基于證據推理的實驗教學設計與實踐

摘要：分析次氯酸的漂白作用實驗的教學作用以及對該實驗的研究和存在的問題，設計氯氣制備、干燥、漂白、尾氣處理的一體化裝置，應用于化學實驗教學實踐，基于證據進行邏輯推理，加深學生對次氯酸的漂白性的認識和理解，將證據推理滲透到實驗教學中，培養學生的科學探究能力，激發學生的創造潛能，提升學生的思維能力。

關鍵詞：證據推理;次氯酸漂白性;實驗創新;教學實踐

文章編號：1008-0546（2021）01-0048-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.013

一、問題的提出

蘇教版《必修1》P43，實驗1“潮濕氯氣的漂白作用”（如圖1），是氯氣性質中的一個重要實驗。實驗探究潮濕氯氣的漂白作用：真正起漂白作用的是次氯酸還是氯氣，通過實驗探究讓學生充分認識：干燥的氯氣不能使有色物質褪色，而潮濕氯氣因含有次氯酸而具有漂白作用，可使有色物質褪色，干燥的氯氣雖然有強氧化性，但不能使有色物質氧化而褪色[1]。該實驗需要事先準備干燥的氯氣[2]（如圖2），由于氯氣是有毒氣體，無論是制取、收集還是操作中都容易造成氯氣外泄，特別是學生分組實驗時，氯氣發生逸散，危害師生的身體健康。在常規教學中為避免氯氣的危害，該實驗往往改成演示實驗驗證，或以視頻來代替，甚至有畫實驗、背實驗的現象，這樣既影響了化學實驗教學價值的體現，也影響了化學教學質量的提高，更談不上培養學生的探究思維和探究能力。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將化學實驗作為進行科學探究的重要實踐活動方式，倡導開展以化學實驗為主的多種探究活動，在實踐中培養學生的科學探究能力，敢于質疑，勇于創新，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力，并在探究中不斷尋找充分的證據，逐步構建完善化學知識體系，將化學核心素養的培育細化到課堂教學中。

次氯酸漂白作用的探究實驗對提升學生的實驗探究能力有重要作用，而且對二氧化硫的漂白作用的學習有鋪墊和對比作用，設計實驗探究證明次氯酸的漂白性，可以培養學生仔細觀察、記錄現象、證據推理、理性分析的能力，顯然上述裝置滿足不了學生深入探究的要求，教師有責任和義務，依據實驗事實，引導學生分析證據和推理論證，概括出物質性質及其變化規律，提升“科學探究與創新意識”“證據推理和模型認知”等核心素養。

近年來，廣大化學界同仁對該實驗進行了不斷改進和不同程度的優化，并取得了一定的成效。齊俊林、趙立國從簡化裝置，減少藥品用量考慮[3]，李賽秋從減少尾氣釋放考慮[4]，但均沒有干燥氯氣，忽略了水蒸氣對實驗的影響;李海燕從設計密閉裝置進行對比實驗，但忽略了U型管兩側氯氣濃度不同和有色花瓣中水分的影響，且藥品用量較多，反應時間長[5];李興等從操作方便，現象明顯，綠色環保，實驗趣味性，干燥氯氣考慮，但步驟不算簡便，裝置不夠簡化，蘸水寫字容易模糊，水蒸氣蒸發對實驗有一定的干擾[6];吳京谷將問題探究和實驗探究融合，讓學生充分體驗探索樂趣，通過分析推理認識氯氣的性質[7];黃翠玉等利用自制裝置，提出“氯水的成分探究”的實驗教學流程[8]。一線教師從不同角度進行了大量的實驗改進和教學設計課例，為廣大教師日常教學提供了豐富的參考和借鑒，但對于氯水成分及性質的探究主要局限于次氯酸漂白作用實驗的改進、氯水中所含微粒的探究。筆者嘗試將改進裝置融合到教學設計中，在實驗探究中搜集形成科學結論所需的證據和尋找證據的途徑，基于證據進行分析推理，提高化學核心素養。

二、次氯酸漂白作用實驗的創新

1.設計理念

由于氯氣有毒，創新實驗以裝置密封性好，藥品用量少，對環境無污染，氯氣干燥，對比現象明顯，操作簡便，實驗時間短為原則，以實現實驗的綠色化，微型化，一體化，簡便化。

2.儀器藥品

雙翼試管，注射器2個（20mL），橡皮塞，膠頭滴管，高錳酸鉀固體，濃鹽酸（ 37%），紅色紙條（用皺紋紙、吸水性較好），Imol/L NaOH溶液，無水氯化鈣。

3.實驗裝置

如圖3所示[9]3，其中：A為雙翼試管，B、D為包裹有無水氯化鈣的棉花球，C、E分別為干燥紅色紙條和潮濕紅色紙條，F為高錳酸鉀固體，G為盛有少量濃鹽酸（ 37%）的膠頭滴管，H為注射器。

4.操作步驟

（1）在干燥的雙翼試管左右試管中分別加入大小合適的干燥紅色紙條，將其中一個紅色紙條用水潤濕;

（2）兩翼試管上部塞一小團包裹有無水氯化鈣的大小相同的疏松棉花團;

（3）用藥匙取少量高錳酸鉀固體（約1/8平匙）加人中間的試管中，將雙翼試管固定在鐵架臺，用膠頭滴管吸取少量（約0.5mL）濃鹽酸，連接好裝置;

（4）從膠頭滴管中滴人幾滴濃鹽酸。

5.尾氣處理

反應結束后，用注射器抽取容器內殘余氯氣，拔下注射器，迅速接上裝有5mL 1mol/L NaOH溶液的注射器，推人反應容器中，輕輕振蕩，直至完全吸收余氯，拔下的注射器放人盛有1mol/L NaOH溶液的燒杯中，慢慢推人NaOH溶液吸收氯氣，最后拆除裝置，雙翼試管中殘留藥品倒人指定容器中。

三、基于證據推理的實驗教學實踐

1.環節1：創設實驗情境，誘導思維

[情境]往一支裝有少量紫色石蕊試液的試管中，滴加幾滴氯水，溶液由紫色變為紅色，最后變為無色。

[教師提問]什么物質或微粒能使紅色物質褪色？

[學生]討論，從理論上猜測，發言熱烈。

[教師]總結學生提出的各種假設：氯水中具有漂白性的微?？赡苁菤潆x子，氯離子，氯氣分子，或其他微粒。

設計意圖：化學實驗順應學生的“好奇、好動、好玩、好勝”的心理，刺激學生的感官，通過感性的實驗現象和事實，激發學生求知欲，啟迪學生思維，從情境中發現問題、提出問題、研究問題，推進教學層層深入。

2.環節2：設計實驗方案，激發思維

[學生]設計實驗方案，進行實驗探究

探究實驗：往一支裝有少量稀鹽酸的試管中，滴加幾滴紫色的石蕊試液。

[學生]記錄實驗現象：溶液變紅，最后未褪色，得出結論：溶液中的氫離子，氯離子均無漂白性。

[教師]使紅色物質褪色的是氯分子還是其他微粒呢？

[學生]設計實驗方案：將氯氣通人盛有干燥的紅色紙條的容器中。

[教師]引導學生思考，若紅色試紙不褪色，排除了使紅色物質褪色的是氯分子，那么使紅色物質褪色可能是哪種微粒呢？如果要進一步探究可能是氯氣與水反應生成的其他微粒，在此基礎上實驗方案要怎樣改進呢？

[學生]討論提出改進方案I：將氯氣分別通人盛有干燥的紅色紙條和潮濕的紅色紙條容器中。

[教師]改進方案I采用了對照實驗，有利于實驗現象的比較，有沒有其他因素會影響實驗呢？比如氯氣的濃度的大小。另外，改進方案I需要預先制備氯氣，且氯氣容易泄漏，最后沒有進行尾氣吸收，能否將氯氣制備、性質探究和尾氣處理在同一個裝置中實現呢？

[學生]繼續修改實驗方案，提出改進方案Ⅱ并進行探究：往一支大試管中加入少量高錳酸鉀固體，雙孔橡膠塞的一孔插入裝有濃鹽酸的注射器，另一孔插入導管，導管一端通人盛有濃氫氧化鈉溶液的燒杯中作尾氣處理，將剪成大小合適紅色紙條放在雙孔橡膠塞兩側，一側紙條用水濕潤，紙條兩端伸人試管中，塞緊橡膠塞，慢慢下壓注射器活塞滴人少量濃鹽酸，瞬間濕潤的紅色紙條褪色，干燥的紅色紙條不褪色。不少學生據此現象判斷：氯氣分子不能使有色紙條褪色。

設計意圖：以實驗探究為載體，在活動中充分體現學生的主動性，通過設計方案，完善方案，實施方案，親歷實驗探究的過程，學會搜尋證據，激發學生的創造性思維，把實驗設計的主動權交給學生，提高學生的實驗探究能力。

3.環節3：優化實驗設計，創新思維

不到一分鐘干燥紅色紙條也褪色，學生紛紛提出疑問：干燥紅色紙條褪色的原因是什么呢？對于學生的疑問，教師沒有直接進行答疑，而將此問題作為新的課題引領學生繼續開展深入探究。

[教師]改進方案Ⅱ中氯氣是如何得到的？

[學生]高錳酸鉀固體和濃鹽酸制備得到的氯氣中含有水蒸氣。

[教師]造成氯氣中含有水蒸氣的可能原因是什么？

[學生]試管不干燥;紙條不干燥;濃鹽酸中含有水。

[教師提問]為避免水蒸氣對實驗的干擾，必須保證氯氣干燥，實驗該如何改進？

[學生]討論，綜合考慮，優化實驗方案，最后形成次氯酸漂白作用實驗的創新裝置（如圖3）。

隨后進行實驗探究，擠捏膠頭滴管，滴人2-3滴37%的濃鹽酸，與試管底部高錳酸鉀固體接觸，發生反應（2KMnO4+16HCl = 2KCl+ 2MnCl2+5Cl2↑+8H2O），迅速產生氯氣，注射器活塞上移約至注射器中部，氯氣進入雙翼試管，經過包有約19無水氯化鈣的棉花球（因高錳酸鉀固體和濃鹽酸的用量很少，產生少量的氯氣，可以充分干燥），干燥的氯氣同時與干燥紙條和潮濕紙條接觸，10s左右，濕潤的紅色紙條褪色，干燥的紅色紙條不褪色，直到下課后（30min左右），干燥的紅色紙條仍然不褪色。因為氯氣與水反應Cl2+H2O=HCl+HClO，生成的次氯酸具有漂白性，由此推斷干燥的氯氣不能使有色物質褪色，而氯氣與水反應生成次氯酸，次氯酸具有漂白性，使有色物質褪色。

該裝置的創新之處在于除了極好地解決了氯氣制備、干燥、漂白、尾氣吸收在封閉體系中進行，隨用隨得，操作方便，符合綠色化，藥品用量和廢物排放量少，反應時間短，現象明顯，符合微型化，巧妙地采用對照實驗，干燥的紅色紙條和潮濕的紅色紙條分裝于兩翼小試管，相互沒有影響和干擾，通過明顯的實驗現象，很容易在相似的實驗對象之間（干燥紙條和潮濕紙條）區別本質上的差異，反應在同一體系中進行，采用控制變量法設置實驗，既排除無關變量的影響，又增加實驗結果的可信度和說服力。

設計意圖：引導學生全面觀察，從實驗中發現問題，是學生深入探究的開始，實驗的意外往往會激發學生更強的探究欲望和心理。在設計對照實驗，比對實驗現象的差異，分析實驗現象與導致原因，尋找證據進行推理的活動過程中，學生真正明白了氯氣與水反應的產物，理解次氯酸的漂白性，培養學生的實驗能力、觀察能力及思維能力。學生帶著解決真實問題進行深入探究，更加強調課堂的生成，學生主動參與、積極合作，學生經歷了實證和邏輯推理的過程，將探究活動推向高潮。

四、實踐反思

中學階段是學生思維能力與思維品質形成的關鍵階段，而實驗教學對培養學生的創新思維能力具有十分重要的作用。以上教學設計引導學生充分利用教材，挖掘常規實驗的潛在探究價值，在教師的點撥引領下，敏于發現勇于探究，既真實完整地呈現了科學探究的過程，又通過探究過程中產生的認知沖突，促使學生產生強烈的探究愿望和要求，對實驗進行改進創新，不斷優化方案，尋求證據，延伸了學生的思維。

1.探究實驗，培養了學生思維的嚴密性

以實驗探究為主線，不斷激發學生學習化學的興趣，啟發學生思維交互，引導學生設計實驗方案，經歷“提出假設一方案設計一優化實驗一實施方案一尋求證據”的實驗探究過程，逐步提升思維的高度。

2.改進裝置，培養了學生思維的創新性

通過設計不同的實驗方案，啟發學生積極思考，找到解決問題的最佳方案，實驗改進增強了學生的參與意識和合作精神，對反常現象不回避不含糊，培養學生尊重事實、探索真理的科學態度，增強實證意識，這恰恰也是實驗結論準確和完整的前提。

3.課外延伸，培養了學生思維的開放性

課堂教學受時間、空間等客觀條件的限制，往往不能完成所有實驗的探究，也滿足不了學生求知的欲望，為保證學生更廣泛參與，我校開設了每周一次的化學實驗室開放日，鼓勵學生動手操作，這樣的活動，既加深了學生對知識的理解，也拓展學生思維的廣闊性，學生利用該裝置，探究二氧化硫與品紅溶液和二氧化硫與高錳酸鉀溶液的反應原理，既可以對比二氧化硫與品紅溶液、高錳酸鉀溶液褪色速率的快慢，又可以對比褪色后的溶液加熱后的變化，幫助學生充分理解二氧化硫漂白性和還原性。

化學實驗是最真實的場景，基于證據推理的化學實驗具有更高的科學性，從化學實驗直觀具體的感性認識和學生真切的過程體驗，獲得化學實驗的全面依據，分析對比，歸納總結，幫助學生從感性到理性、從具體到抽象，理解化學反應原理，將證據分析推理植入化學實驗教學，提升了學生的化學核心素養。

參考文獻

[1] 陳金龍，肖明平.氯氣漂白性實驗的改進[J].中學化學教學參考下半月，2018（4）：61

[2] 王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書：化學1[M].南京：江蘇教育出版社，2009：43

[3] 齊俊林，趙立國.次氯酸漂白作用演示實驗的改進[J].河北理科教學研究，2011（3）：48-49

[4] 李賽秋.次氯酸的漂白作用實驗的改進[J].教學儀器與實驗，1997（10）：10

[5] 李海燕，新課標下的氯氣漂白性質的實驗改進[J].化學教育，2009（10）：68

[6]李興，齊俊林.次氯酸漂白作用實驗的新設計[J].化學教學，2018（5）：62-64

[7] 吳京谷.“證據推理”素養引領下的化學實驗教學設計一以“氯水成分和性質”教學為例[J].中學化學教學參考，2019（3）：31-35

[8]黃翠玉，張賢金.“氯水的成分探究”實驗裝置改進及教學模式探究[J].化學教學，2019（4）：54-57

[9]袁君亞.次氯酸漂白作用實驗的創新設計[J].化學教學.2020（5）：65-68，72