HPS教育引領(lǐng)下的大學(xué)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新設(shè)計*

高 峰，曲江英，臧云浩，譚桂平，吳松原，都 京

(1 東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 503808;2 遼寧師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116029)

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是針對環(huán)境、化學(xué)、化工及其相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門必修或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課，一般在大一的下學(xué)期開課。在教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置及實(shí)際教學(xué)過程中，關(guān)注點(diǎn)大都聚焦在實(shí)驗(yàn)技能的提高和化學(xué)基本原理的掌握，而對實(shí)驗(yàn)課程對培養(yǎng)學(xué)生的批判意識、創(chuàng)新精神認(rèn)識不足、落實(shí)不夠，導(dǎo)致難以落實(shí)大學(xué)素質(zhì)教育的核心目標(biāo)。如何能夠在實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中兼顧實(shí)驗(yàn)技能、基本原理的掌握以及科學(xué)精神、批判精神、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)是一個值得研究的課題。

HPS是“科學(xué)史(History of Science)、科學(xué)哲學(xué)(Philosophy of Science)、科學(xué)社會學(xué)(Sociology of Science)”的簡稱。它是基于建構(gòu)主義理論提出的一種新的科學(xué)教育的教學(xué)模式[1-2]。HPS教育注重和倡導(dǎo)從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)社會學(xué)等多類學(xué)科角度選擇、編排教學(xué)內(nèi)容，充分融入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)等科學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生感受和體驗(yàn)科學(xué)發(fā)展的過程，從中學(xué)到科學(xué)研究的方法，領(lǐng)悟科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神[3]。HPS強(qiáng)調(diào)的“科學(xué)的批判性、科學(xué)的創(chuàng)新性、科學(xué)的人文性”等諸多教育價值內(nèi)容與我國“培養(yǎng)學(xué)生的理性批判精神、科學(xué)創(chuàng)新思維和社會責(zé)任意識”[4]的大學(xué)素質(zhì)教育核心目標(biāo)高度契合。因此，將HPS教育引入大學(xué)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)行重新設(shè)計是順應(yīng)我國大學(xué)當(dāng)前開展課堂教學(xué)改革，打造“金課”、淘汰“水課”的趨勢。“從海帶中提取碘”是高中化學(xué)人教版選修6《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》中的重要課題，其突出特點(diǎn)是綜合性強(qiáng)，學(xué)生思維活動量大，但是經(jīng)過了解幾乎沒有學(xué)生選修該模塊。對該課題重新進(jìn)行基于HPS理念的教學(xué)設(shè)計并在大學(xué)一年級進(jìn)行學(xué)習(xí)旨在做好高中和大學(xué)銜接的基礎(chǔ)上，在強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和基本原理的前提下，培養(yǎng)學(xué)生的批判精神、創(chuàng)新精神、探索精神，提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)，并以此為案例為開發(fā)HPS教育理念指導(dǎo)下適合我國大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式提供參考。

1 教學(xué)目標(biāo)

(1)學(xué)會設(shè)計從海帶中提取碘的操作流程；掌握碘離子氧化、萃取和反萃取、歧化反應(yīng)和反歧化反應(yīng)(歸中反應(yīng))的原理和操作；理解從植物中提取無機(jī)物的一般思路和方法。

(2)學(xué)會過濾裝置的改進(jìn)，并對傳統(tǒng)氧化劑進(jìn)行優(yōu)劣分析，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和批判精神；通過萃取和反萃取、歧化和反歧化的對比和應(yīng)用，建立逆向思維和對立統(tǒng)一的觀念。

(3)通過體驗(yàn)從海帶中提取微量碘的來之不易，體會科研工作的艱辛，樹立踏實(shí)勤懇、刻苦鉆研的科學(xué)態(tài)度。

2 實(shí)驗(yàn)用品

燒杯、玻璃棒、磨口比色管、具支砂芯漏斗、手動抽氣裝置、膠頭滴管、試管、家用活氧機(jī)、分液漏斗等。

500 mg海帶灰、稀鹽酸、NaOH溶液、淀粉溶液、CCl4、蒸餾水等。

3 教學(xué)設(shè)計流程圖

圖1 教學(xué)設(shè)計流程圖

4 教學(xué)過程設(shè)計

4.1 科學(xué)史實(shí)導(dǎo)課，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

【提出問題】歷史上偉大科學(xué)家居里夫人通過從礦物中發(fā)現(xiàn)并提取具有放射性的元素——鐳而獲得諾貝爾化學(xué)獎。由于鐳的放射線穿透力很強(qiáng)，能破壞動物體的組織并殺死細(xì)菌，因此在醫(yī)學(xué)上可用來治療癌癥或皮膚病，這說明了從大自然中提取一些人們所需的成分是非常有意義的。本節(jié)課我們就嘗試從海帶中提取碘單質(zhì)，進(jìn)而了解從植物中提取無機(jī)物的一般思路和方法。

【過渡】海帶中碘的主要存在形式是含碘有機(jī)物，如何才能把海帶中的含碘物質(zhì)轉(zhuǎn)化成碘單質(zhì)呢？

【啟發(fā)】通過灼燒把有機(jī)碘化物轉(zhuǎn)變?yōu)镮-，I-易溶于水，容易被氧化生成碘單質(zhì)。

【學(xué)生活動】小組交流、討論后設(shè)計實(shí)驗(yàn)操作流程(如圖2所示)。

圖2 從海帶中提取碘的實(shí)驗(yàn)操作流程

設(shè)計意圖：從居里夫人發(fā)現(xiàn)并提取放射性元素——鐳而獲得諾貝爾獎，引出課題，激發(fā)學(xué)生科研興趣，并為接下來體驗(yàn)科學(xué)家科研工作的艱辛及樹立踏實(shí)肯干的科研精神作鋪墊。學(xué)生通過討論主動參與實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，增強(qiáng)其想要探索到底的科研欲望。

按照處理大數(shù)據(jù)時出現(xiàn)的多樣化的需求，以及存在的不同特征，大數(shù)據(jù)中較為典型的各種各樣的計算模式已經(jīng)出現(xiàn)了。和計算模式相類似或者相適應(yīng)的，涌現(xiàn)出非常多的關(guān)于大數(shù)據(jù)計算的系統(tǒng)以及工具。因?yàn)閱我幻枥L計算模式是非常抽象的，所以在描繪的時候，要把相關(guān)的計算系統(tǒng)以及工具同步給出，就像圖1那樣。這會使得對計算模式有著更深的把握和理解，對大數(shù)據(jù)發(fā)展的現(xiàn)狀也有著清晰的認(rèn)識，同時有助于選擇更加合適的技術(shù)、系統(tǒng)與工具。

4.2 改進(jìn)過濾裝置，增強(qiáng)創(chuàng)新意識

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】學(xué)生秤取事先灼燒好的海帶灰500 mg，放入燒杯中進(jìn)行溶解，同時引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并提出如下問題：

(1)沒有溶解的海帶灰如何分離？

(2)回憶以往的過濾操作，發(fā)現(xiàn)在過濾的過程中會遇到哪些問題？

【學(xué)生交流回答】沒有溶解的海帶灰可以通過過濾的方法除去；以往過濾操作的步驟為“一貼、二低、三靠”，但過濾速度較慢。

【學(xué)習(xí)歷史】近代科技史表明：科學(xué)技術(shù)上的重大突破與新的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的建造、新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系。居里夫人就是在進(jìn)行已知元素的射線電離能力的測量實(shí)驗(yàn)時，認(rèn)識到前人采用的測量方法產(chǎn)生的電流極其微弱，計量起來十分困難，于是居里夫人使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置代替了原有的儀器設(shè)備，這才發(fā)現(xiàn)了放射性更強(qiáng)的新元素“鐳”[5-6]。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計】嘗試改進(jìn)過濾裝置，加快過濾速度。引導(dǎo)學(xué)生可以通過減小漏斗下方壓強(qiáng)的方法，利用壓強(qiáng)差來加快過濾速度。小組交流討論，針對各組學(xué)生給出改進(jìn)方案，教師進(jìn)行對比總結(jié)，完善裝置并進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

【教師演示實(shí)驗(yàn)】利用磨口的比色管，具支砂芯漏斗和生活中常用的手動抽氣裝置搭建簡易的減壓過濾裝置，并運(yùn)用此裝置快速過濾海帶灰懸濁液(如圖3所示)。

圖3 簡易快速減壓過濾裝置

設(shè)計意圖：溫故而知新，通過引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)常規(guī)過濾裝置中過濾速度慢這一實(shí)際操作問題，啟發(fā)學(xué)生尋找解決問題的方法。學(xué)生從居里夫人改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的科學(xué)史實(shí)中獲得啟示，感受科學(xué)家的創(chuàng)新精神。教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室和生活中常見的儀器搭建簡易的減壓過濾的裝置，增強(qiáng)其創(chuàng)新意識。

4.3 摒棄傳統(tǒng)氧化劑，培養(yǎng)質(zhì)疑精神

【學(xué)生討論】小組交流討論哪些氧化劑可以將I-氧化成單質(zhì)I2，如Cl2、H2O2、溴水、濃硫酸、高錳酸鉀等。

【師生交流】與學(xué)生討論上述氧化劑的可行性及缺點(diǎn)，如Cl2、溴水有毒，有害健康且污染環(huán)境、H2O2與多種物質(zhì)混合易發(fā)生爆炸、濃硫酸有腐蝕性比較危險……。引導(dǎo)學(xué)生提出一種綠色環(huán)保的氧化劑。

【學(xué)習(xí)歷史】居里夫人在從事科學(xué)研究時，不僅重視實(shí)驗(yàn)儀器的制造和改進(jìn)，還敢于質(zhì)疑傳統(tǒng)，創(chuàng)立新式化學(xué)分析方法[5-6]。同樣的，我們也可以摒棄上述傳統(tǒng)氧化劑，選擇一種新型的綠色氧化劑。

【教師活動】介紹新型綠色氧化劑——臭氧以及它在酸性條件下與I-反應(yīng)生成I2、O2和H2O的氧化原理。介紹臭氧的發(fā)生裝置——家用活氧機(jī)，同時向?qū)W生說明家用活氧機(jī)是利用高頻高壓放電產(chǎn)生臭氧，在日常生活中可實(shí)現(xiàn)降解果蔬農(nóng)藥，分解肉類激素和抗生素等多種功能。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】將家用活氧機(jī)產(chǎn)生的O3通入濾液中，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，用淀粉指示劑檢驗(yàn)I2的生成。

【學(xué)生活動】觀察、描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：溶液變黃，且隨著O3通入顏色逐漸加深。向溶液中滴加淀粉指示劑，溶液變藍(lán)，證明有I2的生成。

【發(fā)現(xiàn)問題】I2在水中的溶解度很小，但為什么沒有觀察到有I2沉淀生成呢？如何富集溶液中的I2？

用萃取的方法富集I2，萃取劑可以選擇CCl4。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】用CCl4萃取I2并分液并觀察、描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：溶液分層，上層為淡黃色，下層顯紫紅色。

設(shè)計意圖：學(xué)生從居里夫人敢于質(zhì)疑傳統(tǒng)的科研精神中受到鼓舞，主動參與討論，對傳統(tǒng)氧化劑的優(yōu)劣進(jìn)行分析，培養(yǎng)發(fā)散思維和質(zhì)疑精神。教師在此基礎(chǔ)上，引入新型氧化劑——臭氧，使學(xué)生學(xué)會從哲學(xué)的角度對實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行審視和評價，從不同的觀點(diǎn)中尋求最好的實(shí)驗(yàn)方法。

4.4 反萃取操作，樹立對立統(tǒng)一觀念

【提出問題】如何分離I2和CCl4從而得到純凈的I2固體呢？

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】向分液后的I2的CCl4溶液中加入NaOH溶液，振蕩并觀察、描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(溶液下層的紫紅色褪去)。

【學(xué)生討論】同樣依據(jù)哲學(xué)上對立統(tǒng)一的思想，向其中加入酸，利用歸中反應(yīng)得到I2。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】用膠頭滴管吸出下層的CCl4并回收，向溶液中加入稀硫酸，有紫黑色I(xiàn)2沉淀生成，再通過自制的減壓過濾裝置得到純凈的I2。

設(shè)計意圖：啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用反萃取和反歧化的實(shí)驗(yàn)原理提取CCl4中的I2。通過萃取和反萃取、歧化和反歧化的對比和應(yīng)用，發(fā)展學(xué)生的逆向思維，建立起哲學(xué)上對立統(tǒng)一的觀念。

4.5 總結(jié)升華，體驗(yàn)科學(xué)人文內(nèi)涵

【總結(jié)反思】回顧從海帶中提取碘的操作流程(如圖4)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)科學(xué)家從植物中提取無機(jī)物的一般思路和方法。

【以史為鑒】總結(jié)居里夫人在研究鐳的過程中所體現(xiàn)的科學(xué)精神，結(jié)合其用了45個月才從8噸的礦渣中提煉出0.1 g氯化鐳的這一史實(shí)[6]，深刻體會居里夫人提取鐳元素的困難，同時向?qū)W生提出運(yùn)用所學(xué)知識造福人類的期望，并向奮斗在科研一線的科研工作者們致敬。

圖4 從海帶中提取碘的實(shí)驗(yàn)操作流程

設(shè)計意圖：與引課內(nèi)容相呼應(yīng)，學(xué)生通過從海帶中提取微量碘的來之不易以及居里夫人提取鐳元素的困難，深刻體會到科研工作的艱辛，樹立學(xué)生踏實(shí)勤懇、刻苦鉆研的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)其終身受益的情感態(tài)度與價值觀。

5 教學(xué)反思

受到學(xué)生基礎(chǔ)知識和思維水平的限制，我們往往無法真實(shí)的還原科學(xué)家完整的研究過程，這就需要教師能夠精選史料，找準(zhǔn)與HPS教育的契合點(diǎn)，選擇有代表性的科學(xué)史料作為教學(xué)背景，充分挖掘這部分科學(xué)史中蘊(yùn)含的科學(xué)思想、科學(xué)觀念、科學(xué)方法等。本節(jié)課通過從海帶中提取碘的具體操作流程，為學(xué)生模擬呈現(xiàn)出更為真實(shí)、生動的科學(xué)家的探索過程，讓學(xué)生更深刻的感知科研探究的艱辛，使學(xué)生們親身體驗(yàn)到科學(xué)方法的進(jìn)步，更加清楚地認(rèn)識到科學(xué)的本質(zhì)。注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、質(zhì)疑精神、探索精神，強(qiáng)調(diào)科學(xué)的人文內(nèi)涵，提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。