基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐
——以“解密食品級(jí)添加劑(Na2SO3)”為例

方建麗

(浙江省杭州師范大學(xué)附屬未來科技城學(xué)校)

1.項(xiàng)目由來

1.1 素養(yǎng)要求分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)中建議化學(xué)教學(xué)要發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),倡導(dǎo)問題情境真實(shí)化,教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化,學(xué)生活動(dòng)探究化,挖掘化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,倡導(dǎo)關(guān)注社會(huì)爭(zhēng)議性熱點(diǎn),增強(qiáng)學(xué)科認(rèn)同感。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)(Project-based learning,PBL)讓學(xué)生在真實(shí)的問題情境中進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)踐,是促進(jìn)核心素養(yǎng)融合發(fā)展的有效教學(xué)方式。

1.2 最近發(fā)展區(qū)分析

對(duì)于高一學(xué)生,在完成硫、氮元素及其化合物的學(xué)習(xí)后,已具備判斷常見物質(zhì)的類別及例舉其化學(xué)性質(zhì)的能力,具備了基本的氧化還原反應(yīng)基礎(chǔ)知識(shí),了解常見非金屬及其化合物性質(zhì),并對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的基本思想有了淺層認(rèn)知,但思維方式較為零散或片段化,對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律認(rèn)知不夠全面與系統(tǒng)。學(xué)生在真實(shí)情境中,面對(duì)復(fù)雜問題時(shí),缺乏從陌生信息中提取有效信息的思維模型與能力,缺少科學(xué)探究的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合學(xué)生具體情況,在實(shí)際教學(xué)中,要注意結(jié)合生活中的實(shí)際問題,引導(dǎo)學(xué)生從轉(zhuǎn)化角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì),基于類別、價(jià)態(tài)、條件、用量等多角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)、轉(zhuǎn)化與應(yīng)用相關(guān)問題,進(jìn)一步落實(shí)獨(dú)立的方程式書寫及進(jìn)階——價(jià)—類二維知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化模型建構(gòu),用化學(xué)視角解決學(xué)習(xí)或生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題,提升宏觀辨識(shí)、變化觀念、證據(jù)推理、模型認(rèn)知、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.3 社會(huì)實(shí)際需求

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高,國(guó)民們?cè)絹碓街匾暿称钒踩?但因一些不法分子的違法添加,大多數(shù)人對(duì)食品添加劑存在偏見,認(rèn)為其存在都是有害的。然而食品添加劑是為改善食品品質(zhì)和色、香、味,以及為防腐和加工工藝的需要而加入食品中的化學(xué)合成或天然物質(zhì),國(guó)家明確規(guī)定其種類、范圍、用量等,確保其功效性與安全性,故教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)其正向作用,理性看待合法添加,能用化學(xué)知識(shí)捍衛(wèi)自身權(quán)益,從化學(xué)人的視角辯證性看待社會(huì)熱點(diǎn)問題,挑起科普大梁。

基于以上需要,筆者以“解密食品級(jí)添加劑”項(xiàng)目為課題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)踐活動(dòng),構(gòu)建物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的思維模型,提升信息處理與實(shí)際問題解決能力,發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.項(xiàng)目規(guī)劃

2.1 項(xiàng)目目標(biāo)制訂

能基于物質(zhì)類別及熟悉物質(zhì),對(duì)陌生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化提供等價(jià)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的思路;能基于氧化還原反應(yīng),對(duì)陌生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化提供變價(jià)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的思路;初步感受反應(yīng)條件與用量對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響。通過學(xué)生對(duì)Na2SO3檢驗(yàn)方案原理的設(shè)計(jì),診斷其對(duì)應(yīng)用物質(zhì)類別分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知水平;通過學(xué)生對(duì)Na2SO3還原性與氧化性實(shí)驗(yàn)方案原理的設(shè)計(jì),診斷其對(duì)應(yīng)用氧化還原反應(yīng)分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知水平。

能在預(yù)測(cè)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上,具備基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力與評(píng)價(jià)能力,能夠結(jié)合原理選擇合適試劑與步驟,并能夠預(yù)測(cè)、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論,構(gòu)建含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)體系;經(jīng)歷方案的設(shè)計(jì)、沖突、改進(jìn),增加方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的角度與深度。通過學(xué)生對(duì)陌生含硫物質(zhì)性質(zhì)預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施,診斷學(xué)生分析處理陌生信息的能力、實(shí)驗(yàn)探究創(chuàng)新能力和模型建構(gòu)與應(yīng)用的能力;通過學(xué)生對(duì)Na2SO3制備方案的設(shè)計(jì)與完善,診斷學(xué)生科學(xué)探究能力與創(chuàng)新水平。

通過對(duì)生活中的食品添加劑質(zhì)檢的任務(wù),學(xué)會(huì)用化學(xué)視角看待生活中的問題,運(yùn)用化學(xué)知識(shí)理性解決生活中的偏見,增強(qiáng)化學(xué)科普自豪感與責(zé)任意識(shí)。通過對(duì)食品添加劑含量檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施,診斷學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任認(rèn)知水平。

2.2 項(xiàng)目過程設(shè)計(jì)

3.項(xiàng)目實(shí)踐過程

3.1 成分揭秘

【問題】從網(wǎng)上購(gòu)得一包食品級(jí)漂白劑,已知為純凈物,但包裝上并未指明其成分,究竟為何種物質(zhì)呢?請(qǐng)同學(xué)們通過觀察實(shí)物,進(jìn)行討論。

【生1】具有漂白性的物質(zhì)有氯水、SO2、H2O2、Na2O2、NaClO、Ca(ClO)2……

【生2】拆開包裝,可以看到該漂白劑為白色固體,根據(jù)其顏色、狀態(tài),可以排除氯水、SO2、H2O2、Na2O2。

【資料查閱】食品級(jí)漂白劑指能夠使食物色澤褪去或者避免食品褐變的一類添加劑。按其作用機(jī)理分為還原型漂白劑和氧化型漂白劑,還原型漂白劑在果蔬加工中應(yīng)用較多,以亞硫酸相關(guān)產(chǎn)品為主,氧化型漂白劑在食品中應(yīng)用極少。

【生】根據(jù)資料卡,預(yù)測(cè)該漂白劑為亞硫酸鹽,如亞硫酸鈉等。

【師】已知亞硫酸鹽與碳酸鹽在轉(zhuǎn)化時(shí)有一定的相似性,請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證。

【生1】先將該食品級(jí)漂白劑溶于水,取待測(cè)液加入適量鹽酸,預(yù)測(cè)有氣泡產(chǎn)生。

演示實(shí)驗(yàn)……

【師】未觀察到明顯氣泡現(xiàn)象的原因可能是?

【生2】SO2易溶于水。

【師】如何證明生成了SO2?

【生3】聞到了刺激性氣味,應(yīng)該是生成了SO2。

【師】有一些同學(xué)注意到了刺激性氣味氣體的產(chǎn)生,因此在完成該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí),我們還應(yīng)注意什么呢?

【師】能否通過沉淀法檢驗(yàn)亞硫酸鹽呢?

【生】可向該溶液中加入氯化鋇,若產(chǎn)生白色沉淀,繼續(xù)加入鹽酸,沉淀溶解,且聞到刺激性氣味,證明是亞硫酸鹽。

【師】請(qǐng)同學(xué)們按照方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【師】通過觀察,我們發(fā)現(xiàn)加酸后沉淀大部分溶解,同時(shí)聞到刺激性氣味。

【小結(jié)】

設(shè)計(jì)意圖:以熟悉的碳酸鹽的性質(zhì)為基礎(chǔ),引導(dǎo)學(xué)生從類別角度分析陌生物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化。通過物質(zhì)性質(zhì)分析及實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè),提升學(xué)生變化觀念與科學(xué)探究能力。從鹽到酸到氧化物、氧化物到鹽的轉(zhuǎn)化,回顧常見物質(zhì)類別之間的轉(zhuǎn)化,并通過現(xiàn)象與認(rèn)知的沖突,重視用量對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的影響。

3.2 功效探究

【師】上述實(shí)驗(yàn)中,不溶于酸的白色沉淀是什么?如何產(chǎn)生的?

【師】因此,我們可以推測(cè)Na2SO3具有什么性質(zhì)?

【生】還原性。

【師】請(qǐng)結(jié)合試劑清單,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,驗(yàn)證Na2SO3的還原性。

【生】取適量KMnO4溶液(或碘水)于試管,滴加適量Na2SO3溶液,若溶液顏色褪去,則Na2SO3具有還原性。

【師】請(qǐng)同學(xué)們按照方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【師】Na2SO3還可能實(shí)現(xiàn)哪些變價(jià)間的轉(zhuǎn)化呢?

【生】Na2SO3中S化合價(jià)可以降,可能具有氧化性?？扇∵m量Na2SO3溶液于試管,滴加適量Na2S溶液,預(yù)測(cè)出現(xiàn)淡黃色沉淀。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【師】并未出現(xiàn)理想現(xiàn)象,結(jié)合學(xué)過的體現(xiàn)二氧化硫氧化性的化學(xué)方程式,判斷可能缺少了什么呢?

【生】可能缺少H+,可嘗試滴加少量硫酸。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

【小結(jié)】等價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化,可運(yùn)用物質(zhì)類別轉(zhuǎn)化規(guī)律分析;變價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化,可運(yùn)用氧化還原反應(yīng)規(guī)律分析。此外,還需結(jié)合實(shí)際反應(yīng),綜合考慮反應(yīng)條件及試劑用量。

設(shè)計(jì)意圖:抓住實(shí)驗(yàn)中的意外現(xiàn)象,引出含硫物質(zhì)變價(jià)轉(zhuǎn)化分析思路,進(jìn)一步考查學(xué)生試劑選擇與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)水平,通過方程式的書寫,診斷學(xué)生化學(xué)語(yǔ)言表征水平。在真實(shí)情境中,利用熟悉元素、陌生物質(zhì),完善氧化還原反應(yīng)知識(shí)體系,應(yīng)用認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的價(jià)態(tài)規(guī)律,構(gòu)建不同含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化思維圖,診斷學(xué)生變化觀念、證據(jù)推理等學(xué)科素養(yǎng)水平。

3.3 制備研發(fā)

【師】在日常生產(chǎn)生活中,Na2SO3可用作人造纖維穩(wěn)定劑、織物漂白劑、照相顯影劑、染漂脫氧劑、香料和染料還原劑、造紙木質(zhì)素脫除劑等,用途廣泛。假如你是生產(chǎn)商,你會(huì)采取怎么樣的工業(yè)流程制備Na2SO3呢?能否從產(chǎn)品純度、經(jīng)濟(jì)效益、綠色化學(xué)等角度對(duì)可行性方案進(jìn)行優(yōu)劣分析及方案改進(jìn)?

【生1】向NaOH中通入SO2(方案1)。

【師】每種方案各有其優(yōu)缺點(diǎn),同學(xué)們需要從多角度綜合分析,辯證性對(duì)物質(zhì)制備流程進(jìn)行改進(jìn)。此外,在實(shí)際工業(yè)中為使方案3中的反應(yīng)順利發(fā)生,我們還需控制SO2或NaHSO3用量,在部分環(huán)節(jié)中通過加熱促使CO2溢出,這就是工業(yè)制備Na2SO3常用方法之一——純堿法。

我們考慮了用更經(jīng)濟(jì)的Na2CO3替代NaOH,那么,能否從更加便宜、易得的飽和食鹽水出發(fā)呢?請(qǐng)同學(xué)們選擇合適的試劑,設(shè)計(jì)工業(yè)流程制備Na2SO3(可參考侯氏制堿法的流程)。

【生1設(shè)計(jì)方案展示】

【師】在候氏制堿法中我們強(qiáng)調(diào)氣體的通入順序?yàn)橄萅H3再CO2,但在實(shí)際生產(chǎn)中,某工廠在制備Na2SO3時(shí)卻先通SO2,再通NH3,流程圖如圖所示,請(qǐng)思考原因?

【生】SO2可溶于水,在保證一定的吸收量的同時(shí),該方法可直接生成并析出Na2SO3,使步驟更精簡(jiǎn)。

【小結(jié)】

設(shè)計(jì)意圖:以Na2SO3制備的工業(yè)需求為真實(shí)情境,利用已學(xué)知識(shí)對(duì)Na2SO3的制備進(jìn)行方案設(shè)計(jì),進(jìn)一步利用物質(zhì)類別完善Na2SO3相關(guān)轉(zhuǎn)化的網(wǎng)絡(luò)體系,通過對(duì)比不同方案中原料、條件、步驟順序等差異,學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)物質(zhì)制備流程的一般思路,診斷學(xué)生模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度等學(xué)科素養(yǎng)水平。

3.4 定量質(zhì)檢

【師】Na2SO3可作為食品級(jí)還原性漂白劑,對(duì)食品有漂白或護(hù)色作用,但其用量必須符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),例如蜜餞最大使用量為2.0 g/kg,糖果、竹筍、蘑菇等最大使用量為0.60 g/kg。因此,在生活中,我們還應(yīng)關(guān)注食品添加劑的定量分析,請(qǐng)同學(xué)們從氧化還原反應(yīng)角度,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,測(cè)定銀耳浸泡液中Na2SO3的物質(zhì)的量濃度。

【師】參考上述方案,能否用I2-淀粉溶液代替KMnO4溶液進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)?

【師】在化學(xué)分析中,碘量法是測(cè)定亞硫酸鹽的常見方法之一,但在實(shí)際測(cè)定過程中,考慮到亞硫酸鹽易被氧氣氧化,因此可先加入過量I2,再通過測(cè)量該過程中反應(yīng)消耗的I2的量來計(jì)算Na2SO3含量。

在日常生活中,我們也可以通過購(gòu)買亞硫酸鹽(或二氧化硫)檢測(cè)試劑檢驗(yàn)食品中的Na2SO3添加量是否合格,其原理大多為鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法。(觀看操作視頻)接下來,請(qǐng)同學(xué)們動(dòng)手實(shí)驗(yàn),檢測(cè)某銀耳溶液中Na2SO3含量是否合格。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)……

設(shè)計(jì)意圖:以亞硫酸鹽的質(zhì)檢需求為情境,進(jìn)一步落實(shí)Na2SO3性質(zhì)與轉(zhuǎn)化知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系的完善與化學(xué)用語(yǔ)表征,鞏固氧化還原反應(yīng)離子方程式的書寫。結(jié)合生活中食品添加劑含量監(jiān)測(cè)的需求,鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決生活問題,提高化學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)效感,提升科學(xué)探究能力,承擔(dān)社會(huì)責(zé)任,爭(zhēng)當(dāng)科學(xué)宣傳先鋒。

4.實(shí)踐效果與反思

4.1 以探促學(xué),以疑深習(xí)

在解密食品級(jí)添加劑項(xiàng)目中,通過各個(gè)子項(xiàng)目的層層遞進(jìn),學(xué)生在真實(shí)情境、有效任務(wù)中,反復(fù)經(jīng)歷“解決、遇阻、探索、成功”的過程,例如在Na2SO3成分揭秘方案的設(shè)計(jì)過程中,學(xué)生通過調(diào)動(dòng)已學(xué)知識(shí),能夠完成初級(jí)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì),但在方案實(shí)踐過程中,發(fā)現(xiàn)加酸后并無明顯氣泡,再如將Na2SO3與Na2S溶液混合后并未直接出現(xiàn)預(yù)期的沉淀現(xiàn)象,學(xué)生雖然認(rèn)知受到?jīng)_突,卻調(diào)動(dòng)了更大的思疑、解疑的積極性。學(xué)生在不斷思考中完善知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系與創(chuàng)新思維寬度和廣度,完成深度學(xué)習(xí)。通過課后調(diào)研也可得出結(jié)論:學(xué)生在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中,更易激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),也更容易獲得學(xué)習(xí)成就感與實(shí)效感,但同時(shí),因項(xiàng)目化學(xué)習(xí)背景更加真實(shí),情境更加復(fù)雜,對(duì)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)水平要求也更高。

4.2 關(guān)注課堂生成,反哺課堂