武光榮
摘要:從強調(diào)知識的內(nèi)容取向到獲取知識的科學探究過程的轉(zhuǎn)變是現(xiàn)代理科教學的一個重要特征。調(diào)動學生科學探究和科學論證的積極性,培養(yǎng)學生科學探究與科學論證的能力和素養(yǎng),是現(xiàn)代化學教學的要求。以“濃硫酸性質(zhì)”這一教學內(nèi)容為基點,以科學推測和科學論證為核心觀念,進行“濃硫酸性質(zhì)”的課堂教學設(shè)計。
關(guān)鍵詞:科學探究;科學論證;硫酸;發(fā)散思維;動手能力
文章編號:1008-0546(2016)09-0069-03 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.024
高中化學新課標中要求培養(yǎng)學生科學的思想方法和探求科學真理的精神??茖W探究一般分為八個連續(xù)環(huán)節(jié),即提出問題→猜想與假設(shè)→制定計劃(或設(shè)計方案)→進行實驗→收集證據(jù)→解釋與結(jié)論→反思與評價→拓展與遷移。八個要素中“設(shè)計方案”、“進行試驗”、“收集證據(jù)”、“解釋與結(jié)論”實際是科學論證的過程,科學論證是探究學習的重要環(huán)節(jié),國際組織OECD自1997年起籌劃的全區(qū)性PISA項目一直關(guān)注科學素養(yǎng)的三個維度:運用科學知識解釋科學現(xiàn)象的能力;辨識問題形成科學議題的能力;根據(jù)證據(jù)獲得結(jié)論的科學論證能力。科學論證能力作為學生的高階思維技能,培養(yǎng)和提升學生的論證能力應(yīng)當是中國化學教育研究的重要課題。
除了對論證過程進行“反思與評價”提出改進意見外還應(yīng)進一步發(fā)散思維,進行知識遷移,以達到提高學生實驗、觀察、分析、思維及解決問題的能力,培養(yǎng)學生的綜合實踐和應(yīng)用能力。在“猜想與假設(shè)”過程中要多維度發(fā)散思維,發(fā)散不是天馬行空,而是在對物質(zhì)聯(lián)系充分認識后,依其客觀規(guī)律有的放矢的發(fā)散。中學化學的許多內(nèi)容蘊含著富有發(fā)散思維和創(chuàng)新意識的因素和材料。教師應(yīng)充分利用學科的特點,尋找發(fā)散點,設(shè)計出帶啟發(fā)性或質(zhì)疑性的問題,目的是創(chuàng)設(shè)新異的思維情境,為激發(fā)學生的思維提供靈活的素材,促使學生積極提問,讓學生經(jīng)過思考、分析、比較來加深對知識的理解。
教學中筆者以滬科版高中一年級“濃硫酸的性質(zhì)”實踐了“提出問題→運用發(fā)散思維做出假設(shè)→科學論證→交流與評價→發(fā)散與遷移”的教學方法。通過蔗糖與濃硫酸實驗探究,分析蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的本質(zhì),將濃硫酸的吸水性、脫水性與濃硫酸與非金屬炭的反應(yīng)三方面內(nèi)容有機結(jié)合在一起,從而揭示濃硫酸的吸水性、脫水性和強氧化性的核心所在。
一、教材中蔗糖與濃硫酸的演示實驗分析及改進
對于蔗糖與濃硫酸的實驗,高中課本上的演示實驗是在燒杯中進行的,主要是為了證明濃硫酸的脫水性,在講述濃硫酸的氧化性時采用的是銅、木炭與濃硫酸的反應(yīng),而且只給出了方程式。而在蔗糖與濃硫酸的實驗中不僅反映了濃硫酸的脫水性,同時濃硫酸繼續(xù)與脫水后產(chǎn)生的炭反應(yīng),產(chǎn)生大量氣體和“白霧”。在演示課本實驗時有的學生看完實驗現(xiàn)象就結(jié)束了,以為已經(jīng)完成了學習任務(wù),而有的同學會繼續(xù)追問為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象?產(chǎn)生的氣體和“白霧”是何種物質(zhì)?在演示實驗過程中產(chǎn)生的氣體量大,刺激性氣味在一定程度上影響學生健康,污染空氣,以學生的好奇心為契機,引導學生通過“根據(jù)實驗現(xiàn)象推測產(chǎn)物→選取檢驗試劑→確定驗證順序→確定儀器→組裝儀器→通過實驗現(xiàn)象驗證產(chǎn)物”。
二、教學目標構(gòu)建
1. 知識層面
學生在初中學習《常見的酸——硫酸》基礎(chǔ)上,對其物理性質(zhì)和吸水性、脫水性已經(jīng)有了一定的了解。硫酸中的硫元素處于最高價態(tài),在濃硫酸中主要以硫酸分子的形式存在,這就決定了它有別于稀硫酸的性質(zhì)即它的特性,在特性中,強氧化性又是一個非常典型的重要性質(zhì),硫酸是強氧化性酸的代表,所以這部分內(nèi)容既是重要的基礎(chǔ)知識,又具有承上啟下的重要作用。由此確定知識層面的教學目標如下:
(1)回顧稀硫酸的性質(zhì)。
(2)理解濃硫酸吸水性、脫水性、強氧化性的特性。
2. 方法層面
通過分析課本演示實驗,找出演示實驗的不足,發(fā)散思維,尋找解決方案,通過濃硫酸的性質(zhì)探究,認識研究物質(zhì)的方法——結(jié)構(gòu)分析、推測可能的性質(zhì)、設(shè)計實驗、觀察現(xiàn)象、分析現(xiàn)象、得出結(jié)論,再辯證的分析結(jié)論的適用范圍;學習運用比較、歸納和概括等方法對獲取的信息進行加工的能力。由此確定方法層面的教學目標:
一是從綠色化學角度考慮,如何使課本演示實驗過程中產(chǎn)生的氣體污染降到最低。二是應(yīng)用氧化還原理論、得失電子守恒理論、原子守恒理論推測、假設(shè)產(chǎn)物。三是選取試劑、組裝儀器,通過科學論證的方法對假設(shè)進行驗證。四是通過探究和論證,掌握一般探究和論證的方法。
3. 觀念層面
引導學生從量變引起質(zhì)變角度,加深對自然辯證法的認識;通過濃硫酸的性質(zhì)實驗,加強學生的安全意識和環(huán)保意識,通過實驗探究,培養(yǎng)學生的探索精神、動手能力、思維能力和創(chuàng)造能力。
三、教學主題與過程設(shè)計
圍繞“濃硫酸的性質(zhì)”,形成以下三個主題。
主題一:演示課本實驗時,如何充分發(fā)揮綠色化學原則,將污染降至最低?
在演示課本實驗時蔗糖溶液變成黃色后有氣泡冒出,溶液由下至上,由中間向四周涌上變黑后緩慢膨脹并在燒杯內(nèi)形成黑色疏松多孔的海綿狀的炭,并且該海綿狀的炭充滿整個燒杯,同時產(chǎn)生大量的刺激性氣味氣體和“白霧”。如何使實驗處于氣密性較好的環(huán)境下進行,使產(chǎn)生的氣體封閉在一定空間內(nèi)進行吸收?
主題二:如何推測產(chǎn)生的黑色物質(zhì)、刺激性氣味氣體、“白霧”為何物質(zhì),如何進行科學論證?
在該主題的引導下,根據(jù)原子守恒、得失電子守恒、化合價變化規(guī)律等思想推測產(chǎn)物,運用已學知識根據(jù)產(chǎn)物的特性制定科學、合理的方案進行科學論證。
主題三:實驗探究方案是否完善?有哪些可以推廣和知識遷移?
根據(jù)化合價變化規(guī)律推測還可能有何種物質(zhì)產(chǎn)生?本套實驗裝置還可應(yīng)用到哪些方面?
主題一:在演示課本實驗時,如何充分發(fā)揮綠色化學原則,將污染降至最低?
[問題引導]同學們聞到了刺激性的氣味,老師趕緊把教室門窗打開通風,同學們有沒有辦法讓這些氣體不要擴散出來?
[交流討論]用紙箱扣起來;放到大容器里加水淹沒……
[演示實驗改進]盛有蔗糖的100mL燒杯A,旁邊放置另一個盛有溶液的100mL燒杯B,圓水槽中間打一個洞,倒扣在A、B兩個燒杯上,用注射器吸取10mL濃硫酸,推入蔗糖中,用帶有橡膠塞的玻璃棒攪拌,將帶有玻璃棒的橡膠塞塞入圓水槽的孔中,靜置,觀察現(xiàn)象。
[設(shè)置懸疑] 請同學們思考為什么放置溶液B在旁邊?有什么作用?
主題二:如何推測產(chǎn)生的黑色物質(zhì)、刺激性氣味氣體、“白霧”為何物質(zhì),如何進行科學論證?
[問題引導]雪白的蔗糖變成黑色的“面包”,這黑色物質(zhì)是什么?
[理論分析]蔗糖的分子式C12H22O11,也可簡寫為C12(H2O)11稱為碳水化合物,在濃硫酸作用下H、O元素以2:1即H2O的形式脫去,體現(xiàn)了濃硫酸的脫水性。
[推論]黑色物質(zhì)為炭,猶如“雪”中送來了“炭”。
[問題引導]蔗糖遇濃H2SO4炭化,生成的炭體積膨脹為疏松多孔狀,在生活中,我們做面包或者做蛋糕,是通過發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳氣體使體積膨脹,本實驗中是炭和濃硫酸繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)使體積膨脹,說明也有氣體產(chǎn)生,同時也聞到了刺激性氣味,那么產(chǎn)生的刺激性氣體的氣體是什么?為什么產(chǎn)生白霧?
[思維發(fā)散]從元素化合價升降、得失電子守恒角度發(fā)散思維,濃硫酸中大多以硫酸分子形式存在,+6價的S元素處于最高價,具有強氧化性,而C具有還原性。C元素可以升高4價,生成CO2,+6價的S元素化合價降低2,生成SO2,所以會膨脹,同時根據(jù)原子守恒,還有H2O生成,SO2溶于H2O生成H2SO3形成“酸霧”。
[問題引導] 經(jīng)過思維發(fā)散,推斷出產(chǎn)物中含有CO2、SO2、H2O,如何驗證同學們的推斷是正確的?選取哪些實驗藥品及儀器?檢驗的先后順序是否會相互影響或干擾呢?
[科學論證]
方案討論:
(1)實驗藥品的選?。河闷芳t溶液檢驗SO2,用酸性KMnO4吸收SO2,用澄清石灰水檢驗CO2,用無水CuSO4檢驗H2O。
(2)檢驗順序:先檢驗水,因為后續(xù)的檢驗會帶出水分,然后檢驗SO2,因為SO2也會使澄清石灰水變渾濁,會干擾CO2的檢驗,最后檢驗CO2。
儀器選取:
發(fā)生裝置:因為是蔗糖與濃硫酸反應(yīng),所以選取固-液-不加熱裝置,用球形管盛放無水CuSO4,如果變藍說明有H2O生成,選取具支試管盛放品紅溶液檢驗SO2,如果品紅溶液褪色,說明有SO2存在,用洗氣瓶盛放酸性KMnO4溶液吸收SO2,用具支試管盛放品紅溶液檢驗SO2是否吸收完全,如果品紅溶液不褪色,說明SO2已被吸收完全,消除了SO2對CO2檢驗的干擾,選取具支試管盛放澄清石灰水檢驗CO2,最后還需要進行尾氣處理,選用NaOH溶液。
實驗裝置搭建
選用鐵架臺、泡沫板固定實驗儀器,如圖所示:
進行試驗,觀察實驗事實:首先澄清石灰水變渾濁,之后第一個品紅溶液褪色,酸性KMnO4溶液顏色變淺,第二個品紅溶液沒有褪色,同時觀察到無水CuSO4變藍。
得出結(jié)論:蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)物中含有CO2、SO2、H2O。
[解疑] 主題一小燒杯中的溶液是哪種溶液?是NaOH溶液,用于吸收產(chǎn)生的SO2氣體。
主題三:實驗探究方案是否完善?可以進行哪些推廣和知識遷移?
根據(jù)化合價變化規(guī)律推測還可能有何種物質(zhì)產(chǎn)生?本套實驗裝置還可應(yīng)用到哪些方面?
[問題引導]C元素化合價有沒有可能升高2價生成CO?如何驗證?
[討論交流] 根據(jù)C元素化合價有可能生成CO,濃硫酸干燥后可以通過盛有灼熱的CuO的硬質(zhì)玻管和澄清石灰水,如果CuO變成紅熱的Cu,同時澄清石灰水變渾濁,證明生成產(chǎn)物中含有CO。
[發(fā)散與遷移]這套裝置還可以用于哪些實驗?
[思考與討論]氣體的制備與性質(zhì)檢驗相關(guān)物質(zhì)。
[得出結(jié)論]SO2、H2S、Cl2的制備和性質(zhì)實驗。
[歸納總結(jié)]
通過改進蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的實驗,充分體現(xiàn)了綠色化學原則,將污染降至最低。通過“實驗現(xiàn)象推測產(chǎn)物→選取檢驗試劑→確定驗證順序→確定儀器→組裝儀器→驗證產(chǎn)物”成功論證了同學們的推測和假設(shè)。從宏觀上感受到了濃硫酸的吸水性、脫水性和氧化性。蔗糖與濃硫酸的反應(yīng),不僅體現(xiàn)了脫水性,同時還體現(xiàn)了吸水性和強氧化性。
通過直觀的實驗現(xiàn)象,推測產(chǎn)物及發(fā)生過程,邏輯推理思維,實驗驗證方法。通過濃硫酸和稀硫酸性質(zhì)的比較,引導學生從量變引起質(zhì)變角度,加深了對自然辯證法的認識;通過濃硫酸的性質(zhì)實驗,加強了學生的安全意識和環(huán)保意識,通過實驗探究,培養(yǎng)了學生的探索精神、動手能力、思維能力和創(chuàng)造能力。
5. 作業(yè)設(shè)計
改進和完善實驗裝置,論證蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)物中是否存在CO。
濃硫酸與金屬反應(yīng)是否會放出氫氣?如何設(shè)計實驗論證?
感謝復(fù)旦附中本部化學教研組全體老師,特別感謝楊海艷老師、吳方平老師、曾德琨老師的指導,感謝陸俊毅老師提供實驗用品。
參考文獻
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