基于實驗異?，F(xiàn)象的生成性教學實踐研究

朱成東 孫永興 徐泓 孫影

摘要： 以海帶中碘含量測定過程中待測液反復變藍的實驗異?，F(xiàn)象作為課堂生成性資源，通過引導學生對其進行猜想、假設和驗證組織課堂教學，從而在體驗科學探究的一般過程中，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞： 中學化學； 生成性教學； 異常現(xiàn)象； 碘含量的測定

文章編號： 10056629（2023）07003708

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

生成性教學是指教師根據(jù)課堂中的互動狀態(tài)及時地調(diào)整教學思路和教學行為的教學形態(tài)［1］。生成性教學有賴于課堂中師生互動產(chǎn)生的生成性資源，而實驗作為化學學科的基礎，是化學課堂生成性資源的重要來源?！邦A設”與“生成”是一對矛盾統(tǒng)一體［2］，教科書已經(jīng)闡明的實驗結果，抑或是由學生通過已經(jīng)掌握的化學知識進行證據(jù)推理與預測得到的實驗現(xiàn)象等均可作為課堂“預設”，而在化學實驗中出現(xiàn)一些與預期的實驗現(xiàn)象不相符的異?，F(xiàn)象，如顏色變化的異常等，則是課堂中的動態(tài)“生成”。教師利用異?，F(xiàn)象組織生成探究式課堂，對異?，F(xiàn)象進行猜想、假設、驗證的過程中，既能體驗科學探究的一般過程，又可發(fā)展證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等學科核心素養(yǎng)。

海帶中碘含量的測定方法眾多，如分光光度法［3］、氣相色譜法［4］，這些方法雖精確易行，但所涉及的原理和設備均超出高中教學要求和條件；我國現(xiàn)行行業(yè)標準《海帶碘含量的測定》中所提及的碘量法雖原理簡單，但過程復雜且需要用到溴水和甲酸鈉等對人體不友好的化學物質(zhì)，因此也不適用于高中課堂教學［5］。筆者在實際教學時擬采用雙氧水做氧化劑氧化碘離子，再用硫代硫酸鈉標準液進行滴定，從原理、安全等多個角度基本滿足課堂小組實驗的需求。但在進行預實驗時，意外發(fā)現(xiàn)變?yōu)闊o色后的待測液會反復變回藍色的異?，F(xiàn)象（如圖1所示）。查閱文獻發(fā)現(xiàn)，造成該異?，F(xiàn)象的原因在于過氧化氫氧化碘離子的反應慢于硫代硫酸鈉還原碘分子至碘離子的反應［6］。

現(xiàn)有“海帶提碘”“碘含量的測定”等相關教學研究［7～9］和實驗研究［10］，主要側重于探究實驗最佳條件以及以了解物質(zhì)的提取和分離方法為教學目標的項目式教學或定量測定的STEM教學，一般忽略了雙氧水氧化碘離子，再用硫代硫酸鈉標準液進行滴定的實驗中的“異?！爆F(xiàn)象。本研究運用該異?，F(xiàn)象的生成性教學模型（如圖2），立足于“提出猜想→設計方案→實驗驗證→收集證據(jù)→得出結論→交流討論”的科學探究一般步驟，讓學生經(jīng)歷真實的科學探究歷程，培養(yǎng)嚴謹求實的科學態(tài)度，以期達成對實驗中的“異?！爆F(xiàn)象能提出質(zhì)疑或新的設想，并進一步付諸探究實踐的素養(yǎng)水平［11］。

2 基于實驗異?，F(xiàn)象的生成性教學實踐

2.1 教學內(nèi)容分析

本課時選自魯科版高中化學必修第二冊第一章微項目“海帶提碘與海水提溴”，是基于該內(nèi)容設計的實驗復習課［12］。“從海帶中提取碘”“含碘鹽的檢驗”是高中階段兩個重要的化學實驗，多個版本的必修教材和實驗選修教材均有涉及［13， 14］。此外，強酸與強堿的中和滴定是高中階段必做的定量實驗，對海帶中的碘進行提取與含量測定不僅是對酸堿滴定的拓展和提升，更是需要綜合運用氧化還原反應、化學反應速率與限度等核心知識。因此，從知識內(nèi)容上看，該課時具有鞏固化學反應原理、強化酸堿中和滴定實驗技能、進一步發(fā)展學生解決問題能力的功能；從學習方法上看，基于真實情境的科學探究過程可以有效地促進知識與技能的遷移，為后續(xù)開展復雜真實的實驗探究活動打下基礎。其教學功能歸納如圖3所示。

2.2 教學目標

（1） 通過海帶中的碘含量的測定，鞏固滴定實驗的操作技能，認識滴定實驗的重要價值。

（2） 通過實驗中異常現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，樹立嚴謹求實的科學態(tài)度，形成敢于質(zhì)疑、探索未知、崇尚真理的意識。

（3） 通過對實驗中異?，F(xiàn)象原因的探究，形成提出假設、設計方案、實驗驗證的探究思路，并運用氧化還原理論進行分析、推理，用實驗加以證實或證偽，建立觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系。

（4） 通過對實驗曲線的解釋和宏觀現(xiàn)象的分析，建立多反應復雜體系的分析思路，初步形成從熱力學和動力學等角度分析化學反應的意識。

2.3 教學流程

具體教學流程如圖4所示。

2.4 教學實施

環(huán)節(jié)一：發(fā)現(xiàn)異?！郎y液反復變藍

［提出問題］碘元素是人體必需的微量元素之一，健康成人體內(nèi)的碘的總量約為30毫克，攝入過多或攝入不足均會對我們的健康造成危害，加碘鹽和海帶是我們?nèi)粘z入碘的主要來源。上節(jié)課我們將海帶通過灼燒、浸泡、過濾等實驗操作，獲得了含碘離子的待測液，現(xiàn)在如何去測定海帶中的碘含量呢？

［生］聯(lián)系舊知，根據(jù)強酸與強堿的中和滴定，明確滴定法是實驗室測定未知離子濃度的一般方法。

［追問1］如何選取指示劑和標準液呢？

［思考討論］碘單質(zhì)遇淀粉溶液變藍，可以先將碘離子氧化成碘單質(zhì)，選取淀粉溶液做指示劑，再選取還原劑做標準液。

［歸納總結］含碘待測液的測定原理為：

H2O2+2I-+2H+I2+2H2O①

2Na2S2O3+I22NaI+Na2S4O6②

［小組實驗］根據(jù)實驗原理進行小組實驗（如圖5所示）。

［生1］發(fā)現(xiàn)問題：達到滴定終點時的實驗現(xiàn)象應為藍色變?yōu)闊o色且半分鐘內(nèi)不變，但是在實驗時，待測液變?yōu)闊o色后會反復變回藍色，為什么一直達不到滴定終點？

［引導提問］待測液變回藍色后你是如何操作的？

［生1］繼續(xù)滴加硫代硫酸鈉標準液，再次讓待測液變回無色，但是很快又變?yōu)樗{色。

［追問］待測液反復變回藍色，實驗出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，同學們能結合所學的化學知識，提出合理的猜想嗎？

環(huán)節(jié)二：初步猜想——應用氧化還原反應模型探究異?，F(xiàn)象

出現(xiàn)異?，F(xiàn)象后，教師應充分利用該生成性資源進行教學，逐步引導學生自主討論探究。由于造成該異常現(xiàn)象的原因較為復雜，學生在未熟悉科學探究的一般步驟時，很難主動地提出合理猜想，這時就需要教師充分扮演好課堂引導者的角色，從學生熟悉的易想到的原因入手，在平等的對話中進行持續(xù)探究。

［引導發(fā)問］待測液藍色褪去，說明碘單質(zhì)轉化為了碘離子，那藍色恢復呢？

［生］說明碘離子又被氧化成了碘單質(zhì)。

［追問1］氧化劑是誰？

［生］錐形瓶為敞口容器，溶液接觸氧氣。提出猜想一：待測液反復變藍是因為碘離子被空氣中的氧氣氧化。

［追問2］如何設計實驗進行驗證呢？

［小組討論］可以向滴有淀粉溶液的含I-待測液中鼓入空氣，觀察溶液是否會變?yōu)樗{色。

［評價實驗方案］方案巧妙可行，但是待測液中依然需要加入等量的酸進行酸化。

［小組實驗］實驗現(xiàn)象：打開充氣泵開關，待測液始終保持為無色（如圖6所示）。得出結論：空氣中的氧氣很難在短時間內(nèi)氧化碘離子，猜想一為錯誤猜想。

［追問3］反應體系中是否還存在其他氧化劑呢？

［交流思考］滴定前，待測液中加入了過量的H2O2溶液，提出猜想二：待測液反復變藍是因為碘離子被過量的H2O2氧化了。

［追問1］如何設計實驗驗證呢？

［交流討論］可以向滴有H2SO4溶液和淀粉溶液的待測液中加入少量H2O2溶液再滴定，進行對比實驗。

［評價實驗方案］待測液中的碘離子含量未知，如何確保H2O2溶液為少量呢？

［定量實驗］在試管中加入兩滴管0.1mol/L KI溶液，經(jīng)硫酸酸化，滴加淀粉溶液做指示劑后僅僅加入1滴0.2mol/L H2O2溶液進行氧化，從而確保過氧化氫的量為少量（如圖7所示）。

［小組實驗］實驗現(xiàn)象：變?yōu)闊o色后的待測液會再次變藍。得出結論：過量的H2O2不是造成該異?，F(xiàn)象發(fā)生的主要原因。

［得出結論］猜想二為錯誤猜想。

環(huán)節(jié)三：深入探索——化學反應的速率和限度對異?，F(xiàn)象的影響

利用氧化還原反應原理進行了兩次猜想與假設后，學生已經(jīng)熟悉了科學探究的一般步驟，這時只需從化學反應的限度入手稍加引導，學生便可自主生成新的猜想，隨后再利用實驗證據(jù)逐漸過渡到反應的速率角度，讓探究活動與學生的思維生成始終保持一致，課堂的生成性在該環(huán)節(jié)中也得到較大程度的體現(xiàn)。

［引導］大家能否再提出新的猜想與假設，思考什么情況下溶液中會始終存在碘單質(zhì)？

［生1］提出猜想三：有沒有可能過氧化氫與碘離子的反應是一個可逆反應，即：

H2O2+2I-+2H+I2+2H2O

［生2］若為可逆反應，溶液中始終存在I2，滴加Na2S2O3，溶液不會變?yōu)闊o色。

［追問］如何判斷一個反應進行的程度？

［生3］可以利用平衡常數(shù)的數(shù)值來進行判斷。

［提供資料］該反應的平衡常數(shù)約為1×1042。

［得出結論］猜想三為錯誤猜想。

［啟發(fā)思考］課前，進行了如圖8所示的實驗，待測液放置12小時后再進行滴定，異?，F(xiàn)象就消失了，這是為什么呢？

［生1］說明反應①的時間長短對滴定過程有一定的影響。

［追問1］反應時間的長短又取決于什么？

［生2］化學反應速率。

［追問2］化學反應速率是否會對該異?，F(xiàn)象造成影響呢？請大膽猜想。

［交流討論］從化學反應速率的角度思考，提出猜想四：造成異常現(xiàn)象的可能原因是H2O2氧化I-的反應比Na2S2O3還原I2的反應慢，因此在滴定的過程中不斷產(chǎn)生新的I2，故溶液會再次變藍（如圖9所示）。

［提問］如何驗證反應①在滴定的過程中是持續(xù)進行的慢反應呢？

［交流討論］很難根據(jù)宏觀實驗現(xiàn)象進行判斷。

［教師引導］我們可以引入氧化還原電勢傳感器（ORP），去測定滴定過程中的電勢變化，進而通過曲線變化趨勢探尋反應的微觀本質(zhì)（實驗裝置如圖10所示）。

［預測］已知氧化性物質(zhì)的電勢值高于還原性物質(zhì)的電勢值，如果猜想四為正確猜想，請預測曲線變化趨勢。

［觀察］預測結束后，注意觀察燒杯內(nèi)溶液顏色變化和曲線變化（曲線變化如圖11所示）。

［解釋］構建四重表征（如圖12所示）。滴定前，燒杯中溶液為藍色，打開雙閥滴液管滴加硫代硫酸鈉，曲

線立刻呈現(xiàn)下降趨勢，溶液也由藍色變?yōu)闊o色；恰好變?yōu)闊o色后，關閉雙閥滴液管，曲線又呈現(xiàn)上升趨勢，溶液也恢復為藍色。重復實驗操作可以觀察到相同的宏觀現(xiàn)象和曲線變化。

［提問］曲線在下降和上升的過程中，溶液中的離子分別發(fā)生怎樣的化學變化？

［生1］碘單質(zhì)具有氧化性，其電勢值較高，曲線下降，說明是碘單質(zhì)被還原為碘離子；相反，曲線上升則說明是具有還原性的碘離子又被氧化成碘單質(zhì)。

［追問1］關閉雙閥滴液管后曲線上升的趨勢重復出現(xiàn)，說明什么？

［生2］說明H2O2與I-的反應確實在滴定的過程中持續(xù)進行著。

［追問2］為什么a點的電勢值始終高于c點和之后的每一個曲線頂點呢？

［生3］因為滴加了硫代硫酸鈉，相當于稀釋溶液，溶液中各溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度都會降低。

［生4］因為a點為滴定起點，滴定前溶液靜置的時間長，所以此時溶液中的碘單質(zhì)含量高，電勢值就高；而b與c之間的時間間隔短，H2O2與I-的反應速率可能較慢，因此c點溶液中的碘單質(zhì)含量低，電勢值就低。

［評價升華］我們需要從多個角度認識化學反應，特別是要從化學反應速率的角度對實驗現(xiàn)象進行解釋。

宏觀現(xiàn)象曲線表征符號表征微觀表征

過氧化氫在不斷緩慢地氧化碘離子：H2O2+2I-+2H+I2+2H2O溶液中部分碘離子被氧化為碘單質(zhì)，到達波谷前溶液中含有：I-、 I2

碘單質(zhì)被還原：2Na2S2O3+I22NaI+Na2S4O6

碘單質(zhì)被還原速率大于碘離子被氧化速率，所以波谷位置溶液中僅含有：I-

剩余碘離子繼續(xù)被氧化：

H2O2+2I-+2H+I2+2H2O碘離子被氧化為碘單質(zhì)，波峰位置溶液中含有：I-、 I2

［設問］那如何進一步驗證H2O2與I-的反應速率就很慢呢？可以直接測定H2O2與I-反應過程中的電勢變化，曲線如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)2小時后電勢還有上升的趨勢，說明該反應確實很慢。

［提問］那如何設計實驗表征Na2S2O3與I2的反應很快呢？

［生］依然可以測定反應過程的電勢變化，觀察電勢曲線趨于平穩(wěn)所需的時間。

［引導］大家還可以將待測液直接倒入硫代硫酸鈉溶液中，觀察現(xiàn)象。

［小組實驗］如圖14所示，實驗現(xiàn)象：幾乎在倒入的瞬間，藍紫色就會消失。實驗結論：說明反應②的速率遠遠大于反應①。

［總結］通過宏觀現(xiàn)象和曲線斜率等多種途徑，讓化學反應速率可視化，最終得出結論：碘含量測定中被測液反復變藍的異常現(xiàn)象是因為反應①與反應②速率相差過大導致的。同學們課下還可繼續(xù)探討造成該異?，F(xiàn)象的其他可能原因。

環(huán)節(jié)四：拓展升華——如何精確地測定海帶中的碘含量

［提問］既然H2O2做氧化劑有這么多的弊端，還是造成該異?，F(xiàn)象的主要原因，我們能否更換氧化劑進行實驗呢？

［生］交流討論，選取其他常見的氧化劑，如KMnO4等。

［總結］如圖15所示。

［課后作業(yè)］請大家課后查閱文獻，找到國家制定的海帶中碘含量測定的標準，思考不同氧化劑對碘含量測定的影響。

3 教學反思

我們在教學中充分挖掘過氧化氫“碘鐘”實驗的教學資源，以測定海帶中碘含量為情境，利用學生分析多反應復雜體系的實驗結果時習慣性地僅從熱力學視角進行分析，使之實驗現(xiàn)象與學生認識產(chǎn)生沖突，順勢引導學生轉從動力學視角進行探究，并運用其生成性特點來發(fā)展學生的科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)。對本節(jié)課的生成性教學實踐具體反思如下。

3.1 生成性教學需要合理的預設

精心預設可以為動態(tài)生成“保駕護航”——保證生成性資源的合情、合理和有效［15］。如果把異常實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生看作為“合情”，那么對異常實驗現(xiàn)象的持續(xù)探究過程則需“合理和有效”，這種“合理”是建立在教師前期的實驗研究之上的。本文用過氧化氫氧化碘離子，再用硫代硫酸鈉標準液滴定碘，從而確定碘含量，是中學常見的碘含量測定的一種方法。在實驗室重現(xiàn)該實驗時發(fā)現(xiàn)該異常現(xiàn)象，對此進行深入的探究；再將整個探究過程濃縮成一節(jié)基于實驗現(xiàn)象異常的生成性探究課。因而異常實驗現(xiàn)象的生成性教學需要教師經(jīng)常在實驗中“備課”，才能把握住實驗課中生成性教學的預設機會。

3.2 生成性教學更需關注學生的真實表現(xiàn)

生成性教學中學生的表現(xiàn)行為是個性的和未知的，學生的素養(yǎng)發(fā)展往往就體現(xiàn)在各種課堂表現(xiàn)之中，因此需要不斷地關注學生在復雜情境中的活動表現(xiàn)，注重“教學評”一體化理念的落實。如用硫代硫酸鈉滴定碘的實驗中反復出現(xiàn)藍色的異常現(xiàn)象，對學生的認知產(chǎn)生較大沖突，學生的驚訝、疑惑等真實表現(xiàn)都體現(xiàn)了學生對探索未知的渴望。對異常現(xiàn)象原因的探究中，教師關注學生提出的猜測、實驗方案，以判斷學生的思維水平；用數(shù)字化實驗做出曲線后，關注學生對曲線的解釋，以判斷學生對問題本質(zhì)的理解能力和對異?；瘜W現(xiàn)象的解釋能力。

3.3 生成性教學能夠有助于發(fā)展學生的科學探究能力與創(chuàng)新意識

課堂以師生之間的平等互動為基礎，生成性教學則更加關注師生在課堂中由高質(zhì)量互動產(chǎn)生的一系列具有挑戰(zhàn)性的任務，由師生對話引發(fā)的“設計—實驗—再設計—再實驗”的課堂經(jīng)歷使得學生的“生成”能力不斷提高。如此一來，生成性教學對發(fā)展學生科學探究與創(chuàng)新意識等素養(yǎng)的價值不斷得到體現(xiàn)。如本節(jié)課對實驗異?，F(xiàn)象原因的探究是先通過對學生提出的“空氣中氧氣的氧化、過量過氧化氫氧化”等猜想進行證偽探究，然后從化學反應速率視角對其進行證實探究，以此培養(yǎng)學生基于實驗事實對猜想進行論證，在證偽中勇于創(chuàng)新的精神。在證偽與證實過程中不斷地設計方案、運用實驗進行探究，以此來培養(yǎng)學生堅韌不拔、持之以恒的學科素養(yǎng)和能力。

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