方建麗

(浙江省杭州師范大學(xué)附屬未來科技城學(xué)校)

1.項(xiàng)目由來

1.1 素養(yǎng)要求分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)中建議化學(xué)教學(xué)要發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),倡導(dǎo)問題情境真實(shí)化,教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化,學(xué)生活動探究化,挖掘化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,倡導(dǎo)關(guān)注社會爭議性熱點(diǎn),增強(qiáng)學(xué)科認(rèn)同感。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)(Project-based learning,PBL)讓學(xué)生在真實(shí)的問題情境中進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)踐,是促進(jìn)核心素養(yǎng)融合發(fā)展的有效教學(xué)方式。

1.2 最近發(fā)展區(qū)分析

對于高一學(xué)生,在完成硫、氮元素及其化合物的學(xué)習(xí)后,已具備判斷常見物質(zhì)的類別及例舉其化學(xué)性質(zhì)的能力,具備了基本的氧化還原反應(yīng)基礎(chǔ)知識,了解常見非金屬及其化合物性質(zhì),并對物質(zhì)轉(zhuǎn)化的基本思想有了淺層認(rèn)知,但思維方式較為零散或片段化,對物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律認(rèn)知不夠全面與系統(tǒng)。學(xué)生在真實(shí)情境中,面對復(fù)雜問題時,缺乏從陌生信息中提取有效信息的思維模型與能力,缺少科學(xué)探究的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合學(xué)生具體情況,在實(shí)際教學(xué)中,要注意結(jié)合生活中的實(shí)際問題,引導(dǎo)學(xué)生從轉(zhuǎn)化角度認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì),基于類別、價態(tài)、條件、用量等多角度認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)、轉(zhuǎn)化與應(yīng)用相關(guān)問題,進(jìn)一步落實(shí)獨(dú)立的方程式書寫及進(jìn)階——價—類二維知識的網(wǎng)絡(luò)化模型建構(gòu),用化學(xué)視角解決學(xué)習(xí)或生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題,提升宏觀辨識、變化觀念、證據(jù)推理、模型認(rèn)知、科學(xué)探究、社會責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.3 社會實(shí)際需求

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高,國民們越來越重視食品安全,但因一些不法分子的違法添加,大多數(shù)人對食品添加劑存在偏見,認(rèn)為其存在都是有害的。然而食品添加劑是為改善食品品質(zhì)和色、香、味,以及為防腐和加工工藝的需要而加入食品中的化學(xué)合成或天然物質(zhì),國家明確規(guī)定其種類、范圍、用量等,確保其功效性與安全性,故教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識其正向作用,理性看待合法添加,能用化學(xué)知識捍衛(wèi)自身權(quán)益,從化學(xué)人的視角辯證性看待社會熱點(diǎn)問題,挑起科普大梁。

基于以上需要,筆者以“解密食品級添加劑”項(xiàng)目為課題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)踐活動,構(gòu)建物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的思維模型,提升信息處理與實(shí)際問題解決能力,發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.項(xiàng)目規(guī)劃

2.1 項(xiàng)目目標(biāo)制訂

能基于物質(zhì)類別及熟悉物質(zhì),對陌生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化提供等價物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的思路;能基于氧化還原反應(yīng),對陌生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化提供變價物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的思路;初步感受反應(yīng)條件與用量對物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響。通過學(xué)生對Na2SO3檢驗(yàn)方案原理的設(shè)計(jì),診斷其對應(yīng)用物質(zhì)類別分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知水平;通過學(xué)生對Na2SO3還原性與氧化性實(shí)驗(yàn)方案原理的設(shè)計(jì),診斷其對應(yīng)用氧化還原反應(yīng)分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知水平。

能在預(yù)測物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上,具備基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力與評價能力,能夠結(jié)合原理選擇合適試劑與步驟,并能夠預(yù)測、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論,構(gòu)建含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)體系;經(jīng)歷方案的設(shè)計(jì)、沖突、改進(jìn),增加方案設(shè)計(jì)與評價的角度與深度。通過學(xué)生對陌生含硫物質(zhì)性質(zhì)預(yù)測及實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施,診斷學(xué)生分析處理陌生信息的能力、實(shí)驗(yàn)探究創(chuàng)新能力和模型建構(gòu)與應(yīng)用的能力;通過學(xué)生對Na2SO3制備方案的設(shè)計(jì)與完善,診斷學(xué)生科學(xué)探究能力與創(chuàng)新水平。

通過對生活中的食品添加劑質(zhì)檢的任務(wù),學(xué)會用化學(xué)視角看待生活中的問題,運(yùn)用化學(xué)知識理性解決生活中的偏見,增強(qiáng)化學(xué)科普自豪感與責(zé)任意識。通過對食品添加劑含量檢測方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施,診斷學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任認(rèn)知水平。

2.2 項(xiàng)目過程設(shè)計(jì)

3.項(xiàng)目實(shí)踐過程

3.1 成分揭秘

【問題】從網(wǎng)上購得一包食品級漂白劑,已知為純凈物,但包裝上并未指明其成分,究竟為何種物質(zhì)呢?請同學(xué)們通過觀察實(shí)物,進(jìn)行討論。

【生1】具有漂白性的物質(zhì)有氯水、SO2、H2O2、Na2O2、NaClO、Ca(ClO)2……

【生2】拆開包裝,可以看到該漂白劑為白色固體,根據(jù)其顏色、狀態(tài),可以排除氯水、SO2、H2O2、Na2O2。

【資料查閱】食品級漂白劑指能夠使食物色澤褪去或者避免食品褐變的一類添加劑。按其作用機(jī)理分為還原型漂白劑和氧化型漂白劑,還原型漂白劑在果蔬加工中應(yīng)用較多,以亞硫酸相關(guān)產(chǎn)品為主,氧化型漂白劑在食品中應(yīng)用極少。

【生】根據(jù)資料卡,預(yù)測該漂白劑為亞硫酸鹽,如亞硫酸鈉等。

【師】已知亞硫酸鹽與碳酸鹽在轉(zhuǎn)化時有一定的相似性,請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證。

【生1】先將該食品級漂白劑溶于水,取待測液加入適量鹽酸,預(yù)測有氣泡產(chǎn)生。

演示實(shí)驗(yàn)……

【師】未觀察到明顯氣泡現(xiàn)象的原因可能是?

【生2】SO2易溶于水。

【師】如何證明生成了SO2?

【生3】聞到了刺激性氣味,應(yīng)該是生成了SO2。

【師】有一些同學(xué)注意到了刺激性氣味氣體的產(chǎn)生,因此在完成該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時,我們還應(yīng)注意什么呢?

【師】能否通過沉淀法檢驗(yàn)亞硫酸鹽呢?

【生】可向該溶液中加入氯化鋇,若產(chǎn)生白色沉淀,繼續(xù)加入鹽酸,沉淀溶解,且聞到刺激性氣味,證明是亞硫酸鹽。

【師】請同學(xué)們按照方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【師】通過觀察,我們發(fā)現(xiàn)加酸后沉淀大部分溶解,同時聞到刺激性氣味。

【小結(jié)】

設(shè)計(jì)意圖:以熟悉的碳酸鹽的性質(zhì)為基礎(chǔ),引導(dǎo)學(xué)生從類別角度分析陌生物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化。通過物質(zhì)性質(zhì)分析及實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與預(yù)測,提升學(xué)生變化觀念與科學(xué)探究能力。從鹽到酸到氧化物、氧化物到鹽的轉(zhuǎn)化,回顧常見物質(zhì)類別之間的轉(zhuǎn)化,并通過現(xiàn)象與認(rèn)知的沖突,重視用量對物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的影響。

3.2 功效探究

【師】上述實(shí)驗(yàn)中,不溶于酸的白色沉淀是什么?如何產(chǎn)生的?

【師】因此,我們可以推測Na2SO3具有什么性質(zhì)?

【生】還原性。

【師】請結(jié)合試劑清單,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,驗(yàn)證Na2SO3的還原性。

【生】取適量KMnO4溶液(或碘水)于試管,滴加適量Na2SO3溶液,若溶液顏色褪去,則Na2SO3具有還原性。

【師】請同學(xué)們按照方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【師】Na2SO3還可能實(shí)現(xiàn)哪些變價間的轉(zhuǎn)化呢?

【生】Na2SO3中S化合價可以降,可能具有氧化性。可取適量Na2SO3溶液于試管,滴加適量Na2S溶液,預(yù)測出現(xiàn)淡黃色沉淀。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【師】并未出現(xiàn)理想現(xiàn)象,結(jié)合學(xué)過的體現(xiàn)二氧化硫氧化性的化學(xué)方程式,判斷可能缺少了什么呢?

【生】可能缺少H+,可嘗試滴加少量硫酸。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【小結(jié)】等價態(tài)含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化,可運(yùn)用物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化規(guī)律分析;變價態(tài)含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化,可運(yùn)用氧化還原反應(yīng)規(guī)律分析。此外,還需結(jié)合實(shí)際反應(yīng),綜合考慮反應(yīng)條件及試劑用量。

設(shè)計(jì)意圖:抓住實(shí)驗(yàn)中的意外現(xiàn)象,引出含硫物質(zhì)變價轉(zhuǎn)化分析思路,進(jìn)一步考查學(xué)生試劑選擇與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)水平,通過方程式的書寫,診斷學(xué)生化學(xué)語言表征水平。在真實(shí)情境中,利用熟悉元素、陌生物質(zhì),完善氧化還原反應(yīng)知識體系,應(yīng)用認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的價態(tài)規(guī)律,構(gòu)建不同含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化思維圖,診斷學(xué)生變化觀念、證據(jù)推理等學(xué)科素養(yǎng)水平。

3.3 制備研發(fā)

【師】在日常生產(chǎn)生活中,Na2SO3可用作人造纖維穩(wěn)定劑、織物漂白劑、照相顯影劑、染漂脫氧劑、香料和染料還原劑、造紙木質(zhì)素脫除劑等,用途廣泛。假如你是生產(chǎn)商,你會采取怎么樣的工業(yè)流程制備Na2SO3呢?能否從產(chǎn)品純度、經(jīng)濟(jì)效益、綠色化學(xué)等角度對可行性方案進(jìn)行優(yōu)劣分析及方案改進(jìn)?

【生1】向NaOH中通入SO2(方案1)。

【師】每種方案各有其優(yōu)缺點(diǎn),同學(xué)們需要從多角度綜合分析,辯證性對物質(zhì)制備流程進(jìn)行改進(jìn)。此外,在實(shí)際工業(yè)中為使方案3中的反應(yīng)順利發(fā)生,我們還需控制SO2或NaHSO3用量,在部分環(huán)節(jié)中通過加熱促使CO2溢出,這就是工業(yè)制備Na2SO3常用方法之一——純堿法。

我們考慮了用更經(jīng)濟(jì)的Na2CO3替代NaOH,那么,能否從更加便宜、易得的飽和食鹽水出發(fā)呢?請同學(xué)們選擇合適的試劑,設(shè)計(jì)工業(yè)流程制備Na2SO3(可參考侯氏制堿法的流程)。

【生1設(shè)計(jì)方案展示】

【師】在候氏制堿法中我們強(qiáng)調(diào)氣體的通入順序?yàn)橄萅H3再CO2,但在實(shí)際生產(chǎn)中,某工廠在制備Na2SO3時卻先通SO2,再通NH3,流程圖如圖所示,請思考原因?

【生】SO2可溶于水,在保證一定的吸收量的同時,該方法可直接生成并析出Na2SO3,使步驟更精簡。

【小結(jié)】

設(shè)計(jì)意圖:以Na2SO3制備的工業(yè)需求為真實(shí)情境,利用已學(xué)知識對Na2SO3的制備進(jìn)行方案設(shè)計(jì),進(jìn)一步利用物質(zhì)類別完善Na2SO3相關(guān)轉(zhuǎn)化的網(wǎng)絡(luò)體系,通過對比不同方案中原料、條件、步驟順序等差異,學(xué)會評價物質(zhì)制備流程的一般思路,診斷學(xué)生模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度等學(xué)科素養(yǎng)水平。

3.4 定量質(zhì)檢

【師】Na2SO3可作為食品級還原性漂白劑,對食品有漂白或護(hù)色作用,但其用量必須符合食品安全國家標(biāo)準(zhǔn),例如蜜餞最大使用量為2.0 g/kg,糖果、竹筍、蘑菇等最大使用量為0.60 g/kg。因此,在生活中,我們還應(yīng)關(guān)注食品添加劑的定量分析,請同學(xué)們從氧化還原反應(yīng)角度,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,測定銀耳浸泡液中Na2SO3的物質(zhì)的量濃度。

【師】參考上述方案,能否用I2-淀粉溶液代替KMnO4溶液進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)?

【師】在化學(xué)分析中,碘量法是測定亞硫酸鹽的常見方法之一,但在實(shí)際測定過程中,考慮到亞硫酸鹽易被氧氣氧化,因此可先加入過量I2,再通過測量該過程中反應(yīng)消耗的I2的量來計(jì)算Na2SO3含量。

在日常生活中,我們也可以通過購買亞硫酸鹽(或二氧化硫)檢測試劑檢驗(yàn)食品中的Na2SO3添加量是否合格,其原理大多為鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法。(觀看操作視頻)接下來,請同學(xué)們動手實(shí)驗(yàn),檢測某銀耳溶液中Na2SO3含量是否合格。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

設(shè)計(jì)意圖:以亞硫酸鹽的質(zhì)檢需求為情境,進(jìn)一步落實(shí)Na2SO3性質(zhì)與轉(zhuǎn)化知識網(wǎng)絡(luò)體系的完善與化學(xué)用語表征,鞏固氧化還原反應(yīng)離子方程式的書寫。結(jié)合生活中食品添加劑含量監(jiān)測的需求,鼓勵學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識解決生活問題,提高化學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)效感,提升科學(xué)探究能力,承擔(dān)社會責(zé)任,爭當(dāng)科學(xué)宣傳先鋒。

4.實(shí)踐效果與反思

4.1 以探促學(xué),以疑深習(xí)

在解密食品級添加劑項(xiàng)目中,通過各個子項(xiàng)目的層層遞進(jìn),學(xué)生在真實(shí)情境、有效任務(wù)中,反復(fù)經(jīng)歷“解決、遇阻、探索、成功”的過程,例如在Na2SO3成分揭秘方案的設(shè)計(jì)過程中,學(xué)生通過調(diào)動已學(xué)知識,能夠完成初級實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì),但在方案實(shí)踐過程中,發(fā)現(xiàn)加酸后并無明顯氣泡,再如將Na2SO3與Na2S溶液混合后并未直接出現(xiàn)預(yù)期的沉淀現(xiàn)象,學(xué)生雖然認(rèn)知受到?jīng)_突,卻調(diào)動了更大的思疑、解疑的積極性。學(xué)生在不斷思考中完善知識網(wǎng)絡(luò)體系與創(chuàng)新思維寬度和廣度,完成深度學(xué)習(xí)。通過課后調(diào)研也可得出結(jié)論:學(xué)生在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中,更易激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動機(jī),也更容易獲得學(xué)習(xí)成就感與實(shí)效感,但同時,因項(xiàng)目化學(xué)習(xí)背景更加真實(shí),情境更加復(fù)雜,對學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)水平要求也更高。

4.2 關(guān)注課堂生成,反哺課堂