伍文洪

摘要：創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的，感興趣的真實(shí)生活情境，從情境中找到探究實(shí)驗(yàn)素材是激發(fā)學(xué)生探究興趣，提高課堂效率的有效途徑。在學(xué)生參觀自來(lái)水廠研學(xué)旅行基礎(chǔ)上，引領(lǐng)學(xué)生從真實(shí)的情境中找到測(cè)定水的耗氧量的探究實(shí)驗(yàn)課題。在探究實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生在已有知識(shí)背景下分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：真實(shí)情境;水的耗氧量;氧化還原滴定;化學(xué)核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2020）11-0091-03 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.023

一、問(wèn)題的提出

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。目前中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)從傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主發(fā)展到探究性實(shí)驗(yàn)為主。探究性實(shí)驗(yàn)是新課程標(biāo)準(zhǔn)下的必然要求，是提高高中化學(xué)課堂效率的重要方法，是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的途徑。

當(dāng)前中學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要來(lái)自以下幾個(gè)方面。（1）充分挖掘教材的資源，教材中很多知識(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)證明，但并不是把知識(shí)的生成過(guò)程還原為科學(xué)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，這為探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供豐富的資源。（2）對(duì)課本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，教材中的某些實(shí)驗(yàn)存在的不足，如現(xiàn)象不明顯，存在污染等。針對(duì)這些不足進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。（3）從試題中尋找探究性實(shí)驗(yàn)素材。（4）從新聞報(bào)道，科普讀物中發(fā)現(xiàn)探究實(shí)驗(yàn)課題。而教師和學(xué)生從親身體驗(yàn)的真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)探究實(shí)驗(yàn)素材的情況則比較少。如果能從生活實(shí)踐中，根據(jù)所見(jiàn)所聞善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，思考問(wèn)題，查詢信息，找到探究?jī)?nèi)容，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)去解決問(wèn)題，那么這種探究實(shí)驗(yàn)將極大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)的目的。

水的耗氧量探究實(shí)驗(yàn)來(lái)源于真實(shí)情境。筆者帶領(lǐng)學(xué)生去自來(lái)水廠開(kāi)展研學(xué)旅行活動(dòng)。參觀前師生查詢信息了解了自來(lái)水水質(zhì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，水的耗氧量是其中之一。參觀過(guò)程中在自來(lái)水廠化驗(yàn)室通過(guò)廠實(shí)驗(yàn)員初步了解了水的耗氧量問(wèn)題。學(xué)生對(duì)水的耗氧量測(cè)定非常感興趣，就產(chǎn)生了探究課題?；谡鎸?shí)情境的實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的密切關(guān)系。研學(xué)旅行就給師生創(chuàng)造了真實(shí)情境的環(huán)境，從情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尋找到探究性實(shí)驗(yàn)課題。自來(lái)水廠、污水處理廠、化工廠等都是很好的化學(xué)研學(xué)旅行的地點(diǎn)。師生可以通過(guò)參觀了解這些場(chǎng)所，挖掘出更多學(xué)生感興趣的探究實(shí)驗(yàn)。

二、探究水的耗氧量實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施

1.教材和學(xué)情分析

本節(jié)課選自于高三化學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課。高三實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課如果僅僅簡(jiǎn)單重復(fù)教材實(shí)驗(yàn)，那么學(xué)生的興趣和復(fù)習(xí)效率不高。開(kāi)展綜合性探究實(shí)驗(yàn)，能使實(shí)驗(yàn)達(dá)到知識(shí)和技能的鞏固和復(fù)習(xí)，又能培養(yǎng)學(xué)生的思維分析能力，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。基于真實(shí)情境的水的耗氧量探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生的探究熱情。

“探究水的耗氧量滴定實(shí)驗(yàn)”是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)。其涉及較多的知識(shí)點(diǎn)，包括離子反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)，有機(jī)化學(xué)，化學(xué)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)操作，誤差分析等。內(nèi)容涉及必修1，必修2，選修4化學(xué)反應(yīng)原理，選修5基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)。高三學(xué)生已經(jīng)完成以上模塊的學(xué)習(xí)，具有了基本的實(shí)驗(yàn)操作和設(shè)計(jì)能力。但面對(duì)較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生還是考慮不全面，缺乏綜合的分析能力。該探究實(shí)驗(yàn)考察學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)掌握，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，定量分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力。

2.教學(xué)設(shè)計(jì)思路

探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路如圖1。

3.教學(xué)過(guò)程

主題（1）回顧參觀自來(lái)水廠的收獲。

展示①：學(xué)生參觀自來(lái)水廠凈化池和水質(zhì)化驗(yàn)室圖片。

[講解]我們參觀了自來(lái)水廠，對(duì)自來(lái)水的凈化工藝流程和自來(lái)水的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有了一定的了解。自來(lái)水的水質(zhì)關(guān)系到我們每個(gè)人的身體健康。自來(lái)水的生產(chǎn)和水質(zhì)檢測(cè)都涉及到很多化學(xué)知識(shí)。水質(zhì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測(cè)涉及到各種儀器和方法。我們現(xiàn)在來(lái)探究水質(zhì)的耗氧量的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生回顧參觀自來(lái)水廠的收獲，使學(xué)生深深地認(rèn)識(shí)到化學(xué)知識(shí)與人類生產(chǎn)和生活的密切聯(lián)系，化學(xué)對(duì)人類的重要性。培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)。如何進(jìn)一步探究水質(zhì)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)更能激發(fā)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)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(zhì)在一定條件下被氧化時(shí)所消耗的毫克數(shù)，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(zhì)包括無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩部分。天然水中無(wú)機(jī)還原物（如亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等）含量少，而有機(jī)物含量較多（主要來(lái)源于污水或生物分解產(chǎn)物）。②意義：耗氧量分析項(xiàng)目在水質(zhì)分析中屬于有機(jī)物綜合指標(biāo)，水中耗氧量的大小不僅可以間接地反映水中有機(jī)物的含量，還可以做為水體被污染的標(biāo)志之一，對(duì)水質(zhì)污染情況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，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(cè)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(biāo)志之一。飲用水中耗氧量的檢測(cè)，一般都采用酸性高錳酸鉀或重鉻酸鉀滴定法進(jìn)行，酸性高錳酸鉀滴定法屬于氧化還原反應(yīng)類型。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)介紹水的耗氧量的定義和測(cè)定耗氧量的重要性，讓學(xué)生不僅了解水的污染原因，環(huán)境保護(hù)的重要性，同時(shí)還復(fù)習(xí)鞏固了氧化還原反應(yīng)知識(shí)，為接下來(lái)的探究實(shí)驗(yàn)起到指導(dǎo)作用。

主題（3）用酸性高錳酸鉀測(cè)定水耗氧量的探究實(shí)驗(yàn)。

[講解]我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了酸堿中和滴定，氧化還原反應(yīng)滴定。現(xiàn)在我們應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)探究測(cè)定水的耗氧量。

[設(shè)問(wèn)]展示一杯水，這是學(xué)校附近水庫(kù)的水。我們現(xiàn)在來(lái)探究該水庫(kù)水耗氧量的測(cè)定方法。

同學(xué)們思考需要哪些儀器和試劑？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

[PPT]展示學(xué)生初步思考的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖如圖2。

[設(shè)問(wèn)]能否用鹽酸？為什么用棕色酸式滴定管？滴定終點(diǎn)怎么判斷？

[學(xué)生回答]不能用鹽酸，HCl會(huì)和高錳酸鉀反應(yīng)，使測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生誤差。在自來(lái)水廠實(shí)驗(yàn)室見(jiàn)過(guò)棕色酸式滴定管，可避免高錳酸鉀見(jiàn)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(dá)到滴定終點(diǎn)。

[講解]回答很好，這也許是絕大多數(shù)同學(xué)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于滴定實(shí)驗(yàn)我們一定要分析實(shí)驗(yàn)對(duì)象。同學(xué)們分析了高錳酸鉀見(jiàn)光分解性質(zhì)，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(fù)雜的。

[PPT]展示水樣成分，如圖3。

[講解]同學(xué)們根據(jù)水樣中的成分分析，評(píng)價(jià)剛才的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理。

[學(xué)生回答]剛才的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能保證水樣中的有機(jī)物都能和高錳酸鉀反應(yīng)。這些測(cè)定結(jié)果偏低。

[設(shè)問(wèn)]如何解決這個(gè)問(wèn)題？使水樣中的有機(jī)物充分與高錳酸鉀溶液反應(yīng)？

[學(xué)生回答]可以提高反應(yīng)溫度，加催化劑，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。參觀自來(lái)水廠化驗(yàn)室我們看到了技術(shù)人員用水浴鍋加熱錐形瓶。

[設(shè)問(wèn)]還有什么需要考慮？

[學(xué)生回答]高錳酸鉀要過(guò)量才能保證水中有機(jī)物都參與反應(yīng)。

[PPT]展示逐步完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖4。

[設(shè)問(wèn)]以上是改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，上面設(shè)計(jì)圖中加HgS04的目的？

[學(xué)生回答]HgSO4的作用可能是催化劑。

[教師講解]HgSO4很容易認(rèn)為起催化劑作用。我們?cè)倏匆槐樽詠?lái)水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，其中氯化物的含量不超過(guò)250mg/L，氯化物含cl^-，CF在酸性條件下能與高錳酸鉀反應(yīng)。水樣中Cl^-的存在會(huì)影響水的耗氧量的測(cè)定，所以要排除cl^-的干擾。HgSO4能與Cl^-結(jié)合生成穩(wěn)定的[HgCl4]^2-，消除Cl-干擾。

[設(shè)問(wèn)]怎樣判斷高錳酸鉀加入過(guò)量？怎樣測(cè)定參加反應(yīng)的高錳酸鉀的量？

[學(xué)生回答]水浴加熱30分鐘后錐形瓶中顏色顯紅色，說(shuō)明高錳酸鉀是過(guò)量的。

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

[學(xué)生回答]可選擇一定濃度的還原劑與剩余高錳酸鉀反應(yīng)。

[講解]選用一定濃度的還原劑Na2C2O4或H2C2O4和高錳酸鉀反應(yīng)。

[PPT]展示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖5。

[設(shè)問(wèn)]該反應(yīng)滴定終點(diǎn)如何判斷？同學(xué)們是否認(rèn)為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較完善了？

[學(xué)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(fù)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該比較完善了。

[解答]該設(shè)計(jì)還不完善，還需要考慮兩點(diǎn)。（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(guò)85℃，否則Na2C2O4會(huì)部分分解。（2）如用Na2G04溶液滴定高錳酸鉀，那么在滴定過(guò)程中錐形瓶里的高錳酸鉀見(jiàn)光分解，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差增大。

[設(shè)問(wèn)]同學(xué)們討論分析如何去完善這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

[PPT]展示最終完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖6。

[講解]先用過(guò)量Na2C2O4和錐形瓶中剩余高錳酸鉀在60℃較快反應(yīng)，然后用高錳酸鉀溶液滴定錐形瓶中剩余的Na2C2O4。以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就完善了。用氧化還原反應(yīng)滴定法測(cè)水的耗氧量實(shí)驗(yàn)確實(shí)比以前我們學(xué)習(xí)用高錳酸鉀溶液滴定FeSO4溶液復(fù)雜。

[設(shè)問(wèn)]最后的問(wèn)題，該實(shí)驗(yàn)需要測(cè)定那些量？

[學(xué)生討論]水樣的體積，加入過(guò)量高錳酸鉀溶液體積，過(guò)量Na2C2O4體積，滴定Na2C2O4消耗的高錳酸鉀溶液體積。

[講解]根據(jù)以上測(cè)定的體積數(shù)據(jù)，課后同學(xué)查詢信息，思考計(jì)算耗氧量的方法。

從這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程分析有什么體會(huì)和收獲？

[設(shè)計(jì)意圖]通過(guò)探究水的耗氧量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從已學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)入手，引導(dǎo)學(xué)生逐步分析復(fù)雜問(wèn)題，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的各項(xiàng)化學(xué)核心素養(yǎng)的目的。

三、小結(jié)及展望

水的耗氧量的測(cè)定是一個(gè)比較復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)滴定實(shí)驗(yàn)。要比較準(zhǔn)確的測(cè)定數(shù)據(jù)需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件，如溫度，酸度，高錳酸鉀濃度，反應(yīng)時(shí)間，滴定速度等多方面因素。有些分析可能超過(guò)了高中學(xué)生的能力。但是該探究實(shí)驗(yàn)的原理還是以高中教材為基礎(chǔ)，主要培養(yǎng)學(xué)生的分析思維能力和化學(xué)核心素養(yǎng)。從這次基于真實(shí)情境的探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，說(shuō)明教師要充分創(chuàng)造機(jī)會(huì)給學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)。在高三實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)階段，開(kāi)展基于真實(shí)情境的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高復(fù)習(xí)效率。