可逆反應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)案例

彭志偉

摘要：人教版選修4對(duì)可逆反應(yīng)的表述簡(jiǎn)單而抽象，不利于學(xué)生理解可逆反應(yīng)的特征。以可逆反應(yīng)的研究為載體，在真實(shí)的情境中提出問題、開展活動(dòng)、訓(xùn)練思維，最終獲得解決問題的方案和結(jié)果。通過一系列的探究活動(dòng)，讓學(xué)生在探究問題、解決問題過程中學(xué)會(huì)質(zhì)疑、學(xué)會(huì)合作，真正地提升了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：可逆反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 核心素養(yǎng); 探究式學(xué)習(xí)

文章編號(hào)：10056629（2021）11006005

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

創(chuàng)造和識(shí)別物質(zhì)是化學(xué)科學(xué)的重要特征，化學(xué)發(fā)展的歷史從本質(zhì)上說就是一部不斷創(chuàng)新的歷史。創(chuàng)新是化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重要?jiǎng)恿υ慈唬彩腔瘜W(xué)學(xué)術(shù)共同體的重要思維品質(zhì)之一。化學(xué)科學(xué)發(fā)展的成果是人類智慧的結(jié)晶，是人類在創(chuàng)造之路上不畏艱險(xiǎn)、百折不回、勇于實(shí)踐創(chuàng)新的結(jié)果，化學(xué)科學(xué)帶給我們的不僅是一種知識(shí)的進(jìn)化和思維的啟發(fā)，還是一種力量的支撐、精神的鞭策和創(chuàng)造的信念[1]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，強(qiáng)調(diào)要“能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究;勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”[2]。被動(dòng)接受的學(xué)科知識(shí)和技能，不可能使學(xué)生形成核心素養(yǎng)，學(xué)生自主探究、主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，才是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的前提。本文以可逆反應(yīng)的探究課為載體，在化學(xué)問題解決過程中提升學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新意識(shí)，取得了很好的效果。

1 問題的提出

化學(xué)平衡是高中化學(xué)的重難點(diǎn)?？赡娣磻?yīng)是化學(xué)平衡的前提，人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第三節(jié)對(duì)可逆反應(yīng)的表述，是以“溶解—結(jié)晶”物理變化進(jìn)行舉例，并沒有從化學(xué)角度加以解釋，這無疑增大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。為了讓可逆反應(yīng)能更好地被學(xué)生理解，有必要進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能直觀地感受可逆反應(yīng)的特征。

追本溯源，可逆反應(yīng)的概念，最早出現(xiàn)在必修1第四章第三節(jié)——二氧化硫與水的反應(yīng)，更早的可逆反應(yīng)，是氯氣與水的反應(yīng)。因此，我們選用氯氣與水的可逆反應(yīng)作為研究對(duì)象，采用師生對(duì)話并實(shí)驗(yàn)的探究方式，更好地在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和關(guān)鍵能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

氯氣與水的反應(yīng)是可逆的，很抽象，如何通過實(shí)驗(yàn)加以證明？可逆反應(yīng)有兩個(gè)特征，第一個(gè)特征是“可逆性”，學(xué)生提出要進(jìn)行兩個(gè)實(shí)驗(yàn)： 氯氣與水的反應(yīng)，以及氯化氫和次氯酸的反應(yīng)，并檢驗(yàn)相應(yīng)產(chǎn)物;第二個(gè)特征是“有限性”，學(xué)生思考后，提出可以控制某反應(yīng)物少量，最后檢測(cè)它是否仍有剩余。明確探究方向后，我們決定做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)探究

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)： Cl2與H2O的反應(yīng)。要求： 檢驗(yàn)是否生成氯離子，以及氯氣是否有剩余。我們找到了氯氣傳感器和氯離子傳感器。這時(shí)有學(xué)生提出：“為什么要用傳感器？直接用AgNO3溶液檢驗(yàn)Cl-、濕潤(rùn)的淀粉KI試紙檢驗(yàn)殘余Cl2不就可以了嗎？”真的可以嗎？有學(xué)生經(jīng)過思考后，提出反對(duì)意見：“我們根本就不知道什么時(shí)候反應(yīng)才結(jié)束，就算淀粉KI試紙變藍(lán)了，也說不清楚是因?yàn)榭赡娣磻?yīng)的有限性，還是Cl2本來就還在反應(yīng)?！?/p>

明確這個(gè)問題后，學(xué)生分小組討論。利用兩個(gè)傳感器，設(shè)計(jì)了如圖1所示的裝置。

各小組設(shè)計(jì)的裝置大同小異，但試劑用量表達(dá)不一樣。多數(shù)小組寫的是Cl2少量、水足量。在此，筆者提出，做實(shí)驗(yàn)一定要定量研究，不能含含糊糊。經(jīng)過改正，有小組設(shè)計(jì)為100mL水和2mL氯氣。但是如何定量制備2mL Cl2呢？常規(guī)辦法是分液漏斗+圓底燒瓶（見圖2），但組裝麻煩，不易控制，更難定量制備。有沒有更簡(jiǎn)單的方法可以定量制備Cl2？筆者在學(xué)生桌子上放了一些注射器和三通閥（近年已有多位教師將三通閥應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)[3，4]）。清楚了三通閥的工作原理后（三通閥有四個(gè)方向的指針，三長(zhǎng)一短，長(zhǎng)針指向?yàn)橥?，短針指向?yàn)殚]合），學(xué)生設(shè)計(jì)出了各種組合。

小組之間經(jīng)過對(duì)比，最終選擇了由6支注射器組成的裝置（見圖3）。以下是利用該組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的步驟：

（1）制備Cl2：

先后旋轉(zhuǎn)三通閥A、 B，短針均向左閉合，將濃鹽酸注入裝有KMnO4固體的注射器，旋轉(zhuǎn)三通閥A向上閉合。右手固定裝有KMnO4固體的注射器活塞，使產(chǎn)生的Cl2氣體進(jìn)入集氣1注射器，待集氣1注射器活塞不再移動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)三通閥B向右閉合。

（2） 除HCl：

旋轉(zhuǎn)三通閥C向左閉合，此時(shí)B、 C兩個(gè)三通閥相通。向內(nèi)推動(dòng)集氣1注射器活塞，將Cl2擠入飽和食鹽水中，可以觀察到液面與活塞之間出現(xiàn)黃綠色氣體，之后旋轉(zhuǎn)三通閥C向右閉合。

（3） 收集Cl2：

旋轉(zhuǎn)三通閥D向左閉合，此時(shí)C、 D兩個(gè)三通閥相通。上下顛倒整個(gè)組合（見圖4），使三通閥在上，推動(dòng)裝有飽和食鹽水的注射器活塞，將Cl2擠入集氣2注射器中。

（4） 定量收集2mL Cl2：

將裝置擺正，恢復(fù)三通閥在下、注射器在上。旋轉(zhuǎn)三通閥D向左閉合，此時(shí)D、 E兩個(gè)三通閥相通。推動(dòng)集氣2注射器活塞，定量擠入2mL Cl2，旋轉(zhuǎn)三通閥D向右閉合，E向上閉合，

得到2mL氯氣后，開始Cl2與H2O的反應(yīng)。打開傳感器，通入Cl2。一段時(shí)間后，得到了氯離子含量變化（見圖5）和氯氣含量變化的數(shù)據(jù)曲線（見圖6）。由數(shù)據(jù)可知： 確實(shí)生成了Cl-，也有Cl2剩余，很好地檢驗(yàn)了可逆反應(yīng)的有限性。有學(xué)生提出疑問： 氯氣傳感器測(cè)量的并不是溶液中的氯氣含量，最終也能證明可逆反應(yīng)的有限性嗎？經(jīng)過思考后，有學(xué)生作了回答： 雖然氯氣傳感器測(cè)量的是氣體中氯氣的含量，但氯氣與水反應(yīng)若是完全的，溶液中的氯氣全部反應(yīng)后，氣體中的氯氣也會(huì)進(jìn)入溶液繼續(xù)反應(yīng)，100mL水是能全部作用完2mL氯氣的。因此，氣體中的氯氣仍有剩余，可以證明該反應(yīng)是有限的。

實(shí)驗(yàn)最后，筆者結(jié)合數(shù)據(jù)曲線維持不變、反應(yīng)物生成物共存這一現(xiàn)象，向?qū)W生指出這是可逆反應(yīng)獨(dú)有的平衡狀態(tài)。讓學(xué)生對(duì)化學(xué)平衡有直觀的感受，為后面化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

繼續(xù)探究第二個(gè)實(shí)驗(yàn)： HCl與HClO的反應(yīng)。要求是檢查是否生成Cl2，以及是否有Cl-剩余。有了前面實(shí)驗(yàn)的鋪墊，學(xué)生很快就設(shè)計(jì)出了如圖7所示裝置。

各小組選用的都是次氯酸溶液，但實(shí)驗(yàn)室沒有現(xiàn)成的次氯酸，怎么解決這個(gè)問題？有學(xué)生提出可以用NaClO溶液和硫酸混合。接下來這位學(xué)生演示了HCl與HClO反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。下面是兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)圖（見圖8和圖9）。

有學(xué)生又提出疑問：氯離子傳感器數(shù)據(jù)為什么不是先上升后下降？探頭測(cè)到氯離子，傳感器數(shù)據(jù)就會(huì)上升;氯離子接著與次氯酸反應(yīng)，含量減少，傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)該會(huì)下降才對(duì)。

經(jīng)過討論分析，學(xué)生認(rèn)為氯離子傳感器探頭檢測(cè)氯離子有一個(gè)時(shí)間過程，在這個(gè)過程中氯離子就已經(jīng)在和次氯酸反應(yīng)，所以沒有出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。

再三重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，都沒有看見曲線先升后降。課后咨詢?cè)搨鞲衅鲝S家的工程師，證實(shí)了我們的觀察和分析。

通過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們能直觀地感受到可逆反應(yīng)的可逆性和有限性，取得了很好的效果。

2.3 學(xué)生感想

接下來是學(xué)生分享這節(jié)課的收獲。

生1： 初中學(xué)的化學(xué)反應(yīng)大多是完全進(jìn)行的反應(yīng)，因此對(duì)可逆反應(yīng)并不是很理解。通過這節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，我確實(shí)發(fā)現(xiàn)有些反應(yīng)在同一條件下，既可以從左往右發(fā)生，也可以從右往左發(fā)生。

生2： 氯離子本來是看不見的，但傳感器卻可以把它的含量變化表現(xiàn)出來，讓我們用肉眼就可以看見可逆反應(yīng)的特點(diǎn)，現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)課堂確實(shí)很有必要。另外，這個(gè)三通閥組合很有意思，我認(rèn)為它還可以改進(jìn)很多實(shí)驗(yàn)。

對(duì)第二位同學(xué)的感想，筆者及時(shí)給予肯定，并鼓勵(lì)她課后找?guī)孜煌瑢W(xué)一起探究。一周以后，她們?cè)诎嗌献髁顺晒麉R報(bào)。

以下是她們?cè)O(shè)計(jì)、改進(jìn)的部分實(shí)驗(yàn)裝置圖（見圖10），操作簡(jiǎn)便，效果明顯，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)微型化，在班上以及年級(jí)里引發(fā)了實(shí)驗(yàn)探究的系列活動(dòng)。

3 教學(xué)效果與反思

本節(jié)課是筆者2020年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)課，之后經(jīng)過修改，相繼被南昌市教育局、江西省教育廳推薦參加第八屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說課活動(dòng)，最終被評(píng)選為“全國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說課優(yōu)秀案例”，并于當(dāng)年8月在網(wǎng)上進(jìn)行公示。讀者若有興趣，可登錄“全國(guó)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)在線平臺(tái)”網(wǎng)站，在“說課活動(dòng)”中搜索筆者姓名即可觀看相關(guān)視頻。

本實(shí)驗(yàn)借助氯離子傳感器和氯氣傳感器，讓可逆反應(yīng)的物質(zhì)共存、反應(yīng)限度、反應(yīng)可逆等特征，通過數(shù)據(jù)的變化，從抽象變?yōu)橹庇^，淺顯易懂，破解了學(xué)生對(duì)可逆反應(yīng)的疑惑，為后面化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)減小了難度。更重要的是，學(xué)生對(duì)問題情境中的眾多因素進(jìn)行了多視角的分析和探索，對(duì)問題解決過程和結(jié)果的好奇、質(zhì)疑和追問，促使學(xué)生之間交流討論后對(duì)方案作出選擇，在整個(gè)化學(xué)問題解決的學(xué)習(xí)中，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新意識(shí)。

這節(jié)課的主題雖然是可逆反應(yīng)的研究，但學(xué)生遷移運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)探究過程中所學(xué)到的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，利用

三通閥與注射器組合改進(jìn)了一系列實(shí)驗(yàn)，真實(shí)地提升了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新意識(shí)。由此可見，教育真的就像是點(diǎn)燃了一團(tuán)火，點(diǎn)燃之后，火自己就會(huì)一直燃燒下去。

揚(yáng)州大學(xué)吳星教授說過一段話：“學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)必須而且只能在化學(xué)問題解決的學(xué)習(xí)中形成和發(fā)展?；瘜W(xué)問題解決學(xué)習(xí)不以對(duì)化學(xué)知識(shí)的記憶和理解為目的，而是通過在真實(shí)而復(fù)雜的情境中提出問題、開展體驗(yàn)和探究活動(dòng)，訓(xùn)練和運(yùn)用化學(xué)特征的思維方式，最終獲得問題解決的方案和結(jié)果。在化學(xué)問題解決學(xué)習(xí)中，化學(xué)知識(shí)的掌握僅是問題解決的副產(chǎn)品。[5]”在信息時(shí)代，學(xué)科知識(shí)的更新速度空前加快，沒有人能學(xué)盡化學(xué)學(xué)科的所有知識(shí)，但人的學(xué)科觀念、思維和能力卻是相對(duì)穩(wěn)定的。在這樣的背景下，當(dāng)教育部進(jìn)一步深化高中化學(xué)課程改革時(shí)，如何切實(shí)提高學(xué)生的核心素養(yǎng)就成了很重要的研究課題。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)充分重視學(xué)生獲取化學(xué)知識(shí)的方法和過程，當(dāng)化學(xué)知識(shí)成為學(xué)生探究與實(shí)踐對(duì)象的時(shí)候，其學(xué)習(xí)過程自然就成為了學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展過程。

參考文獻(xiàn)：

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[4]霍本斌. 用魯爾三通和注射器整合中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的案例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （11）： 72～75.