苑凌云 李鼎 岳文虹

摘要： 基于POE（預(yù)測(cè)-觀察-解釋）教學(xué)策略，通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段模擬大自然中酸雨形成的真實(shí)發(fā)生過(guò)程，結(jié)合相關(guān)資料，為學(xué)生對(duì)酸雨的形成、二氧化硫和酸雨的重要聯(lián)系、二氧化硫的性質(zhì)及催化氧化的條件等構(gòu)建較為全面的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生學(xué)到的不僅僅是知識(shí)，更是普適于大多數(shù)問(wèn)題的一種研究方法，從而發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的技能。

關(guān)鍵詞： 酸雨; 二氧化硫; POE教學(xué)策略; 數(shù)字化實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）2-0058-04??????????? 中圖分類號(hào)： G633.8??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題的提出

如今迅猛發(fā)展的化學(xué)已成為生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)，在解決人類社會(huì)發(fā)展中面臨的有關(guān)問(wèn)題、提高人類的生活質(zhì)量、促使人與自然和諧相處等方面發(fā)揮著重要作用[1]。高中化學(xué)課程作為科學(xué)教育的重要組成部分，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展有著不可替代的作用。高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出“從學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)和將要經(jīng)歷的社會(huì)生活實(shí)際出發(fā)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)與人

類生活的密切關(guān)系，關(guān)注人類面臨的與化學(xué)相關(guān)的社會(huì)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、參與意識(shí)和決策能力”。

隨著工業(yè)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，世界面臨著日趨嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，酸雨就是全球十大環(huán)境問(wèn)題中的一例，尤其我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)，酸雨肆虐，已

經(jīng)成為世界三大酸雨區(qū)之一[2]，給地球生態(tài)環(huán)境和社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)都帶來(lái)了嚴(yán)重的影響和破壞。高中化學(xué)課本在“硫及其化合物”一節(jié)中用了大量篇幅敘述二氧化硫和酸雨的重要聯(lián)系，把化學(xué)與我們的日常生活緊密結(jié)合起來(lái)，以期學(xué)生能夠主動(dòng)以主人翁的意識(shí)去參與社會(huì)決策，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的認(rèn)同感。但許多中學(xué)教師往往將酸雨問(wèn)題處理為課外資料給學(xué)生進(jìn)行知識(shí)補(bǔ)充，筆者認(rèn)為此舉不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展和能力的培養(yǎng)?；谝陨峡紤]，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以社會(huì)問(wèn)題“酸雨”作為背景，在實(shí)驗(yàn)室中模擬復(fù)雜多變的自然環(huán)境，從酸雨主要污染物二氧化硫的性質(zhì)出發(fā)，探討酸雨的形成過(guò)程，得出結(jié)論，真正把學(xué)生所學(xué)知識(shí)融入社會(huì)實(shí)踐中。

2? POE策略在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的體現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)是自然科學(xué)教育中不可或缺的一部分，也是科學(xué)家研究問(wèn)題的有效途徑，如何用好實(shí)驗(yàn)，真正體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)之于教學(xué)的啟發(fā)驗(yàn)證功能，是很多一線教師關(guān)心的問(wèn)題。POE（預(yù)測(cè)-觀察-解釋）教學(xué)策略是建立在觀察滲透理論、前概念、概念轉(zhuǎn)變、建構(gòu)主義等教育理論上的一種先進(jìn)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示策略。它以學(xué)生為主體，從問(wèn)題出發(fā)，關(guān)注學(xué)生的前概念，并在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，通過(guò)學(xué)生主動(dòng)積極的觀察和解釋實(shí)現(xiàn)其自我概念轉(zhuǎn)變、知識(shí)建構(gòu)等等[3]，使得學(xué)生學(xué)到的不僅僅是知識(shí)，更是普適于大多數(shù)問(wèn)題的一種研究方法。

本次實(shí)驗(yàn)將遵循POE教學(xué)策略，具體實(shí)施過(guò)程如下：

2.1? P—預(yù)測(cè)

教學(xué)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

2.2? O—觀察

倘若要用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二氧化硫到硫酸的轉(zhuǎn)化過(guò)程，可以在驗(yàn)證二氧化硫溶于水生成亞硫酸時(shí)加入指示劑，在驗(yàn)證轉(zhuǎn)化完成生成硫酸根離子時(shí)加入鋇離子，但此時(shí)會(huì)有亞硫酸根離子的干擾，要想完成檢驗(yàn)還得事先除去亞硫酸根離子。本實(shí)驗(yàn)要求是密封體系，所以這樣操作不僅浪費(fèi)藥品，而且過(guò)程冗雜、浪費(fèi)時(shí)間。綜合以上考慮，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

2.2.1? 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

資料1： 酸雨中對(duì)酸度有影響的主要成分H2SO4，主要是排放到大氣中的SO2經(jīng)過(guò)二次污染轉(zhuǎn)化而來(lái)的，即進(jìn)入大氣的SO2通過(guò)氣相或液相氧化反應(yīng)生成H2SO[4]4。SO2是由于化石燃料的大量燃燒造成的，那么酸雨中的H2SO4又是怎樣由SO2轉(zhuǎn)化而來(lái)的呢？推測(cè)SO2→H2SO4的轉(zhuǎn)化路徑： SO2SO3路徑1H2SO4

H2SO3路徑2H2SO4二氧化硫和氧氣的反應(yīng)需要加熱、催化劑等苛刻條件，大氣中具備這樣的轉(zhuǎn)化條件嗎？

資料2： 由于人類活動(dòng)和自然過(guò)程，還有許多氣態(tài)或固態(tài)物質(zhì)進(jìn)入大氣，如： 大氣顆粒物中Fe、 Cu、 Mn、 V是使SO2氧化的催化劑，它們對(duì)酸雨的形成也產(chǎn)生影響。另外在大氣中也極易出現(xiàn)高溫環(huán)境[5]。請(qǐng)大家結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的形成路線，設(shè)計(jì)裝置，將自然界中酸雨的形成過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室里模擬出來(lái)?；诤?jiǎn)易性原則，選取不用催化劑、不需要加熱的路徑2在實(shí)驗(yàn)室里模擬，因此需要設(shè)計(jì)二氧化硫發(fā)生裝置、氧氣發(fā)生裝置、酸雨形成裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn);另外，由于二氧化硫是有刺激性氣味的有毒氣體，所以整套裝置需密封。如果要保持裝置密封，那怎樣檢驗(yàn)是否已經(jīng)完成酸雨中二氧化硫到硫酸的轉(zhuǎn)化了呢？

2.2.2? 實(shí)驗(yàn)原理

要在體系密封的條件下驗(yàn)證SO2→H2SO3→H2SO4轉(zhuǎn)化完成，選擇采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段。蒸餾水呈中性，當(dāng)向其中通入二氧化硫時(shí)生成亞硫酸，亞硫酸是中強(qiáng)酸，會(huì)在水溶液中部分電離使溶液呈酸性，當(dāng)最終轉(zhuǎn)化為硫酸時(shí)，由于硫酸全部電離使溶液酸性增強(qiáng)，因此只需要通過(guò)pH傳感器觀察pH的變化趨勢(shì)即可監(jiān)控反應(yīng)的進(jìn)行程度。

2.2.3? 實(shí)驗(yàn)藥品及說(shuō)明

（1） 1號(hào)（二氧化硫發(fā)生）裝置內(nèi)盛裝藥品： 1.0g亞硫酸鈉固體粉末（三頸燒瓶）;4mL濃硫酸（恒壓滴液漏斗）。

（2） 2號(hào)（酸雨形成）裝置中裝有蒸餾水及攪拌磁子，三頸瓶中口插有pH傳感器，并配有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器和電腦分析軟件。

（3） 3號(hào)（氧氣發(fā)生）裝置內(nèi)盛裝藥品： 0.5g二氧化錳固體（三頸燒瓶）;10mL 30%過(guò)氧化氫溶液（恒壓滴液漏斗）。

說(shuō)明： ① 可通過(guò)恒壓滴液漏斗的活塞控制反應(yīng)的進(jìn)行，通過(guò)三通活塞控制氣體的通斷。

② 各反應(yīng)瓶側(cè)口安裝氣球，以保證密封裝置在產(chǎn)生大量氣體時(shí)不會(huì)發(fā)生安全事故。

2.2.4? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 觀察pH計(jì)插入蒸餾水時(shí)的示數(shù)并記錄。

（2） 打開(kāi)1號(hào)二氧化硫發(fā)生裝置的活塞，打開(kāi)2號(hào)裝置攪拌器，觀察二氧化硫通入2號(hào)反應(yīng)瓶后pH的曲線走向。

（3） 待pH穩(wěn)定后，打開(kāi)3號(hào)氧氣發(fā)生裝置的活塞（繼續(xù)攪拌），觀察氧氣通入2號(hào)反應(yīng)瓶后pH的曲線走向。

（4） 觀察現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)。

2.2.5? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

通入二氧化硫后pH迅速大幅下降;通入氧氣后pH幾乎不變（見(jiàn)圖2）。

2.3? E—解釋

由于二氧化硫易溶于水，且產(chǎn)物亞硫酸酸性較強(qiáng)，所以在水中通入二氧化硫后pH示數(shù)先會(huì)經(jīng)歷較大的跌落;通入氧氣后，由于氧氣在水中溶解度較小，且亞硫酸與氧氣反應(yīng)非常緩慢，所以pH幾乎不變。

2.4? 拓展延伸

[師]亞硫酸和氧氣的反應(yīng)是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，那么大自然中只有氧氣可以氧化亞硫酸嗎？

資料： 大氣光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的O3和H2O2等也是使H2SO3氧化的氧化劑，它們加快了酸雨形成速度，一天之內(nèi)就可以在高空中擴(kuò)散700多公里，所以酸雨危害不僅是區(qū)域性的，還會(huì)導(dǎo)致周邊地區(qū)、甚至造成跨國(guó)境的更大范圍受災(zāi)[6]。

[生]P—預(yù)測(cè)： 向反應(yīng)后的溶液中通入過(guò)氧化氫，會(huì)使得亞硫酸的氧化速度加快，使pH下降得更明顯。

[繼續(xù)實(shí)驗(yàn)]O—觀察： 向上述反應(yīng)后的溶液中用注射器注入5mL30%過(guò)氧化氫溶液（通過(guò)酸雨形成裝置中的氣球注射，且注射后暫時(shí)不要將注射器抽出，防止體系中剩余的二氧化硫逸出）。

觀察到pH變化見(jiàn)圖3。

通過(guò)pH變化曲線可以看到，向體系內(nèi)加入過(guò)氧化氫溶液后，pH變化明顯。

E—解釋： 根據(jù)初中實(shí)驗(yàn)“過(guò)氧化氫制取氧氣”可知過(guò)氧化氫的氧化性強(qiáng)于氧氣，而且可以與水以任意比例互溶，所以過(guò)氧化氫與亞硫酸的反應(yīng)速率更快。

3? 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

3.1? 巧妙采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可視化，體現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化、信息化和現(xiàn)代化

隨著新課程改革的推進(jìn)，追求實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的綠色化、信息化和現(xiàn)代化逐步成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主流。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用手持技術(shù)，一改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的冗雜與繁復(fù)，僅僅通過(guò)觀測(cè)pH曲線的走向就可準(zhǔn)確判斷和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在本實(shí)驗(yàn)中由于亞硫酸與氧化劑反應(yīng)的pH變化比較微小，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入，不但減少了驗(yàn)證性試劑的使用，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確直觀，過(guò)程簡(jiǎn)潔流暢，節(jié)約了大量的教學(xué)時(shí)間，有利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的信息化素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法的現(xiàn)代化。

3.2? 運(yùn)用化學(xué)第四重表征——曲線表征，有利于促成學(xué)生多維度、多層次表征能力的發(fā)展

自1982年蘇格蘭的約翰斯頓首次提出化學(xué)“三重表征”模式即宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征以來(lái)，三重表征就廣泛應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)之中。近年來(lái)，隨著手持技術(shù)的發(fā)展，錢揚(yáng)義先生基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)即時(shí)收集數(shù)據(jù)和自動(dòng)生成曲線的技術(shù)背景，于2009年首次提出“曲線表征”的定量分析方法，由此構(gòu)建了化學(xué)“四重表征”的教學(xué)模式[7]。在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要求學(xué)生對(duì)用pH傳感器得出的pH變化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與解釋，由此判斷酸雨形成路徑的合理性，并進(jìn)一步設(shè)想自然界中是否還有其他物質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)亞硫酸到硫酸的轉(zhuǎn)化，使學(xué)生在定量分析的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和自然轉(zhuǎn)化有了一個(gè)更加準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，落實(shí)了化學(xué)教學(xué)中的第四重表征，從而促成學(xué)生多維度、多層次表征能力的發(fā)展。

3.3? 教學(xué)設(shè)計(jì)以“酸雨的形成過(guò)程及治理措施”為明線，二氧化硫的性質(zhì)為暗線，充分體現(xiàn)“認(rèn)知學(xué)徒制”的教學(xué)思想

認(rèn)知學(xué)徒制是由美國(guó)認(rèn)知心理學(xué)家柯林斯和布朗等人基于人類學(xué)家萊弗關(guān)于傳統(tǒng)手工學(xué)徒制理論，于1989年提出的一種教學(xué)模式，它是指通過(guò)構(gòu)建情境、搭建合適的腳手架，再在教師啟發(fā)、指導(dǎo)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生自主解決問(wèn)題、反思延伸等高級(jí)技能[8]。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循認(rèn)知學(xué)徒制教學(xué)模式，緊密圍繞酸雨問(wèn)題，基于POE教學(xué)策略，以“酸雨的形成路徑”為明線，二氧化硫的性質(zhì)為暗線，將不可視的專家思維與核心知識(shí)點(diǎn)及真實(shí)情境有機(jī)結(jié)合起來(lái)，把課堂主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生，使學(xué)生浸潤(rùn)在專家式的真實(shí)邏輯推理過(guò)程之中。讓學(xué)生綜合各方面資料去自主預(yù)測(cè)、探究酸雨的形成過(guò)程，并通過(guò)手持技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里模擬大自然中酸雨真實(shí)形成的過(guò)程，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及可視化數(shù)據(jù)的觀察分析，最終得出結(jié)論。培養(yǎng)了學(xué)生的高級(jí)思維和綜合復(fù)雜環(huán)境下利用多種渠道解決問(wèn)題的能力。這有利于他們將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行獨(dú)立應(yīng)用和技能遷移，為最終成長(zhǎng)為一名具備科學(xué)素養(yǎng)的人才打下良好基礎(chǔ)。

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