。相关实验现象如下图3：

图3：菠菜粉和黑木耳粉溶液的实验现

【教师总结】菠菜粉和黑木耳粉中含有Fe3+不含有Fe2+。Fe3++3SCN-=Fe(SCN)3（血红色，易溶于水）K++Fe2++[Fe(CN)6]3-=KFe[Fe(CN)6]↓（蓝色沉淀，难溶于水）

（四）成果展示与反思总结

实验完成后，各小组需整理实验数据并进行结果分析，撰写一份详细的报告或准备展示材料。在班级中进行成果展示时，学生可以采用PPT、海报、实验视频等多种形式，向同学们展示其完整的实验过程、结果及结论。

在展示过程中，教师应鼓励学生之间进行交流与讨论，分享各自小组的实验心得、遇到的问题及解决方案。通过这种互动，学生不仅能够巩固所学知识，还能提升表达能力和团队协作能力。

最后，教师应引导学生进行反思与总结，促使学生思考项目式学习在化学实验教学中的价值，以及在实验过程中学到的科学探究方法和思维模式如何应用于其他学科及日常生活中。例如，在日常生活中如何通过食用蔬菜有效补铁以达到理想效果等。通过这种反思，学生能够更深入地理解化学知识的实用性和科学探究的重要性，从而在未来的学习和生活中更加主动地运用所学知识解决问题。

结语：

综上所述，通过项目式学习，学生们不仅能够掌握教材中规定的实验操作技能和基础知识，还深刻理解了科学探究的方法。在小组合作过程中，学生们学会了如何合理分工、协同解决问题，并在实践中培养了团队精神和沟通能力。通过实验探究，学生们对化学知识有了更深入的理解，同时认识到科学知识在日常生活中的应用价值。

参考文献：

［1］刘思朋.人教版教材中“研究与实践”栏目的项目式学习——以“检验食品中的铁元素”为例［J］．实验教学与仪器，2024（1）：30－33．

［2］邓梅,高恒飞,李一梅.高中化学中“铁及其化合物”的项目式教学研究——以“为缺铁性贫血人群制定补铁策略”为例［J］．化学教与学，2022（21）：29－34．

［3］林丽璇,蒋小钢.项目式学习与“开放式”实验融合的探索与实践 ——以“利用氯糖反应改进焰色反应的实验效果”为例［J］．实验教学与仪器，2021（7）：4．