文/仁化縣仁化中學(xué) 李曉頔

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是高中生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了社會(huì)主義核心價(jià)值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了學(xué)生通過化學(xué)課程學(xué)習(xí)形成過的關(guān)鍵能力和必備品格。教師要如何在教學(xué)過程中尋找和發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)素材，合理設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究意識(shí)與科學(xué)精神，是值得各位教師思考的問題。下面以高一新授課“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)——黑面包實(shí)驗(yàn)”為例，展示在教師引導(dǎo)下，學(xué)生通過學(xué)習(xí)小組合作探究改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的過程與做法，希望在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力方面能夠拋磚引玉。

一、問題提出

在中學(xué)化學(xué)中，濃硫酸是最具有代表性的氧化性酸之一，且具有許多獨(dú)特的性質(zhì)。為了更好地展示濃硫酸的三大特性：吸水性、脫水性及強(qiáng)氧化性，人教版 《必修1》課本中設(shè)計(jì)了一個(gè)演示性實(shí)驗(yàn)：蔗糖與濃硫酸的反應(yīng) （“黑面包實(shí)驗(yàn)”）來進(jìn)行教學(xué)。但在實(shí)際教學(xué)中，僅僅通過課堂演示實(shí)驗(yàn)或者視頻展示等教學(xué)手段無法滿足學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)的好奇心。如果能將此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成學(xué)生個(gè)人實(shí)驗(yàn)，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能使學(xué)生體驗(yàn)危險(xiǎn)品使用的注意事項(xiàng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任。本文主要對實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品檢驗(yàn)及尾氣處理三個(gè)方面進(jìn)行討論，并讓學(xué)生分組根據(jù)討論結(jié)果對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)合SO2的性質(zhì)，利用日常生活中常見物品，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置。此過程中較好地把學(xué)生的理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合在一起，拓寬學(xué)生的思維空間，較好地訓(xùn)練了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

二、教學(xué)過程

1.“黑面包”實(shí)驗(yàn)的演示與討論

教師在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行濃硫酸與蔗糖的演示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的具體操作如下：在200毫升的燒杯中放入30克蔗糖，加入幾滴水，攪拌均勻，然后再加入30ml 98%的濃硫酸，迅速攪拌。此實(shí)驗(yàn)反應(yīng)劇烈、現(xiàn)象十分明顯且有較強(qiáng)的視覺沖擊（蔗糖迅速由白變黃，然后變黑，黑色固體的體積顯著膨脹，呈疏松海綿狀），本應(yīng)能引起學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。但做完實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生們卻議論紛紛，大失所望。

經(jīng)過學(xué)生討論，得出這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的不足之處：①該實(shí)驗(yàn)在敞口儀器 （燒杯）中進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生的大量刺激性的二氧化硫等有毒氣體會(huì)直接排放到相對狹窄密閉的教室之中，污染室內(nèi)環(huán)境，危害師生身心健康。②該反應(yīng)產(chǎn)生的海綿狀的炭，體積較大，難以清洗，且在實(shí)驗(yàn)中容易溢出，污染桌面，難以清理。③該反應(yīng)大量放熱，且放出大量氣體，對玻璃儀器造成較大壓力，容易導(dǎo)致玻璃儀器破裂，酸液流出，存在一定的危險(xiǎn)性。④反應(yīng)產(chǎn)物在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中無法直接通過特征反應(yīng)進(jìn)行檢測，只能憑借聞氣味的方法進(jìn)行鑒別，主觀猜測性較強(qiáng)。

2.“黑面包”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

為了更好的演示該實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也讓學(xué)生能通過已有知識(shí)對反應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行探究，接下來組織學(xué)生進(jìn)行分組討論，針對本實(shí)驗(yàn)存在的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。經(jīng)過小組內(nèi)討論以及小組間交流意見以后，各學(xué)習(xí)小組達(dá)成了一致的改進(jìn)要求。改進(jìn)要點(diǎn)如下：

(1)對實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)：①將敞口環(huán)境改為密閉環(huán)境，并進(jìn)行尾氣處理，減少所產(chǎn)生氣體的污染。②減少試劑用量，減少廢棄物的產(chǎn)生，同時(shí)也降低危險(xiǎn)性。③利用試紙對產(chǎn)生的氣體進(jìn)行檢驗(yàn)。④考慮采用生活中的常見物品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減少對儀器的后續(xù)清理操作。

(2)對實(shí)驗(yàn)試劑、藥品的改進(jìn)：①試劑用量：6.0g蔗糖粉末（將蔗糖研磨成粉末，可以加快反應(yīng)速率，不需要攪拌）、6ml 98%濃硫酸、1ml蒸餾水 （恰好將蔗糖粉末潤濕）②選擇藍(lán)色石蕊試紙與酸性高錳酸鉀試紙對產(chǎn)生的氣體進(jìn)行檢驗(yàn)。為方便放置試紙，在導(dǎo)管口附近黏上一圈雙面膠，將試紙粘在雙面膠上。③尾氣處理選擇濃NaOH溶液，以吸收產(chǎn)生的污染性氣體。

(3)對實(shí)驗(yàn)步驟的改進(jìn)：將6.0g蔗糖粉末倒入反應(yīng)容器中，均勻滴加約1ml蒸餾水將蔗糖粉末潤濕，然后迅速倒入6ml 98%濃硫酸，蓋上蓋子，觀察現(xiàn)象。

3.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)展示及討論

各學(xué)習(xí)小組的學(xué)生根據(jù)討論出的改進(jìn)要點(diǎn)，分別對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)探究，并在課堂上將改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行介紹與實(shí)驗(yàn)操作演示。

Huang等［6］發(fā)現(xiàn)足弓的正常維持63%由骨性結(jié)構(gòu)提供，其中內(nèi)側(cè)縱弓占有重要位置。Jameson等［7］認(rèn)為：足舟骨位于足弓的頂端，是內(nèi)側(cè)縱弓最重要的骨性結(jié)構(gòu)，它對足弓垂直方向應(yīng)力的維持起關(guān)鍵作用。舟骨壞死后引起足弓塌陷，足弓功能喪失，從而出現(xiàn)疼痛等癥狀。足舟骨壞死合并足弓塌陷時(shí)，頂點(diǎn)降低，跟骨傾斜角會(huì)相應(yīng)減小，距骨頭相對上抬，使距骨-跟骨角減小。加上患者長時(shí)間的平足負(fù)重狀態(tài)，導(dǎo)致軟組織的松弛，單純行髂骨取骨植骨、距-舟-楔關(guān)節(jié)融合術(shù)只能部分恢復(fù)足弓的高度及應(yīng)力傳導(dǎo)曲線，而不能很好的恢復(fù)跟骨傾斜角，使得足踝部生物力學(xué)有異于正常足，這可能是部分患者術(shù)后存在輕度或中度步態(tài)異常及行走疼痛的原因。

方案一：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍(lán)色石蕊試紙、蒸餾水、550ml礦泉水瓶、吸管、氣球。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：蔗糖先變黃，后變黑，體積逐漸膨脹，礦泉水瓶內(nèi)壁有大量水霧產(chǎn)生，底部變形，瓶內(nèi)酸性高錳酸鉀試紙褪色、濕潤的藍(lán)色石蕊試紙變紅、氣球迅速變大，未聞到刺激性氣味氣體。

方案二：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍(lán)色石蕊試紙、濃NaOH溶液、蒸餾水、100ml錐形瓶、單孔帶導(dǎo)管橡膠塞、小燒杯、雙面膠。

圖1-1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 （學(xué)生手畫）

圖1-2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：蔗糖先變黃，后變黑，體積逐漸膨脹，酸性高錳酸鉀試紙褪色、濕潤的藍(lán)色石蕊試紙變紅、小燒杯中有大量氣泡產(chǎn)生，能聞到少量刺激性氣味。

方案三：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍(lán)色石蕊試紙、蒸餾水、浸泡過濃NaOH溶液的棉花、飲料瓶、吸管、氣球、大燒杯、雙面膠。

【學(xué)生解釋】飲料瓶有以下優(yōu)點(diǎn)： ①瓶身較厚，較耐高溫，安全性較好； ②瓶嘴較小，有類似奶嘴的設(shè)計(jì)，內(nèi)部有橡膠墊圈，密封性良好，且不需做太大的改動(dòng)；③瓶蓋與瓶嘴之間有一定的空間，可以事先放置一團(tuán)浸泡過濃NaOH的棉花團(tuán)，作為后續(xù)尾氣處理。

方案四：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍(lán)色石蕊試紙、浸泡過濃NaOH溶液的棉花、蒸餾水、250ml許愿瓶、單孔帶導(dǎo)管木塞（許愿瓶配套）、雙面膠。

實(shí)驗(yàn)裝置： （學(xué)生手畫）

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：蔗糖先變黃，后變黑，體積逐漸膨脹，瓶內(nèi)酸性高錳酸鉀試紙褪色、濕潤的藍(lán)色石蕊試紙變紅、未聞到刺激性氣味氣體。

待各組展示完改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生分組討論各裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行交流，得出如下意見：

(1）優(yōu)點(diǎn)：①所有改進(jìn)方案都制造了一個(gè)密閉的反應(yīng)環(huán)境，還運(yùn)用了多種尾氣處理方法，大大減少了污染性氣體的排放與固體廢棄物的污染。②利用試紙對SO2進(jìn)行檢驗(yàn)，效果明顯。③運(yùn)用了多種尾氣處理方法使用氣球收集尾氣，可以直觀的觀察到有大量氣體生成，且收集到的氣體可以用來做后續(xù)性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)④操作更簡單，不需要攪拌，縮短了演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，也降低了危險(xiǎn)性。⑤減少了試劑用量，降低了實(shí)驗(yàn)成本 ，也減少了污染；⑥將生活中的一些廢品作為實(shí)驗(yàn)替代品，變廢為寶。⑦用塑料瓶能觀察到水霧的產(chǎn)生，現(xiàn)象更明顯。⑧改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)更適合課堂演示，也適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的目的。

(2）缺點(diǎn)：方案一：要嚴(yán)格控制藥品的用量，避免礦泉水瓶熔化漏液的情況發(fā)生。方案二：由于產(chǎn)生氣體量較大，且十分快速，導(dǎo)致有少量氣體無法被完全吸收，且使用錐形瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)的固體炭難以清洗，容易造成儀器的浪費(fèi)。 方案四：不同規(guī)格的許愿瓶質(zhì)量不同，可能會(huì)導(dǎo)致玻璃破裂的情況發(fā)生，容易造成危險(xiǎn)；且配套的木塞需要打孔，容易導(dǎo)致漏氣等情況發(fā)生。

【歸納總結(jié)】各方案均能較好的實(shí)現(xiàn)改進(jìn)要點(diǎn)，其中方案三能合理有效利用瓶子自身的優(yōu)點(diǎn)，減少了對實(shí)驗(yàn)儀器的前期處理，簡單易操作，十分適合該實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有一定的局限性，比如材料的獲取、部分材料的改造等。另外由于反應(yīng)物的用量減少，且反應(yīng)容器的容積較大，導(dǎo)致 “黑面包”膨脹過程不夠明顯。

三、教學(xué)反思與自我評價(jià)

本節(jié)課讓敞開體系中進(jìn)行的快速反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，在封閉體系中進(jìn)行，并由學(xué)生利用生活中隨處可見的材料，親自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，并展示實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)現(xiàn)近距離觀察，無污染氣體排放。同時(shí)也收集到氣體為學(xué)生探究留下時(shí)間和空間提供了可能。本節(jié)課在教學(xué)中充分體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的原則：讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題；能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)操作，能對觀察記錄的實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行加工并獲得結(jié)論；能和同學(xué)交流實(shí)驗(yàn)探究的成果，提出進(jìn)一步探究或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)想；培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念。