吳文萱 丁偉

摘要：以社會科學(xué)議題——海洋酸化為真實(shí)情景，設(shè)計了在實(shí)驗室中用二氧化碳?xì)怏w吹掃模擬海水，以模擬酸化的海洋環(huán)境，對處理后的溶液進(jìn)行滴定分析以探究酸化海水環(huán)境對貝殼、珊瑚等鈣基生物的影響。該項目讓學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)

“酸堿滴定”主題內(nèi)容的同時拓展STEAM教育、可持續(xù)發(fā)展思想及責(zé)任意識。

關(guān)鍵詞：社會科學(xué)議題;STEAM教育;酸堿滴定;項目式學(xué)習(xí)

文章編號：1008-0546（2022）08-0085-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.018

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》在化學(xué)課程的基本理念中提出要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，“倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開設(shè)以化學(xué)實(shí)驗為主的多種探究活動”?；谌私贪娓咧谢瘜W(xué)選修《化學(xué)反應(yīng)原理》的第三章“鹽酸滴定氫氧化鈉溶液”這一實(shí)驗活動，本文拓展該實(shí)驗為以海洋酸化的社會議題為實(shí)驗室活動的真實(shí)情境，用二氧化碳?xì)怏w吹掃模擬海水來模擬酸化的海洋環(huán)境。通過學(xué)習(xí)酸堿滴定并應(yīng)用該方法滴定分析處理所模擬的海洋環(huán)境的變化，應(yīng)用??? STEAM多學(xué)科知識來探究酸化的海水環(huán)境對貝殼、珊瑚等鈣基生物的影響。

一、實(shí)驗活動的教學(xué)目標(biāo)

1.嵌入社會科學(xué)議題

社會性科學(xué)議題（Socio- scientific Issues，簡稱 SSIs）指與科技相關(guān)的社會問題，具有集社會性、科學(xué)性、開放性與倫理性于一體的特征。諸如溫室效應(yīng)、海洋酸化等系列問題，都是復(fù)雜、開放且充滿爭議的問題，廣泛涉及氣候變化、核能、污染、自然資源管理等多個學(xué)科領(lǐng)域，往往有多種合理的解決方案[1]，且需要多學(xué)科知識、技能、科學(xué)思維與實(shí)踐能力。

社會科學(xué)議題與人類生存環(huán)境息息相關(guān)，借此真實(shí)情境建立學(xué)生與學(xué)習(xí)材料之間的相關(guān)聯(lián)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自我效能感[2]?；谏鐣茖W(xué)議題的教學(xué)不僅幫助學(xué)生建立并加強(qiáng)生活與科學(xué)概念的聯(lián)系，也促使學(xué)生對開放式問題進(jìn)行討論和批判性思考，提高他們在化學(xué)學(xué)科及批判性思維方面的技能。

2.探究可持續(xù)發(fā)展問題

教育是促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展和提高人們解決環(huán)境與發(fā)展問題能力的關(guān)鍵。社會科學(xué)議題往往都是結(jié)構(gòu)不良、無固定答案的問題，存在多種合理的解決方案，涉及個人態(tài)度與價值取向。通過參與有關(guān)化學(xué)問題的實(shí)驗室活動或社會實(shí)踐活動，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的綠色化學(xué)觀及可持續(xù)發(fā)展意識，學(xué)習(xí)在可持續(xù)的未來進(jìn)行積極社會變革所需的價值觀、行為和生活方式。

無論是溫室效應(yīng)還是其導(dǎo)致的海洋酸化等自然環(huán)境問題，往往很難在高中課堂上使學(xué)生切身體會其影響。但通過實(shí)驗，學(xué)生動手設(shè)計實(shí)驗步驟，搭建反應(yīng)裝置，體驗實(shí)驗室環(huán)境中科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)的完美結(jié)合，學(xué)習(xí)應(yīng)用酸堿平衡及中和滴定的知識與技能，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識和方法計算得出溶液中離子濃度的變化，并分析化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與溶液環(huán)境的關(guān)系;將化學(xué)作為科學(xué)的一個重要組成部分，幫助學(xué)生從整體認(rèn)知科學(xué)學(xué)科內(nèi)容，深入化學(xué)學(xué)科思維角度分析，解釋“為什么？”，將純粹的學(xué)科理論知識與現(xiàn)實(shí)社會議題和環(huán)境問題緊密聯(lián)系起來，有意識地反思并擔(dān)當(dāng)起社會責(zé)任。

3.融合STEAM 的酸堿中和滴定

STEAM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）多學(xué)科交叉融合的一體化教育形態(tài)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識間的相互滲透，旨在培養(yǎng)學(xué)生合作探究、問題解決、批判性思維等綜合能力[3]。

以單一學(xué)科視野開展的酸堿滴定實(shí)驗活動，雖然體現(xiàn)了化學(xué)知識的學(xué)科純粹性，但若要完整解決現(xiàn)實(shí)問題，則需要彌合不同學(xué)科領(lǐng)域間的知識罅隙。由此形成的基于實(shí)驗室任務(wù)的教學(xué)方案可將重心放在以化學(xué)學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容主題，并卷入自然科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的相關(guān)知識、理論和方法，消融學(xué)科界限，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科思維和學(xué)科素養(yǎng)的滲透和貫通。

本研究的實(shí)驗活動旨在發(fā)展學(xué)生的STEAM 多學(xué)科整合能力。

（1）掌握化學(xué)知識

人類活動所排放的二氧化碳已引起全球變暖、海洋酸化等諸多問題，這已然成為科學(xué)界的共識。當(dāng)大量二氧化碳被海水吸收時，引起海水pH 的變化，進(jìn)而影響到海洋生物群的生存。Ken Caldeira等人探究大氣中二氧化碳對海洋的影響，預(yù)測2300年時海洋表面的pH最大降幅可至0.77[4]。還有相關(guān)研究表明21世紀(jì)人類活動影響下海洋酸化造成海水中碳酸根離子濃度降低時會引發(fā)貝殼等鈣基生物的點(diǎn)蝕及部分溶解[5]。

海洋是地球上主要的碳匯，吸收了大約三分之一的人為二氧化碳排放。

二氧化碳溶于水后反應(yīng)生成碳酸：

CO2（g）+ H2O（l）?? H2CO3（aq）???? （1）

碳酸在水中電離形成碳酸氫根，碳酸氫根進(jìn)一步分解成碳酸根，電離出的氫離子會增加溶液酸度：

H2CO3（aq）?? H+（aq）+ HCO3（-）（aq）??? （2）

HCO3（-）（aq）?? H+（aq）+ CO3（2）-（aq）??? （3）

自前工業(yè)時代以來大氣中二氧化碳含量不斷上升，海洋的平均pH下降了0.1個單位，從8.2下降到了8.1。根據(jù) pH 尺度的對數(shù)性質(zhì)，海洋的酸度增加了26%[6]。

海洋酸化造成了若干生態(tài)和社會風(fēng)險，海洋酸度的增加威脅著鈣基生物的生存，如珊瑚和其他依賴碳酸鈣制成保護(hù)殼的物種，碳酸鈣在水中有微量的溶解度：

CaCO3（s）?? Ca2+（aq）+ CO3（2）-（aq）??? （4）

根據(jù)勒夏特列原理，隨著海水中氫離子濃度的增加，碳酸氫根解離的化學(xué)反應(yīng)平衡向左移動產(chǎn)生碳酸氫鹽，消耗碳酸鹽，碳酸鹽濃度的降低使化學(xué)反應(yīng)方程式（4）的平衡向右移動，導(dǎo)致碳酸鈣溶解。典型海水pH下物質(zhì)間反應(yīng)可歸納為化學(xué)反應(yīng)方程式（5）：

CaCO3（s）+ H+（aq）?? Ca2+（aq）+ HCO3（-）（aq）（5）

要量化海洋酸化對鈣基生物（貝殼、珊瑚等）造成的影響，則需要對酸化后海水內(nèi)碳酸根、碳酸氫根及鈣離子的濃度進(jìn)行測量。

（2）學(xué)會技術(shù)操作

海洋的酸化對生物的自然侵蝕過程較為緩慢，肉眼難以觀察。通過實(shí)驗室環(huán)境模擬來改變?nèi)芤簼舛?、反?yīng)溫度等，則能更快、更清晰地呈現(xiàn)變化;應(yīng)用酸式滴定管和堿式滴定管等儀器，使用酚酞等酸堿指示劑，進(jìn)行酸堿中和滴定分析，測量待測液中氫離子濃度;使用鈣—羧酸指示劑，結(jié)合滴定分析方法，滴定測量鈣離子的濃度，以衡量鈣質(zhì)生物的溶解程度，將不易觀察的定性變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^可見的量化指標(biāo)。

（3）應(yīng)用數(shù)學(xué)計算

酸堿中和滴定終點(diǎn)穩(wěn)定，一般使用酚酞或石蕊指示滴定終點(diǎn)。但碳酸作為二元弱酸，其不完全電離分為兩步，對應(yīng)不同的滴定終點(diǎn)，應(yīng)選擇不同的指示劑。這就要求學(xué)生根據(jù)不同指示劑與檢測離子的結(jié)合方式，通過化學(xué)計量比進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，對比海洋酸化對溶液中離子濃度的影響。

（4）設(shè)計實(shí)驗流程

在本實(shí)驗活動中學(xué)生掌握實(shí)驗工程和造物技術(shù)，需要搭建能夠有效工作的實(shí)驗裝置（見圖1），用二氧化碳對模擬海水進(jìn)行吹掃，并對廢氣進(jìn)行綠色化吸收處理。在掌握滴定原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行滴定實(shí)驗操作，對滴定結(jié)果進(jìn)行分析。

（5）追求完美工藝

融合藝術(shù)的科學(xué)力量是創(chuàng)造力的真正源泉。在進(jìn)行科學(xué)教育與實(shí)驗的同時，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗裝置的對稱和諧并符合工程學(xué)要求和標(biāo)準(zhǔn)，以完美達(dá)成實(shí)驗的目的。從實(shí)驗裝置搭建的美觀性，到珊瑚、貝殼的選取，以及滴定結(jié)果的呈現(xiàn)，在確保實(shí)驗操作科學(xué)性的基礎(chǔ)上，需要追求實(shí)驗整體的美學(xué)效果或觀賞效果。使學(xué)生能感受到科學(xué)自然之美，培養(yǎng)對科學(xué)研究的美好認(rèn)知。

二、實(shí)驗設(shè)計

1.實(shí)驗方案

本實(shí)驗活動設(shè)計了3個實(shí)驗任務(wù)，可安排在學(xué)生學(xué)習(xí)完“酸堿滴定”內(nèi)容后進(jìn)行。在實(shí)驗任務(wù)啟動前，進(jìn)行海洋酸化的相關(guān)介紹;在執(zhí)行任務(wù)時，對相關(guān)的平衡反應(yīng)和實(shí)驗設(shè)計進(jìn)行討論。實(shí)驗任務(wù)1是樣品制備;實(shí)驗任務(wù)2是樣品處理，并進(jìn)行pH測量和碳酸氫鹽的滴定;實(shí)驗任務(wù)3是 Ca2+的滴定及樣品質(zhì)量測定。為了使實(shí)驗快速完成并減少對設(shè)備的需求，可以讓學(xué)生兩兩分組進(jìn)行合作實(shí)驗。

（1）實(shí)驗任務(wù)1：樣品制備

依據(jù)Lyman 與Fleming 的配方配制足量的模擬海水（見表1）[7]。取三個圓底燒瓶，分別設(shè)為空白對照組、對照組及實(shí)驗組。

空白對照組：不作處理，密封保存在避光處一周。

對照組：加入3～5 g 貝殼及5～6 g 珊瑚，密封保存在避光處一周。

實(shí)驗組：加入3～5 g 貝殼及5～6 g 珊瑚，持續(xù)向燒瓶內(nèi)通入二氧化碳?xì)怏w20分鐘，使溶液飽和，并使二氧化碳充滿瓶內(nèi)剩余空間。

通入二氧化碳使溶液飽和的目的不是為了模擬環(huán)境條件，而是為了在短時間內(nèi)產(chǎn)生更實(shí)質(zhì)性的化學(xué)變化，這樣可以在縮短的實(shí)驗時間內(nèi)量化海洋酸化對鈣基生物的影響。

（2）實(shí)驗任務(wù)2：pH測量和碳酸氫鹽滴定

在樣品反應(yīng)一周后，用布氏漏斗進(jìn)行抽濾，將貝殼、珊瑚樣本與模擬海水樣本分離開，用去離子水沖洗貝殼、珊瑚樣本，充分洗去附著的鹽溶液，在50℃的烘箱中進(jìn)行干燥。

用 pH 計測量各個對照組與實(shí)驗組的海水溶液pH，配制0.002 mol/L鹽酸溶液，分別以酚酞、甲基紅為指示劑，對溶液中的碳酸鹽、碳酸氫鹽進(jìn)行滴定。

以酚酞為指示劑對碳酸根離子進(jìn)行滴定，使用0.002 mol/L 鹽酸滴定至溶液由紅色變?yōu)闊o色;再以甲基紅為指示劑對碳酸氫根離子進(jìn)行滴定，使用0.002 mol/L鹽酸滴定至溶液由淺黃色變?yōu)槌燃t色。

（3）實(shí)驗任務(wù)3：固體樣品質(zhì)量測量及Ca2+的滴定

處理后靜置一周的各對照組與實(shí)驗組溶液澄清，未見渾濁，對干燥完的固體樣品進(jìn)行質(zhì)量測定，與反應(yīng)前進(jìn)行對比，比較二氧化碳處理后的模擬海水中的珊瑚、貝殼質(zhì)量與對照組的差別。

配制0.01 mol/L EDTA 溶液，以鈣—羧酸指示劑為滴定指示劑，對對照組與實(shí)驗組的模擬海水中 Ca2+濃度進(jìn)行滴定并對結(jié)果進(jìn)行比較。

以鈣—羧酸指示劑對鈣離子進(jìn)行滴定，使用0.01 mol/L EDTA溶液滴定至溶液由紅色變?yōu)闇\藍(lán)色。

2.數(shù)據(jù)分析

（1）模擬海洋酸化影響下溶液pH 的變化

實(shí)驗任務(wù)結(jié)束后，分別計算空白對照組、控制組和實(shí)驗組在試驗前后的pH變化（見表2），根據(jù)滴定結(jié)果計算溶液中CO HCO 及Ca3（-）2+離子濃度（見表3），最后計算貝殼與珊瑚反應(yīng)前后的質(zhì)量變化（見表4），并對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析。

表2反映了相比于空白對照組與未通入二氧化碳的兩個燒瓶，持續(xù)通入20分鐘二氧化碳的燒瓶中的 pH有明顯下降。這說明在此實(shí)驗中，二氧化碳是使模擬海水酸化的主要原因。

（2）模擬海洋酸化影響下溶液中離子濃度的變化

表3呈現(xiàn)了碳酸氫根與鈣離子進(jìn)行滴定的結(jié)果。在實(shí)驗中，先以酚酞為指示劑，燒瓶內(nèi)均無明顯變色，證明所有燒瓶內(nèi)碳酸根離子濃度均低于檢測下限;后以甲基紅為指示劑對碳酸氫根進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，實(shí)驗組的碳酸氫根濃度是空白對照組及對照組的近7倍，一種可能是由于二氧化碳溶于水形成的碳酸電離形成，另一種可能是因為鈣基生物中的碳酸根離子溶解后與氫離子結(jié)合形成。最后，以羧酸—鈣指示劑對三種溶液中的鈣離子進(jìn)行檢驗，結(jié)果顯示，實(shí)驗組的鈣離子是空白對照組及控制組的兩倍，說明鈣基生物——珊瑚和貝殼在酸化的海水中發(fā)生了溶解。

（3）模擬海洋酸化影響下固體樣本的質(zhì)量變化

表4列出了試驗前后貝殼、珊瑚樣本的質(zhì)量變化，在對照組中，珊瑚質(zhì)量幾乎沒有減少，而貝殼質(zhì)量也僅減少了0.5%;在實(shí)驗組中，珊瑚的質(zhì)量減少了1.5%，貝殼質(zhì)量減少了2.58%，證明二氧化碳使模擬海水酸化后，對貝殼和珊瑚樣本確實(shí)產(chǎn)生了顯著影響。

3.實(shí)驗結(jié)論

（1）持續(xù)通入20分鐘二氧化碳的燒瓶中模擬海水 pH有明顯下降，說明二氧化碳是使模擬海水酸化的主要原因。

（2）固體質(zhì)量的減少及溶液中鈣離子濃度的升高證明鈣基生物——珊瑚和貝殼在酸化的海水中發(fā)生了顯著溶解。

三、基于實(shí)驗活動的教學(xué)設(shè)計

海洋酸化作為一個具有全球生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義的課題，在教學(xué)中可以將此實(shí)驗嵌入問題導(dǎo)向的項目式學(xué)習(xí)中，圍繞“溫室氣體如何影響海洋環(huán)境？”以及“海洋環(huán)境的改變對在其中生活的生物產(chǎn)生了怎樣的影響？”這兩個問題展開。項目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning）是一種以學(xué)生為中心的探究式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者在具體情境中積極參與學(xué)習(xí)過程，在互動和分享知識概念中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。在本實(shí)驗設(shè)計基礎(chǔ)上構(gòu)建項目式學(xué)習(xí)，通過設(shè)計實(shí)驗過程、進(jìn)行實(shí)驗操作、分析實(shí)驗結(jié)果等步驟，對溶液平衡及酸堿滴定有更深入的學(xué)習(xí)了解。

基于海洋酸化大社會科學(xué)議題，本項目嵌入數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物等多學(xué)科內(nèi)容，要求學(xué)生能理解海水溶液系統(tǒng)中各離子的平衡關(guān)系，設(shè)計實(shí)驗，探究溶液中離子濃度變化，用數(shù)學(xué)方法推算離子濃度，掌握滴定等測量技術(shù)和操作，了解化學(xué)學(xué)科在解決現(xiàn)實(shí)問題中所發(fā)揮的作用并樹立可持續(xù)發(fā)展觀念。

在實(shí)驗室環(huán)境中切實(shí)應(yīng)用化學(xué)技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問題，并從中感受科學(xué)之美。在完成實(shí)驗的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生分析與展示實(shí)驗結(jié)果，并從政府、漁民、科學(xué)家等多種角色視角思考，提出解決方案。

四、教學(xué)價值

1.社會議題視角下的多學(xué)科學(xué)習(xí)

基于海洋酸化的社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)中，發(fā)展了學(xué)生的多種科學(xué)思維、深度認(rèn)知和實(shí)踐能力，學(xué)生的理性思維、對科學(xué)本質(zhì)的理解、創(chuàng)造力、反思性判斷能力和論證能力等得到了顯著提升。

“溫室效應(yīng)”是高中化學(xué)教學(xué)中常見問題，但在現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境中很難具象量化表現(xiàn)溫室效應(yīng)對于人類生活帶來的影響，當(dāng)探究模擬海洋酸化影響下鈣基生物的實(shí)驗時，學(xué)生面臨著一系列挑戰(zhàn)：

（1）如何理解多個平衡反應(yīng)間的相互影響？如何由平衡常數(shù)和pKa控制？

模擬海水pH 的下降是由于二氧化碳溶于水后的多級電離，氫離子濃度的增加導(dǎo)致了貝殼和珊瑚中碳酸鈣的溶解反應(yīng)，因此鈣基生物的質(zhì)量減少，鈣離子的濃度增加。相比之下，由于鎂離子不是鈣基生物的主要成分，因此其濃度并沒有明顯上升。

（2）如何解釋碳酸鹽和碳酸氫鹽的滴定結(jié)果？

雖然珊瑚質(zhì)量下降以及鈣離子的濃度上升結(jié)果表明有部分碳酸鈣溶解在模擬海水樣本中，但碳酸鹽的濃度仍然低于檢測限，這要求學(xué)生更加仔細(xì)地推敲碳酸根與碳酸氫根之間的平衡關(guān)系，從pKa的角度推斷溶液pH小于8的體系中碳酸氫根與碳酸根離子濃度的區(qū)別。海洋酸化的社會議題通過學(xué)生開展實(shí)驗室中的實(shí)驗任務(wù)探究得以一定意義上的解決。結(jié)合學(xué)生作品展示或作業(yè)展示，解讀實(shí)驗結(jié)果，評估海洋酸化造成的更廣泛的社會影響。學(xué)會像科學(xué)家一樣在解決這類問題時采用多方面策略，并討論解決這一社會問題需要哪些政府、機(jī)構(gòu)及領(lǐng)域?qū)＜业墓ぷ鳌?/p>

這一系列活動和技能所帶來的挑戰(zhàn)，有助于學(xué)生更好地將多學(xué)科知識和技能融會貫通，結(jié)合多背景知識參與解決復(fù)雜現(xiàn)實(shí)問題。

2.可持續(xù)發(fā)展理念下的實(shí)驗室活動探究

社會性科學(xué)議題作為真實(shí)實(shí)驗室活動情境，有助于學(xué)生深度學(xué)習(xí)與概念理解，萌發(fā)社會參與和責(zé)任意識。同時，通過多方對話、辯論與論證等協(xié)商交流過程，可鍛煉學(xué)生科學(xué)論證、科學(xué)推理和道德推理等能力，有助于學(xué)生科學(xué)思維與實(shí)踐能力、科學(xué)情感態(tài)度價值觀與倫理道德品質(zhì)等的發(fā)展，以及在認(rèn)識科學(xué)世界的基礎(chǔ)上思考如何改造自然與社會，培養(yǎng)未來社會公民應(yīng)盡責(zé)任感。

3.STEAM領(lǐng)域下的系統(tǒng)思維

STEAM多學(xué)科學(xué)習(xí)連結(jié)了不同學(xué)科知識的碎片，統(tǒng)整了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)思想及其方法的疏理，不僅能夠精熟化學(xué)學(xué)科概念架構(gòu)和思維特征，還能熟識其他學(xué)科知識體系及方法，在實(shí)驗室任務(wù)活動中拓寬多學(xué)科視野，塑造養(yǎng)成學(xué)生的高階思維和整合性的科學(xué)素養(yǎng)。

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