“水果褐变与铁离子联系”探究实验与教学研究

前言1.1研究背景在教学改革进一步发展的新阶段，《普通高中化学课程标准（2017年版，2020年修订）》（简称“新课标”）给高中化学教育创建起系统的指导框架，“新课标”重点以更新、探究和启发作指引，经过科学规划多层次的实验活动，促使学生深刻领会化学学科本质。关键之处在于加强理论知识和提高操作能力的有机融合，引领学生在实际场景当中去察觉问题，分析问题并解决问题，以此来全方位增强综合应用能力，“新课标”清楚表明，在必修模块的基本实验以及选修模块的拓展研究里面，要完全整合各种类别的实验内容，还要重点改良探究性实验的设计质量和开展效果[1]。化学探究性实验教学依循学生的认知水平创建起完整体系，此体系包含提出问题，作出假设，实证分析及逻辑演绎等环节，从而显现化学现象背后的本质规律[2]，在此期间，教师要引导学生参与实验设计与操作执行，帮助学生掌握科学探究方法并加强解决实际问题的能力[2]。探究性实验教学属于化学教育的关键策略，该教学既重视发展学生的科学探究能力和更新意识，又着力塑造学生严谨的科学思维，还经由理论联系实际彰显化学学科的特有价值[3]，本文把人教版高中必修第一册第三章第一节“铁及其化合物”中的第三课时——“铁盐和亚铁盐”当作研究内容，以生活场景中常见的水果褐变现象为情境起点，再加上多种情境创设手段来开展课堂活动，希望借此激发学习兴趣并改善教学成果。水果褐变与铁离子存有相关性，在教学应用当中，本研究融入探究式实验，利用邻菲罗啉分光光度法测量水果中的Fe²⁺浓度，这有益于加强学生实验能力的发展，而且符合《普通高中化学课程标准（2017年版）》有关核心素养塑造的教学目的。1.2国内探究性实验教学研究现状我国探究性实验教学研究起步比国际先进国家晚些，1971年，兰本达等人合著的《小学科学教育的探究-探讨教学法》得以问世，这象征着我国相关领域研究开始了[4]，1983年，人民教育出版社推出其中文版译本，《引探教学法》在深圳市教委所做的一系列试验里被采用，渐渐受到教育学界注意[5]，从1992年起，物理学科首先把探究性实验归入课程体系，之后慢慢向其他学科拓展，特别是1999年制订的《中共中央国务院关于深入教育改革全面加强素质教育的决定》，着重突出了发展学生探究能力和革新精神的重要意义，更进一步体现出探究性实验在素质教育里的关键地位[6]。近年来，探究性教学法慢慢成为我国教育研究领域的焦点话题，陕西师范大学的张熊飞教授在自己所著的《诱思探究教学导论》当中首先提到“诱思探究”这种全新化的教学模式，这个模式重视把学习者当作核心，倡导自主学习，将教师的角色定位于知识建构的引领者，努力促使学生展开探究式学习活动，南京大学的戴安邦教授觉得，化学实验课对于改善教学成果而言非常重要，经由实验教学能够有效地提升学生的综合素质，在化学教育体系当中有着无法被取代的地位，西南大学的靳玉乐教授在《探究教学论》这本书里全方位阐述了探究式教学的基本理论和操作方法，体现出它对于学生全面发展极为重要，还提议把它作为关键部分归入到中学教育体系里面。东北师范大学郑长龙等人撰写的《化学实验论》对化学实验相关问题实施了系统探讨，此书突出要进一步提升化学实验教学的重要地位，提倡把实验当作教学的关键部分，将其看作探究和解决科学问题的主要路径，细致阐述了化学实验于教育而言具有何种重要价值，而且作者格外倡导在实验教学当中加强学生作为主体的参与意识[9]。截至2025年4月，以“化学探究性实验”“化学探究性实验与教学设计”“高中化学探究性实验与教学设计”或者“高中化学探究性实验，教学设计及金属化合物”为关键词，在中国知网（CNKI）数据库执行文献检索，所得结果的统计详情见表1。表1基于“探究性实验”研究论文发表的文献统计关键词期刊（N）博/硕士（N）化学探究性实验414112化学探究性实验+教学设计40299高中化学探究性实验+教学设计1751高中化学探究性实验+教学设计+金属及其化合物03从表1的数据可知，我国在化学探究性实验领域已获取阶段性成果，不过，关于高中化学探究性实验同教学深入融合的专门研究还需进一步加强，依托此情况，本研究尝试把高中化学探究性实验和金属及其化合物知识体系相融合，经由系统设计教学环节弥补当下研究存在的空白。1.3研究意义教学意义：本研究把水果褐变现象当作切入点来做探究性实验的教学设计，这个设计与实际生活情景紧密相连，引领学生展开由浅入深的科学探究活动，着重改进他们在实验方案设计，资料分析以及批判性思维等方面的核心能力，经由深入分析Fe2+和水果褐变的本质联系，可以加深学生对铁元素价态特性及其变化规律的体会，由于探究性实验具有开放性和研究性的特质，所以这种实验不但能有效地激发学习兴趣，巩固知识的记忆，而且可以明显地改善学习成果[10]，此实验关注以问题解决为导向的过程，学生从始至终参与其中，既能够发展自己的发散性思维和革新能力，又能够塑造良好的情感态度和价值观体系，从而为终身学习形成稳固的基础[10]。本研究牵涉到溶液配制以及分光光度计操作训练，这些内容确实能够加强学生的实际动手能力，化学作为一门以实验为根基的关键学科，非常受高中生欢迎，因为它能促使学生积极探寻科学现象背后的本质规律[11]，凭借这样的实验教学，可以极大地调动学生的学习积极性，还能突出改善他们对理论知识的认知程度以及更新思维能力[11]。化学实验可按不同标准实施全面度的分类，各分类标准会生成各异的分类成果，依循实验现象这一分类准则，可将其列为学生操作实验与教师表现实验；要是依照实验规模加以区分，则可列为常规实验与微型实验[12]，微型实验设计（比如本文测定水果中铁离子含量时仅需大概10克样品）既彰显了绿色化学的核心观念，又凸显了环境友好型科研应用的关键价值导向。1.4探究性实验的意义探究性实验教学模式对加强学生化学学科思维能力有着很大的推动作用[13]，当学生参与到化学实验探究活动当中时，他们能够在实验装置的设计，原理的掌握，变量的调控，操作的执行，现象的观察以及证据的采集这些方面做到综合能力与认知水平的有效加强[14]，凭借实验数据展开科学的推断并且得出合理结论的这个过程，既有益于完善学生的化学核心思维体系，又能加强他们的逻辑推理和问题解决能力。探究性实验教学模式对于优化学生解决未知问题的能力效果明显[14]，在此期间，学生经由自行规划实验流程，明晰基本原理，选定实验装置，调控变量条件以及分析结果与误差来源等环节，既能够掌握化学核心概念，又可以深刻认识物质属性，这样做有益于发展学生的题目分析能力和解题思路，使得他们精准地领会命题意图与考查重点，在考试时达成高效答题并改善得分情况[14]。探究性实验教学对于提升学生的科学思维模式，塑造严谨的治学态度以及加强环境责任意识颇具价值，这种教学范式依凭实验，一方面引领学生深刻把握化学原理，另一方面重视激发学生对化学应用价值的认识，从而把专业知识转化为学生未来发展所必要的核心素养与操作能力[14]。探究性实验教学模式有益于推动师生共同发展[15]，此过程中，学生是学习的主体，其探究活动需教师引导和支持才能得以顺利执行，为加强学生的探究成果，教师应在课前详细预想学生在实验中可能遇见的各类情况，并制订对应的解决策略。但在实际操作时还是会出现很多难以预料的问题，这便须要教师具备很强的课堂应变能力以及敏锐察觉生成性问题的专业素养，妥善解决这些问题，既利于加深学生对化学知识体系的领悟与创建，又能突出优化教师的课程掌控能力和专业水平[15]。2理论基础2.1布鲁纳发现学习理论美国心理学家布鲁纳所创的发现学习理论重点表明，认知活动实质上就是积极创建知识体系的过程，并非仅仅是被动接受信息而已[19]，凭借这个观念，他觉得每个学生都具备潜在的学习能力，可以自动去探寻并解决实际问题[19]。学生的学业成绩在很大程度上由深层动机所推动[19]，此理论是化学探究性实验教学非常重要的理论依照，它提倡教师要起到“引导者”的作用，懂得用合适的方式来激发和引导学生，促使他们可以在生活场景里留意到有关的化学现象，然后依靠已有的知识储备去独自展开探究，从而进一步发展自身的认知水平[19]。2.2情景教学理论情景教学理论源于心理学家哈茨霍恩的个性研究，该理论的核心观念就是利用情境模拟促使学习者经由角色扮演深入体会事件发展过程及其结果，进而加深对有关概念的领悟，并优化应用能力[20]。在化学课堂教学时，形式多种的教学情境设计既能充实课堂内容，又可突出激发学生的学习兴趣[20]，凭借此，本研究选定生活场景里常见的水果褐变现象作为开端，营造沉浸式学习氛围，引领学生以探究者的角色用实验方法解决现实问题，做到理论与操作的高度结合。2.3建构主义理论建构主义理论强调情境、学习活动包含情境创设，协作互动，对话交流，意义建构这四个核心要素，情境创设意在营造真实或者仿真的学习场景，唤起学生的求知兴趣与探寻欲望；协作和会话则鼓励学生通过交流、合作来共同解决问题，促进知识的共享和深化，所以在教学过程设计学生思考与讨论部分、实验过程中要求小组分工合作；意义建构则是学习的最终目标，即学生将新知识融入原有认知结构中，形成新的理解和应用[21]，学生在了解水果褐变机理中的Fenton反应后，深化对Fe2+与Fe3+性质及其相互转化知识点的理解，并形成新的概念去解决实际问题。3水果抗氧化与铁离子关系3.1水果褐变现象诸多水果在果肉暴露于空气时，都会出现不同程度的褐变情况，具体表现为果肉由白色或者浅黄色渐渐变为红褐色，而且存在水分流失和组织皱缩状况。其中苹果特别典型，去皮之后其内部果肉慢慢就会呈现出褐变迹象，随着氧化过程持续推进，表面颜色不断变深，还会变得干瘪收缩，研究表明，这种褐变现象主要是因为果肉里某些化学成分碰到氧气而产生氧化反应所造成的，想要抑制这个变化，可以经由还原剂来阻断氧化途径，从而得出针对浅色水果保鲜的一般性方法：其一，把切面同空气隔离开来，防止继续被氧化；其二，采用抗坏血酸之类的还原性物质去处理切口，减缓氧化速度[22]。3.2水果褐变机理水果褐变现象大致可分成两类，一类是酶促褐变，在此过程中，水果自身所含的酚类化合物在多酚氧化酶（PPO）的催化之下产生氧化反应，形成带有颜色的醌类衍生物，多酚氧化酶属于含铜离子辅基的氧化还原酶，其催化过程须要氧气参与。当水果组织遭受机械伤害时，外界氧气会进入到细胞内部，促使酚类物质转变成有色配位化合物，而且也许会经由聚合反应生成颜色更深的产物[23]，另一类是非酶促褐变，包含除酶促褐变以外的其他褐变种类，比如氧化褐变，美拉德反应，焦糖化反应以及因环境胁迫而引发的褐变等等[24]，其中，由铁离子所介导的化学反应被叫做芬顿反应，它归属于非酶促褐变当中的氧化褐变范畴。3.3Fenton反应Fenton反应归属于金属离子催化之下的非酶促氧化流程，其典型特点就是Fe²⁺同过氧化氢（H₂O₂）会发生化学相互作用，这样就产生出羟基自由基（·OH），此特定途径便是经典的Fenton反应[1]，作为生物体系当中生成·OH的主要机制之一，这个过程所引发的高活性氧物质（ROS）能够极大地造成DNA，蛋白质以及脂质这些重要生物分子出现氧化性损害，还会加重行为细胞的氧化应激情况，于是便成了衰老和退行性疾病的关键推动因素[27]。在果实成熟时，这种反应常常因为酚类物质的降解而引发褐变现象，实验数据显示，Fe²⁺和H2O2在该反应中的交互速度非常快，产生的·OH具备近乎氟元素那样的强氧化能力，表现出很高的电子亲和力和反应活性[28]。Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-（1）·OH+H2O2→HO2·+H2O（2）Fe3++HO2·→Fe2++O2+H+（3）4教学设计4.1教材分析本文源于人教版《化学》（普通高中课程标准实验教科书）必修一第三章第一节“铁及其化合物”中的第三课时——“铁盐与亚铁盐”，由于铁元素在生活场景中被普遍应用，学生对它已形成了一些认识，铁作为典型的过渡金属元素，存在多价态现象，这种特性使其具备重要的研究价值[29]，铁盐和亚铁盐既是解读铁元素变价现象的主要渠道，也是加深理论认识的重要依托，在中学化学教学里占据着重要的地位。本节内容依托教材前两章中的氧化还原反应和离子反应相关知识，意在促使学生将抽象概念应用到实际分析能力的加强上，经由学习Fe²⁺与Fe³⁺的性质以及二者之间相互转换的规律，可以塑造学生的科学探究精神，还能唤起他们对化学学科的兴趣，利用设计探究性实验活动，有益于学生巩固基础并优化综合素养。4.2学情分析凭借初中化学和高一前段课程的学习，学生对铁及其化合物知识已有初步认识，具备物质性质分类探究与科学实验的基本能力，对于氧化还原反应和离子反应的基本概念也有所体会，而且在实验操作，现象观察和结果表述方面积攒了一些经验。不过，在思维的严谨性，结论的完整性以及逻辑推导的科学性等方面，学生还得要继续加强，这节课以检测常见水果中铁元素含量作为切入点，经由实验设计并探讨抑制果蔬褐变的办法，引领学生从物质类别，中心元素价态变化这两个角度来全面剖析物质的化学性质，帮助学生塑造并完备研究物质化学性质的科学眼光和认知体系，以此推动学科核心素养得以切实优化和升华。4.7教学准备药品：铁标准溶液、1.0g/L邻二氮菲溶液、10g/L盐酸羟胺溶液、缓冲溶液（pH=4.6）、水果样品、蒸馏水仪器：50.00mL容量瓶、移液管、洗耳球、烧杯、分光光度计4.8教学过程环节一创设情境激情导入［引入］在我们日常饮食中水果是不可或缺的一部分，水果不仅口感酸甜，而且富含各种营养，有丰富的维生素、膳食纤维等物质。但是大家是否发现一个问题，切开的水果放置一段时间之后会褐变，也就是颜色变深了（见图2），那为什么会发生这种变化呢？图2苹果氧化和苹果未氧化对比［学生］苹果发生了氧化。［教师］请同学们结合铁及其化合物这一节的知识，猜想一下是里面的什么物质发生了氧化？［学生］是苹果里面的Fe2+发生了氧化变成了Fe3+。［教师］事实是这样吗，让我们一起来看看资料卡片，了解铁离子和水果褐变有什么联系。图3资料卡片环节二实验探究辨析原理［教师］这下同学们知道是怎么回事了吧，那我们接下来测几种常见水果中的铁含量。上节课老师让同学们下来查阅测量果蔬中铁含量有哪些方法，我们请一个同学来说说他查到了哪些方法。［学生］原子吸收光谱法、色谱法、分光光度法、火焰原子吸收光谱法。［教师］这位同学说的很不错！如果同学们对化学感兴趣，大学选择了化学专业，那么这些方法都会在大学进行更深入的学习，今天我们先来了解分光光度法测量水果中铁含量的原理：有色溶液对单色光的吸收符合朗伯-比耳定律，即在一定的实验条件下，有色物质的吸光度与溶液中该物质的浓度和溶液的液层厚度的乘积成正比。这一关系可用下式表达：式中：A为有色物质对单色光产生的吸光度；为有色物质浓度为1mol/L，液层厚度为1cm时的吸光系数，称为摩尔吸光系数；b为液层厚度，cm；c为有色溶液的浓度，mol/L。亚铁离子在pH值3~9之间的溶液中与邻菲罗啉生成橙红色络合物[29]，反应式为：3C12H8N2+Fe2+→[Fe(C12H8N2)3]2+，此络合物在510nm处吸光度最大。如果样品中存在高铁离子（Fe3+），需先用还原剂（如盐酸羟胺）将其还原为亚铁离子，再进行显色反应，反应式为：2NH2OH+4Fe3+→4Fe2++N2O+H2O+4H+。通过分光光度计测定络合物在510nm处的吸光度，利用比尔-朗伯定律计算铁离子的浓度。该方法的测定范围通常为5～200µg/L，适用于微量铁的测定。［教师］同学们理解实验原理之后，我们一起看一看刚刚发的学案，这上面有实验的详细步骤，大家可以试着计算一下空着的地方。图4学案［学生］认真阅读学案，动手计算。［教师］我们请几位同学来说一说自己的计算结果。［学生］99.85μg/mL；9.985μg/mL［教师］学案上出现的铁标准溶液、邻二氮菲溶液、盐酸羟胺溶液、缓冲溶液、水果样品溶液老师都已经提前准备好了，同学们到实验室需要做的是标准曲线的绘制和样品处理的后半部分，也就是部分溶液的配制以及溶液吸光度的测定。那接下来我们一起看一个视频，学习分光光度计的使用。环节三合作实验数据处理［小组实验］接下来请同学们分组进行实验，合理分配任务，遇到任何问题同学们都可以随时询问老师。将实验数据记录到学案的表格里面，完成实验后将实验数据交给老师，再打扫卫生。［教师］同学们实验都做的差不多了，老师选了一个小组的实验数据（表1）进行作图分析（见图6），同学们可以看一看老师是怎么样作图的，后面可以自己作图。表1不同浓度铁标准溶液的吸光度稀释后铁标准溶液体积mL铁标准溶液浓度μg/mL吸光度A1吸光度A2=A1-0.0280.000.0000.0280.0002.003.9940.0990.0714.007.9880.1840.1566.0011.980.2380.2108.0015.980.3310.30310.0019.970.4030.375图6铁标准曲线［教师］同学们我们的铁标准曲线就做好了，把测得的水果样品溶液吸光度带入回归方程式中，就可以得到水果样品溶液中Fe2+的浓度，经过换算就可以算出每种水果的含铁量了。现在请大家进行计算，等会请同学来回答。［学生］进行讨论并计算得表2。表2不同种类水果的Fe2+含量水果种类质量g吸光度Fe2+浓度μg/mLFe2+含量μg/g耙耙柑11.50330.0172.6227.812葡萄10.62000.0111.00011.19圣女果10.44330.0213.70310.58人参果10.41330.0203.4324.644环节四理解应用巩固练习［教师］通过这个实验，我相信大家已经清楚认识到水果中的铁离子含量。那么有什么方法可以抑制水果褐变呢？［学生］把水果泡在水里面；用保鲜膜将水果包起来；在水果的切面涂抹维生素C；切水果的时候避免使用铁刀，可以用不锈钢刀。［教师］现在我们已经知道这几种水果中的铁离子含量，我们能否进行猜测：水果中的铁含量越高水果越容易褐变呢？我们说猜测需要实验来验证，那我们下节课在继续进行探讨，同学们下课。4.9板书设计图5课堂板书【参考文献】李正涛.新课标背景下高中化学实验教学策略研究[J].教师,2024(32):60-62.闫桂芳.基于学科核心素养的高中物理探究性实验教学现状与评价研究[D].宁夏:宁夏师范学院,2019.景照辉.树立科学教育思想观念推进河南财专又好又快发展[J].河南财政税务高等专科学校学报,2008,(01):63－64.吴向东.兰本达小学科学教育思想的哲学基础与启示[J].教育导刊(上半月),2012(5):22-24.姜建伟.浅析生物实验教学设计的优化[J].理论与实践,2014(5).张玉明.论“全面推进素质教育”的核心和基本思路——学习《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》[J].思茅师范高等专科学校学报,2002(01):1-11.戴安邦.全面的化学教育和实验室教学[J].大学化学,1989,(01):1-7.刘静.初中化学开展探究性实验教学的研究[D].辽宁师范大学,2005.刘志新主编,梁慧姝,郑长龙著.化学实验论[M].南宁:广西教育出版社,1996,197.冯忠良.教育心理学[M].人民教育出版社,2010.胡顺淑.高中生物探究性实验教学[C]//中国国际科技促进会国际院士联合体工作委员会.创新教育实践国际学术会议论文集(五).山东省莒南第二中学;2022:281-283.廖强.中学物理课堂中演示实验有效教学研究[D].江西:江西师范大学,2012.于锋.高中物理探究性实验教学过程从批判思维到创新思维[J].数理化解题研究,2020(24):53-54.张顺恩.高中化学探究性实验教学设计策略研究[D].重庆:西南大学,2020(5):5-6.张强.探究性实验的实践性意义及教学着力点[J].文理导航(中旬),2013