基于項目化學習的高中化學教學實踐
——以“解密食品級添加劑(Na2SO3)”為例

方建麗

(浙江省杭州師范大學附屬未來科技城學校)

1.項目由來

1.1 素養要求分析

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)中建議化學教學要發展學生化學學科核心素養,倡導問題情境真實化,教學內容結構化,學生活動探究化,挖掘化學實驗教學功能,促進學生學習方式的轉變,倡導關注社會爭議性熱點,增強學科認同感。項目式學習(Project-based learning,PBL)讓學生在真實的問題情境中進行科學探究實踐,是促進核心素養融合發展的有效教學方式。

1.2 最近發展區分析

對于高一學生,在完成硫、氮元素及其化合物的學習后,已具備判斷常見物質的類別及例舉其化學性質的能力,具備了基本的氧化還原反應基礎知識,了解常見非金屬及其化合物性質,并對物質轉化的基本思想有了淺層認知,但思維方式較為零散或片段化,對物質轉化規律認知不夠全面與系統。學生在真實情境中,面對復雜問題時,缺乏從陌生信息中提取有效信息的思維模型與能力,缺少科學探究的實踐經驗。結合學生具體情況,在實際教學中,要注意結合生活中的實際問題,引導學生從轉化角度認識物質性質,基于類別、價態、條件、用量等多角度認識物質性質、轉化與應用相關問題,進一步落實獨立的方程式書寫及進階——價—類二維知識的網絡化模型建構,用化學視角解決學習或生產生活中的實際問題,提升宏觀辨識、變化觀念、證據推理、模型認知、科學探究、社會責任等化學學科核心素養。

1.3 社會實際需求

隨著經濟水平的提高,國民們越來越重視食品安全,但因一些不法分子的違法添加,大多數人對食品添加劑存在偏見,認為其存在都是有害的。然而食品添加劑是為改善食品品質和色、香、味,以及為防腐和加工工藝的需要而加入食品中的化學合成或天然物質,國家明確規定其種類、范圍、用量等,確保其功效性與安全性,故教師應引導學生認識其正向作用,理性看待合法添加,能用化學知識捍衛自身權益,從化學人的視角辯證性看待社會熱點問題,挑起科普大梁。

基于以上需要,筆者以“解密食品級添加劑”項目為課題,引導學生進行科學探究實踐活動,構建物質性質與轉化的思維模型,提升信息處理與實際問題解決能力,發展化學學科核心素養。

2.項目規劃

2.1 項目目標制訂

能基于物質類別及熟悉物質,對陌生物質的轉化提供等價物質間轉化的思路;能基于氧化還原反應,對陌生物質的轉化提供變價物質間轉化的思路;初步感受反應條件與用量對物質轉化的影響。通過學生對Na2SO3檢驗方案原理的設計,診斷其對應用物質類別分析物質轉化的認知水平;通過學生對Na2SO3還原性與氧化性實驗方案原理的設計,診斷其對應用氧化還原反應分析物質轉化的認知水平。

能在預測物質化學性質的基礎上,具備基礎的實驗方案設計能力與評價能力,能夠結合原理選擇合適試劑與步驟,并能夠預測、分析實驗現象及結論,構建含硫物質的轉化網絡體系;經歷方案的設計、沖突、改進,增加方案設計與評價的角度與深度。通過學生對陌生含硫物質性質預測及實驗方案的設計與實施,診斷學生分析處理陌生信息的能力、實驗探究創新能力和模型建構與應用的能力;通過學生對Na2SO3制備方案的設計與完善,診斷學生科學探究能力與創新水平。

通過對生活中的食品添加劑質檢的任務,學會用化學視角看待生活中的問題,運用化學知識理性解決生活中的偏見,增強化學科普自豪感與責任意識。通過對食品添加劑含量檢測方案的設計與實施,診斷學生的科學態度和社會責任認知水平。

2.2 項目過程設計

3.項目實踐過程

3.1 成分揭秘

【問題】從網上購得一包食品級漂白劑,已知為純凈物,但包裝上并未指明其成分,究竟為何種物質呢?請同學們通過觀察實物,進行討論。

【生1】具有漂白性的物質有氯水、SO2、H2O2、Na2O2、NaClO、Ca(ClO)2……

【生2】拆開包裝,可以看到該漂白劑為白色固體,根據其顏色、狀態,可以排除氯水、SO2、H2O2、Na2O2。

【資料查閱】食品級漂白劑指能夠使食物色澤褪去或者避免食品褐變的一類添加劑。按其作用機理分為還原型漂白劑和氧化型漂白劑,還原型漂白劑在果蔬加工中應用較多,以亞硫酸相關產品為主,氧化型漂白劑在食品中應用極少。

【生】根據資料卡,預測該漂白劑為亞硫酸鹽,如亞硫酸鈉等。

【師】已知亞硫酸鹽與碳酸鹽在轉化時有一定的相似性,請設計實驗方案來驗證。

【生1】先將該食品級漂白劑溶于水,取待測液加入適量鹽酸,預測有氣泡產生。

演示實驗……

【師】未觀察到明顯氣泡現象的原因可能是?

【生2】SO2易溶于水。

【師】如何證明生成了SO2?

【生3】聞到了刺激性氣味,應該是生成了SO2。

【師】有一些同學注意到了刺激性氣味氣體的產生,因此在完成該驗證實驗時,我們還應注意什么呢?

【師】能否通過沉淀法檢驗亞硫酸鹽呢?

【生】可向該溶液中加入氯化鋇,若產生白色沉淀,繼續加入鹽酸,沉淀溶解,且聞到刺激性氣味,證明是亞硫酸鹽。

【師】請同學們按照方案進行分組實驗。

學生分組實驗……

【師】通過觀察,我們發現加酸后沉淀大部分溶解,同時聞到刺激性氣味。

【小結】

設計意圖:以熟悉的碳酸鹽的性質為基礎,引導學生從類別角度分析陌生物質的性質與轉化。通過物質性質分析及實驗方案的設計與預測,提升學生變化觀念與科學探究能力。從鹽到酸到氧化物、氧化物到鹽的轉化,回顧常見物質類別之間的轉化,并通過現象與認知的沖突,重視用量對物質性質及轉化的影響。

3.2 功效探究

【師】上述實驗中,不溶于酸的白色沉淀是什么?如何產生的?

【師】因此,我們可以推測Na2SO3具有什么性質?

【生】還原性。

【師】請結合試劑清單,設計實驗方案,驗證Na2SO3的還原性。

【生】取適量KMnO4溶液(或碘水)于試管,滴加適量Na2SO3溶液,若溶液顏色褪去,則Na2SO3具有還原性。

【師】請同學們按照方案進行分組實驗。

學生分組實驗……

【師】Na2SO3還可能實現哪些變價間的轉化呢?

【生】Na2SO3中S化合價可以降,可能具有氧化性。可取適量Na2SO3溶液于試管,滴加適量Na2S溶液,預測出現淡黃色沉淀。

學生分組實驗……

【師】并未出現理想現象,結合學過的體現二氧化硫氧化性的化學方程式,判斷可能缺少了什么呢?

【生】可能缺少H+,可嘗試滴加少量硫酸。

學生分組實驗……

【小結】等價態含硫物質之間的轉化,可運用物質類別轉化規律分析;變價態含硫物質之間的轉化,可運用氧化還原反應規律分析。此外,還需結合實際反應,綜合考慮反應條件及試劑用量。

設計意圖:抓住實驗中的意外現象,引出含硫物質變價轉化分析思路,進一步考查學生試劑選擇與實驗方案設計水平,通過方程式的書寫,診斷學生化學語言表征水平。在真實情境中,利用熟悉元素、陌生物質,完善氧化還原反應知識體系,應用認識物質性質與轉化的價態規律,構建不同含硫物質之間的轉化思維圖,診斷學生變化觀念、證據推理等學科素養水平。

3.3 制備研發

【師】在日常生產生活中,Na2SO3可用作人造纖維穩定劑、織物漂白劑、照相顯影劑、染漂脫氧劑、香料和染料還原劑、造紙木質素脫除劑等,用途廣泛。假如你是生產商,你會采取怎么樣的工業流程制備Na2SO3呢?能否從產品純度、經濟效益、綠色化學等角度對可行性方案進行優劣分析及方案改進?

【生1】向NaOH中通入SO2(方案1)。

【師】每種方案各有其優缺點,同學們需要從多角度綜合分析,辯證性對物質制備流程進行改進。此外,在實際工業中為使方案3中的反應順利發生,我們還需控制SO2或NaHSO3用量,在部分環節中通過加熱促使CO2溢出,這就是工業制備Na2SO3常用方法之一——純堿法。

我們考慮了用更經濟的Na2CO3替代NaOH,那么,能否從更加便宜、易得的飽和食鹽水出發呢?請同學們選擇合適的試劑,設計工業流程制備Na2SO3(可參考侯氏制堿法的流程)。

【生1設計方案展示】

【師】在候氏制堿法中我們強調氣體的通入順序為先NH3再CO2,但在實際生產中,某工廠在制備Na2SO3時卻先通SO2,再通NH3,流程圖如圖所示,請思考原因?

【生】SO2可溶于水,在保證一定的吸收量的同時,該方法可直接生成并析出Na2SO3,使步驟更精簡。

【小結】

設計意圖:以Na2SO3制備的工業需求為真實情境,利用已學知識對Na2SO3的制備進行方案設計,進一步利用物質類別完善Na2SO3相關轉化的網絡體系,通過對比不同方案中原料、條件、步驟順序等差異,學會評價物質制備流程的一般思路,診斷學生模型認知、科學探究與創新意識、科學態度等學科素養水平。

3.4 定量質檢

【師】Na2SO3可作為食品級還原性漂白劑,對食品有漂白或護色作用,但其用量必須符合食品安全國家標準,例如蜜餞最大使用量為2.0 g/kg,糖果、竹筍、蘑菇等最大使用量為0.60 g/kg。因此,在生活中,我們還應關注食品添加劑的定量分析,請同學們從氧化還原反應角度,設計實驗方案,測定銀耳浸泡液中Na2SO3的物質的量濃度。

【師】參考上述方案,能否用I2-淀粉溶液代替KMnO4溶液進行定量實驗?

【師】在化學分析中,碘量法是測定亞硫酸鹽的常見方法之一,但在實際測定過程中,考慮到亞硫酸鹽易被氧氣氧化,因此可先加入過量I2,再通過測量該過程中反應消耗的I2的量來計算Na2SO3含量。

在日常生活中,我們也可以通過購買亞硫酸鹽(或二氧化硫)檢測試劑檢驗食品中的Na2SO3添加量是否合格,其原理大多為鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法。(觀看操作視頻)接下來,請同學們動手實驗,檢測某銀耳溶液中Na2SO3含量是否合格。

學生分組實驗……

設計意圖:以亞硫酸鹽的質檢需求為情境,進一步落實Na2SO3性質與轉化知識網絡體系的完善與化學用語表征,鞏固氧化還原反應離子方程式的書寫。結合生活中食品添加劑含量監測的需求,鼓勵學生運用化學知識解決生活問題,提高化學學習實效感,提升科學探究能力,承擔社會責任,爭當科學宣傳先鋒。

4.實踐效果與反思

4.1 以探促學,以疑深習

在解密食品級添加劑項目中,通過各個子項目的層層遞進,學生在真實情境、有效任務中,反復經歷“解決、遇阻、探索、成功”的過程,例如在Na2SO3成分揭秘方案的設計過程中,學生通過調動已學知識,能夠完成初級實驗方案的設計,但在方案實踐過程中,發現加酸后并無明顯氣泡,再如將Na2SO3與Na2S溶液混合后并未直接出現預期的沉淀現象,學生雖然認知受到沖突,卻調動了更大的思疑、解疑的積極性。學生在不斷思考中完善知識網絡體系與創新思維寬度和廣度,完成深度學習。通過課后調研也可得出結論:學生在項目化學習過程中,更易激發強烈的學習動機,也更容易獲得學習成就感與實效感,但同時,因項目化學習背景更加真實,情境更加復雜,對學生的學科素養水平要求也更高。

4.2 關注課堂生成,反哺課堂