解開面包中丙酸鈣的秘密

曹葵

摘? ? 要：在食品添加劑丙酸鈣的項(xiàng)目式教學(xué)中，教師通過(guò)構(gòu)建真實(shí)生活情境的學(xué)習(xí)背景，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)、方案討論、實(shí)驗(yàn)合成和性能對(duì)比等一系列教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生不僅對(duì)丙酸鈣有了深入了解，還綜合運(yùn)用多種化學(xué)知識(shí)，同時(shí)使用多種實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行操作，突出了實(shí)踐性，有助于提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí);實(shí)驗(yàn)教學(xué);丙酸鈣

一、項(xiàng)目課題的選擇

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL），起源于美國(guó)教育家杜威的“做中學(xué)”教育理論。1918年，教育家克伯屈在其發(fā)表的《項(xiàng)目教學(xué)法：在教學(xué)過(guò)程中有目的地活動(dòng)的應(yīng)用》中首次提到了項(xiàng)目學(xué)習(xí)的概念，將項(xiàng)目作業(yè)引入教學(xué)實(shí)踐領(lǐng)域[1]。

對(duì)于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的概念，學(xué)界普遍認(rèn)可的定義是：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種教與學(xué)的模式，關(guān)注的是學(xué)科的核心概念和原理，要求學(xué)生在實(shí)際問(wèn)題解決、基于現(xiàn)實(shí)世界的探究活動(dòng)以及其他的一些有意義的工作中主動(dòng)學(xué)習(xí)并通過(guò)制作最終作品的形式來(lái)自主地完成知識(shí)意義的建構(gòu)，以現(xiàn)實(shí)的、學(xué)生生成的知識(shí)和培養(yǎng)起來(lái)的能力為最高成就目標(biāo)。以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)問(wèn)題情境中探究學(xué)習(xí)，希望通過(guò)這一教學(xué)模式，學(xué)生能逐步習(xí)得包括知識(shí)、可遷移技能、思維方式、價(jià)值觀等在內(nèi)的21世紀(jì)學(xué)生必備品格與關(guān)鍵能力。因此，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是適合培養(yǎng)中小學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)模式之一[2]。

丙酸鈣是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用的防腐劑，但是由于其含有鈣離子，很多人將其誤認(rèn)為是鈣強(qiáng)化劑。丙酸鈣廣泛使用在生濕面制品（如面條、餃子皮、餛飩皮、燒賣皮）、面包、糕點(diǎn)、醋、醬油等食品中。選擇丙酸鈣作為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的切入點(diǎn)，其一是化學(xué)課本中提到了食品添加劑的基本概念但沒有后續(xù)拓展內(nèi)容，本課題可以進(jìn)行有效的補(bǔ)充拓展;其次是人們普遍對(duì)食品添加劑存在認(rèn)識(shí)偏差，似乎凡是添加劑都是有害的，因受到社會(huì)傳言的影響，一部分學(xué)生回避一切含有添加劑的食物，而另一部分學(xué)生則對(duì)此非常漠然，認(rèn)為無(wú)所謂。本課題借此可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效的教育，對(duì)添加劑有更深刻的認(rèn)知;第三是課本中缺少物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)，尤其沒有固體有機(jī)物的制備實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做的絕大多數(shù)都是試管驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，僅僅有乙酸乙酯制備等少數(shù)制備實(shí)驗(yàn)，但是也無(wú)法看到最終的純產(chǎn)品，本課題可以利用制取丙酸鈣進(jìn)行研究，進(jìn)行綜合性的實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效補(bǔ)充;第四，丙酸鈣制備操作與性質(zhì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，學(xué)生所具有的知識(shí)、技能儲(chǔ)備可以勝任。

二、教學(xué)實(shí)施過(guò)程

項(xiàng)目課題確定后，教學(xué)主要分為四個(gè)步驟。

（一）任務(wù)分解

這個(gè)環(huán)節(jié)是教師介紹問(wèn)題背景并向?qū)W生明確任務(wù)要求，緊接著分組討論任務(wù)并進(jìn)行資料查找工作。為了便于學(xué)生課前做足功課，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行充分討論，引發(fā)猜想，再有目的地去尋找答案。

題目提前兩周布置，第一個(gè)問(wèn)題是丙酸鈣在哪？或者說(shuō)是什么食品中添加了丙酸鈣？去超市的食品貨架上尋找含有丙酸鈣的食品，從中找規(guī)律，為什么有的食品添加丙酸鈣有的不添加？

第二個(gè)問(wèn)題是添加的丙酸鈣起到什么作用？加入到食品中的丙酸鈣一定起到關(guān)鍵的作用，不是可有可無(wú)的，按照中國(guó)食品標(biāo)簽法規(guī)的要求，食品中各種原料按照含量多少順序排序，可以從標(biāo)簽中看出其在食品中的重要性。

第三個(gè)問(wèn)題是丙酸鈣在食品中起到重要作用，可以使用什么方法來(lái)獲得這個(gè)物質(zhì)？用什么原料？用什么反應(yīng)條件？產(chǎn)品如何收集？

第四個(gè)問(wèn)題是如何證明文獻(xiàn)提出的丙酸鈣的作用？如何設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使用自己制取的丙酸鈣來(lái)證明文獻(xiàn)的說(shuō)法或者是自己的猜想？

（二）設(shè)計(jì)討論

第二周，學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)地調(diào)查和網(wǎng)絡(luò)檢索，在課上進(jìn)行簡(jiǎn)單的匯報(bào)交流。此時(shí)學(xué)生已經(jīng)確認(rèn)丙酸鈣是防腐劑而不是望文生義的補(bǔ)鈣劑。

討論的重點(diǎn)則轉(zhuǎn)向如何制取丙酸鈣。根據(jù)文獻(xiàn)和學(xué)生已知的化學(xué)反應(yīng)原理，備選的含鈣原料有碳酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鈣等常見化學(xué)試劑，還有學(xué)生根據(jù)文獻(xiàn)提出可以使用蝦蟹殼或者雞蛋殼等含鈣元素多的材料。

而反應(yīng)條件，學(xué)生根據(jù)已掌握的影響化學(xué)速率的因素，則很容易得到應(yīng)選用濃度大的丙酸，應(yīng)選擇較高反應(yīng)溫度的結(jié)論，為了保證反應(yīng)充分進(jìn)行，丙酸也應(yīng)適當(dāng)過(guò)量。

使用何種反應(yīng)裝置的爭(zhēng)論相對(duì)較大。因?yàn)楸崾怯袡C(jī)物，反應(yīng)裝置應(yīng)該選用燒杯還是使用回流裝置存在分歧。一部分學(xué)生認(rèn)為丙酸為液態(tài)有機(jī)物，就應(yīng)該采用回流裝置，而另外一部分學(xué)生則認(rèn)為丙酸沸點(diǎn)達(dá)141℃，揮發(fā)性會(huì)比較差，沒有必要使用回流裝置，可以使用燒杯作為反應(yīng)裝置。項(xiàng)目式教學(xué)就是盡可能發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，教師預(yù)做實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)探討了這個(gè)問(wèn)題，沒有發(fā)現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)方法的明顯差異，且文獻(xiàn)中也沒有提到必須使用回流裝置。因此對(duì)于這個(gè)問(wèn)題建議學(xué)生暫時(shí)擱置爭(zhēng)議，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定最佳的實(shí)驗(yàn)方法。

最后一個(gè)討論內(nèi)容就是如何才能得到產(chǎn)物。這個(gè)問(wèn)題是很多學(xué)生沒有想到的，在他們的印象中，化學(xué)反應(yīng)都是完全反應(yīng)，而現(xiàn)實(shí)中卻很難存在，按照完全反應(yīng)添加的物料，很可能都有剩余，如何處理這些剩余物料呢？ 學(xué)生依據(jù)自己掌握的知識(shí)提出，如果有固體剩余就過(guò)濾，丙酸剩余則采用蒸餾的方法。而問(wèn)題隨之而來(lái)，用蒸餾的方法分離液態(tài)有機(jī)物，根據(jù)反應(yīng)原理（以碳酸鈣為原料）：

CaCO3 + 2CH3CH2COOH =（CH3CH2COO）2Ca + H2O + CO2

現(xiàn)在是丙酸、水和丙酸鈣混合，能否使用蒸餾法呢？學(xué)生分歧較大。此時(shí)教師提出一個(gè)問(wèn)題，我們要得到的丙酸鈣是什么狀態(tài)？固體還是液體？由于產(chǎn)物丙酸鈣是固體，蒸餾法就顯得多余了。水分采用直接蒸發(fā)將是最簡(jiǎn)單有效的方法，而剩余丙酸則在丙酸鈣產(chǎn)品析出后通過(guò)抽濾去除，但是卻不能回收沒有充分反應(yīng)的過(guò)量丙酸，可以說(shuō)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（三）任務(wù)實(shí)施

討論充分，就為實(shí)驗(yàn)操作節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了很多無(wú)效的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。但是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)就是將更多的主導(dǎo)權(quán)教給學(xué)生，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中“學(xué)”的本質(zhì)是以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)，教師是學(xué)習(xí)的引領(lǐng)者而非權(quán)威者，逼著學(xué)生不得不相互協(xié)作以順利完成任務(wù)。因此“意外”依然不斷出現(xiàn)。

在第一步合成時(shí)，學(xué)生就出現(xiàn)了問(wèn)題，如圖1 a所示，使用雞蛋殼做原料的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，雖然將雞蛋殼掰碎，但反應(yīng)還是太慢，而使用碳酸鈣的實(shí)驗(yàn)（圖1b）則反應(yīng)太快，大量氣體產(chǎn)生，這些氣體不像初中二氧化碳制取實(shí)驗(yàn)?zāi)菢印奥犜挕钡匾绯?，而是裹挾著反?yīng)原料溢出燒杯外面，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

面對(duì)互相矛盾的現(xiàn)象，如何相互協(xié)調(diào)，且條件一致才能進(jìn)行對(duì)比。學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)討論，雞蛋殼是因?yàn)閴K太大，要保持反應(yīng)條件一致就要將雞蛋殼掰成和碳酸鈣粉末一樣的大小，但是這是手工做不到的。如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論找到了辦法，利用研缽將雞蛋殼研碎，雖然無(wú)法測(cè)量顆粒度是否一致，但是差異就會(huì)很小，問(wèn)題解決了一個(gè)。而碳酸鈣反應(yīng)過(guò)快的問(wèn)題通過(guò)觀察，僅僅是反應(yīng)啟動(dòng)的前半分鐘非?？欤笏俾示蜏p慢，不再出現(xiàn)原料隨氣體溢出的問(wèn)題，學(xué)生提出的解決方法是降低溫度或者將丙酸適當(dāng)稀釋，通過(guò)小樣測(cè)試，一組使用常溫作反應(yīng)條件，一組將丙酸稀釋，實(shí)驗(yàn)證明只要將丙酸稀釋1倍，就基本不會(huì)有大量氣泡，產(chǎn)生的氣泡可以通過(guò)攪拌破壞。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和樂(lè)趣就在于不斷出現(xiàn)的“意外”。在濃縮過(guò)程中，學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣用粗鹽提純直接加熱的操作方式，于是實(shí)驗(yàn)動(dòng)作最快的學(xué)生就出現(xiàn)了意外，丙酸鈣產(chǎn)物被燒“糊”。學(xué)生忽略了丙酸鈣是有機(jī)物的事實(shí)，丙酸在高溫下可以燃燒，如何解決這個(gè)問(wèn)題？采用與粗鹽提純相似的方法，在產(chǎn)物中的液體要干還沒有干的時(shí)候，撤掉火源，利用余熱就可以避免這個(gè)現(xiàn)象。后面的學(xué)生借鑒這個(gè)經(jīng)驗(yàn)，得到的固體產(chǎn)物外觀就明顯改善，呈現(xiàn)白色或者略顯黃色。

（四）展示交流

丙酸鈣合成后學(xué)生自行將產(chǎn)品帶走，利用家里的食品在家中通過(guò)控制變量的方法進(jìn)行防腐蝕實(shí)驗(yàn)，而后再到課堂上進(jìn)行總結(jié)交流，各小組反思本組的任務(wù)完成情況，并提出進(jìn)一步思考的內(nèi)容。

部分學(xué)生通過(guò)家庭實(shí)驗(yàn)證明了丙酸鈣具有優(yōu)良的防腐性能[3]，但是有的學(xué)生的防腐實(shí)驗(yàn)因?yàn)樵O(shè)計(jì)有缺陷沒有成功，例如有學(xué)生使用西瓜進(jìn)行防腐蝕實(shí)驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)防腐作用不大，有學(xué)生使用紫米飯進(jìn)行防腐實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有的樣品都沒有發(fā)霉，之所以出現(xiàn)這個(gè)異?，F(xiàn)象，一方面在于其使用的原料有顏色，不利于觀察，另一方面是沒有做任何保護(hù)，北方天氣干燥，米粒脫水，也導(dǎo)致不易變質(zhì)。

學(xué)生在課上總結(jié)自己在實(shí)驗(yàn)中的各種收獲和出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出改進(jìn)的設(shè)想：有學(xué)生提出適當(dāng)延長(zhǎng)水浴加熱時(shí)間，即充分反應(yīng)，還通過(guò)水浴起到蒸發(fā)作用;有學(xué)生提出將濾液放入蒸發(fā)皿后，立即不間斷地用玻璃棒攪拌，直到大部分粉末蒸干。當(dāng)有少量液體剩余時(shí)，熄滅酒精燈，持續(xù)攪拌……

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中也確實(shí)發(fā)現(xiàn)使用雞蛋殼做原料得到的產(chǎn)品防腐性能最佳，和文獻(xiàn)的說(shuō)法是一致的[4]。學(xué)生還提出自己的疑問(wèn)，文獻(xiàn)提出是雞蛋殼中含有蛋白分解酶才使得防腐效果好，而在實(shí)驗(yàn)中既有強(qiáng)酸，又有加熱，這些酶的活性還能存在嗎？

討論展示的過(guò)程中，學(xué)生分析解釋了一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)又提出了一個(gè)個(gè)新的問(wèn)題。限于教師和學(xué)生的水平，有的問(wèn)題沒能解釋清楚或者有爭(zhēng)議，這也給今后的學(xué)習(xí)提供了目標(biāo)與動(dòng)力。

三、結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)沒有固定的教材，學(xué)生可以通過(guò)多種渠道獲取需要的資源。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過(guò)程中學(xué)生體驗(yàn)到真實(shí)社會(huì)背景的實(shí)際問(wèn)題，學(xué)習(xí)是一個(gè)綜合性、復(fù)雜性、實(shí)踐性、開放性、體驗(yàn)性的過(guò)程。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)作為一種培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問(wèn)題能力的學(xué)習(xí)方式，是培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)社會(huì)人才的有效手段[5]。通過(guò)丙酸鈣制取和防腐實(shí)驗(yàn)，學(xué)生收獲的不僅僅是知識(shí)，更是綜合技能、學(xué)科素養(yǎng)的提升。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)不再根據(jù)紙筆測(cè)試的分?jǐn)?shù)，而是應(yīng)該依據(jù)達(dá)成度、關(guān)聯(lián)度、實(shí)踐性、獲得性四個(gè)維度進(jìn)行[6]，學(xué)生在一個(gè)真實(shí)陌生的環(huán)境背景中，發(fā)掘自身潛質(zhì)，做到自己的最佳狀態(tài)，不奢求面面俱到，只要求突破一點(diǎn)，動(dòng)手操作而不是紙上談兵，實(shí)驗(yàn)中不怕失敗，但是要從失敗中找到原因。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過(guò)程不僅僅是教師教，更是學(xué)生之間的互相教，學(xué)生的成果激勵(lì)其他學(xué)生不斷努力。這個(gè)過(guò)程對(duì)教師也提出了更高的要求，隨時(shí)應(yīng)對(duì)學(xué)生的各種預(yù)料到和沒有預(yù)料到的問(wèn)題，不但要及時(shí)處理實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種異常，還要“冷靜”對(duì)待學(xué)生的提問(wèn)，不能過(guò)于熱心地將答案直接告知學(xué)生，就如同相聲中的捧哏，看似不重要，說(shuō)話不多，但卻是逗哏的重要助手，關(guān)鍵時(shí)刻的一句話就是包袱。

參考文獻(xiàn)：

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