PTDVMA實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在“銀鏡反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中的應(yīng)用

孫亮 張靜

PTDVMA實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,它在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。“PTDVMA”分別代表問題情境(problem situations)、理論推導(dǎo)(theoretical derivation)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(experimental design)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(experimental verification)、建構(gòu)模型(model construction)、模型應(yīng)用(model application)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中首先提出問題,運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)設(shè)和設(shè)計(jì),再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,然后在實(shí)驗(yàn)的結(jié)論基礎(chǔ)上去構(gòu)建解決問題的模型,最后是模型在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,六個(gè)模塊按照操作程序形成一個(gè)比較穩(wěn)定的實(shí)施方法體系,各個(gè)模塊有自己的操作要點(diǎn)、功能和應(yīng)用策略,各自獨(dú)立但同時(shí)又是一個(gè)不可分割的整體。

一、 問題的提出背景

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(人教版)《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》第三章第二節(jié)“醛的性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)3-5是關(guān)于乙醛被銀氨溶液氧化的實(shí)驗(yàn),具體內(nèi)容如下。

實(shí)驗(yàn)3-5(圖1)在潔凈的試管中加入1mL2%的AgNO3溶液,然后邊振蕩試管邊逐滴滴入2%的稀氨水,至最初產(chǎn)生的沉淀恰好溶解為止,制得銀氨溶液。再滴入3滴乙醛,振蕩后將試管放在熱水浴中溫?zé)?。觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 現(xiàn)行教材中的實(shí)驗(yàn)

乙醛的“銀鏡反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)要求比較苛刻,筆者通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)成功完成教材中乙醛的“銀鏡反應(yīng)”關(guān)鍵有四點(diǎn):首先是銀氨溶液的配制要求現(xiàn)配現(xiàn)用,在1mL2%的AgNO3溶液中逐滴地滴加2%的稀氨水,直到最初產(chǎn)生的沉淀剛好消失為止,制得銀氨溶液。其次乙醛必須是新開瓶的試劑。其次,必須水浴加熱提供能量,不能用酒精燈直接加熱,溫度必須控制在60～100℃,并且水浴的過程中試管需要靜置,不能晃動(dòng)試管。最后,所用的各種玻璃儀器必須潔凈。控制好以上四個(gè)條件才能觀察到均勻光亮的銀鏡實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。由于實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻,教材中提供的實(shí)驗(yàn)方案課前準(zhǔn)備工作比較煩瑣,實(shí)驗(yàn)用時(shí)比較長(zhǎng),成功率也比較低,而且形成的銀鏡不便于學(xué)生觀察。

筆者在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)苛刻的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生反思。試管為什么必須是潔凈的呢?為什么不能晃動(dòng)試管呢?如果試管動(dòng)了,難道就產(chǎn)生不了銀鏡了嗎?“銀鏡反應(yīng)”本身非常有趣,鍍?cè)谠嚬軆?nèi)壁減弱了它的趣味性。如果能夠把銀鍍?cè)诰碌钠孔觾?nèi)壁,在課堂上模擬工業(yè)生產(chǎn)中暖瓶?jī)?nèi)膽的制作,豈不是更有趣?

有了以上想法,筆者決定對(duì)教材中傳統(tǒng)的“銀鏡反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》,化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)需要具備科學(xué)性、安全性、簡(jiǎn)約性、趣味性等原則,實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究的重點(diǎn)是藥品和工藝綠色化、裝置微型化、實(shí)驗(yàn)生活化、縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、突出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等角度。而高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)也明確提出,需要提高學(xué)生的“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”,使其能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問題,設(shè)計(jì)探究方案,勇于創(chuàng)新。因此,在教學(xué)中,筆者把醛基性質(zhì)的演示實(shí)驗(yàn)改成了課堂的探究性實(shí)驗(yàn),同時(shí)根據(jù)銀鏡反應(yīng)的特點(diǎn),從縮短反應(yīng)時(shí)間、突出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象兩個(gè)角度出發(fā),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化。

二、 實(shí)驗(yàn)探究過程

(一)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理——理論推導(dǎo)

銀氨溶液具有弱氧化性,含有醛基的物質(zhì)具有還原性,在堿性條件下,兩者水浴加熱可以發(fā)生反應(yīng):

還原生成的銀附在試管壁上,即為銀鏡。

(二)實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)藥品:2%的硝酸銀溶液、2%的稀氨水、40%的葡萄糖溶液、20%氫氧化鈉溶液、40%的新開瓶的乙醛溶液、久置的乙醛溶液。

實(shí)驗(yàn)儀器:潔凈的試管、帶塞子的透明玻璃瓶、燒杯、膠頭滴管、量筒。

(三)實(shí)驗(yàn)探究過程

1. 探究銀氨溶液的堿性對(duì)銀鏡反應(yīng)的影響

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(人教版)《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》第三章第二節(jié)“醛的性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)3-5中,在硝酸銀溶液中逐滴滴加過量氨水至最初產(chǎn)生的沉淀剛好溶解,制得銀氨溶液。而我們?cè)诓殚喯嚓P(guān)文獻(xiàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)很多文獻(xiàn)在配制銀氨溶液時(shí),是利用硝酸銀與氫氧化鈉溶液反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化銀沉淀,然后再用氨水溶解沉淀,形成銀氨溶液。兩種方法中形成的氫氧化銀沉淀,一種用強(qiáng)堿,一種用弱堿,那么后續(xù)產(chǎn)生的銀氨溶液的堿性也不同。筆者探究了銀氨溶液的堿性對(duì)產(chǎn)生銀鏡的速度和均勻程度的影響。

A. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

第一步:取兩支干凈試管,分別加入1mL2%的硝酸銀溶液。

第二步:在其中一支試管中加入20%的氫氧化鈉溶液2滴,另一試管逐滴滴加2%氨水,直到硝酸銀恰好完全沉淀。

第三步:在兩支試管中分別加入氨水,直至沉淀剛好完全溶解。

第四步:再在兩支試管中分別加入3滴新開瓶的乙醛溶液。

第五步:將試管置于70～95℃水浴中加熱。

B. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(表1)

表1 用強(qiáng)弱不同的堿配制銀氨溶液進(jìn)行銀鏡反應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用堿性較強(qiáng)的銀氨溶液進(jìn)行銀鏡反應(yīng),生成銀鏡的速率更快,所鍍銀層也更均勻。所以,后續(xù)實(shí)驗(yàn),筆者一致采用強(qiáng)堿氫氧化鈉溶液形成氫氧化銀沉淀。

2. 探究含有醛基的不同物質(zhì)發(fā)生銀鏡反應(yīng)的難易

很多有機(jī)物中都含有醛基,這些物質(zhì)發(fā)生銀鏡反應(yīng)的難易程度一樣嗎?比如實(shí)驗(yàn)室中最常見的乙醛和葡萄糖,誰更易發(fā)生銀鏡反應(yīng),誰鍍的銀層更均勻?筆者對(duì)含有醛基的這兩種有機(jī)物發(fā)生銀鏡反應(yīng)的難易進(jìn)行了探究。

A. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

第一步:取2支潔凈的試管,分別滴加1mL2%的硝酸銀溶液,再逐滴滴加20%氫氧化鈉溶液直至完全產(chǎn)生棕褐色沉淀。

第二步:分別在兩支試管中逐滴滴加2%的稀氨水,并充分振蕩,直至沉淀剛好完全溶解。

第三步:再分別在兩支試管中加入3滴的40%的葡萄糖溶液和久置的乙醛溶液,并充分振蕩。

第四步:將兩支試管都置于70～95℃水浴中加熱。

B. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(表2)

表2 用久置的乙醛和葡萄糖溶液進(jìn)行銀鏡反應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

水浴加熱后,筆者發(fā)現(xiàn)在相同的條件下,加入葡萄糖溶液的銀氨溶液生成銀鏡的速度更快,而且形成的銀層更均勻。結(jié)合第一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)比新開瓶的乙醛、久置乙醛、葡萄糖溶液三種溶液,久置乙醛生成銀鏡的速度最慢,鍍銀層也不均勻。重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次,結(jié)果一致,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。

通過查閱文獻(xiàn)知道,乙醛的銀鏡反應(yīng)對(duì)反應(yīng)條件要求很高,尤其是乙醛的保質(zhì)期,一定是新開瓶的乙醛試劑才能形成均勻的光亮的銀鏡。這是因?yàn)橐胰┖苋菀装l(fā)生自聚反應(yīng)生成三聚乙醛、四聚乙醛等,實(shí)驗(yàn)室開瓶久置后的乙醛,乙醛的含量較低,銀鏡反應(yīng)很難進(jìn)行。也有研究者指出可以對(duì)開瓶久置后的乙醛進(jìn)行蒸餾純化,收集600～650℃的餾分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明,葡萄糖的固體或溶液都不容易變質(zhì),因此葡萄糖溶液比乙醛更適合進(jìn)行銀鏡反應(yīng)。

3. 探究更方便的加熱方式,課堂模擬工業(yè)生產(chǎn)中暖瓶?jī)?nèi)膽的制作

水浴加熱條件下,只有水浴加熱的部分容易鍍出銀層,而不能覆蓋整個(gè)試管。能否將水浴加熱改成搖晃產(chǎn)熱,使整個(gè)試管都鍍上銀層,從而實(shí)現(xiàn)在課堂上模擬工業(yè)生產(chǎn)中暖瓶?jī)?nèi)膽的制作過程?我們進(jìn)行了第三個(gè)探究。

A. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

第一步:取2支潔凈的試管,分別滴加1mL2%的硝酸銀溶液,再逐滴滴加20%氫氧化鈉溶液直至完全產(chǎn)生棕褐色沉淀。

第二步:分別在兩支試管中逐滴滴加2%的稀氨水,并充分振蕩,直至沉淀剛好完全溶解。

第三步:分別在兩支試管中加入3滴40%葡萄糖溶液,充分振蕩。

第四步:將其中一支試管置于70～95℃水浴中加熱,另一支試管充分搖晃振蕩,直至產(chǎn)生銀鏡。

B. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(表3)

表3 用水浴加熱和搖晃振蕩兩種方式進(jìn)行銀鏡反應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在其他條件相同時(shí),水浴加熱和搖晃振蕩對(duì)比,兩者都能產(chǎn)生銀鏡,而且搖晃振蕩能更快生成銀鏡,且生成的銀鏡面積更寬。

(四)“銀鏡反應(yīng)”最佳實(shí)驗(yàn)條件

綜上,實(shí)驗(yàn)室發(fā)生銀鏡反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件和操作的組合為:2%的硝酸銀溶液,20%的氫氧化鈉溶液,2%的氨水溶液,40%的葡萄糖溶液,加熱方式采取搖晃振蕩方式。反應(yīng)容器采用接觸面積更大的玻璃瓶。

三、 “銀鏡反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

[實(shí)驗(yàn)名稱]“銀鏡反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯通過“銀鏡反應(yīng)”了解醛類物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì),探究“銀鏡反應(yīng)”快速生成質(zhì)地均勻的銀鏡的最佳實(shí)驗(yàn)條件

[實(shí)驗(yàn)儀器及試劑]帶塞子的透明玻璃瓶、膠頭滴管、量筒,2%的硝酸銀溶液、2%的稀氨水、40%葡萄糖溶液、20%氫氧化鈉溶液

[實(shí)驗(yàn)操作]

通過以上探究實(shí)驗(yàn),筆者得出發(fā)生“銀鏡反應(yīng)”的最佳實(shí)驗(yàn)方案如下:

第一步:取潔凈的試管,加入一定體積的2%的硝酸銀溶液。

第二步:在溶液中逐滴加入20%氫氧化鈉溶液直至完全產(chǎn)生灰褐色沉淀。

第三步:再在試管中逐滴滴加2%的稀氨水,直至沉淀完全溶解。

第四步:在試管中加入一定體積的40%葡萄糖溶液,充分搖晃,直到產(chǎn)生銀鏡。

利用以上最佳方案,筆者在不同的玻璃瓶中進(jìn)行“銀鏡反應(yīng)”,“搖”出了閃閃發(fā)亮的銀色瓶(圖2),實(shí)現(xiàn)了在課堂上模擬工業(yè)生產(chǎn)中暖瓶?jī)?nèi)膽的制作過程。

圖2 “搖”出來的閃亮銀色瓶

四、 結(jié)語

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)將演示實(shí)驗(yàn)改成了趣味性的探究性實(shí)驗(yàn),教學(xué)過程應(yīng)用了PTDVMA實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,優(yōu)化了反應(yīng)條件和操作過程,實(shí)現(xiàn)了在課堂上模擬工業(yè)生產(chǎn)中暖瓶?jī)?nèi)膽的制作過程。改進(jìn)方案成功彌補(bǔ)了教材實(shí)驗(yàn)的不足之處,提高了化學(xué)反應(yīng)速率,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。實(shí)驗(yàn)過程無須水浴加熱,只需搖晃振蕩,操作也更簡(jiǎn)單方便。改變了銀氨溶液的配制方法后,形成的銀鏡更均勻,更閃亮。改進(jìn)以后的實(shí)驗(yàn)可以在玻璃瓶等較大的容器內(nèi)壁“搖”出銀鏡,實(shí)現(xiàn)了在課堂上模擬工業(yè)生產(chǎn)中暖瓶?jī)?nèi)膽的制作過程,應(yīng)用更廣泛,更實(shí)用。一線教師可以結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)際探索和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件與操作步驟,在不違背科學(xué)性原則的基礎(chǔ)上盡量使實(shí)驗(yàn)的原料簡(jiǎn)單易得,易于保存,實(shí)驗(yàn)的操作更簡(jiǎn)約化,從而充分利用好課堂時(shí)間,提高化學(xué)課堂的效率。

實(shí)驗(yàn)探究是化學(xué)知識(shí)的載體,在學(xué)生學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)的過程中融合實(shí)驗(yàn)探究,課堂教學(xué)就變得有血有肉,教師的教與學(xué)生的學(xué)之間有了互動(dòng)和交流,課堂就有了靈魂。通過實(shí)驗(yàn)探究學(xué)生自主構(gòu)建思維模型,建構(gòu)過程中,學(xué)生通過親身體驗(yàn)與深度思考學(xué)會(huì)知識(shí),也在同伴互助、思維碰撞中得到智慧升華,更在教師引導(dǎo)和點(diǎn)撥中提升能力。這樣的知識(shí)構(gòu)建學(xué)生印象非常深刻,學(xué)到的知識(shí)不容易遺忘。聯(lián)系社會(huì)生產(chǎn)與生活中碰到類似的實(shí)驗(yàn)情境,學(xué)生能快速調(diào)用已有的知識(shí)模型和知識(shí)體系,達(dá)到快速解決問題的目的,提升解決問題的能力。