基于證據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：分析次氯酸的漂白作用實(shí)驗(yàn)的教學(xué)作用以及對(duì)該實(shí)驗(yàn)的研究和存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)氯氣制備、干燥、漂白、尾氣處理的一體化裝置，應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，基于證據(jù)進(jìn)行邏輯推理，加深學(xué)生對(duì)次氯酸的漂白性的認(rèn)識(shí)和理解，將證據(jù)推理滲透到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能，提升學(xué)生的思維能力。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理;次氯酸漂白性;實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新;教學(xué)實(shí)踐

文章編號(hào)：1008-0546（2021）01-0048-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.013

一、問(wèn)題的提出

蘇教版《必修1》P43，實(shí)驗(yàn)1“潮濕氯氣的漂白作用”（如圖1），是氯氣性質(zhì)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)探究潮濕氯氣的漂白作用：真正起漂白作用的是次氯酸還是氯氣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)：干燥的氯氣不能使有色物質(zhì)褪色，而潮濕氯氣因含有次氯酸而具有漂白作用，可使有色物質(zhì)褪色，干燥的氯氣雖然有強(qiáng)氧化性，但不能使有色物質(zhì)氧化而褪色[1]。該實(shí)驗(yàn)需要事先準(zhǔn)備干燥的氯氣[2]（如圖2），由于氯氣是有毒氣體，無(wú)論是制取、收集還是操作中都容易造成氯氣外泄，特別是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，氯氣發(fā)生逸散，危害師生的身體健康。在常規(guī)教學(xué)中為避免氯氣的危害，該實(shí)驗(yàn)往往改成演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，或以視頻來(lái)代替，甚至有畫(huà)實(shí)驗(yàn)、背實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，這樣既影響了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值的體現(xiàn)，也影響了化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的提高，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的探究思維和探究能力。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為進(jìn)行科學(xué)探究的重要實(shí)踐活動(dòng)方式，倡導(dǎo)開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，并在探究中不斷尋找充分的證據(jù)，逐步構(gòu)建完善化學(xué)知識(shí)體系，將化學(xué)核心素養(yǎng)的培育細(xì)化到課堂教學(xué)中。

次氯酸漂白作用的探究實(shí)驗(yàn)對(duì)提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力有重要作用，而且對(duì)二氧化硫的漂白作用的學(xué)習(xí)有鋪墊和對(duì)比作用，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究證明次氯酸的漂白性，可以培養(yǎng)學(xué)生仔細(xì)觀察、記錄現(xiàn)象、證據(jù)推理、理性分析的能力，顯然上述裝置滿足不了學(xué)生深入探究的要求，教師有責(zé)任和義務(wù)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析證據(jù)和推理論證，概括出物質(zhì)性質(zhì)及其變化規(guī)律，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)。

近年來(lái)，廣大化學(xué)界同仁對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了不斷改進(jìn)和不同程度的優(yōu)化，并取得了一定的成效。齊俊林、趙立國(guó)從簡(jiǎn)化裝置，減少藥品用量考慮[3]，李賽秋從減少尾氣釋放考慮[4]，但均沒(méi)有干燥氯氣，忽略了水蒸氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響;李海燕從設(shè)計(jì)密閉裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，但忽略了U型管兩側(cè)氯氣濃度不同和有色花瓣中水分的影響，且藥品用量較多，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)[5];李興等從操作方便，現(xiàn)象明顯，綠色環(huán)保，實(shí)驗(yàn)趣味性，干燥氯氣考慮，但步驟不算簡(jiǎn)便，裝置不夠簡(jiǎn)化，蘸水寫(xiě)字容易模糊，水蒸氣蒸發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的干擾[6];吳京谷將問(wèn)題探究和實(shí)驗(yàn)探究融合，讓學(xué)生充分體驗(yàn)探索樂(lè)趣，通過(guò)分析推理認(rèn)識(shí)氯氣的性質(zhì)[7];黃翠玉等利用自制裝置，提出“氯水的成分探究”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程[8]。一線教師從不同角度進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和教學(xué)設(shè)計(jì)課例，為廣大教師日常教學(xué)提供了豐富的參考和借鑒，但對(duì)于氯水成分及性質(zhì)的探究主要局限于次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、氯水中所含微粒的探究。筆者嘗試將改進(jìn)裝置融合到教學(xué)設(shè)計(jì)中，在實(shí)驗(yàn)探究中搜集形成科學(xué)結(jié)論所需的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑，基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，提高化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新

1.設(shè)計(jì)理念

由于氯氣有毒，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以裝置密封性好，藥品用量少，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，氯氣干燥，對(duì)比現(xiàn)象明顯，操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短為原則，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化，微型化，一體化，簡(jiǎn)便化。

2.儀器藥品

雙翼試管，注射器2個(gè)（20mL），橡皮塞，膠頭滴管，高錳酸鉀固體，濃鹽酸（ 37%），紅色紙條（用皺紋紙、吸水性較好），Imol/L NaOH溶液，無(wú)水氯化鈣。

3.實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示[9]3，其中：A為雙翼試管，B、D為包裹有無(wú)水氯化鈣的棉花球，C、E分別為干燥紅色紙條和潮濕紅色紙條，F(xiàn)為高錳酸鉀固體，G為盛有少量濃鹽酸（ 37%）的膠頭滴管，H為注射器。

4.操作步驟

（1）在干燥的雙翼試管左右試管中分別加入大小合適的干燥紅色紙條，將其中一個(gè)紅色紙條用水潤(rùn)濕;

（2）兩翼試管上部塞一小團(tuán)包裹有無(wú)水氯化鈣的大小相同的疏松棉花團(tuán);

（3）用藥匙取少量高錳酸鉀固體（約1/8平匙）加人中間的試管中，將雙翼試管固定在鐵架臺(tái)，用膠頭滴管吸取少量（約0.5mL）濃鹽酸，連接好裝置;

（4）從膠頭滴管中滴人幾滴濃鹽酸。

5.尾氣處理

反應(yīng)結(jié)束后，用注射器抽取容器內(nèi)殘余氯氣，拔下注射器，迅速接上裝有5mL 1mol/L NaOH溶液的注射器，推人反應(yīng)容器中，輕輕振蕩，直至完全吸收余氯，拔下的注射器放人盛有1mol/L NaOH溶液的燒杯中，慢慢推人NaOH溶液吸收氯氣，最后拆除裝置，雙翼試管中殘留藥品倒人指定容器中。

三、基于證據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

1.環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，誘導(dǎo)思維

[情境]往一支裝有少量紫色石蕊試液的試管中，滴加幾滴氯水，溶液由紫色變?yōu)榧t色，最后變?yōu)闊o(wú)色。

[教師提問(wèn)]什么物質(zhì)或微粒能使紅色物質(zhì)褪色？

[學(xué)生]討論，從理論上猜測(cè)，發(fā)言熱烈。

[教師]總結(jié)學(xué)生提出的各種假設(shè)：氯水中具有漂白性的微?？赡苁菤潆x子，氯離子，氯氣分子，或其他微粒。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)實(shí)驗(yàn)順應(yīng)學(xué)生的“好奇、好動(dòng)、好玩、好勝”的心理，刺激學(xué)生的感官，通過(guò)感性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和事實(shí)，激發(fā)學(xué)生求知欲，啟迪學(xué)生思維，從情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、研究問(wèn)題，推進(jìn)教學(xué)層層深入。

2.環(huán)節(jié)2：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，激發(fā)思維

[學(xué)生]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究

探究實(shí)驗(yàn)：往一支裝有少量稀鹽酸的試管中，滴加幾滴紫色的石蕊試液。

[學(xué)生]記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：溶液變紅，最后未褪色，得出結(jié)論：溶液中的氫離子，氯離子均無(wú)漂白性。

[教師]使紅色物質(zhì)褪色的是氯分子還是其他微粒呢？

[學(xué)生]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：將氯氣通人盛有干燥的紅色紙條的容器中。

[教師]引導(dǎo)學(xué)生思考，若紅色試紙不褪色，排除了使紅色物質(zhì)褪色的是氯分子，那么使紅色物質(zhì)褪色可能是哪種微粒呢？如果要進(jìn)一步探究可能是氯氣與水反應(yīng)生成的其他微粒，在此基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)方案要怎樣改進(jìn)呢？

[學(xué)生]討論提出改進(jìn)方案I：將氯氣分別通人盛有干燥的紅色紙條和潮濕的紅色紙條容器中。

[教師]改進(jìn)方案I采用了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，有利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的比較，有沒(méi)有其他因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)?zāi)?？比如氯氣的濃度的大小。另外，改進(jìn)方案I需要預(yù)先制備氯氣，且氯氣容易泄漏，最后沒(méi)有進(jìn)行尾氣吸收，能否將氯氣制備、性質(zhì)探究和尾氣處理在同一個(gè)裝置中實(shí)現(xiàn)呢？

[學(xué)生]繼續(xù)修改實(shí)驗(yàn)方案，提出改進(jìn)方案Ⅱ并進(jìn)行探究：往一支大試管中加入少量高錳酸鉀固體，雙孔橡膠塞的一孔插入裝有濃鹽酸的注射器，另一孔插入導(dǎo)管，導(dǎo)管一端通人盛有濃氫氧化鈉溶液的燒杯中作尾氣處理，將剪成大小合適紅色紙條放在雙孔橡膠塞兩側(cè)，一側(cè)紙條用水濕潤(rùn)，紙條兩端伸人試管中，塞緊橡膠塞，慢慢下壓注射器活塞滴人少量濃鹽酸，瞬間濕潤(rùn)的紅色紙條褪色，干燥的紅色紙條不褪色。不少學(xué)生據(jù)此現(xiàn)象判斷：氯氣分子不能使有色紙條褪色。

設(shè)計(jì)意圖：以實(shí)驗(yàn)探究為載體，在活動(dòng)中充分體現(xiàn)學(xué)生的主動(dòng)性，通過(guò)設(shè)計(jì)方案，完善方案，實(shí)施方案，親歷實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程，學(xué)會(huì)搜尋證據(jù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

3.環(huán)節(jié)3：優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新思維

不到一分鐘干燥紅色紙條也褪色，學(xué)生紛紛提出疑問(wèn)：干燥紅色紙條褪色的原因是什么呢？對(duì)于學(xué)生的疑問(wèn)，教師沒(méi)有直接進(jìn)行答疑，而將此問(wèn)題作為新的課題引領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)開(kāi)展深入探究。

[教師]改進(jìn)方案Ⅱ中氯氣是如何得到的？

[學(xué)生]高錳酸鉀固體和濃鹽酸制備得到的氯氣中含有水蒸氣。

[教師]造成氯氣中含有水蒸氣的可能原因是什么？

[學(xué)生]試管不干燥;紙條不干燥;濃鹽酸中含有水。

[教師提問(wèn)]為避免水蒸氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，必須保證氯氣干燥，實(shí)驗(yàn)該如何改進(jìn)？

[學(xué)生]討論，綜合考慮，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，最后形成次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新裝置（如圖3）。

隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，擠捏膠頭滴管，滴人2-3滴37%的濃鹽酸，與試管底部高錳酸鉀固體接觸，發(fā)生反應(yīng)（2KMnO4+16HCl = 2KCl+ 2MnCl2+5Cl2↑+8H2O），迅速產(chǎn)生氯氣，注射器活塞上移約至注射器中部，氯氣進(jìn)入雙翼試管，經(jīng)過(guò)包有約19無(wú)水氯化鈣的棉花球（因高錳酸鉀固體和濃鹽酸的用量很少，產(chǎn)生少量的氯氣，可以充分干燥），干燥的氯氣同時(shí)與干燥紙條和潮濕紙條接觸，10s左右，濕潤(rùn)的紅色紙條褪色，干燥的紅色紙條不褪色，直到下課后（30min左右），干燥的紅色紙條仍然不褪色。因?yàn)槁葰馀c水反應(yīng)Cl2+H2O=HCl+HClO，生成的次氯酸具有漂白性，由此推斷干燥的氯氣不能使有色物質(zhì)褪色，而氯氣與水反應(yīng)生成次氯酸，次氯酸具有漂白性，使有色物質(zhì)褪色。

該裝置的創(chuàng)新之處在于除了極好地解決了氯氣制備、干燥、漂白、尾氣吸收在封閉體系中進(jìn)行，隨用隨得，操作方便，符合綠色化，藥品用量和廢物排放量少，反應(yīng)時(shí)間短，現(xiàn)象明顯，符合微型化，巧妙地采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)，干燥的紅色紙條和潮濕的紅色紙條分裝于兩翼小試管，相互沒(méi)有影響和干擾，通過(guò)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很容易在相似的實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間（干燥紙條和潮濕紙條）區(qū)別本質(zhì)上的差異，反應(yīng)在同一體系中進(jìn)行，采用控制變量法設(shè)置實(shí)驗(yàn)，既排除無(wú)關(guān)變量的影響，又增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和說(shuō)服力。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生全面觀察，從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，是學(xué)生深入探究的開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)的意外往往會(huì)激發(fā)學(xué)生更強(qiáng)的探究欲望和心理。在設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，比對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與導(dǎo)致原因，尋找證據(jù)進(jìn)行推理的活動(dòng)過(guò)程中，學(xué)生真正明白了氯氣與水反應(yīng)的產(chǎn)物，理解次氯酸的漂白性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、觀察能力及思維能力。學(xué)生帶著解決真實(shí)問(wèn)題進(jìn)行深入探究，更加強(qiáng)調(diào)課堂的生成，學(xué)生主動(dòng)參與、積極合作，學(xué)生經(jīng)歷了實(shí)證和邏輯推理的過(guò)程，將探究活動(dòng)推向高潮。

四、實(shí)踐反思

中學(xué)階段是學(xué)生思維能力與思維品質(zhì)形成的關(guān)鍵階段，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力具有十分重要的作用。以上教學(xué)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生充分利用教材，挖掘常規(guī)實(shí)驗(yàn)的潛在探究?jī)r(jià)值，在教師的點(diǎn)撥引領(lǐng)下，敏于發(fā)現(xiàn)勇于探究，既真實(shí)完整地呈現(xiàn)了科學(xué)探究的過(guò)程，又通過(guò)探究過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知沖突，促使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的探究愿望和要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，不斷優(yōu)化方案，尋求證據(jù)，延伸了學(xué)生的思維。

1.探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生思維的嚴(yán)密性

以實(shí)驗(yàn)探究為主線，不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，啟發(fā)學(xué)生思維交互，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)歷“提出假設(shè)一方案設(shè)計(jì)一優(yōu)化實(shí)驗(yàn)一實(shí)施方案一尋求證據(jù)”的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，逐步提升思維的高度。

2.改進(jìn)裝置，培養(yǎng)了學(xué)生思維的創(chuàng)新性

通過(guò)設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，啟發(fā)學(xué)生積極思考，找到解決問(wèn)題的最佳方案，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)增強(qiáng)了學(xué)生的參與意識(shí)和合作精神，對(duì)反常現(xiàn)象不回避不含糊，培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)、探索真理的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)實(shí)證意識(shí)，這恰恰也是實(shí)驗(yàn)結(jié)論準(zhǔn)確和完整的前提。

3.課外延伸，培養(yǎng)了學(xué)生思維的開(kāi)放性

課堂教學(xué)受時(shí)間、空間等客觀條件的限制，往往不能完成所有實(shí)驗(yàn)的探究，也滿足不了學(xué)生求知的欲望，為保證學(xué)生更廣泛參與，我校開(kāi)設(shè)了每周一次的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放日，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手操作，這樣的活動(dòng)，既加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也拓展學(xué)生思維的廣闊性，學(xué)生利用該裝置，探究二氧化硫與品紅溶液和二氧化硫與高錳酸鉀溶液的反應(yīng)原理，既可以對(duì)比二氧化硫與品紅溶液、高錳酸鉀溶液褪色速率的快慢，又可以對(duì)比褪色后的溶液加熱后的變化，幫助學(xué)生充分理解二氧化硫漂白性和還原性。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是最真實(shí)的場(chǎng)景，基于證據(jù)推理的化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有更高的科學(xué)性，從化學(xué)實(shí)驗(yàn)直觀具體的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)生真切的過(guò)程體驗(yàn)，獲得化學(xué)實(shí)驗(yàn)的全面依據(jù)，分析對(duì)比，歸納總結(jié)，幫助學(xué)生從感性到理性、從具體到抽象，理解化學(xué)反應(yīng)原理，將證據(jù)分析推理植入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升了學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳金龍，肖明平.氯氣漂白性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考下半月，2018（4）：61

[2] 王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)：化學(xué)1[M].南京：江蘇教育出版社，2009：43

[3] 齊俊林，趙立國(guó).次氯酸漂白作用演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].河北理科教學(xué)研究，2011（3）：48-49

[4] 李賽秋.次氯酸的漂白作用實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，1997（10）：10

[5] 李海燕，新課標(biāo)下的氯氣漂白性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].化學(xué)教育，2009（10）：68

[6]李興，齊俊林.次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2018（5）：62-64

[7] 吳京谷.“證據(jù)推理”素養(yǎng)引領(lǐng)下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)一以“氯水成分和性質(zhì)”教學(xué)為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（3）：31-35

[8]黃翠玉，張賢金.“氯水的成分探究”實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)及教學(xué)模式探究[J].化學(xué)教學(xué)，2019（4）：54-57

[9]袁君亞.次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué).2020（5）：65-68，72