福爾摩斯式破案與中學化學探究式教學

愛因斯坦曾說過：“興趣是最好的老師。”古人亦云：“知之者不如好之者，好知者不如樂之者。”興趣對學習有著神奇的內驅動作用，能變無效為有效，化低效為高效。在我國，初中化學教育是學生與化學的第一次接觸，因此充分調動學生對化學的興趣無論對其初中階段化學知識的掌握還是對其以后的化學學習都有著極為重要的意義。然而，由于化學要“記憶”的知識點多，如果沒有合適的引導，學生由最初因化學實驗的新奇感而產生的興趣將逐漸減退。針對這一問題，在教學中，根據教材的具體知識點及教學目的的要求，引入合適的故事情境，誘發學生探索的欲望，將有助于教學的有效開展。

筆者在與學生交流中發現，初中階段的學生思維活躍，探索性強，尤其對一些懸疑、探案類故事比較感興趣，比較典型的是大偵探福爾摩斯的故事。2002年英國皇家化學學會決定授予這位家喻戶曉的小說主人公福爾摩斯為該學會的特別榮譽會員，以表彰這位“大偵探”將化學知識應用于偵探工作的業績。針對初中階段學生的特點，筆者加強了相關知識的補充，引入了福爾摩斯式破案，即使用化學知識來破案的案例到教學中去，取得了很好的效果。具體的執行流程主要包括六個步驟執行：一是教師以要講授的化學知識為基礎，穿插進偵探案例，建立合適的故事情景，調動學生興趣；二是指導學生閱讀課本內容，引導學生提出問題；三是鼓勵學生透過觀察、測量和實驗去回答他們的問題；四是引導學生提出解釋和解決策略；午睡引導學生評量其提出的解釋和解決策略，建立相關理論；六是鼓勵學生進一步拓展。下面筆者列舉教學中用到的幾個案例執行過程，以供參考。

案例一：硫酸和硫酸銅

硫酸與硫酸銅的性質是初中化學中的一個重要知識點，學生通過學習需要掌握銅與硫酸反應的特點：銅排在金屬活動順序表氫元素之后，所以銅不能和稀硫酸反應；但濃硫酸具有強氧化性，能與銅反應；同時需要知道硫酸銅是有毒物質。這些知識點雖然繁瑣難記，但在教學中結合入偵探場景把相關知識點串插進去，則可以極大調動起學生興趣，加強其記憶深度。

故事情境 在《大偵探福爾摩斯》電影里，反派人物布萊克伍德的父親被發現死于銅質浴缸內。身為牛津化學系高材生的福爾摩斯，發現浴缸上有殘留的結晶，就知道了罪犯使用的化學殺人方法。福爾摩斯說死者看上去只是在銅制的浴盆里泡澡，但其實是中毒。由于罪犯在熱的洗澡水中加入了一種無嗅無味的化學物質濃硫酸，使得洗澡水與銅混合后發生了反應。反應時水里冒泡泡，像燒開的水一樣，同時生成了高濃度的富含銅離子的溶液。銅雖然不算毒藥，但卻屬于有毒重金屬，能抑制中樞神經，人接觸高濃度的銅鹽溶液，就會喪失活動能力。罪犯正是利用這點，讓銅與洗澡水反應，使父親重金屬中毒而亡。

引導學生提出問題 銅與水是不輕易發生反應的，所以有很多日常生活的器皿都用銅打造，那銅是怎么進到水里去的呢？為什么罪犯在洗澡水中加入了濃硫酸后就可以使得洗澡水變成了一盆銅鹽溶液呢？

引導學生回答問題 根據故事情境描述的現象“加入濃硫酸后，洗澡水與銅反應時水里冒泡泡，像燒開的水一樣，并產生了有毒的銅鹽溶液”，引導學生回答現象背后的化學反應：硫酸與銅發生了反應，生產了硫酸銅和一種氣體。進一步引導學生提出新的問題：銅排在金屬活動順序表氫元素之后，按道理銅與硫酸是不能反應的，為什么這里銅和硫酸可以反應了呢？

引導學生提出解釋和解決策略 結合故事情境里的反應條件，銅、熱水、硫酸，引導學生設立實驗來觀察銅和硫酸反應的條件。讓學生分成不同的小組，分別觀察在加熱條件下不同濃度硫酸與銅的反應情況。

引導學生建立理論 雖然稀硫酸不能和銅反應，但濃硫酸具有強氧化性，硫酸濃度高于一定值之后，在加熱條件下即可反應生成硫酸銅，水和二氧化硫氣體。

2H2SO4（濃）+Cu=CuSO4+2H2O+SO2↑銅與濃硫酸的反應，并不是酸中H元素的作用，而是S元素的作用，不能用金屬活動順序來解釋這個性質。

鼓勵學生進一步拓展 利用硫酸與銅反應的特征，能否應用于工業中？引導學生認識工業上從廢舊銅電路板回收銅的化學原理，并引導學生回答該化工方法的利弊，對環境的影響等。進一步的，引導學生辨證地分析硫酸銅的作用。盡管硫酸銅具有毒性，其在工業領域和農業領域也大有用途。如工業領域中生產其他銅鹽，涂料工業用于生產船底防污漆、電鍍工業等。以及在農業領域，與石灰水混合后生成波爾多液，作為殺菌劑等。

案例二：碘的性質

關于碘的知識點有：碘的升華點和熔點比較接近，在常壓下加熱碘單質，固態的碘不經熔化而直接升華。另外，碘遇淀粉會變色。同樣的，如能將這些知識點與斷案情節結合起來，則更能加深學生的興趣和印象。

故事情節 一家拍賣公司報案：他們準備開拍的一枚珍貴郵票被竊了。在案發現場，監控攝像頭壞了，看守的老王也死了，幾乎找不到什么線索。就在大家都著急的時候，偵探說，在案發現場的封條上有罪犯留下的指紋。指紋在哪？現場大家都張大了好奇的眼睛，明明是一張白紙。偵探找來一瓶碘酒，拿起一個刷子蘸了碘酒，在白紙上輕輕一刷，兩個手印就出來了。

引導學生提出問題 為什么罪犯留在封條上的指紋拿碘酒一刷就出來了？

引導學生回答問題 因為封條上有漿糊，漿糊的主要成分是淀粉，淀粉和碘酒發生反應后，指紋就會呈現出來。進一步引導學生：在電影中常常看到辦案人員利用指紋破案的情節，如果不是劇情里的情況，指紋不在淀粉上，還有什么辦法能得到指紋呢？

引導學生提出解釋和解決策略 引導學生使用碘升華的實驗來采集指紋。具體操作是，在一張白紙上面用手指按一下，然后把紙上手指按過的地方對準裝有少量碘的試管口，并用酒精燈加熱試管底部。等到試管中升華的紫色碘蒸汽與紙接觸之后，按在紙上的平常看不出來的指紋就會漸漸地顯示出來，并可以得到一個十分明顯的棕色指紋。

引導學生建立理論 常壓下，碘在加熱時能夠不經過液態直接升華成蒸汽。同時碘還有易溶于有機溶劑的特性。由于指紋含有油脂、汗水等有機溶劑，當碘蒸汽上升遇到這些有機溶劑時，就會溶解其中，因此指紋也就顯示出來了。

鼓勵學生進一步拓展 目前大家食用的都是加碘鹽，大家普遍的做法是在快起鍋時加鹽。網絡上有人說這是為了防止碘的損失。引導學生設計實驗實際加熱加碘鹽來試一下，驗證到底會不會有碘元素的損失。進一步地，還可以引導學生概況碘在生活中的作用，如缺乏碘會引起甲狀腺腫大。碘及其相關化合物主要用于醫藥、照相及染料。它還可作為示蹤劑，進行系統的監測，例如用于地熱系統監測。碘化銀除用作照相底片的感光劑外，還可作人工降雨時造云的晶種。碘和碘化鉀的酒精溶液即碘酒，是常用的消毒劑；碘仿用作防腐劑。

案例三：二氧化碳的性質

二氧化碳的性質也是初中化學中的一個重要知識點，其典型特征是密度比空氣大，不支持燃燒。同樣，二氧化碳的教學也可以從福爾摩斯式破案開始。

故事情節 在意大利某地有個奇怪的山洞，人走進這個山洞安然無恙，而狗走進洞里就一命嗚呼。因此，當地居民就稱之為“屠狗洞”，迷信的人還說洞里有一種叫做“屠狗”的妖怪。為了揭開“屠狗洞”的秘密，一位名叫波爾曼的科學家來到這個山洞里進行實地考察。他在山洞里四處尋找，始終沒有找到“屠狗妖”，只見巖洞倒懸了許多的鐘乳石，地上有石筍，并且有很多從潮濕的地上冒出來。波爾曼透過這些現象，經過科學的推理終于揭開了其中的奧秘。

引導學生提出問題 原來，這個由大量鐘乳石和石筍構成的巖洞，是個石灰巖巖洞。這里，長年累月地進行著一系列的化學反應，積累了大量的二氧化碳，狗因缺乏氧氣而窒息死亡。引導學生進一步提出問題，為什么人沒事，而狗會死亡？

引導學生回答問題 人和狗進入山洞時所處的高度不同，在山洞底層和高層二氧化碳濃度不同。為什么這樣呢？

引導學生提出解釋和解決策略 讓學生參照教材上的蠟燭熄滅實驗，自己動手做一做。傾倒二氧化碳后蠟燭會熄滅；下部的蠟燭先滅。因為二氧化碳比空氣重，于是就聚集在地面附近，形成一定高度的二氧化碳層。當人進入洞里，二氧化碳層只能淹沒到膝蓋，有少量的二氧化碳擴散，人只有輕微的不適感覺，然而處在低處的狗，卻完全淹沒在二氧化碳層中，因缺乏氧氣而窒息死亡，這就是屠狗洞屠狗而不傷人的道理。

引導學生建立理論 引導學生根據蠟燭熄滅得出CO2氣體不支持燃燒、也不能燃燒的性質，同時根據實驗中下部的蠟燭先熄滅、上部的蠟燭后熄滅的情況得出CO2密度比空氣大。

鼓勵學生進一步拓展 提出拓展性問題讓學生回答：在我國北方地區，都要用地窖儲存紅薯、蔬菜等，在每次下地窖之前，總是要用一燃著的蠟燭緩緩放到地窖里，你能說說這一做法的原因嗎？進一步探究CO2的其他物理性質和化學性質。穿插引導學生概括出CO2在生活中的用途：液態CO2主要用于滅火器，固態CO2用做致冷劑，冷藏食物、人工降雨等，還可制汽水。提問：“CO2含量不大，如果沒有可以嗎？”追問：“CO2是否越多越好呢？”結合全球變暖以及我國政府的“低碳”政策這樣一個話題，發散學生思維，用科學的態度去看待二氧化碳這種氣體，使學生更好地去理解化學與技術、生活、環境的關系。過去說到二氧化碳，學生總是認為它是全球變暖的“罪魁禍首”，是一種帶有負面情緒的氣體。但是利用化學辯證法，可以發現二氧化碳可以在大棚里增施二氧化碳來促進植物的光合作用，還可以利用二氧化碳來制作大家都愛不釋手的碳酸飲料等等。通過這些引導和拓展，可教會學生運用科學態度對待任何一種化學物體，不帶感情色彩地辯證分析，一切皆可為人類所用。

2014年，教育部印發《關于全面深化改革，落實立德樹人根本任務的意見》中多次提出培養學生的科學核心素養。《中學化學課程標準》也提出培養學生運用化學知識和科學方法分析和解決簡單問題的能力。“科學素養”在當代中學化學教育中的重要地位可見一斑。筆者前述的福爾摩斯式破案教學范式，其優點在于可引導學生根據所學化學理念、化學知識、化學概念，對生活中的事物進行分析、比較、推測、論證，活用化學知識，進而培養學生的化學思維。通過各種新奇的故事，可強烈地激發學生的好奇感，進而學生們開始自覺地相互討論、主動地查閱資料，有目的性地去查詢新結論背后的原因。達到“充分利用化學教育來提高學生的核心素養，利用核心素養的培育來提升學生運用化學知識的能力”的目的。需要強調的是，在此類教學活動的具體實施中，教師的定位一定要明晰，不能為了講故事而講故事。“斷案故事”只是開展教學活動的引子，而教學活動中的核心還是“探究”和“引導”。教師需要能很好地組織整個教學活動，恰如其分地引導學生的思考和討論。在教師引導下的“思考和討論”的背后實際是對學生科學方法、科學態度、科學觀和科學思維習慣等核心科學素養的培養。此外，還需要結合我國新課程改革思想及我國科學技術發展實際情況，拓展學生對科學與技術的差別的認識；對科學、技術在社會生活方面的影響的認識；對人與自然的關系、可持續發展及科學技術對環境影響的認識。只有如此，才可正確地培養學生對科學本質的理解和對社會的責任感，提高其對以科學、技術為基礎上的合理決策力。而這也正是一線化學教師培養人才的目標。

（作者單位：安徽省淮北市西園中學）