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蔗糖与浓硫酸实验改进及探究教学设计*

一、研究的背景

浓硫酸的性质是高中化学必修1专题四中重要的教学内容,浓硫酸的脱水性利用蔗糖与浓硫酸的反应实验进行教学。此实验在人教版中以大家熟悉的“黑面包”实验呈现,优点是现象明显,学生有强烈的感官认识,但是大量的刺激性气味气体排放到空气中不环保,也无法对产生的气体进行检验。苏教版中将此实验经过一定的改进,增加了橡胶塞比较环保,并利用品红检验SO2,但该实验是验证性实验,缺乏探究性,验证的气体单一。很多教师对此实验进行了改进,吴松原[1]、吴叔娥[2]、何婧[3]等老师主要进行了一体化的改进;王建芬老师主要关注环保性的改进[4];李凤英老师等进行了微型化的设计改进[5]。可见,大多改进集中在将该实验进行一体化、趣味性、环保化、微型化的设计改进,一体化的改进所用仪器多、组装复杂、所消耗药品较多,有些微型化的设计现象不明显不利于学生观察,更重要的是这些改进实验操作较繁琐不利于学生的探究操作。

在成品当天进行香辣藕片的感官评价,参考张文君等[16]、张建辉等[17]的评价方法。由10名感官评价人员组成评价小组,其中男女比例相等。针对实验目的、感官评价的标准和要求(GB/T 16291.1-2012)对评价小组进行适当的培训[18]。样品随机编号,采用百分制,品评人员需要独立客观地对香辣藕片的特性给出分值(色泽30%、质地40%、形态20%、风味10%),计算结果取平均值,感官评价标准见表2。

二、设计思路

普通高中化学课程标准(2017年版)提出了培养学生化学“核心素养”。实验探究是一种重要的科学实践,是化学核心素养的维度之一,是培养学生高阶思维的重要方式。核心素养之“科学探究与创新意识”中对学生提出了不同水平要求,对于高一学生应该达到水平1和水平2,水平2要求学生“能对简单化学问题的解决提出可能的假设,依据假设设计实验方案,组装仪器,与同学合作完成实验操作……[6]

因此,笔者认为应深入挖掘此实验的功能:①认识浓硫酸的脱水性;②对产生的气体进行探究,调动学生的积极性,培养学生科学探究的能力;③补充炭和浓硫酸反应的实验,弥补教材的不足,使学生对浓硫酸的强氧化性有更深入的理解。为了更适合学生的探究操作,笔者对此实验进行了改进,简化了实验所需的仪器和操作步骤,并设计了利用此改进实验进行浓硫酸脱水性和强氧化性的探究式教学。

三、实验改进

1.实验仪器和药品

仪器:抽滤瓶(250mL)、针筒(25mL或50mL)、烧杯、橡胶塞、橡胶管、止水夹。

药品:蔗糖、浓硫酸、BaCl2溶液、酸性高锰酸钾溶液、澄清石灰水、NaOH溶液、银氨溶液。

从表1可以看出,3种不同铝合金试样经过激光刻蚀后,化铣胶刻蚀○1区和基材刻蚀○2区的力学性能基本一致,最大的差异出现在LF6铝合金的断后延伸率,基材刻蚀区比化铣胶刻蚀区高5%。考虑到测试仪器自身误差范围,可以认为激光刻型未对直接刻蚀基材的力学性能造成影响。这是由于高能激光束照射到保护胶表面后,理论上有90%以上的能量被保护胶吸收和转化,剩余10%的能量中有90%以上被反射,只余下很少的能量被吸收后转化为热能。

2.实验装置图和操作原理(见图1)

图1 改进后实验装置图及操作

收集气体 → 气体探究 → 尾气处理

收集气体:在抽滤瓶中加入称好的蔗糖(10g),预先加入几滴水,并用针筒注入浓硫酸(6mL),观察现象,排除空气一段时间后(瓶中出现较多雾时),用针筒收集气体,盖上针帽,可收集2~3针筒备用。

气体探究:用已收集气体的针筒抽取不同的试剂,观察现象从而探究气体的成分。

尾气处理:收集完气体将导管末端伸入NaOH溶液中,尾气处理。

四、实验探究教学设计

1.教学目标

(1)通过观察蔗糖与浓硫酸反应的实验操作,了解浓硫酸的脱水性。

(2)通过探究蔗糖与浓硫酸反应的气体,掌握浓硫酸的强氧化性。

(3)学会根据化学问题提出假设,并设计实验方案,完成操作,得出结论。

2.教学过程

环节1“黑面包”实验引入

【播放视频】播放“黑面包”实验视频,引导学生观察实验现象。

【提问】“为什么白色蔗糖变黑?”

从2014年9月新生开学开始,外籍教师进入大学英语课堂,在14级医学院进行视听说一体化试行。鉴于新生进校英语基础差、参差不齐,尤其是听力、口语几乎是零基础。这一教学改革深受学生们的欢迎,她们期盼外教能提高她们学习英语的兴趣,能听懂并且运用口语进行简单的日常对话、会话等。教师可以通过音、视频等多种媒介将语言、文化、社交等多方面知识展示给学生,内容多为影视片段赏析、音乐欣赏、情景模拟等。学生的兴趣提高了,注意力更加集中,学习效率也得到了提高。同时,在相关内容的赏析学习过后马上进入口语训练阶段,学生经过适当练习,很快能将听力练习中学到的新的表达方式应用于口语交际,能力提高迅速。

临床药师参与多学科协作救治7例野生蘑菇中毒患者的实践 ……………………………………………… 汪 燕等(17):2403

【学生观察】学生观察到白色蔗糖先变黄,继而变黑。学生讨论,得出浓硫酸的脱水性。

环节2 提出问题,作出假设

在充满希望的燕园,我每天都怀着对父母的爱认真地学习和工作。我期望在不远的某一天,通过我的努力,把三爹和母亲还有我的姐姐都接到北京来,好好地走一走,看一看,尤其要让他们看看我生活了近5年的北大,让三爹和母亲知道,他们儿子的人生选择是正确的,他们从来就没有看错这个儿子。

①为何黑色固体膨胀?②气体从何而来?③气体的成分是什么?

【学生回答】“黑色固体膨胀”是因为产生了大量的气体。学生从脱水后的产物,提出假设“可能是C和浓硫酸反应产生了气体”,并提出该气体可能是“CO、CO2、SO2、SO3”。

【资料信息】提供三氧化硫的熔沸点。由于SO3的沸点很低,常温下为液体,但该体系放出大量的热,故此时SO3很可能是以气体的形式存在。

环节3 设计探究气体的实验方案

【提问】如何探究这些气体成分?学生讨论设计方案,最终制定以下方案。

SO3用BaCl2溶液检验,观察是否有白色沉淀生成;

还有什么可说的?赌和毒品一样,是可以彻底摧毁一个人的,作为一个商人,他确实对左达的过去产生过敬佩,可现在,他不得不为左达染上赌博感到惋惜,深深的惋惜。

SO2用KMnO4溶液检验,观察是否褪色;

CO2用Ca(OH)2溶液检验,是否产生白色沉淀,检验前需要确认SO2是否除尽;

CO用CuO检验需加热,操作不便。经查资料用银氨溶液检验,观察是否出现黑色的银单质[7]

环节4 学生实验探究,获取证据

造林密度还和树种的喜光性、冠幅大小、根系的特征有关,冠幅较大的树种需要适当稀植,冠幅小的可适当增加造林密度。喜光树种要适当稀植,使其生长得到充足的光照,速生的树种也应适当稀植,以防林分过密对其生长产生阻碍;对于根系广的树种,为防止林分地下部分竞争过于激烈,根生长不良,无法吸收充足的水分和营养,抑制树木生长,应适当稀植。培育措施越好,管理的越细致,林木生长就越快,越需要相对稀植。所以合理造林密度的探究,需要综合考虑各种因素。

【学生实验】指导学生利用改进后的实验装置进行实验,见图2。

Markon等[5]对众多正常人格理论模型及异常人格理论模型进行了研究分析,发现所有的模型都展现出了一个综合性的五因素结构,而这个结构与大五模型十分相似。与其他模型相比,大五模型的发展经历了更为严格的验证过程。特别是关于特质的研究,经历了不同的语言环境。最初的词汇研究是在英文语境下,通过调查展现出了一个5因素结构,分别为内向外向、宜人性、责任心、神经质和开放性。之后的词汇研究在不同国家的语言环境中展开,其结果都支持存在一个普遍的5维度模型[3](114-158)。

图2 实验装置图

图3 收集气体

图4 抽取KMnO4

步骤1:称取10g蔗糖置于抽滤瓶中,用针筒注入6mL浓硫酸,盖上橡胶塞,导管一端先伸入NaOH溶液中,待排出一段气体(主要为空气),将针筒前端插入导管中,收集气体(图3),可收集2~3针筒气体。收集完毕,将导管伸入NaOH溶液中进行尾气处理。

由上可知,温度系数远小于应变系数,布里渊散射光的频移量与温度相关性远小于与应变的相关性。一般来讲,当温差小于5℃时,常忽略温度对布里渊散射光频率漂移量的影响,但长期监测时要进行温度补偿消除季节性温度变化的影响。式(1)可简化为式(2),式中字母与式(1)无异:

步骤2:取一针筒气体Ⅰ,抽取BaCl2溶液,振荡,未观察到白色沉淀。

步骤3:另取一针筒气体Ⅱ,抽取KMnO4溶液(图4),振荡,观察到紫红色褪去。

检测结果表明,除去局部出现的严重遮挡以及曝光过度产生的图像清晰度较差的问题之外,基本都能检测到场景中障碍物体。多次实验结果表明,本文的无人车障碍物检测系统对室外障碍物的检测准确率高达90%以上。

步骤4:检验CO2时,为了避免SO2的干扰,将针筒气体Ⅱ中褪色的KMnO4溶液排出,再抽取KMnO4溶液,振荡,发现紫红色未完全褪色,说明针筒内已无SO2气体。

步骤5:将未完全褪色的KMnO4溶液排出,抽取澄清石灰水(图5),振荡,注入小试管中,发现澄清石灰水变浑浊(图6)。

图5 抽取Ca(OH)2溶液

图6 与澄清石灰水对比

步骤6:最后,针筒Ⅱ抽取银氨溶液,检验CO的存在,发现出现黑色固体。

环节5 分析解释,形成结论

【学生总结,交流讨论】蔗糖与浓硫酸脱水反应后产生的碳单质与浓硫酸继续反应,生成了SO2和CO2,学生根据元素守恒,推断出另一产物是H2O,这说明了浓硫酸的强氧化性,C+2H2SO4(浓)=CO2↑+2SO2↑+2H2O。CO的来源则可以根据C和CO2的反应推知。

环节6 反思

经过以上一系列的环节,学生最后对整个过程进行了交流和总结,认为此实验探究有趣、操作简便、环保。而且通过探究过程对浓硫酸的脱水性和强氧化性有非常深刻的认识。

五、改进实验的优点

笔者对蔗糖与浓硫酸反应实验进行了改进并运用于学生探究教学中。本实验的教学有以下几点改进:(1)将讲授式教学改为探究式教学,提升学生探究思维水平、实验探究能力,切实培养了学生学科核心素养。(2)补充了炭与浓硫酸反应的探究实验,深化学生对浓硫酸强氧化性的认识。(3)进一步复习巩固了SO2的性质。(4)仪器简化、操作方便。针筒抽取试剂很方便,避免了多套仪器连接的麻烦。学生更容易操作,更适合学生探究,激发学生的兴趣。(5)环保、可控制药品用量。针筒可选择不同的规格,抽取的试剂的量也可多可少,节约药品。

参考文献

[1] 吴松原等.蔗糖与浓硫酸反应一体化实验的再改进[J].中学化学教学参考,2017(2):57-58

[2]吴叔娥等.“蔗糖与浓硫酸反应”实验装置的改进[J].实验教学与仪器,2017(12):32-33

[3] 何婧等.蔗糖与浓硫酸反应实验的改进及反应产物的定性检验[J].化学教学,2017(6):60-62

[4] 王建芬等.蔗糖与浓硫酸反应实验的新设计[J].化学教学,2018(2):73-74

[5]李凤英.“浓硫酸脱水性”实验的微型实验改进[J].课程教育研究:学法教法研究,2016(3):72-73

[6] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018:91

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