重構教材實驗提升實驗素養

王冬梅

摘? ?要：通過對“二氧化硫性質驗證”的教材分析、學情分析與實驗目標分析，在傳統的實驗裝置的基礎上進行重構、創新，設計出新的實驗裝置，達到一體化、微型化、綠色化、多置歸一，實驗效果明顯，并且可以推廣該裝置，從而培養學生的實驗操作能力、創新能力、探究能力，提升實驗素養，培養學科核心素養。

關鍵詞：微型化；一體化；綠色化；多置歸一；二氧化硫

引言

為了落實對高中生化學學科核心素養的培養，在教學中以“基礎性”為起點，“時代性”和“選擇性”為發展體現，在實驗教學中要注重培養高級思維，改變傳統的實驗教學中學生缺少思考，只注重動手的現狀。學生要學會探究式學習建模及學會項目式學習，要以生活素材為依據，從而激發學生熱愛化學。本文以福建省實驗說課比賽獲獎案例“二氧化硫制備及性質的一體化微型實驗”為例進行分析。

1 使用教材分析

SO2在高中是一種很重要的氧化物，本課內容選自魯科版化學新教材第一冊第三章第二節“實驗室里研究不同價態硫元素之間的轉化——二氧化硫性質驗證”。關于SO2的學習既要體現運用的時代性和廣泛性，又要能開闊學生的眼界。

筆者根據教材引導學生對性質分析和實驗設計，在探討過程中發現學生對現有實驗經驗存在以下幾個問題：

（1）課堂上對二氧化硫性質實驗進行探究時，為節省時間往往提前用集氣瓶收集氣體保存。該過程需要使用大量試劑，且往往課堂演示或分組實驗現象不明顯，分析是由于SO2外逸，故而不便于宏觀辨識。比如，品紅褪色實驗。

（2）二氧化硫是有毒氣體，易污染環境，敞口實驗影響師生身體健康，不符合綠色化學的理念，缺乏社會責任意識。

（3）運用“發生裝置+檢驗裝置+尾氣處理裝置”思路組裝儀器，實驗裝置比較復雜，不便于學生實際操作，缺乏創新意識。

2? 學情分析

已具備知識：根據“研究物質性質的兩個基本角度”，學生已具有化合價角度分析和物質類別角度分析的知識儲備，有很好的學習鋪墊。

已具備能力：實驗操作能力、科學探究能力和觀察分析能力。

3? 實驗教學目標

宏觀辨識與微觀探析：通過觀察實驗現象，解釋其原因，掌握二氧化硫的化學性質。

科學探究與創新意識：能對實驗設計進行改進，小組合作探究，培養實驗探究能力和創新意識。

科學態度和社會責任：為培養學生的創新精神和社會責任，在實驗教學中要注重微型實驗教學和環保意識教學的滲透。

教學重點：探究二氧化硫的化學性質。

教學難點：為培養學生主動探究的精神，在實驗教學中培養學生對實驗設計和裝置的創新改進的意識。

4? 實驗器材

實驗儀器：針筒、具支試管、雙球干燥管、氣球、橡膠塞、棉花、酒精燈。

實驗藥品：亞硫酸鈉固體、70%的硫酸溶液、硫化鈉溶液、酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、氫氧化鈉溶液。

5? 實驗創新要點

（1）使用實驗室現有最小號儀器進行組裝，實驗儀器易得、便于推廣，在實驗中藥品用量很少就能達到很好的效果，有效地解決了藥品用量大的問題，實現實驗裝置的微型化、藥品用量微量化。

（2）將“發生裝置+檢驗裝置+尾氣處理裝置”多種裝置多置歸一，實現實驗裝置的一體化，從而解決了常規實驗中裝置復雜的問題。

（3）整個實驗過程裝置密閉，且試劑用量很少，反應后用注射器注入氫氧化鈉溶液吸收殘留二氧化硫，從而達到有害氣體的零排放。

（4）運用雙球干燥管凹面盛裝檢驗試劑，棉球粘取試劑用量少，易于推廣運用時更換試劑。

6? 實驗設計思路

SO2是造成酸雨的元兇之一，屬于大氣污染物，泄露在大氣中會導致許多疾病的發生，特別是會使青少年抗病能力變弱，免疫力下降。因此，在實驗教學中應盡量達到污染物的零排放是實驗教學的目標。SO2的性質是中學化學教學的重點，從物質類別和中心元素化合價兩個角度，引導學生分析問題并進行實驗探究，主要驗證SO2與水反應產物的酸性、氧化性、還原性、漂白性且可逆等。在實驗室演示SO2性質時往往分步進行，顯得繁瑣。SO2具有污染性，因此還應考慮環境保護問題。本實驗將SO2的制備、性質實驗與尾氣處理聯合進行，實現實驗裝置一體化、微型化，藥品用量微量化，實驗現象明顯，實驗效果顯著。實驗裝置簡單，略去了SO2氣體的收集，最后將多余的SO2氣體用堿液吸收，能夠很好的避免環境污染。

7? 實驗教學過程

環節1：分析教材，提出問題和假設

根據課本中“研究物質性質的兩個基本角度”和“探究不同價態硫元素之間相互轉化的思路”等方法，確定二氧化硫性質研究的兩個方向：

（1）物質類別：酸性氧化物性質類比二氧化碳；

（2）中心元素硫元素化合價+4：具有還原性和氧化性。

查閱資料：二氧化硫具有漂白性，能使品紅褪色且可逆。學生根據理論分析，確定性質探究的實驗方案。

環節2：設計方案，實施實驗

學生方案：將制備得到的二氧化硫分別通入酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、硫化鈉溶液中，觀察對應的實驗現象。

根據學生的實驗方案，師生共同將“一體化、微型化、綠色化、多置歸一”確定為本次實驗裝置設計改進的方向。學生利用現有的實驗知識，根據設定的實驗裝置改進方向，畫出了實驗裝置設計圖，比較符合實際的實驗裝置設計圖如圖1和圖2。

教師指導學生根據實際情況將實驗裝置圖進行組裝，引導學生根據反應特點，分析更合適的實驗裝置：注射器能有效控制反應速率更合適本實驗。儀器主要由具支試管、注射器、氣球組成。用細鐵絲固定四個棉球，在棉球上分別滴加品紅溶液、紫色石蕊溶液、高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液，然后將棉球組合放于試管中。學生運用本實驗裝置進行初次實驗，實驗現象明顯，分別是品紅溶液褪色、紫色石蕊溶液變紅、高錳酸鉀溶液褪色、沾有硫化鈉溶液棉球出現少許黃色，而且藥品使用量很少，反應后只需更換注射器，加入氫氧化鈉溶液就可對殘留二氧化硫進行處理。

學生對實驗進行分析后，發現該實驗裝置存在以下三個問題：

（1）“二氧化硫的漂白性在加熱條件下可逆”在該實驗中沒有得到驗證。

（2）有些同學的二氧化硫與硫化鈉反應的實驗現象不明顯，可能是棉球上吸附的硫化鈉的量較少導致。

（3）注射器針筒不長，無法插入試管底部，導致注射硫酸時不小心會粘在棉球上，影響實驗結果，以及在反應時液體伴隨氣體濺起影響實驗結果。

環節3：獲取證據，裝置優化

為了能更好地完成實驗內容達到預期的目標，建議學生查閱文獻尋找思路。文獻中顯示，有人改進了二氧化硫漂白性可逆特點的檢驗，但裝置一體化無法實現；有些人設計的實驗裝置比較復雜，不便于操作，雖然整套裝置能實現我們預期的實驗改進目標；于是有學生設計出了更簡潔如圖3的實驗裝置。

學生自述該設計主要將大試管底部彎曲，試管中上部有3個凹槽。彎曲尾部用于SO2的制取，而檢驗SO2性質的試劑分別放于試管中上部的凹槽部位。筆者根據設計圖明確指出該實驗設計存在的幾個問題：

（1）發生裝置不方便添加液體藥品；

（2）進行尾氣處理需去除瓶塞導致少量二氧化硫外逸；

（3）大試管彎曲，以及凹槽處理都需要玻璃工，而高中生沒辦法達到這么高程度的玻璃工制作。

環節4：確定實驗裝置

實驗儀器：針筒、具支試管、雙球干燥管、氣球、橡膠塞、棉花、酒精燈。

實驗藥品：亞硫酸鈉固體、70%的硫酸溶液、硫化鈉溶液、酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、氫氧化鈉溶液。

學生經歷多次改進，最終確定實驗裝置如圖4所示。

實驗步驟：

（1）檢查裝置氣密性：用橡膠塞塞住具支試管，再用酒精燈加熱，雙球干燥管末端放入水中，有連續氣泡產生，則裝置氣密性良好。（用加熱法進行氣密性檢測）

（2）在試管中裝入亞硫酸鈉；注射器中分別裝好硫酸并組裝好；另一支注射器裝好氫氧化鈉溶液；在雙球干燥管大球中裝品紅溶液，小球中裝硫化鈉溶液；小棉球兩個分別粘少量高錳酸鉀溶液和紫色石蕊。

（3）注射器緩慢地往試管中注射硫酸，觀察反應現象：紫色石蕊溶液變紅色、高錳酸鉀溶液褪色、品紅溶液褪色、硫化鈉溶液出現黃色渾濁；品紅溶液褪色后用酒精燈加熱，觀察褪色后的品紅溶液現象：溶液又恢復紅色。

（4）用另一注射器往裝置中注射氫氧化鈉溶液進行尾氣處理。

環節5：實驗裝置的擴展應用

改進后的實驗裝置實現了驗證二氧化硫的制備及性質一體化實驗，效果很好；只要對棉球、雙球干燥管中試劑進行更換，裝置就能推行到其他氣體的制備及性質實驗中，如表1所列的氯氣、氨氣、乙炔等。

8? 實驗成效評論

（1）實驗裝置簡單一體化：二氧化硫的制取，酸性、氧化性、還原性、漂白性及二氧化硫漂白品紅的可逆性等一系列性質的考證，該一體化裝置幾分鐘內就可完成，實驗現象前后顏色對比明顯。

（2）實驗裝置，微型試劑用量微量：該實驗使用實驗室現有的最小號儀器，組裝實驗裝置微型化；檢驗試劑放于干燥管雙球內或用棉花蘸取實驗試劑，試劑用量符合微量化。

（3）實驗過程綠色環保：該實驗能實現有毒氣體的零排放，符合綠色環保要求。在密閉的實驗裝置中用注射器向裝置內輸入少量的氫氧化鈉溶液，就可以對尾氣進行處理，防止有毒氣體外逸。

（4）普適性：該裝置也可以推廣到其他氣體的制取和性質實驗中，該裝置成本便宜，有益于推廣。

9? 結束語

本次實驗探究以硫元素不同價態相關物質性質的知識為基礎，以課本中學生設計實驗為切入點，發現問題，并以探究的方法，不斷引導學生改進實驗方案，培養學生的創新能力；實驗現象明顯，符合綠色環保要求，使得實驗更加科學、嚴謹；整個實驗過程操作簡單，實驗安全性高，值得推廣，達到預期設定的教學目標。