基于科學(xué)探究與科學(xué)論證思想的“濃硫酸性質(zhì)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

武光榮

摘要：從強(qiáng)調(diào)知識的內(nèi)容取向到獲取知識的科學(xué)探究過程的轉(zhuǎn)變是現(xiàn)代理科教學(xué)的一個(gè)重要特征。調(diào)動(dòng)學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)論證的積極性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與科學(xué)論證的能力和素養(yǎng)，是現(xiàn)代化學(xué)教學(xué)的要求。以“濃硫酸性質(zhì)”這一教學(xué)內(nèi)容為基點(diǎn)，以科學(xué)推測和科學(xué)論證為核心觀念，進(jìn)行“濃硫酸性質(zhì)”的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；科學(xué)論證；硫酸；發(fā)散思維；動(dòng)手能力

文章編號：1008-0546（2016）09-0069-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.024

高中化學(xué)新課標(biāo)中要求培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思想方法和探求科學(xué)真理的精神?？茖W(xué)探究一般分為八個(gè)連續(xù)環(huán)節(jié)，即提出問題→猜想與假設(shè)→制定計(jì)劃（或設(shè)計(jì)方案）→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→收集證據(jù)→解釋與結(jié)論→反思與評價(jià)→拓展與遷移。八個(gè)要素中“設(shè)計(jì)方案”、“進(jìn)行試驗(yàn)”、“收集證據(jù)”、“解釋與結(jié)論”實(shí)際是科學(xué)論證的過程，科學(xué)論證是探究學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，國際組織OECD自1997年起籌劃的全區(qū)性PISA項(xiàng)目一直關(guān)注科學(xué)素養(yǎng)的三個(gè)維度：運(yùn)用科學(xué)知識解釋科學(xué)現(xiàn)象的能力；辨識問題形成科學(xué)議題的能力；根據(jù)證據(jù)獲得結(jié)論的科學(xué)論證能力?？茖W(xué)論證能力作為學(xué)生的高階思維技能，培養(yǎng)和提升學(xué)生的論證能力應(yīng)當(dāng)是中國化學(xué)教育研究的重要課題。

除了對論證過程進(jìn)行“反思與評價(jià)”提出改進(jìn)意見外還應(yīng)進(jìn)一步發(fā)散思維，進(jìn)行知識遷移，以達(dá)到提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)、觀察、分析、思維及解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐和應(yīng)用能力。在“猜想與假設(shè)”過程中要多維度發(fā)散思維，發(fā)散不是天馬行空，而是在對物質(zhì)聯(lián)系充分認(rèn)識后，依其客觀規(guī)律有的放矢的發(fā)散。中學(xué)化學(xué)的許多內(nèi)容蘊(yùn)含著富有發(fā)散思維和創(chuàng)新意識的因素和材料。教師應(yīng)充分利用學(xué)科的特點(diǎn)，尋找發(fā)散點(diǎn)，設(shè)計(jì)出帶啟發(fā)性或質(zhì)疑性的問題，目的是創(chuàng)設(shè)新異的思維情境，為激發(fā)學(xué)生的思維提供靈活的素材，促使學(xué)生積極提問，讓學(xué)生經(jīng)過思考、分析、比較來加深對知識的理解。

教學(xué)中筆者以滬科版高中一年級“濃硫酸的性質(zhì)”實(shí)踐了“提出問題→運(yùn)用發(fā)散思維做出假設(shè)→科學(xué)論證→交流與評價(jià)→發(fā)散與遷移”的教學(xué)方法。通過蔗糖與濃硫酸實(shí)驗(yàn)探究，分析蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的本質(zhì)，將濃硫酸的吸水性、脫水性與濃硫酸與非金屬炭的反應(yīng)三方面內(nèi)容有機(jī)結(jié)合在一起，從而揭示濃硫酸的吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性的核心所在。

一、教材中蔗糖與濃硫酸的演示實(shí)驗(yàn)分析及改進(jìn)

對于蔗糖與濃硫酸的實(shí)驗(yàn)，高中課本上的演示實(shí)驗(yàn)是在燒杯中進(jìn)行的，主要是為了證明濃硫酸的脫水性，在講述濃硫酸的氧化性時(shí)采用的是銅、木炭與濃硫酸的反應(yīng)，而且只給出了方程式。而在蔗糖與濃硫酸的實(shí)驗(yàn)中不僅反映了濃硫酸的脫水性，同時(shí)濃硫酸繼續(xù)與脫水后產(chǎn)生的炭反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體和“白霧”。在演示課本實(shí)驗(yàn)時(shí)有的學(xué)生看完實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就結(jié)束了，以為已經(jīng)完成了學(xué)習(xí)任務(wù)，而有的同學(xué)會繼續(xù)追問為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象？產(chǎn)生的氣體和“白霧”是何種物質(zhì)？在演示實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的氣體量大，刺激性氣味在一定程度上影響學(xué)生健康，污染空氣，以學(xué)生的好奇心為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生通過“根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測產(chǎn)物→選取檢驗(yàn)試劑→確定驗(yàn)證順序→確定儀器→組裝儀器→通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證產(chǎn)物”。

二、教學(xué)目標(biāo)構(gòu)建

1. 知識層面

學(xué)生在初中學(xué)習(xí)《常見的酸——硫酸》基礎(chǔ)上，對其物理性質(zhì)和吸水性、脫水性已經(jīng)有了一定的了解。硫酸中的硫元素處于最高價(jià)態(tài)，在濃硫酸中主要以硫酸分子的形式存在，這就決定了它有別于稀硫酸的性質(zhì)即它的特性，在特性中，強(qiáng)氧化性又是一個(gè)非常典型的重要性質(zhì)，硫酸是強(qiáng)氧化性酸的代表，所以這部分內(nèi)容既是重要的基礎(chǔ)知識，又具有承上啟下的重要作用。由此確定知識層面的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）回顧稀硫酸的性質(zhì)。

（2）理解濃硫酸吸水性、脫水性、強(qiáng)氧化性的特性。

2. 方法層面

通過分析課本演示實(shí)驗(yàn)，找出演示實(shí)驗(yàn)的不足，發(fā)散思維，尋找解決方案，通過濃硫酸的性質(zhì)探究，認(rèn)識研究物質(zhì)的方法——結(jié)構(gòu)分析、推測可能的性質(zhì)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象、分析現(xiàn)象、得出結(jié)論，再辯證的分析結(jié)論的適用范圍；學(xué)習(xí)運(yùn)用比較、歸納和概括等方法對獲取的信息進(jìn)行加工的能力。由此確定方法層面的教學(xué)目標(biāo)：

一是從綠色化學(xué)角度考慮，如何使課本演示實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的氣體污染降到最低。二是應(yīng)用氧化還原理論、得失電子守恒理論、原子守恒理論推測、假設(shè)產(chǎn)物。三是選取試劑、組裝儀器，通過科學(xué)論證的方法對假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。四是通過探究和論證，掌握一般探究和論證的方法。

3. 觀念層面

引導(dǎo)學(xué)生從量變引起質(zhì)變角度，加深對自然辯證法的認(rèn)識；通過濃硫酸的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的安全意識和環(huán)保意識，通過實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、動(dòng)手能力、思維能力和創(chuàng)造能力。

三、教學(xué)主題與過程設(shè)計(jì)

圍繞“濃硫酸的性質(zhì)”，形成以下三個(gè)主題。

主題一：演示課本實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何充分發(fā)揮綠色化學(xué)原則，將污染降至最低？

在演示課本實(shí)驗(yàn)時(shí)蔗糖溶液變成黃色后有氣泡冒出，溶液由下至上，由中間向四周涌上變黑后緩慢膨脹并在燒杯內(nèi)形成黑色疏松多孔的海綿狀的炭，并且該海綿狀的炭充滿整個(gè)燒杯，同時(shí)產(chǎn)生大量的刺激性氣味氣體和“白霧”。如何使實(shí)驗(yàn)處于氣密性較好的環(huán)境下進(jìn)行，使產(chǎn)生的氣體封閉在一定空間內(nèi)進(jìn)行吸收？

主題二：如何推測產(chǎn)生的黑色物質(zhì)、刺激性氣味氣體、“白霧”為何物質(zhì)，如何進(jìn)行科學(xué)論證？

在該主題的引導(dǎo)下，根據(jù)原子守恒、得失電子守恒、化合價(jià)變化規(guī)律等思想推測產(chǎn)物，運(yùn)用已學(xué)知識根據(jù)產(chǎn)物的特性制定科學(xué)、合理的方案進(jìn)行科學(xué)論證。

主題三：實(shí)驗(yàn)探究方案是否完善？有哪些可以推廣和知識遷移？

根據(jù)化合價(jià)變化規(guī)律推測還可能有何種物質(zhì)產(chǎn)生？本套實(shí)驗(yàn)裝置還可應(yīng)用到哪些方面？

主題一：在演示課本實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何充分發(fā)揮綠色化學(xué)原則，將污染降至最低？

[問題引導(dǎo)]同學(xué)們聞到了刺激性的氣味，老師趕緊把教室門窗打開通風(fēng)，同學(xué)們有沒有辦法讓這些氣體不要擴(kuò)散出來？

[交流討論]用紙箱扣起來；放到大容器里加水淹沒……

[演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)]盛有蔗糖的100mL燒杯A，旁邊放置另一個(gè)盛有溶液的100mL燒杯B，圓水槽中間打一個(gè)洞，倒扣在A、B兩個(gè)燒杯上，用注射器吸取10mL濃硫酸，推入蔗糖中，用帶有橡膠塞的玻璃棒攪拌，將帶有玻璃棒的橡膠塞塞入圓水槽的孔中，靜置，觀察現(xiàn)象。

[設(shè)置懸疑] 請同學(xué)們思考為什么放置溶液B在旁邊？有什么作用？

主題二：如何推測產(chǎn)生的黑色物質(zhì)、刺激性氣味氣體、“白霧”為何物質(zhì)，如何進(jìn)行科學(xué)論證？

[問題引導(dǎo)]雪白的蔗糖變成黑色的“面包”，這黑色物質(zhì)是什么？

[理論分析]蔗糖的分子式C12H22O11，也可簡寫為C12（H2O）11稱為碳水化合物，在濃硫酸作用下H、O元素以2：1即H2O的形式脫去，體現(xiàn)了濃硫酸的脫水性。

[推論]黑色物質(zhì)為炭，猶如“雪”中送來了“炭”。

[問題引導(dǎo)]蔗糖遇濃H2SO4炭化，生成的炭體積膨脹為疏松多孔狀，在生活中，我們做面包或者做蛋糕，是通過發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w使體積膨脹，本實(shí)驗(yàn)中是炭和濃硫酸繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)使體積膨脹，說明也有氣體產(chǎn)生，同時(shí)也聞到了刺激性氣味，那么產(chǎn)生的刺激性氣體的氣體是什么？為什么產(chǎn)生白霧？

[思維發(fā)散]從元素化合價(jià)升降、得失電子守恒角度發(fā)散思維，濃硫酸中大多以硫酸分子形式存在，+6價(jià)的S元素處于最高價(jià)，具有強(qiáng)氧化性，而C具有還原性。C元素可以升高4價(jià)，生成CO2，+6價(jià)的S元素化合價(jià)降低2，生成SO2，所以會膨脹，同時(shí)根據(jù)原子守恒，還有H2O生成，SO2溶于H2O生成H2SO3形成“酸霧”。

[問題引導(dǎo)] 經(jīng)過思維發(fā)散，推斷出產(chǎn)物中含有CO2、SO2、H2O，如何驗(yàn)證同學(xué)們的推斷是正確的？選取哪些實(shí)驗(yàn)藥品及儀器？檢驗(yàn)的先后順序是否會相互影響或干擾呢？

[科學(xué)論證]

方案討論：

（1）實(shí)驗(yàn)藥品的選?。河闷芳t溶液檢驗(yàn)SO2，用酸性KMnO4吸收SO2，用澄清石灰水檢驗(yàn)CO2，用無水CuSO4檢驗(yàn)H2O。

（2）檢驗(yàn)順序：先檢驗(yàn)水，因?yàn)楹罄m(xù)的檢驗(yàn)會帶出水分，然后檢驗(yàn)SO2，因?yàn)镾O2也會使澄清石灰水變渾濁，會干擾CO2的檢驗(yàn)，最后檢驗(yàn)CO2。

儀器選?。?/p>

發(fā)生裝置：因?yàn)槭钦崽桥c濃硫酸反應(yīng)，所以選取固-液-不加熱裝置，用球形管盛放無水CuSO4，如果變藍(lán)說明有H2O生成，選取具支試管盛放品紅溶液檢驗(yàn)SO2，如果品紅溶液褪色，說明有SO2存在，用洗氣瓶盛放酸性KMnO4溶液吸收SO2，用具支試管盛放品紅溶液檢驗(yàn)SO2是否吸收完全，如果品紅溶液不褪色，說明SO2已被吸收完全，消除了SO2對CO2檢驗(yàn)的干擾，選取具支試管盛放澄清石灰水檢驗(yàn)CO2，最后還需要進(jìn)行尾氣處理，選用NaOH溶液。

實(shí)驗(yàn)裝置搭建

選用鐵架臺、泡沫板固定實(shí)驗(yàn)儀器，如圖所示：

進(jìn)行試驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)事實(shí)：首先澄清石灰水變渾濁，之后第一個(gè)品紅溶液褪色，酸性KMnO4溶液顏色變淺，第二個(gè)品紅溶液沒有褪色，同時(shí)觀察到無水CuSO4變藍(lán)。

得出結(jié)論：蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)物中含有CO2、SO2、H2O。

[解疑] 主題一小燒杯中的溶液是哪種溶液？是NaOH溶液，用于吸收產(chǎn)生的SO2氣體。

主題三：實(shí)驗(yàn)探究方案是否完善？可以進(jìn)行哪些推廣和知識遷移？

根據(jù)化合價(jià)變化規(guī)律推測還可能有何種物質(zhì)產(chǎn)生？本套實(shí)驗(yàn)裝置還可應(yīng)用到哪些方面？

[問題引導(dǎo)]C元素化合價(jià)有沒有可能升高2價(jià)生成CO？如何驗(yàn)證？

[討論交流] 根據(jù)C元素化合價(jià)有可能生成CO，濃硫酸干燥后可以通過盛有灼熱的CuO的硬質(zhì)玻管和澄清石灰水，如果CuO變成紅熱的Cu，同時(shí)澄清石灰水變渾濁，證明生成產(chǎn)物中含有CO。

[發(fā)散與遷移]這套裝置還可以用于哪些實(shí)驗(yàn)？

[思考與討論]氣體的制備與性質(zhì)檢驗(yàn)相關(guān)物質(zhì)。

[得出結(jié)論]SO2、H2S、Cl2的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

[歸納總結(jié)]

通過改進(jìn)蔗糖與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)原則，將污染降至最低。通過“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測產(chǎn)物→選取檢驗(yàn)試劑→確定驗(yàn)證順序→確定儀器→組裝儀器→驗(yàn)證產(chǎn)物”成功論證了同學(xué)們的推測和假設(shè)。從宏觀上感受到了濃硫酸的吸水性、脫水性和氧化性。蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)，不僅體現(xiàn)了脫水性，同時(shí)還體現(xiàn)了吸水性和強(qiáng)氧化性。

通過直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推測產(chǎn)物及發(fā)生過程，邏輯推理思維，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。通過濃硫酸和稀硫酸性質(zhì)的比較，引導(dǎo)學(xué)生從量變引起質(zhì)變角度，加深了對自然辯證法的認(rèn)識；通過濃硫酸的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)了學(xué)生的安全意識和環(huán)保意識，通過實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神、動(dòng)手能力、思維能力和創(chuàng)造能力。

5. 作業(yè)設(shè)計(jì)

改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)裝置，論證蔗糖與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)物中是否存在CO。

濃硫酸與金屬反應(yīng)是否會放出氫氣？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)論證？

感謝復(fù)旦附中本部化學(xué)教研組全體老師，特別感謝楊海艷老師、吳方平老師、曾德琨老師的指導(dǎo)，感謝陸俊毅老師提供實(shí)驗(yàn)用品。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭冰.新課程標(biāo)準(zhǔn)下化學(xué)教學(xué)策略的實(shí)踐與研究[J].教學(xué)實(shí)踐研究，2012，11：243-244

[2] 冀向飛.淺談濃硫酸與蔗糖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中忽視的問題及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].中國校外教育，2012，10：53-54

[3] 謝吉麟，周鵬.濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究——實(shí)驗(yàn)型研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育，2005，（5）：34-35

[4] 康戈莉.發(fā)散思維和斂聚思維在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2003，19：46-47

[5] 畢華林，杜明成.基于化學(xué)基本觀念構(gòu)建的教科書設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育，2007，（10）：11-13