例談基于證據(jù)推理的項目式教學(xué)設(shè)計與實施*
——以“新制氯水成分的探究”為例

黃金泉

（張家港市崇真中學(xué) 江蘇蘇州 215631）

2021年，張家港市第二十三屆中小學(xué)課堂教學(xué)改革有效教學(xué)研究經(jīng)驗交流會在我校舉行，筆者上了一節(jié)題為“新制氯水成分的探究”的公開課，上課對象是高一新生。現(xiàn)將教學(xué)設(shè)計和思考整理成文，以求拋磚之引玉。

一、設(shè)計思路

重點圍繞“氯氣溶于水是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)?”“往石蕊試液中滴加新制氯水時沒能觀察到預(yù)期的紅色”這一“意外”現(xiàn)象和“使石蕊試液褪色的是什么物質(zhì)?”等一系列真實問題展開教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識。為此，筆者將課堂教學(xué)思路設(shè)計為：從生活中找到與氯氣相關(guān)的一些真實情境→提出問題，引發(fā)思考→學(xué)生實驗→引發(fā)問題探究→提出猜想→設(shè)計方案→實驗再探究→得出結(jié)論→產(chǎn)生新問題→提出新猜想→……

二、教學(xué)過程

剛拿到該課題時，筆者想通過讓學(xué)生觀看氯氣泄露事件為背景的視頻，然后提出消防員為何用水槍噴水來稀釋泄露在空氣中的氯氣？氯氣與水相遇后會不會發(fā)生反應(yīng)？引出氯氣溶于水是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的實驗探究。后來細細一想，這樣引入學(xué)生固然會感興趣，但也會帶來一定的負面影響，如氯氣對環(huán)境破壞性強、對人體有害等等，其結(jié)果可能會導(dǎo)致學(xué)生害怕接觸氯氣，甚至蒙上心理的陰影。因此，筆者決定從生活中的事例出發(fā)，找到與氯水相關(guān)的真實情境，提出問題引入新課。如“清晨，當你刷牙打開水龍頭的時候，會聞到一股刺激性氣味，你知道它是由什么物質(zhì)產(chǎn)生的嗎？”。學(xué)生回答可能是氯氣。然后提出氯氣和水的性質(zhì)同學(xué)們都有了一定了解，那么它們相遇之后，會溶解嗎？如果溶解了，你的證據(jù)是什么？僅僅是簡單的溶解嗎？是否會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)呢？如果發(fā)生反應(yīng)，你的證據(jù)又是什么？從而激發(fā)學(xué)生的好奇心，自然而然地進入到氯氣溶于水的一系列實驗探究中去。

1.教學(xué)環(huán)節(jié)1：制備氯水

實驗1：用注射器從燒杯中抽取大約10 mL的水，注入到裝有氯氣的無色試劑瓶（帶有硅膠塞。注：不可用橡膠塞，太硬，注射器的針頭不易穿透）中，如圖1所示，小心振蕩，觀察顏色變化（留著待用）。現(xiàn)象：溶液呈現(xiàn)黃綠色，氣體顏色逐漸變淺。結(jié)論：氯氣能溶于水中。

圖1 制備氯水

氯氣溶于水中形成的這種淺黃綠色溶液叫氯水，如圖2所示。新制氯水中的氯氣與水僅僅是簡單的溶解嗎？如果不是，你有什么證據(jù)？

圖2 氯水

2.教學(xué)環(huán)節(jié)2：逐步推進氯水成分的探究

問題1：氯氣溶于水后，氯氣與水是否會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？如何證實？如果不反應(yīng)，從微觀角度看它的成分可能是什么?如果發(fā)生反應(yīng)，從氯水成分的組成元素角度，你認為最可能產(chǎn)生何種陰離子和陽離子？請大家交流討論并提出合理假設(shè)。

學(xué)生各抒己見，討論積極，逐漸形成了以下兩種假設(shè)：

假設(shè)1：如果不反應(yīng)，氯水成分可能只有Cl2分子和H2O分子；

假設(shè)2：如果反應(yīng)，氯水成分可能有Cl2分子、H2O分子、Cl-、H+等。

問題2：假設(shè)氯氣與水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，如何證明氯水中可能存在的Cl2分子、Cl-和H+？請大家再次交流討論并設(shè)計出檢驗這些微粒的實驗方案。

投影總結(jié)學(xué)生設(shè)計的驗證新制氯水中的相關(guān)微粒的實驗方案：

Cl2：看顏色、聞氣味等；

Cl-：滴加硝酸銀溶液和稀硝酸，觀察是否生成白色沉淀。

H+：①使用紫色石蕊試液，觀察溶液是否變紅。②加入少量NaHCO3粉末，觀察是否產(chǎn)生氣泡？……

接著要求學(xué)生進行實驗驗證。提示今天的實驗都在點滴板上進行操作，實驗完成以后立即用表面皿蓋在點滴板上，以減少氯氣揮發(fā)對污染的環(huán)境。

實驗2：根據(jù)下列提供的試劑和用品，完成上述預(yù)測微粒的實驗驗證。

提供的試劑和用品：硝酸酸化的AgNO3溶液、紫色石蕊試液、NaHCO3粉末、點滴板、藥匙、膠頭滴管等。

設(shè)計意圖：如何證實氯氣能否與水的反應(yīng)是本節(jié)課的重點也是難點。如何進行突破？考慮到我校學(xué)生普遍缺乏自主探究的意識，實驗?zāi)芰η芳眩瑢嶒灢僮鲿r有的同學(xué)還會畏畏縮縮等原因。因此，筆者先讓學(xué)生匯報設(shè)計的實驗方案，并對學(xué)生設(shè)計的方案進行了修正和總結(jié)，然后才讓學(xué)生動手操作，以克服學(xué)生實驗的盲目性，保障后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)順利進行。事實表明，采用這種“協(xié)助探究”的教學(xué)方式更適合我校學(xué)生。

學(xué)生匯報實驗結(jié)果。

學(xué)生：在氯水中滴加硝酸酸化的AgNO3溶液，產(chǎn)生白色沉淀，證明氯水中含有Cl-。但在新制氯水中滴加石蕊試液沒看到預(yù)期的紅色。

學(xué)生用自己設(shè)計的實驗驗證了自己的猜想，并得出合理結(jié)論，精神大振，增強了探究的信心和熱情。但在新制氯水中滴加石蕊試液，實驗的結(jié)果，出乎學(xué)生意料之外：沒有出現(xiàn)預(yù)期的紅色。這樣的設(shè)計，打破了學(xué)生的思維定勢，從而喚起了強烈的探究欲。

教師：難道是氯水中不存在H+?話音剛落，一學(xué)生馬上站起來說，不可能！我在NaHCO3粉末中滴加新制氯水后，觀察到有氣泡產(chǎn)生。證明氯水中存在H+的！

教師：既然含有H+，為什么滴加石蕊試液后卻沒能觀察到預(yù)期的紅色現(xiàn)象呢？

頓時，教室里鴉雀無聲，同學(xué)們滿臉疑惑。

此時一位學(xué)生很小心地問：老師，會不會是紫色石磊試液有問題呀？

教師：我們用實驗驗證一下吧。

實驗：在一點滴板上滴加3滴稀鹽酸，然后再滴加2滴紫色石蕊試液，溶液變紅。

結(jié)論：紫色石蕊試液沒問題。

那是怎么回事呢？學(xué)生把求助的目光投向了教師。

教師：會不會是氯水中其他什么成分使石蕊試液失效了或者干擾了H+的檢驗?如果是這樣，那怎樣消除可能存在的成分對石蕊的影響呢?

個別同學(xué)很快受到啟示，想到并建議把氯水和石蕊試液這兩種試劑加入的順序顛倒一下，觀察可能會有什么樣的現(xiàn)象發(fā)生？

演示：取三支相同的試管各滴加1mL紫色石蕊試液，然后向其中兩支試管（另一支試管作對比）中各滴加1滴剛制備的新制氯水。觀察實驗現(xiàn)象，由此得出什么結(jié)論？

結(jié)論：溶液變紅。說明新制氯水中確實存在H+！由此，假設(shè)1不成立，假設(shè)2成立！

設(shè)計意圖：向1 mL紫色石蕊試液中各滴加1滴氯水，筆者是采用演示實驗，沒有讓學(xué)生做分組實驗。一方面是考慮到課堂時間的關(guān)系；另一方面如果讓學(xué)生分組來操作該實驗，有學(xué)生不太會注意控制氯水的用量，可能會多滴加氯水，很容易導(dǎo)致實驗失敗。因為在教學(xué)環(huán)節(jié)3中還要向變紅后的溶液中繼續(xù)滴加氯水直至過量來觀察溶液顏色是否褪去。

3.教學(xué)環(huán)節(jié)3：探究真正具有漂白作用的物質(zhì)

設(shè)問：如果繼續(xù)向其中一支變紅的試管中滴加氯水，結(jié)果會怎樣呢?

演示：向其中一支變紅了的試管中繼續(xù)滴加2滴氯水。觀察實驗現(xiàn)象。

學(xué)生：溶液褪色了（與另一支變紅的試管作對照）。

追問：為什么會褪色了呢？說明了什么？

學(xué)生：說明氯水中還存在著未知的具有漂白作用的物質(zhì)。

“漂白”一詞，大多數(shù)學(xué)生還比較陌生，為讓學(xué)生更好地了解這個詞的含義，我特地將《辭海》中的解釋投影出來：用水加化學(xué)藥品（氧化劑或還原劑）使東西退去顏色或變白。

問題3：這種起漂白作用的物質(zhì)會是什么呢?請大家繼續(xù)交流討論并提出猜想。

教學(xué)中刻意引發(fā)學(xué)生猜想，激發(fā)學(xué)生研究問題、解決問題的熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，應(yīng)該是值得提倡的。通過討論，學(xué)生主要形成了以下兩種猜想：

猜想1：氯水中有鹽酸存在，會不會是鹽酸具有漂白性?

猜想2：氯水中有氯氣存在，會不會是氯氣具有漂白作用？或許是氯水中其他成分具有漂白作用？

教師：如何設(shè)計實驗加以證實？

對猜想1很快就被學(xué)生否定了。一位學(xué)生站起來說：怎么可能呢？剛才不是做過了實驗嗎？如果鹽酸具有漂白性，那變紅的石蕊肯定就會褪色。但事實上它沒有褪色呀。大家一致都認同了他的觀點，因為鹽酸的性質(zhì)在初中學(xué)習時就了然于心。

對猜想2某學(xué)生提出要設(shè)計對比實驗才可證實，否則沒有說服力。該學(xué)生提出：在一個裝有干燥的有色布條和一個裝有潮濕的有色布條的洗氣瓶中分別通入干燥的氯氣，觀察究竟哪一個會褪色。

順著該學(xué)生設(shè)計的思路，投影出一套預(yù)設(shè)的實驗裝置圖（見圖3）并加以評價。

圖3 預(yù)設(shè)的實驗裝置

教師：用這樣的對比實驗裝置固然是好，但課堂上操作起來有一定的困難。現(xiàn)在我們就采用一套較為簡單的易操作的對比實驗裝置來進行演示，裝置如圖4、圖5。鹽水瓶內(nèi)收集的是干燥的氯氣（收集時在鹽水瓶內(nèi)預(yù)先放好無水CaCl2固體和少量無水CuSO4粉末，以證明Cl2是干燥的），而試管架上的2支試管中分別裝有干燥的紅紙和潮濕的紅紙，分別用硅膠塞塞緊待用。

圖4 干燥的氯氣

圖5 對照實驗

演示：用注射器抽取鹽水瓶中干燥的氯氣，通過硅膠塞分別注入到干燥的紅紙和濕潤的紅紙的試管中。觀察實驗現(xiàn)象。

學(xué)生：干燥的紅紙不褪色；濕潤的紅紙褪色。

結(jié)論：干燥的氯氣沒有漂白性，潮濕的氯氣具有漂白性。

教師：潮濕的氯氣具有漂白性，應(yīng)該是氯氣和水共同作用的結(jié)果。因為水沒有漂白性，氯氣也沒有漂白性，一定是兩者發(fā)生反應(yīng)生成的新物質(zhì)具有漂白性。這種物質(zhì)會是誰呢？

4.教學(xué)環(huán)節(jié)4：HClO（次氯酸）“閃亮登場”

問題4：氯氣和水反應(yīng)除了生成HCl外，還會生成什么物質(zhì)？

講述：1875年，法國科學(xué)家貝托雷在研究氯水的漂白性時，也產(chǎn)生過相同的疑惑。為了研究這個問題，他將氯水露置在較強的燈光下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯水中產(chǎn)生了一些奇妙的變化。我們來看這方面的文獻資料。

【資料1】將氧氣濃度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機三者相連接。在燒杯中加入濃度約為0.0921 mol·L-1新制氯水，插入氧氣濃度傳感器，打開臺燈光照氯水，對氯水中氧氣濃度變化進行測定。實驗數(shù)據(jù)粗略記錄如圖6所示。［1］（注：原文獻中的氧氣濃度的數(shù)據(jù)不詳，故縱坐標數(shù)據(jù)改用c1、c2、c3、c4、c5表示，濃度單位是ppm）

圖6 反應(yīng)過程中氧氣濃度變化示意圖

【資料2】將pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機三者相連接。在燒杯中加入濃度約為0.0 921 mol·L-1新制氯水，插入pH傳感器，打開臺燈光照氯水，對氯水的pH變化進行測定。實驗數(shù)據(jù)記錄如下表：［1］

表1 實驗數(shù)據(jù)

問題5：在光照條件下，氯水中pH值和氧氣濃度是如何變化的？據(jù)此，你能得出什么結(jié)論？

學(xué)生：在光照條件下，氯水的pH值逐漸變小，酸性逐漸變強。說明光照氯水時會產(chǎn)生HCl。

學(xué)生：在光照條件下，氧氣的濃度呈增大趨勢。說明光照氯水時還會產(chǎn)生O2。

總結(jié)：上述文獻資料表明，氯水在光照時會產(chǎn)生HCl和O2！

問題6：氯水光照時，產(chǎn)生的HCl和O2是哪里來的？

學(xué)生：應(yīng)該是氯氣與水反應(yīng)生成的。

學(xué)生：如果氯氣與水反應(yīng)僅僅只生成HCl和O2的話，那么，氯水具有漂白的性質(zhì)我們還是無法解釋呀。因為HCl和O2都沒有漂白作用。

學(xué)生……

設(shè)計意圖：次氯酸什么時候“登場”，其不穩(wěn)定的性質(zhì)如何向?qū)W生解釋？起初筆者的設(shè)計是想在課堂上直接演示氯水在持續(xù)光照時溶液的pH值變化和氧氣濃度變化的測定，但顧忌到實驗花費的時間較長，操作也有困難，況且，在現(xiàn)有條件下即使演示，實驗效果也不一定明顯。因此，筆者改變了設(shè)計初衷，通過查閱相關(guān)文獻，直接引用文獻中的實驗數(shù)據(jù)記錄，并將這些實驗數(shù)據(jù)記錄投影出來讓學(xué)生進行分析，得出相關(guān)結(jié)論。為HClO的“出場”和HClO的不穩(wěn)定性埋下伏筆。

課上到這，實驗探究正在一步步逼近問題的實質(zhì)，但總感覺就差那么一點點“火候”。如何點燃最后一把“火”？引導(dǎo)學(xué)生揭開問題的“真相”？

教師：我們重新來審視氯氣與水這個反應(yīng)。氯氣與水反應(yīng)生成了HCl，假設(shè)氯氣與水按1∶1進行，從原子守恒的角度能否推測出這種未知物質(zhì)的化學(xué)式？

學(xué)生：HClO或HOCl。

教師：HClO或HOCl的名稱叫次氯酸。會不會氯氣與水反應(yīng)生成的新物質(zhì)就是它呢？這種物質(zhì)真的具有漂白作用嗎？

教師：日常生活中我們會接觸到的一些物質(zhì)，比如漂白粉它具有殺菌消毒作用，它的有效成分是次氯酸鈣，同時展示漂白粉、84消毒液實物（如圖7）。有誰知道84消毒液的主要成分？請一位學(xué)生讀一讀84消毒液的說明書中涉及的成分內(nèi)容“84消毒液的有效成分是次氯酸鈉等”。

圖7 漂白粉和84消毒液

教師：這些物質(zhì)都跟什么有關(guān)？

學(xué)生：次氯酸鹽。

教師：可以初步斷定應(yīng)該是次氯酸具有漂白性。當然，我們也可以站在前人的肩膀上，尋求教材的幫助。請同學(xué)們打開課本第43頁，［2］自學(xué)氯氣與水反應(yīng)的相關(guān)原理，尋找真正起漂白作用的物質(zhì)是什么成分？學(xué)生自學(xué)課本，尋找真相。確定氯水中真正起漂白作用的物質(zhì)就是次氯酸。

5.教學(xué)環(huán)節(jié)5：學(xué)以致用

問題7：剛制備的新制氯水如何進行保存？為什么？

學(xué)生：棕色細口瓶，避光保存。因為HClO見光易分解，氯氣易揮發(fā)。

教師：這是一個金魚缸，你們看魚兒游得多歡快呀，大家想過沒有？在放入金魚之前，往往要先把養(yǎng)魚的自來水進行怎樣的處理呀？

學(xué)生：這個我知道，我媽在養(yǎng)金魚時，先要將自來水放在太陽下曬一曬，目的是去除水中溶解的少量氯氣和生成的次氯酸。

教師：贊賞、表揚并進行課堂小結(jié)。

三、教學(xué)反思

雖說是在本校展示的公開課，有著天時地利之便，但在探究氯氣與水是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，筆者起初是想讓學(xué)生就氯氣與水是否發(fā)生反應(yīng)展開討論，然后要求學(xué)生自己設(shè)計實驗來驗證氯水中的可能成分，即完全開放探究。如果這樣進行教學(xué)的話，對我校學(xué)生而言可能會導(dǎo)致問題探究過于開放、實驗?zāi)康牟粔蛎鞔_，探究時間不易把控，后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)可能難以完成等諸多問題。因此，沒能完全放開讓學(xué)生自主進行探討、設(shè)計實驗方案并進行實驗驗證，有點美中不足。同時，筆者還深深體會到，在實驗探究過程中要盡可能多地給學(xué)生獨立思考和探討的時間，學(xué)生匯報時不能隨意打斷學(xué)生的回答，要讓學(xué)生把話說完整，即便出現(xiàn)錯誤，也不要急于糾正，學(xué)生能解決的就讓學(xué)生自己解決，使課堂真正成為學(xué)生自主活動和探索的樂園。

實驗探究中為防止氯氣揮發(fā)污染環(huán)境，筆者在教學(xué)中兩次使用了注射器，一是向裝有氯氣的試劑瓶中注入10 mL水制備氯水；二是學(xué)生在點滴板上操作與氯水有關(guān)的實驗時，要求學(xué)生在實驗完成后及時用表面皿進行覆蓋，這樣做的目的是增強學(xué)生的環(huán)保意識。最后學(xué)以致用，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)走進生活，提出“新制的氯水如何保存?”“用自來水養(yǎng)金魚之前為什么要將自來水先在太陽下曬一曬”等實際問題，讓學(xué)生開展探討，加深對所學(xué)知識的理解，也前后呼應(yīng)了從身邊的化學(xué)開始到身邊的化學(xué)結(jié)束的教學(xué)理念。