基于真實情境的探究實驗教學

伍文洪

摘要：創設學生熟悉的，感興趣的真實生活情境，從情境中找到探究實驗素材是激發學生探究興趣，提高課堂效率的有效途徑。在學生參觀自來水廠研學旅行基礎上，引領學生從真實的情境中找到測定水的耗氧量的探究實驗課題。在探究實驗的過程中，教師引導學生在已有知識背景下分析問題，解決問題，培養學生化學學科核心素養。

關鍵詞：真實情境;水的耗氧量;氧化還原滴定;化學核心素養

文章編號：1008-0546（2020）11-0091-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.023

一、問題的提出

化學是一門以實驗為基礎的學科。目前中學化學實驗從傳統的演示實驗、驗證性實驗為主發展到探究性實驗為主。探究性實驗是新課程標準下的必然要求，是提高高中化學課堂效率的重要方法，是培養和發展學生化學核心素養的途徑。

當前中學探究性實驗內容主要來自以下幾個方面。（1）充分挖掘教材的資源，教材中很多知識設計了實驗證明，但并不是把知識的生成過程還原為科學的發現過程，這為探究性實驗教學提供豐富的資源。（2）對課本實驗的改進，教材中的某些實驗存在的不足，如現象不明顯，存在污染等。針對這些不足進行探究實驗改進。（3）從試題中尋找探究性實驗素材。（4）從新聞報道，科普讀物中發現探究實驗課題。而教師和學生從親身體驗的真實情境中發現探究實驗素材的情況則比較少。如果能從生活實踐中，根據所見所聞善于發現問題，思考問題，查詢信息，找到探究內容，應用所學知識去解決問題，那么這種探究實驗將極大提升學生的學習效率，達到培養學生化學素養的目的。

水的耗氧量探究實驗來源于真實情境。筆者帶領學生去自來水廠開展研學旅行活動。參觀前師生查詢信息了解了自來水水質的國家標準數據，水的耗氧量是其中之一。參觀過程中在自來水廠化驗室通過廠實驗員初步了解了水的耗氧量問題。學生對水的耗氧量測定非常感興趣，就產生了探究課題。基于真實情境的實驗探究，讓學生體會到科學、技術、社會的密切關系。研學旅行就給師生創造了真實情境的環境，從情境中發現問題，尋找到探究性實驗課題。自來水廠、污水處理廠、化工廠等都是很好的化學研學旅行的地點。師生可以通過參觀了解這些場所，挖掘出更多學生感興趣的探究實驗。

二、探究水的耗氧量實驗教學設計和實施

1.教材和學情分析

本節課選自于高三化學實驗復習課。高三實驗復習課如果僅僅簡單重復教材實驗，那么學生的興趣和復習效率不高。開展綜合性探究實驗，能使實驗達到知識和技能的鞏固和復習，又能培養學生的思維分析能力，發展學生的化學核心素養。基于真實情境的水的耗氧量探究實驗能激發學生的探究熱情。

“探究水的耗氧量滴定實驗”是一個綜合性較強的實驗。其涉及較多的知識點，包括離子反應，氧化還原反應，有機化學，化學計算，實驗操作，誤差分析等。內容涉及必修1，必修2，選修4化學反應原理，選修5基礎有機化學。高三學生已經完成以上模塊的學習，具有了基本的實驗操作和設計能力。但面對較復雜的實際問題，學生還是考慮不全面，缺乏綜合的分析能力。該探究實驗考察學生的基礎知識掌握，實驗設計，實驗評價，定量分析和實驗數據處理能力。

2.教學設計思路

探究實驗教學思路如圖1。

3.教學過程

主題（1）回顧參觀自來水廠的收獲。

展示①：學生參觀自來水廠凈化池和水質化驗室圖片。

[講解]我們參觀了自來水廠，對自來水的凈化工藝流程和自來水的國家標準有了一定的了解。自來水的水質關系到我們每個人的身體健康。自來水的生產和水質檢測都涉及到很多化學知識。水質各項數據檢測涉及到各種儀器和方法。我們現在來探究水質的耗氧量的實驗檢測方法。

設計意圖：引導學生回顧參觀自來水廠的收獲，使學生深深地認識到化學知識與人類生產和生活的密切聯系，化學對人類的重要性。培養學生的“科學態度和社會責任”素養。如何進一步探究水質的檢測實驗更能激發他們主動學習的欲望。

主題（2）水耗氧量的介紹。

展示PPT：水的耗氧量①定義：以高錳酸鉀為氧化劑，在1升水中還原性物質在一定條件下被氧化時所消耗的毫克數，將消耗的高錳酸鉀的量換算為氧（O2）表示。水中的還原性物質包括無機物和有機物兩部分。天然水中無機還原物（如亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等）含量少，而有機物含量較多（主要來源于污水或生物分解產物）。②意義：耗氧量分析項目在水質分析中屬于有機物綜合指標，水中耗氧量的大小不僅可以間接地反映水中有機物的含量，還可以做為水體被污染的標志之一，對水質污染情況進行綜合性評價，水處理中耗氧量的大小還可反映一定的凈化程度，因此，水中耗氧量的檢測有著重要的意義，水中耗氧量的大小可以作為水體被污染的標志之一。飲用水中耗氧量的檢測，一般都采用酸性高錳酸鉀或重鉻酸鉀滴定法進行，酸性高錳酸鉀滴定法屬于氧化還原反應類型。

設計意圖：通過介紹水的耗氧量的定義和測定耗氧量的重要性，讓學生不僅了解水的污染原因，環境保護的重要性，同時還復習鞏固了氧化還原反應知識，為接下來的探究實驗起到指導作用。

主題（3）用酸性高錳酸鉀測定水耗氧量的探究實驗。

[講解]我們已經學習了酸堿中和滴定，氧化還原反應滴定。現在我們應用所學知識來探究測定水的耗氧量。

[設問]展示一杯水，這是學校附近水庫的水。我們現在來探究該水庫水耗氧量的測定方法。

同學們思考需要哪些儀器和試劑？如何設計實驗？

[PPT]展示學生初步思考的實驗設計圖如圖2。

[設問]能否用鹽酸？為什么用棕色酸式滴定管？滴定終點怎么判斷？

[學生回答]不能用鹽酸，HCl會和高錳酸鉀反應，使測定結果產生誤差。在自來水廠實驗室見過棕色酸式滴定管，可避免高錳酸鉀見光分解。最后一滴高錳酸鉀溶液滴下，錐形瓶溶液中的顏色顯淺紅色，且半分鐘不褪色，達到滴定終點。

[講解]回答很好，這也許是絕大多數同學的設計方案。對于滴定實驗我們一定要分析實驗對象。同學們分析了高錳酸鉀見光分解性質，要用棕色滴定管。那水樣中的成分我們也要分析，水樣的成分是很復雜的。

[PPT]展示水樣成分，如圖3。

[講解]同學們根據水樣中的成分分析，評價剛才的實驗設計是否合理。

[學生回答]剛才的實驗設計不能保證水樣中的有機物都能和高錳酸鉀反應。這些測定結果偏低。

[設問]如何解決這個問題？使水樣中的有機物充分與高錳酸鉀溶液反應？

[學生回答]可以提高反應溫度，加催化劑，延長反應時間。參觀自來水廠化驗室我們看到了技術人員用水浴鍋加熱錐形瓶。

[設問]還有什么需要考慮？

[學生回答]高錳酸鉀要過量才能保證水中有機物都參與反應。

[PPT]展示逐步完善的實驗設計圖4。

[設問]以上是改進后的實驗設計，上面設計圖中加HgS04的目的？

[學生回答]HgSO4的作用可能是催化劑。

[教師講解]HgSO4很容易認為起催化劑作用。我們再看一遍自來水水質的標準，其中氯化物的含量不超過250mg/L，氯化物含cl^-，CF在酸性條件下能與高錳酸鉀反應。水樣中Cl^-的存在會影響水的耗氧量的測定，所以要排除cl^-的干擾。HgSO4能與Cl^-結合生成穩定的[HgCl4]^2-，消除Cl-干擾。

[設問]怎樣判斷高錳酸鉀加入過量？怎樣測定參加反應的高錳酸鉀的量？

[學生回答]水浴加熱30分鐘后錐形瓶中顏色顯紅色，說明高錳酸鉀是過量的。

[講解]我們可以測量加入過量高錳酸鉀溶液的量，再測量剩余高錳酸鉀的量，就可以測定參加反應消耗高錳酸鉀的量。如何測定剩余高錳酸鉀的量？

[學生回答]可選擇一定濃度的還原劑與剩余高錳酸鉀反應。

[講解]選用一定濃度的還原劑Na2C2O4或H2C2O4和高錳酸鉀反應。

[PPT]展示實驗設計如圖5。

[設問]該反應滴定終點如何判斷？同學們是否認為實驗設計比較完善了？

[學生回答]最后一滴Na2C2O4溶液滴下，錐形瓶中溶液顏色由淺紅褪去，30秒不恢復。該實驗設計應該比較完善了。

[解答]該設計還不完善，還需要考慮兩點。（1）Na2C2O4溶液滴定高錳酸鉀需要控制一定溫度60℃-80%左右，不能超過85℃，否則Na2C2O4會部分分解。（2）如用Na2G04溶液滴定高錳酸鉀，那么在滴定過程中錐形瓶里的高錳酸鉀見光分解，導致實驗誤差增大。

[設問]同學們討論分析如何去完善這個實驗設計。

[PPT]展示最終完整的實驗設計如圖6。

[講解]先用過量Na2C2O4和錐形瓶中剩余高錳酸鉀在60℃較快反應，然后用高錳酸鉀溶液滴定錐形瓶中剩余的Na2C2O4。以上實驗設計就完善了。用氧化還原反應滴定法測水的耗氧量實驗確實比以前我們學習用高錳酸鉀溶液滴定FeSO4溶液復雜。

[設問]最后的問題，該實驗需要測定那些量？

[學生討論]水樣的體積，加入過量高錳酸鉀溶液體積，過量Na2C2O4體積，滴定Na2C2O4消耗的高錳酸鉀溶液體積。

[講解]根據以上測定的體積數據，課后同學查詢信息，思考計算耗氧量的方法。

從這個實驗設計過程分析有什么體會和收獲？

[設計意圖]通過探究水的耗氧量設計實驗過程，從已學基礎知識入手，引導學生逐步分析復雜問題，應用所學知識解決實際問題。從而達到培養學生的各項化學核心素養的目的。

三、小結及展望

水的耗氧量的測定是一個比較復雜的氧化還原反應滴定實驗。要比較準確的測定數據需要嚴格的實驗條件，如溫度，酸度，高錳酸鉀濃度，反應時間，滴定速度等多方面因素。有些分析可能超過了高中學生的能力。但是該探究實驗的原理還是以高中教材為基礎，主要培養學生的分析思維能力和化學核心素養。從這次基于真實情境的探究實驗的教學效果，說明教師要充分創造機會給學生探究實驗。在高三實驗復習階段，開展基于真實情境的探究實驗教學，能激發學生學習主動性，提高復習效率。