蘇華虹 潘紅 王懷文 丁美霞

摘要以“葡萄酒中二氧化硫含量測定”為主題內(nèi)容，開展高三主題式復(fù)習(xí)課。學(xué)生在真實(shí)問題的解決過程中，鞏固并應(yīng)用元素化合物“價(jià)-類二維圖”認(rèn)識模型，并初步形成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的一般思路，發(fā)展讀信息和用信息、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等多種綜合能力。

關(guān)鍵詞主題式教學(xué)；實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；元素化合物；二氧化硫

1 教學(xué)主題分析

1.1 新課標(biāo)對常見無機(jī)物及科學(xué)探究主題的學(xué)業(yè)要求

元素化合物知識是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)概念原理及化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，更是學(xué)生自主建構(gòu)與發(fā)展化學(xué)學(xué)科思維能力、形成化學(xué)學(xué)科基本觀念的載體?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（下稱“新課標(biāo)”）中指出學(xué)習(xí)元素化合物時(shí)應(yīng)緊密聯(lián)系生產(chǎn)和生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)豐富多樣的真實(shí)問題情境，重視開展高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的一種重要途徑，科學(xué)探究過程包括提出問題和假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù)、分析解釋、形成結(jié)論及交流評價(jià)等核心要素[1]。元素化合物內(nèi)容是發(fā)展科學(xué)探究思維的載體，實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)習(xí)元素化合物的重要手段，兩者互為補(bǔ)充，相互促進(jìn)。

根據(jù)“新課標(biāo)”中的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求，參加高考的學(xué)生應(yīng)能在復(fù)雜化學(xué)情境中提出有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)探究課題；能設(shè)計(jì)有關(guān)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、性質(zhì)應(yīng)用等的綜合實(shí)驗(yàn)方案，并能從不同角度對物質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析和推斷；能確定合適的實(shí)驗(yàn)條件并安全、順利地完成實(shí)驗(yàn)；能用數(shù)據(jù)、圖表等描述實(shí)驗(yàn)證據(jù)并據(jù)此進(jìn)行分析推理形成結(jié)論；能對實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行評價(jià)[1]。因此在高三復(fù)習(xí)課中，通過設(shè)置真實(shí)、有意義的的情境，依托具體的元素化合物知識和實(shí)驗(yàn)探究過程，促使學(xué)生的認(rèn)知達(dá)到學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的要求就顯得十分必要。此外，在實(shí)驗(yàn)探究過程中重視實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，有助于改變在實(shí)驗(yàn)中注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)高級思維過程。

1.2主題式教學(xué)

主題式教學(xué)是通過整合教學(xué)資源，設(shè)計(jì)與教學(xué)主題密切相關(guān)的真實(shí)情境和學(xué)習(xí)任務(wù)，以學(xué)生發(fā)展為核心的一種教學(xué)模式[2]。本課例以測量葡萄酒中二氧化硫含量為切入點(diǎn)，整合“元素化合物”和“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”兩個(gè)主題進(jìn)行復(fù)習(xí)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、評價(jià)、優(yōu)化和實(shí)施的學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)一步鞏固并應(yīng)用價(jià)-類二維認(rèn)識模型，發(fā)展實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、評價(jià)和實(shí)驗(yàn)操作的能力、建立分析真實(shí)化學(xué)情境的一般思路和方法，在主題式復(fù)習(xí)過程中外顯學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

1.3主題式教學(xué)情境素材

葡萄酒是學(xué)生熟悉的飲品，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。葡萄酒中SO2含量測定實(shí)驗(yàn)涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)化、實(shí)驗(yàn)裝置選擇、定量分析實(shí)驗(yàn)（滴定）、化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作等多個(gè)主題內(nèi)容，因此本課例選用該真實(shí)情境，開展整合“元素化合物”和“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”的高三主題式復(fù)習(xí)。葡萄酒的主要成分有水、酒精（乙醇）、糖、單寧、有機(jī)酸等（琥珀酸、蘋果酸、檸檬酸等）。SO2是葡萄酒中常見的一種添加劑，主要以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種形式存在，結(jié)合態(tài)SO2是指被糖類、醛類、酮類等化合物結(jié)合的SO2，結(jié)合態(tài)SO2釋放過程存在的平衡反應(yīng)如下圖1所示。加熱條件下促使平衡向正向進(jìn)行，結(jié)合態(tài)SO2被釋放[3-4]。

SO2在葡萄酒釀制和保存過程有重要的作用，但若過量不僅會影響葡萄酒的質(zhì)量，更會損害人體健康，因此準(zhǔn)確、快捷檢測葡萄酒中SO2的含量是食品安全問題的重要一環(huán)。葡萄酒中SO2含量的國標(biāo)測定方法有氧化法、蒸餾法、直接碘量法、鹽酸副玫瑰苯胺法（比色法）等4種方法[5-8]。

2 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)新課標(biāo)的要求，確定本的教學(xué)目標(biāo)如下：

①能繪制硫元素價(jià)類二維圖，會用方程式表示實(shí)驗(yàn)原理；

②能分析混合體系中的成分，會用裝置圖表示選擇的實(shí)驗(yàn)方法；

③能根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)原則和情境的特點(diǎn)評價(jià)、篩除或優(yōu)化方案，從而發(fā)展實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力；

④能與同伴總結(jié)和反思葡萄酒中二氧化硫含量測定的實(shí)驗(yàn)探究過程，形成分析真實(shí)化學(xué)情境的一般思路和方法。

3 教學(xué)任務(wù)和流程（表1）

4 教學(xué)過程與學(xué)生成果

4.1 了解葡萄酒中SO2的相關(guān)信息，初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（課前完成）

學(xué)生課前查閱資料，了解葡萄酒中SO2的相關(guān)信息，為設(shè)計(jì)、評價(jià)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案提供知識支持。

師：給學(xué)生印發(fā)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)任務(wù)單，該任務(wù)單主要包含以下內(nèi)容：①匯總葡萄酒中SO2的相關(guān)信息（詳見1.2）；②展示實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的一般思路：明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹_定實(shí)驗(yàn)原理→選擇合適的試劑和儀器→實(shí)驗(yàn)步驟→實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理。

生：閱讀信息后，確定實(shí)驗(yàn)原理，初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；

師：整理并匯總學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案。

【實(shí)驗(yàn)方案初步評價(jià)】本次共收集45份學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)原理方面，所有學(xué)生均能畫出硫元素的價(jià)類二維圖，列出常見的含硫物質(zhì)，這是因?yàn)榱蚣捌浠衔锸潜匦揠A段重點(diǎn)學(xué)習(xí)的核心元素；44人能根據(jù)SO2的性質(zhì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，僅有一位學(xué)生給出錯(cuò)誤的反應(yīng)原理（設(shè)計(jì)的反應(yīng)原理為：CuO+SO2 == Cu+SO3），其中38人能同時(shí)從價(jià)-類兩個(gè)維度設(shè)計(jì)SO2的轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)的原理主要有以下三類：①SO2與堿溶液[NaOH、Ba（OH）2]反應(yīng)；②SO2與氧化劑反應(yīng)（KMnO4、Cl2、I2、H2O2）；③SO2與還原劑反應(yīng)（H2S），其余7人僅能從其中一個(gè)維度認(rèn)識SO2的性質(zhì)。對于定量測量方法的選擇，絕大多數(shù)同學(xué)選擇了沉淀法和滴定法（分別為用NaOH溶液滴定葡萄酒、用碘水/高錳酸鉀溶液滴定葡萄酒），沉淀法是初中重點(diǎn)學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)方法，而滴定實(shí)驗(yàn)是高中重點(diǎn)學(xué)習(xí)的定量分析實(shí)驗(yàn)。

4.2 師生展示、評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案（第一課時(shí)）

師：要測量葡萄酒中SO2含量需要經(jīng)歷哪些步驟？

【師生拆分學(xué)習(xí)任務(wù)】需要經(jīng)歷“查閱資料（已完成）→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（已完成）→評價(jià)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案→實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案→處理數(shù)據(jù)→ 得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論”等多個(gè)環(huán)節(jié)。

師：展示典型的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生分小組討論，對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評價(jià)并優(yōu)化（詳見表2）。

師：大家認(rèn)為方案4比較合理，但查閱資料發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室或食品檢測中心并不采用沉淀重量分析法，為什么？

生：疑惑不解

師：我國規(guī)定葡萄酒中總SO2含量上限為250 mg/L（即4×10-3 mol/L）（分析化學(xué)根據(jù)被測組分的含量不同劃分為常量成分（>１%）、微量成分 （0.01%～1%）和痕量成分 （<0.01%）的分析[9]，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)SO2屬于葡萄酒中的微量成分）。因此將SO2導(dǎo)出后氧化，再加入BaCl2溶液也難以將微量的SO2 4全部沉淀；其次，生成的沉淀表面常吸附有雜質(zhì)離子（共沉淀和后沉淀現(xiàn)象[9]），從而使測得的沉淀質(zhì)量產(chǎn)生誤差；最后，在實(shí)際操作過程中，沉淀不再產(chǎn)生的現(xiàn)象難以觀察，且需經(jīng)過濾、洗滌、干燥等多個(gè)步驟才能準(zhǔn)確稱量固體質(zhì)量。用沉淀重量分析法，操作繁瑣，耗時(shí)長。綜上所述，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)還要遵循可行性原則。

師：請同學(xué)們根據(jù)上述分析對方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，設(shè)計(jì)出符合科學(xué)性、安全性、可行性和綠色化學(xué)原則的實(shí)驗(yàn)方案。

生：對方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，主要設(shè)計(jì)出如下三種方案5-7（見表3）

生：葡萄酒中含有有機(jī)酸，方案5中加熱葡萄酒并通入N2，若有機(jī)酸也會被導(dǎo)出，則用NaOH溶液滴定測量結(jié)果偏大。

師：如何使有機(jī)酸不隨SO2氣體一起導(dǎo)出呢？

【支持信息】葡萄酒中較主要的三種有機(jī)酸是琥珀酸（丁二酸）、蘋果酸（2-羥基丁二酸）、檸檬酸，其沸點(diǎn)依次為235℃、306.4℃、175℃，三種酸均可溶解在葡萄酒中[4]。

生：根據(jù)信息，加熱葡萄酒時(shí)，有機(jī)酸也會部分揮發(fā)從而使測量結(jié)果偏大。增加冷凝裝置，可以使有機(jī)酸冷凝回流，即可分離有機(jī)酸和SO2氣體。

師：很好，冷凝裝置能使有機(jī)酸回流，進(jìn)而排除干擾。

最后我們可以確定兩種實(shí)驗(yàn)方法：氧化法（方案5改進(jìn)后的部分實(shí)驗(yàn)裝置見下圖2）和直接滴定法（方案6和7）

）

4.3 實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、匯報(bào)實(shí)驗(yàn)成果（第二課時(shí)）

師：課前準(zhǔn)備好儀器和試劑；

生：45名學(xué)生分成8個(gè)小組，學(xué)生分小組完成測量實(shí)驗(yàn)，其中1～4組采用氧化法，5～8組采用直接滴定法。

師生共同討論實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題（見表4）。學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，師生共同分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表5）。

表4 實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的問題描述及解決方案

生：學(xué)生分組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)成果，重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的問題及解決方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、心得體會等。

師：引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)分析真實(shí)化學(xué)情境的一般思路和方法。

5 教學(xué)反思與改進(jìn)建議

5.1 基于真實(shí)情境的主題式學(xué)習(xí)有利于評價(jià)和發(fā)展學(xué)生的知識、能力和素養(yǎng)水平

在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和評價(jià)過程中，學(xué)生對方案的認(rèn)識經(jīng)歷以下4個(gè)進(jìn)階過程：“利用所學(xué)知識初步設(shè)計(jì)方案→根據(jù)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性、綠色化學(xué)原則篩選或修改方案→根據(jù)情境的特點(diǎn)（微量分析）考慮方案的可行性并進(jìn)一步修改→分析干擾成分，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)條件”，學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是評價(jià)其元素化合物認(rèn)識水平、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力的重要素材，而對實(shí)驗(yàn)方案的評價(jià)和完善過程則使學(xué)生的能力進(jìn)一步得到發(fā)展。從學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案初稿發(fā)現(xiàn)存在表述不規(guī)范、儀器選用不當(dāng)、裝置搭建不當(dāng)?shù)葐栴}（見圖3），因此在教學(xué)中，有必要關(guān)注和強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案表達(dá)能力。

此外，學(xué)生親歷復(fù)雜情境中的定量實(shí)驗(yàn)，能更深刻理解滴定實(shí)驗(yàn)中的條件控制，如有一組學(xué)生采用方案5測得消耗的NaOH溶液的體積為1.05mL，三組平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的絕對值之差超過平均值的20%，經(jīng)過師生討論，發(fā)現(xiàn)該組選用的NaOH溶液濃度過大導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差大，由此學(xué)生對“一般選用稀溶液進(jìn)行滴定”的條件控制有了更深刻的理解。在高三復(fù)習(xí)課中，基于真實(shí)、有意義的情境的主題式學(xué)習(xí)是評價(jià)和發(fā)展學(xué)生關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)的重要途徑。

5.2 基于真實(shí)情境的主題式學(xué)習(xí)的開放度把控

新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)基于真實(shí)情境的學(xué)習(xí)，但如何處理問題的真實(shí)性與學(xué)生可接受的真實(shí)、與中學(xué)實(shí)際條件的關(guān)系也是重要的課題。

葡萄酒中的SO2是微量成分，測量過程需要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件才能得到較精準(zhǔn)的結(jié)果，如采用的氧化法，加熱溫度、抽氣流量、抽氣時(shí)間等因素均會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[10]，國標(biāo)法規(guī)定抽氣量為1.0～1.5L/min，抽氣10min[5+7]，但由于中學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件有限，未能對真空泵的抽氣量進(jìn)行定量監(jiān)控，未能對加熱溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此數(shù)據(jù)重現(xiàn)性不夠理想，且葡萄酒的標(biāo)簽中并未標(biāo)明SO2含量，學(xué)生無法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，只能在不同小組間進(jìn)行橫向比較?；谝陨蠈?shí)際條件的限制，本課例實(shí)施過程中，側(cè)重設(shè)計(jì)、評價(jià)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、分析并解決實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的問題，而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其誤差不作過多的分析。因此主題式教學(xué)過程，教師可根據(jù)學(xué)生認(rèn)識水平、實(shí)驗(yàn)室條件等實(shí)際情況對真實(shí)情境進(jìn)行適度調(diào)控。

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