用 “黑面包實驗”培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力

文/仁化縣仁化中學(xué) 李曉頔

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是高中生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了社會主義核心價值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了學(xué)生通過化學(xué)課程學(xué)習(xí)形成過的關(guān)鍵能力和必備品格。教師要如何在教學(xué)過程中尋找和發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)素材，合理設(shè)計課程實驗培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究意識與科學(xué)精神，是值得各位教師思考的問題。下面以高一新授課“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)——黑面包實驗”為例，展示在教師引導(dǎo)下，學(xué)生通過學(xué)習(xí)小組合作探究改進實驗的過程與做法，希望在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力方面能夠拋磚引玉。

一、問題提出

在中學(xué)化學(xué)中，濃硫酸是最具有代表性的氧化性酸之一，且具有許多獨特的性質(zhì)。為了更好地展示濃硫酸的三大特性：吸水性、脫水性及強氧化性，人教版 《必修1》課本中設(shè)計了一個演示性實驗：蔗糖與濃硫酸的反應(yīng) （“黑面包實驗”）來進行教學(xué)。但在實際教學(xué)中，僅僅通過課堂演示實驗或者視頻展示等教學(xué)手段無法滿足學(xué)生對此實驗的好奇心。如果能將此實驗設(shè)計成學(xué)生個人實驗，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能使學(xué)生體驗危險品使用的注意事項，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與社會責(zé)任。本文主要對實驗裝置設(shè)計、實驗產(chǎn)品檢驗及尾氣處理三個方面進行討論，并讓學(xué)生分組根據(jù)討論結(jié)果對實驗裝置進行改進，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗原理，結(jié)合SO2的性質(zhì)，利用日常生活中常見物品，自主設(shè)計實驗裝置。此過程中較好地把學(xué)生的理論知識與實踐經(jīng)驗有機地結(jié)合在一起，拓寬學(xué)生的思維空間，較好地訓(xùn)練了學(xué)生的實驗探究能力。

二、教學(xué)過程

1.“黑面包”實驗的演示與討論

教師在通風(fēng)櫥內(nèi)進行濃硫酸與蔗糖的演示實驗。該實驗的具體操作如下：在200毫升的燒杯中放入30克蔗糖，加入幾滴水，攪拌均勻，然后再加入30ml 98%的濃硫酸，迅速攪拌。此實驗反應(yīng)劇烈、現(xiàn)象十分明顯且有較強的視覺沖擊（蔗糖迅速由白變黃，然后變黑，黑色固體的體積顯著膨脹，呈疏松海綿狀），本應(yīng)能引起學(xué)生強烈的學(xué)習(xí)興趣。但做完實驗后，學(xué)生們卻議論紛紛，大失所望。

經(jīng)過學(xué)生討論，得出這個演示實驗的不足之處：①該實驗在敞口儀器 （燒杯）中進行，反應(yīng)產(chǎn)生的大量刺激性的二氧化硫等有毒氣體會直接排放到相對狹窄密閉的教室之中，污染室內(nèi)環(huán)境，危害師生身心健康。②該反應(yīng)產(chǎn)生的海綿狀的炭，體積較大，難以清洗，且在實驗中容易溢出，污染桌面，難以清理。③該反應(yīng)大量放熱，且放出大量氣體，對玻璃儀器造成較大壓力，容易導(dǎo)致玻璃儀器破裂，酸液流出，存在一定的危險性。④反應(yīng)產(chǎn)物在這個實驗中無法直接通過特征反應(yīng)進行檢測，只能憑借聞氣味的方法進行鑒別，主觀猜測性較強。

2.“黑面包”實驗裝置的改進

為了更好的演示該實驗，同時也讓學(xué)生能通過已有知識對反應(yīng)現(xiàn)象進行探究，接下來組織學(xué)生進行分組討論，針對本實驗存在的優(yōu)缺點，設(shè)計改進實驗方案。經(jīng)過小組內(nèi)討論以及小組間交流意見以后，各學(xué)習(xí)小組達成了一致的改進要求。改進要點如下：

(1)對實驗裝置的改進：①將敞口環(huán)境改為密閉環(huán)境，并進行尾氣處理，減少所產(chǎn)生氣體的污染。②減少試劑用量，減少廢棄物的產(chǎn)生，同時也降低危險性。③利用試紙對產(chǎn)生的氣體進行檢驗。④考慮采用生活中的常見物品，進行實驗，減少對儀器的后續(xù)清理操作。

(2)對實驗試劑、藥品的改進：①試劑用量：6.0g蔗糖粉末（將蔗糖研磨成粉末，可以加快反應(yīng)速率，不需要攪拌）、6ml 98%濃硫酸、1ml蒸餾水 （恰好將蔗糖粉末潤濕）②選擇藍色石蕊試紙與酸性高錳酸鉀試紙對產(chǎn)生的氣體進行檢驗。為方便放置試紙，在導(dǎo)管口附近黏上一圈雙面膠，將試紙粘在雙面膠上。③尾氣處理選擇濃NaOH溶液，以吸收產(chǎn)生的污染性氣體。

(3)對實驗步驟的改進：將6.0g蔗糖粉末倒入反應(yīng)容器中，均勻滴加約1ml蒸餾水將蔗糖粉末潤濕，然后迅速倒入6ml 98%濃硫酸，蓋上蓋子，觀察現(xiàn)象。

3.改進后的實驗展示及討論

各學(xué)習(xí)小組的學(xué)生根據(jù)討論出的改進要點，分別對實驗裝置進行改進探究，并在課堂上將改進后的實驗裝置進行介紹與實驗操作演示。

Huang等［6］發(fā)現(xiàn)足弓的正常維持63%由骨性結(jié)構(gòu)提供，其中內(nèi)側(cè)縱弓占有重要位置。Jameson等［7］認(rèn)為：足舟骨位于足弓的頂端，是內(nèi)側(cè)縱弓最重要的骨性結(jié)構(gòu)，它對足弓垂直方向應(yīng)力的維持起關(guān)鍵作用。舟骨壞死后引起足弓塌陷，足弓功能喪失，從而出現(xiàn)疼痛等癥狀。足舟骨壞死合并足弓塌陷時，頂點降低，跟骨傾斜角會相應(yīng)減小，距骨頭相對上抬，使距骨-跟骨角減小。加上患者長時間的平足負(fù)重狀態(tài)，導(dǎo)致軟組織的松弛，單純行髂骨取骨植骨、距-舟-楔關(guān)節(jié)融合術(shù)只能部分恢復(fù)足弓的高度及應(yīng)力傳導(dǎo)曲線，而不能很好的恢復(fù)跟骨傾斜角，使得足踝部生物力學(xué)有異于正常足，這可能是部分患者術(shù)后存在輕度或中度步態(tài)異常及行走疼痛的原因。

方案一：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍色石蕊試紙、蒸餾水、550ml礦泉水瓶、吸管、氣球。

實驗現(xiàn)象：蔗糖先變黃，后變黑，體積逐漸膨脹，礦泉水瓶內(nèi)壁有大量水霧產(chǎn)生，底部變形，瓶內(nèi)酸性高錳酸鉀試紙褪色、濕潤的藍色石蕊試紙變紅、氣球迅速變大，未聞到刺激性氣味氣體。

方案二：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍色石蕊試紙、濃NaOH溶液、蒸餾水、100ml錐形瓶、單孔帶導(dǎo)管橡膠塞、小燒杯、雙面膠。

圖1-1 實驗裝置示意圖 （學(xué)生手畫）

圖1-2 實驗裝置實物圖

實驗現(xiàn)象：蔗糖先變黃，后變黑，體積逐漸膨脹，酸性高錳酸鉀試紙褪色、濕潤的藍色石蕊試紙變紅、小燒杯中有大量氣泡產(chǎn)生，能聞到少量刺激性氣味。

方案三：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍色石蕊試紙、蒸餾水、浸泡過濃NaOH溶液的棉花、飲料瓶、吸管、氣球、大燒杯、雙面膠。

【學(xué)生解釋】飲料瓶有以下優(yōu)點： ①瓶身較厚，較耐高溫，安全性較好； ②瓶嘴較小，有類似奶嘴的設(shè)計，內(nèi)部有橡膠墊圈，密封性良好，且不需做太大的改動；③瓶蓋與瓶嘴之間有一定的空間，可以事先放置一團浸泡過濃NaOH的棉花團，作為后續(xù)尾氣處理。

方案四：

試劑及用品：6ml 98%濃硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高錳酸鉀試紙、藍色石蕊試紙、浸泡過濃NaOH溶液的棉花、蒸餾水、250ml許愿瓶、單孔帶導(dǎo)管木塞（許愿瓶配套）、雙面膠。

實驗裝置： （學(xué)生手畫）

實驗現(xiàn)象：蔗糖先變黃，后變黑，體積逐漸膨脹，瓶內(nèi)酸性高錳酸鉀試紙褪色、濕潤的藍色石蕊試紙變紅、未聞到刺激性氣味氣體。

待各組展示完改進后的實驗，讓學(xué)生分組討論各裝置的優(yōu)缺點，并進行交流，得出如下意見：

(1）優(yōu)點：①所有改進方案都制造了一個密閉的反應(yīng)環(huán)境，還運用了多種尾氣處理方法，大大減少了污染性氣體的排放與固體廢棄物的污染。②利用試紙對SO2進行檢驗，效果明顯。③運用了多種尾氣處理方法使用氣球收集尾氣，可以直觀的觀察到有大量氣體生成，且收集到的氣體可以用來做后續(xù)性質(zhì)檢驗實驗④操作更簡單，不需要攪拌，縮短了演示實驗的時間，也降低了危險性。⑤減少了試劑用量，降低了實驗成本 ，也減少了污染；⑥將生活中的一些廢品作為實驗替代品，變廢為寶。⑦用塑料瓶能觀察到水霧的產(chǎn)生，現(xiàn)象更明顯。⑧改進后的實驗更適合課堂演示，也適合學(xué)生實驗，達到了改進實驗的目的。

(2）缺點：方案一：要嚴(yán)格控制藥品的用量，避免礦泉水瓶熔化漏液的情況發(fā)生。方案二：由于產(chǎn)生氣體量較大，且十分快速，導(dǎo)致有少量氣體無法被完全吸收，且使用錐形瓶進行實驗，生產(chǎn)的固體炭難以清洗，容易造成儀器的浪費。 方案四：不同規(guī)格的許愿瓶質(zhì)量不同，可能會導(dǎo)致玻璃破裂的情況發(fā)生，容易造成危險；且配套的木塞需要打孔，容易導(dǎo)致漏氣等情況發(fā)生。

【歸納總結(jié)】各方案均能較好的實現(xiàn)改進要點，其中方案三能合理有效利用瓶子自身的優(yōu)點，減少了對實驗儀器的前期處理，簡單易操作，十分適合該實驗。改進后的實驗有一定的局限性，比如材料的獲取、部分材料的改造等。另外由于反應(yīng)物的用量減少，且反應(yīng)容器的容積較大，導(dǎo)致 “黑面包”膨脹過程不夠明顯。

三、教學(xué)反思與自我評價

本節(jié)課讓敞開體系中進行的快速反應(yīng)實驗，在封閉體系中進行，并由學(xué)生利用生活中隨處可見的材料，親自設(shè)計實驗裝置，并展示實驗效果，實現(xiàn)近距離觀察，無污染氣體排放。同時也收集到氣體為學(xué)生探究留下時間和空間提供了可能。本節(jié)課在教學(xué)中充分體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的原則：讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題；能依據(jù)探究目的設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，完成實驗操作，能對觀察記錄的實驗信息進行加工并獲得結(jié)論；能和同學(xué)交流實驗探究的成果，提出進一步探究或改進實驗的設(shè)想；培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學(xué)觀念。