重构教材实验 提升实验素养——以“二氧化硫制备及性质的一体化微型实验”为例.pdf

第2 0 卷总第1 1 5 期中学理科园地实验教学重构教材实验提升实验素养-以“二氧化硫制备及性质的一体化微型实验”为例王冬梅（福建省龙岩市高级中学）摘要：通过对“二氧化硫性质验证”的教材分析、学情分析与实验目标分析，在传统的实验装置的基础上进行重构、创新，设计出新的实验装置，达到一体化、微型化、绿色化、多置归一，实验效果明显，并且可以推广该装置，从而培养学生的实验操作能力、创新能力、探究能力，提升实验素养，培养学科核心素养。关键词：微型化；一体化；绿色化；多置归一；二氧化硫引言为了落实对高中生化学学科核心素养的培养，在教学中以“基础性”为起点，“时代性”和“选择性”为发展体现，在实验教学中要注重培养高级思维，改变传统的实验教学中学生缺少思考，只注重动手的现状。学生要学会探究式学习建模及学会项目式学习，要以生活素材为依据，从而激发学生热爱化学。本文以福建省实验说课比赛获奖案例“二氧化硫制备及性质的一体化微型实验”为例进行分析。1使用教材分析SO,在高中是一种很重要的氧化物，本课内容选自鲁科版化学新教材第一册第三章第二节“实验室里研究不同价态硫元素之间的转化一一二氧化硫性质验证。关于SO,的学习既要体现运用的时代性和广泛性，又要能开阔学生的眼界。笔者根据教材引导学生对性质分析和实验设计,在探讨过程中发现学生对现有实验经验存在以下几个问题：(1)课堂上对二氧化硫性质实验进行探究时，为节省时间往往提前用集气瓶收集气体保存。该过程需要使用大量试剂,且往往课堂演示或分组实验现象不明显，分析是由于SO2外逸，故而不便于宏观辨识。比如，品红褪色实验。（2）二氧化硫是有毒气体，易污染环境，口实验影响师生身体健康，不符合绿色化学的理念，缺乏社会责任意识。（3）运用“发生装置+检验装置+尾气处理装置”思路组装仪器，实验装置比较复杂，不便于学生实际操作，缺乏创新意识。2学情分析已具备知识：根据“研究物质性质的两个基本角度”，学生已具有化合价角度分析和物质类别角度分析的知识储备，有很好的学习铺垫。已具备能力：实验操作能力、科学探究能力和观察分析能力。3实验教学目标宏观辨识与微观探析：通过观察实验现象，解释其原因，掌握二氧化硫的化学性质。科学探究与创新意识：能对实验设计进行改进，小组合作探究，培养实验探究能力和创新意识。科学态度和社会责任：为培养学生的创新精神和社会责任，在实验教学中要注重微型实验教学和环保意识教学的渗透。教学重点：探究二氧化硫的化学性质。教学难点：为培养学生主动探究的精神，在实验教学中培养学生对实验设计和装置的创新改进的意识。4实验器材实验仪器：针筒、具支试管、双球干燥管、气球、橡胶塞、棉花、酒精灯。实验药品：亚硫酸钠固体、7 0%的硫酸溶液、硫化钠溶液、酸性高锰酸钾溶液、品红溶液、紫色石蕊溶液、氢氧化钠溶液。5实验创新要点（1)使用实验室现有最小号仪器进行组装，实验仪器易得、便于推广，在实验中药品用量很少就能达到很好的效果，有效地解决了药品用量大的问题，实现实验装置的微型化、药品用量微量化。（2）将“发生装置+检验装置+尾气处理装置”多种装置多置归一，实现实验装置的一体化，从而解决了常规实验中装置复杂的问题。（3）整个实验过程装置密闭，且试剂用量很少，反应后用注射器注人氢氧化钠溶液吸收残留二氧化硫，从而达到有害气体的零排放。（4)运用双球干燥管凹面盛装检验试剂，棉球粘取试剂用量少，易于推广运用时更换试剂。6实验设计思路SO,是造成酸雨的元凶之一，属于大气污染物，泄露在大气中会导致许多疾病的发生，特别是会使青少年抗病能力变弱，免疫力下降。因此，在实验教学中应尽量达到污染物的零排放是实验教学的目标。SO,的性质是中学化学教学的重点，64第2 0 卷总第1 1 5 期从物质类别和中心元素化合价两个角度，引导学生分析问题并进行实验探究，主要验证SO,与水反应产物的酸性、氧化性、还原性、漂白性且可逆等。在实验室演示SO2性质时往往分步进行，显得繁琐。SO2具有污染性,因此还应考虑环境保护问题。本实验将SO2的制备、性质实验与尾气处理联合进行，实现实验装置一体化、微型化，药品用量微量化，实验现象明显，实验效果显著。实验装置简单,略去了SO,气体的收集，最后将多余的SO2气体用碱液吸收，能够很好的避免环境污染。7实验教学过程环节1：分析教材，提出问题和假设根据课本中“研究物质性质的两个基本角度”和“探究不同价态硫元素之间相互转化的思路”等方法，确定二氧化硫性质研究的两个方向：（1)物质类别：酸性氧化物性质类比二氧化碳；（2)中心元素硫元素化合价+4：具有还原性和氧化性。查阅资料：二氧化硫具有漂白性，能使品红褪色且可逆。学生根据理论分析，确定性质探究的实验方案。环节2：设计方案，实施实验学生方案：将制备得到的二氧化硫分别通入酸性高锰酸钾溶液、品红溶液、紫色石蕊溶液、硫化钠溶液中，观察对应的实验现象。根据学生的实验方案，师生共同将“一体化、微型化、绿色化、多置归一”确定为本次实验装置设计改进的方向。学生利用现有的实验知识，根据设定的实验装置改进方向，画出了实验装置设计图，比较符合实际的实验装置设计图如图1和图2。胶头滴管五一橡胶塞气球一一具支试管图1教师指导学生根据实际情况将实验装置图进行组装，引导学生根据反应特点，分析更合适的实验装置：注射器能有效控制反应速率更合适本实验。仪器主要由具支试管、注射器、气球组成。用细铁丝固定四个棉球，在棉球上分别滴加品红溶液、紫色石蕊溶液、高锰酸钾溶液、硫化钠溶液，然后将棉球组合放于试管中。学生运用本实验装置进行初次实验，实验现象明显，分别是品红溶液褪色、紫色石蕊溶液变红、高锰酸钾溶液褪色、沾有硫化钠溶液棉球出现少许黄色，而且药品使用量很少，反应后只需更换注射器，加人氢氧化钠溶液就可对残留二氧化硫进行处理。学生对实验进行分析后，发现该实验装置存在以下三个问题：65中学理科园地（1）“二氧化硫的漂白性在加热条件下可逆”在该实验中没有得到验证。(2)有些同学的二氧化硫与硫化钠反应的实验现象不明显，可能是棉球上吸附的硫化钠的量较少导致。（3)注射器针筒不长，无法插入试管底部，导致注射硫酸时不小心会粘在棉球上，影响实验结果，以及在反应时液体伴随气体溅起影响实验结果。环节3：获取证据，装置优化为了能更好地完成实验内容达到预期的目标，建议学生查阅文献寻找思路。文献中显示，有人改进了二氧化硫漂白性可逆特点的检验，但装置一体化无法实现；有些人设计的实验装置比较复杂，不便于操作，虽然整套装置能实现我们预期的实验改进目标；于是有学生设计出了更简洁如图3 的实验装置。图3 装置优化设计图学生自述该设计主要将大试管底部弯曲，试管中上部有3个凹槽。弯曲尾部用于SO,的制取，而检验SO2性质的试剂分别放于试管中上部的凹槽部位。笔者根据设计图明确指出该实验设计存在的几个问题：（1)发生装置不方便添加液体药品；(2)进行尾气处理需去除瓶塞导致少量二氧化硫外逸；(3)大试管弯曲,以及凹槽处理都需要玻璃工,而高中生没办法达到这么高程度的玻璃工制作。注射器环节4：确定实验装置MM橡胶塞气球寸具支试管图2实验教学实验仪器：针筒、具支试管、双球干燥管、气球、橡胶塞、棉花、酒精灯。实验药品：亚硫酸钠固体、7 0%的硫酸溶液、硫化钠溶液、酸性高锰酸钾溶液、品红溶液、紫色石蕊溶液、氢氧化钠溶液。学生经历多次改进，最终确定实验装置如图4 所示。图4 实验装置图实验步骤：(1)检查装置气密性：用橡胶塞塞住具支试管，再用酒精第2 0 卷总第1 1 5 期灯加热，双球干燥管末端放人水中，有连续气泡产生，则装置气密性良好。（用加热法进行气密性检测）(2)在试管中装入亚硫酸钠；注射器中分别装好硫酸并组装好；另一支注射器装好氢氧化钠溶液；在双球干燥管大球中装品红溶液，小球中装硫化钠溶液；小棉球两个分别粘少量高锰酸钾溶液和紫色石蕊。（3)注射器缓慢地往试管中注射硫酸，观察反应现象：紫色石蕊溶液变红色、高锰酸钾溶液褪色、品红溶液褪色、硫化钠溶液出现黄色浑浊；品红溶液褪色后用酒精灯加热，观察褪色后的品红溶液现象：溶液又恢复红色。(4)用另一注射器往装置中注射氢氧化钠溶液进行尾气处理。环节5：实验装置的扩展应用改进后的实验装置实现了验证二氧化硫的制备及性质一体化实验，效果很好；只要对棉球、双球干燥管中试剂进行更换，装置就能推行到其他气体的制备及性质实验中，如表1所列的氯气、氨气、乙炔等。8实验成效评论（1)实验装置简单一体化：二氧化硫的制取，酸性、氧化性、还原性、漂白性及二氧化硫漂白品红的可逆性等一系列性质的考证，该一体化装置几分钟内就可完成，实验现象前后颜色对比明显。(2)实验装置，微型试剂用量微量：该实验使用实验室现中学理科园地气体ASO270%硫酸亚硫酸钠紫色石蕊钾溶液酸性高锰酸淀粉碘化钾Cl2浓盐酸高锰酸钾紫色石蕊钾溶液湿润的红色NH浓氨水乙炔饱和食盐水碳化钙钾溶液有的最小号仪器，组装实验装置微型化；检验试剂放于干燥管双球内或用棉花蘸取实验试剂，试剂用量符合微量化。（3）实验过程绿色环保：该实验能实现有毒气体的零排放，符合绿色环保要求。在密闭的实验装置中用注射器向装置内输人少量的氢氧化钠溶液，就可以对尾气进行处理，防止有毒气体外逸。(4)普适性：该装置也可以推广到其他气体的制取和性质实验中，该装置成本便宜，有益于推广。9结束语本次实验探究以硫元素不同价态相关物质性质的知识为基础，以课本中学生设计实验为切入点，发现问题，并以探究的方法，不断引导学生改进实验方案，培养学生的创新能力；实验现象明显，符合绿色环保要求，使得实验更加科学、严谨；整个实验过程操作简单，实验安全性高，值得推广，达到预期设定的教学目标。实验教学表1BC生石灰酚酞石蕊试纸酸性高锰酸溴水D酸性高锰酸硫化钠溶液品红溶液红墨水溶液/EF66