整合“元素化合物”和“實驗方案設計”的主題式復習課

蘇華虹 潘紅 王懷文 丁美霞

摘要以“葡萄酒中二氧化硫含量測定”為主題內容，開展高三主題式復習課。學生在真實問題的解決過程中，鞏固并應用元素化合物“價-類二維圖”認識模型，并初步形成實驗方案設計的一般思路，發展讀信息和用信息、實驗方案設計、實驗操作等多種綜合能力。

關鍵詞主題式教學；實驗方案設計；元素化合物；二氧化硫

1 教學主題分析

1.1 新課標對常見無機物及科學探究主題的學業要求

元素化合物知識是學生學習化學概念原理及化學實驗的基礎，更是學生自主建構與發展化學學科思維能力、形成化學學科基本觀念的載體。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（下稱“新課標”）中指出學習元素化合物時應緊密聯系生產和生活實際，創設豐富多樣的真實問題情境，重視開展高水平的實驗探究活動。實驗是科學探究的一種重要途徑，科學探究過程包括提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋、形成結論及交流評價等核心要素[1]。元素化合物內容是發展科學探究思維的載體，實驗探究是學習元素化合物的重要手段，兩者互為補充，相互促進。

根據“新課標”中的學業質量水平要求，參加高考的學生應能在復雜化學情境中提出有價值的實驗探究課題；能設計有關物質轉化、性質應用等的綜合實驗方案，并能從不同角度對物質轉化進行分析和推斷；能確定合適的實驗條件并安全、順利地完成實驗；能用數據、圖表等描述實驗證據并據此進行分析推理形成結論；能對實驗方案、實驗過程和實驗結論進行評價[1]。因此在高三復習課中，通過設置真實、有意義的的情境，依托具體的元素化合物知識和實驗探究過程，促使學生的認知達到學業質量水平4的要求就顯得十分必要。此外，在實驗探究過程中重視實驗方案設計能力的培養，有助于改變在實驗中注重動手但缺少思考的現狀，強調高級思維過程。

1.2主題式教學

主題式教學是通過整合教學資源，設計與教學主題密切相關的真實情境和學習任務，以學生發展為核心的一種教學模式[2]。本課例以測量葡萄酒中二氧化硫含量為切入點，整合“元素化合物”和“實驗方案設計”兩個主題進行復習，設置實驗方案設計、評價、優化和實施的學習任務，進一步鞏固并應用價-類二維認識模型，發展實驗方案設計、評價和實驗操作的能力、建立分析真實化學情境的一般思路和方法，在主題式復習過程中外顯學科核心素養培養。

1.3主題式教學情境素材

葡萄酒是學生熟悉的飲品，有利于激發學生的學習興趣。葡萄酒中SO2含量測定實驗涉及物質轉化、實驗裝置選擇、定量分析實驗（滴定）、化學實驗操作等多個主題內容，因此本課例選用該真實情境，開展整合“元素化合物”和“實驗方案設計”的高三主題式復習。葡萄酒的主要成分有水、酒精（乙醇）、糖、單寧、有機酸等（琥珀酸、蘋果酸、檸檬酸等）。SO2是葡萄酒中常見的一種添加劑，主要以游離態和結合態兩種形式存在，結合態SO2是指被糖類、醛類、酮類等化合物結合的SO2，結合態SO2釋放過程存在的平衡反應如下圖1所示。加熱條件下促使平衡向正向進行，結合態SO2被釋放[3-4]。

SO2在葡萄酒釀制和保存過程有重要的作用，但若過量不僅會影響葡萄酒的質量，更會損害人體健康，因此準確、快捷檢測葡萄酒中SO2的含量是食品安全問題的重要一環。葡萄酒中SO2含量的國標測定方法有氧化法、蒸餾法、直接碘量法、鹽酸副玫瑰苯胺法（比色法）等4種方法[5-8]。

2 教學目標

根據新課標的要求，確定本的教學目標如下：

①能繪制硫元素價類二維圖，會用方程式表示實驗原理；

②能分析混合體系中的成分，會用裝置圖表示選擇的實驗方法；

③能根據實驗方案設計原則和情境的特點評價、篩除或優化方案，從而發展實驗方案設計能力；

④能與同伴總結和反思葡萄酒中二氧化硫含量測定的實驗探究過程，形成分析真實化學情境的一般思路和方法。

3 教學任務和流程（表1）

4 教學過程與學生成果

4.1 了解葡萄酒中SO2的相關信息，初步設計實驗方案（課前完成）

學生課前查閱資料，了解葡萄酒中SO2的相關信息，為設計、評價并優化實驗方案提供知識支持。

師：給學生印發實驗方案設計任務單，該任務單主要包含以下內容：①匯總葡萄酒中SO2的相關信息（詳見1.2）；②展示實驗方案設計的一般思路：明確實驗目的→確定實驗原理→選擇合適的試劑和儀器→實驗步驟→實驗數據及處理。

生：閱讀信息后，確定實驗原理，初步設計實驗方案；

師：整理并匯總學生的實驗方案。

【實驗方案初步評價】本次共收集45份學生實驗方案。實驗原理方面，所有學生均能畫出硫元素的價類二維圖，列出常見的含硫物質，這是因為硫及其化合物是必修階段重點學習的核心元素；44人能根據SO2的性質設計實驗原理，僅有一位學生給出錯誤的反應原理（設計的反應原理為：CuO+SO2 == Cu+SO3），其中38人能同時從價-類兩個維度設計SO2的轉化，設計的原理主要有以下三類：①SO2與堿溶液[NaOH、Ba（OH）2]反應；②SO2與氧化劑反應（KMnO4、Cl2、I2、H2O2）；③SO2與還原劑反應（H2S），其余7人僅能從其中一個維度認識SO2的性質。對于定量測量方法的選擇，絕大多數同學選擇了沉淀法和滴定法（分別為用NaOH溶液滴定葡萄酒、用碘水/高錳酸鉀溶液滴定葡萄酒），沉淀法是初中重點學習的實驗方法，而滴定實驗是高中重點學習的定量分析實驗。

4.2 師生展示、評價實驗方案（第一課時）

師：要測量葡萄酒中SO2含量需要經歷哪些步驟？

【師生拆分學習任務】需要經歷“查閱資料（已完成）→設計實驗方案（已完成）→評價并優化實驗方案→實施實驗方案→處理數據→ 得出實驗結論”等多個環節。

師：展示典型的實驗方案，學生分小組討論，對實驗方案進行評價并優化（詳見表2）。

師：大家認為方案4比較合理，但查閱資料發現，實驗室或食品檢測中心并不采用沉淀重量分析法，為什么？

生：疑惑不解

師：我國規定葡萄酒中總SO2含量上限為250 mg/L（即4×10-3 mol/L）（分析化學根據被測組分的含量不同劃分為常量成分（>１%）、微量成分 （0.01%～1%）和痕量成分 （<0.01%）的分析[9]，根據該標準SO2屬于葡萄酒中的微量成分）。因此將SO2導出后氧化，再加入BaCl2溶液也難以將微量的SO2 4全部沉淀；其次，生成的沉淀表面常吸附有雜質離子（共沉淀和后沉淀現象[9]），從而使測得的沉淀質量產生誤差；最后，在實際操作過程中，沉淀不再產生的現象難以觀察，且需經過濾、洗滌、干燥等多個步驟才能準確稱量固體質量。用沉淀重量分析法，操作繁瑣，耗時長。綜上所述，實驗方案設計還要遵循可行性原則。

師：請同學們根據上述分析對方案進行優化調整，設計出符合科學性、安全性、可行性和綠色化學原則的實驗方案。

生：對方案進行調整和優化，主要設計出如下三種方案5-7（見表3）

生：葡萄酒中含有有機酸，方案5中加熱葡萄酒并通入N2，若有機酸也會被導出，則用NaOH溶液滴定測量結果偏大。

師：如何使有機酸不隨SO2氣體一起導出呢？

【支持信息】葡萄酒中較主要的三種有機酸是琥珀酸（丁二酸）、蘋果酸（2-羥基丁二酸）、檸檬酸，其沸點依次為235℃、306.4℃、175℃，三種酸均可溶解在葡萄酒中[4]。

生：根據信息，加熱葡萄酒時，有機酸也會部分揮發從而使測量結果偏大。增加冷凝裝置，可以使有機酸冷凝回流，即可分離有機酸和SO2氣體。

師：很好，冷凝裝置能使有機酸回流，進而排除干擾。

最后我們可以確定兩種實驗方法：氧化法（方案5改進后的部分實驗裝置見下圖2）和直接滴定法（方案6和7）

）

4.3 實施實驗方案、匯報實驗成果（第二課時）

師：課前準備好儀器和試劑；

生：45名學生分成8個小組，學生分小組完成測量實驗，其中1～4組采用氧化法，5～8組采用直接滴定法。

師生共同討論實驗中出現的問題（見表4）。學生處理實驗數據，師生共同分析實驗結果（見表5）。

表4 實驗過程出現的問題描述及解決方案

生：學生分組匯報實驗成果，重點介紹實驗原理、實驗過程出現的問題及解決方案、實驗結果分析、心得體會等。

師：引導學生總結分析真實化學情境的一般思路和方法。

5 教學反思與改進建議

5.1 基于真實情境的主題式學習有利于評價和發展學生的知識、能力和素養水平

在實驗方案設計和評價過程中，學生對方案的認識經歷以下4個進階過程：“利用所學知識初步設計方案→根據方案設計的科學性、安全性、綠色化學原則篩選或修改方案→根據情境的特點（微量分析）考慮方案的可行性并進一步修改→分析干擾成分，進一步完善實驗條件”，學生設計的實驗方案是評價其元素化合物認識水平、實驗方案設計能力的重要素材，而對實驗方案的評價和完善過程則使學生的能力進一步得到發展。從學生提交的實驗方案初稿發現存在表述不規范、儀器選用不當、裝置搭建不當等問題（見圖3），因此在教學中，有必要關注和強化學生的實驗方案表達能力。

此外，學生親歷復雜情境中的定量實驗，能更深刻理解滴定實驗中的條件控制，如有一組學生采用方案5測得消耗的NaOH溶液的體積為1.05mL，三組平行實驗結果的絕對值之差超過平均值的20%，經過師生討論，發現該組選用的NaOH溶液濃度過大導致實驗誤差大，由此學生對“一般選用稀溶液進行滴定”的條件控制有了更深刻的理解。在高三復習課中，基于真實、有意義的情境的主題式學習是評價和發展學生關鍵能力和核心素養的重要途徑。

5.2 基于真實情境的主題式學習的開放度把控

新課標強調基于真實情境的學習，但如何處理問題的真實性與學生可接受的真實、與中學實際條件的關系也是重要的課題。

葡萄酒中的SO2是微量成分，測量過程需要嚴格控制實驗條件才能得到較精準的結果，如采用的氧化法，加熱溫度、抽氣流量、抽氣時間等因素均會影響實驗結果的準確性[10]，國標法規定抽氣量為1.0～1.5L/min，抽氣10min[5+7]，但由于中學實驗室條件有限，未能對真空泵的抽氣量進行定量監控，未能對加熱溫度進行嚴格控制，因此數據重現性不夠理想，且葡萄酒的標簽中并未標明SO2含量，學生無法對實驗數據進行誤差分析，只能在不同小組間進行橫向比較。基于以上實際條件的限制，本課例實施過程中，側重設計、評價和優化實驗方案、分析并解決實驗過程出現的問題，而對實驗結果及其誤差不作過多的分析。因此主題式教學過程，教師可根據學生認識水平、實驗室條件等實際情況對真實情境進行適度調控。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）. 北京：人民教育出版社，2020： 17+6

[2] 王懷文. 張春艷.高中化學主題教學的理論研究與實踐探索——以佛山市主題教學研究為例[J]. 中學化學教學與參考， 2022（03）：13-17

[3] https：//www.lallemandwine.com/wp-content/uploads/2014/10/WE6-China-Ch.pdf[OL]

[4] http：//vel.spxy.cau.edu.cn/attach/0/8c21e6727015430ba367488bb243cb52.pdf[OL]

[5] GB/T 15038 —2006 葡萄酒、果酒通用分析方法[S]

[6] GB/T 5009.34 —2003 食品中亞硫酸鹽的測定[S]

[7] GB/T 5009.49 —2008 發酵酒及其配制酒衛生標準的分析方法[S]

[8] GB 15037 —2006 葡萄酒[S]

[9] 分析化學上冊. 華中師范大學等編. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2011： 317-319

[10] 梁宏， 林燕奎， 王丙濤， 等. 葡萄酒中二氧化硫的幾種檢測方法對比[J]. 食品科學， 2012， 33（04）： 178-181