數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究過氧化氫制取氧氣的催化劑

摘 要：教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，線上線下融合教育是教育新發(fā)展的必然趨勢.線上教學(xué)微課利用家庭小實(shí)驗(yàn)，初步探究催化劑催化過氧化氫制取氧氣，線下走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置測定不同催化劑對(duì)過氧化氫溶液的催化作用，實(shí)現(xiàn)了定性到定量的提升，完成了線上與線下教育的融合.

關(guān)鍵詞：線上線下教育融合；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；催化劑；制取氧氣

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2024）03-0111-03

為了更好地適應(yīng)教育信息化2.0時(shí)代的要求，激發(fā)初中生對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育模式中的不足，開展線上線下教育模式，使初中化學(xué)內(nèi)容更加豐富，教學(xué)形式更加有趣、多樣，也進(jìn)一步提升了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng).制取氧氣這一節(jié)的線上學(xué)習(xí)以新冠疫情期間氧氣緊缺為背景導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生家國情懷，樹立責(zé)任意識(shí)，用知識(shí)縫制鎧甲，以拼搏不負(fù)芳華，把立德樹人的根本目標(biāo)融入學(xué)科、教材、教學(xué)等各環(huán)節(jié)中.

氧氣是維持生命不可或缺的物質(zhì)，也是參與化學(xué)反應(yīng)最多的物質(zhì)之一.學(xué)生已經(jīng)知道了氧氣的某些方面的知識(shí)，例如氧氣可以供給呼吸和支持燃燒等.對(duì)于“在實(shí)驗(yàn)室中如何制取氧氣”“氧氣具有哪些性質(zhì)”這些問題，學(xué)生還不了解.本節(jié)課需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中動(dòng)手實(shí)驗(yàn)制取氧氣，體會(huì)實(shí)驗(yàn)室制取氣體的一般思路和方法.

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

（1）初步學(xué)習(xí)氧氣的實(shí)驗(yàn)室制法，歸納實(shí)驗(yàn)室制取氣體的一般思路與方法；

（2）通過查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)家庭小實(shí)驗(yàn)，探究不同催化劑催化過氧化氫制取氧氣；

（3）通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，鍛煉實(shí)驗(yàn)操作技能，提高

分析數(shù)據(jù)、歸納對(duì)比的能力；

（4）培養(yǎng)家國情懷、樹立責(zé)任意識(shí)，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù).

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

2.1 與時(shí)政背景相結(jié)合

學(xué)習(xí)“氧氣”時(shí)，以全國抗擊疫情的時(shí)政新聞作為導(dǎo)入，引發(fā)學(xué)生的真切回憶.對(duì)于重癥新冠感染患者，氧氣是其他治療手段的前提.疫情防控期間，醫(yī)院的用氧量達(dá)到了平時(shí)峰值的10倍之多.在實(shí)驗(yàn)室中，如何高效制取氧氣是學(xué)生亟待探究的問題.

2.2 結(jié)合線上教學(xué)的特點(diǎn)，做好“課堂切換”

線上微課中講解了實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的方法.布置家庭小實(shí)驗(yàn)，選取身邊的物質(zhì)催化過氧化氫制取氧氣.線下教學(xué)中走入實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，探究不同催化劑對(duì)過氧化氫的催化效果，實(shí)現(xiàn)從定性到定量的提升.

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

3.1 線上教學(xué)，完成家庭小實(shí)驗(yàn)

氧氣的制備是初中化學(xué)第一個(gè)氣體制備實(shí)驗(yàn)，具有重要意義.過氧化氫的催化分解是實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的方法之一，與其他實(shí)驗(yàn)室制法相比，過氧化氫的催化分解具有很多優(yōu)點(diǎn)：無需加熱、實(shí)驗(yàn)裝置簡單、產(chǎn)率高、便于控制反應(yīng)速率和成本低等.因此教師們大多選擇此制取方法進(jìn)行課堂演示.

線上教學(xué)中播放實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的視頻，但學(xué)生的參與感不高.課后給學(xué)生布置了任務(wù)，根據(jù)氧氣制取的原理完成家庭小實(shí)驗(yàn).提示：生活中消毒用的雙氧水主要成分就是過氧化氫.鼓勵(lì)學(xué)生查閱資料，選擇生活中易得的材料作為催化劑，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.

通過查閱資料，學(xué)生了解到生活中很多物質(zhì)如紅磚塊、銹鐵釘[1]、土豆、動(dòng)物肝臟等都可以作為過氧化氫溶液的催化劑[2].圖1為學(xué)生返校后重現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)過程.圖1中（1）為學(xué)生用土豆作為催化劑設(shè)計(jì)的發(fā)生裝置和收集裝置，（2）（3）為學(xué)生用動(dòng)物肝臟作為催化劑的實(shí)驗(yàn)過程：礦泉水瓶中裝有小塊動(dòng)物肝臟，倒入雙氧水，用帶火星的木條檢驗(yàn)，木條復(fù)燃效果明顯.學(xué)生能夠得出結(jié)論：生活中紅磚塊、銹鐵釘、土豆、動(dòng)物肝臟等都能催化雙氧水制得氧氣[3]，其中土豆和動(dòng)物肝臟的催化效果最好.

3.2 師生合作，再探催化劑

面對(duì)種類繁多的催化劑，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生以分類的思想研究.以物質(zhì)的基本分類為依據(jù)，選取代表物質(zhì)，研究它們對(duì)過氧化氫的催化效果.使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，測出產(chǎn)生氧氣的體積，實(shí)現(xiàn)由定性到定量的提升.圖1中（4）為用于探究不同催化劑的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置.將氧氣傳感器與實(shí)驗(yàn)盤相連，可以實(shí)時(shí)測定氧氣的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)驗(yàn)盤與電腦相連，在電腦上就顯示出氧氣與時(shí)間的關(guān)系圖，非常形象直觀.為了控制變量，各固體催化劑取用1g，液體取用5滴，取用相同體積的 5%的過氧化氫溶液，放入氧氣傳感器，測量試管中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，在電腦屏幕上就會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù).

3.3 分析數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論

分析各小組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氧氣—時(shí)間的關(guān)系圖得出：在C、Na2CO3、鹽酸、氫氧化鈣溶液小組實(shí)驗(yàn)中，氧氣體積分?jǐn)?shù)沒有明顯變化，可見這些物質(zhì)基本沒有催化效果，如圖2中的（1）所示.在FeCl3溶液的小組實(shí)驗(yàn)中，前1分鐘氧氣體積分?jǐn)?shù)沒有明顯變化，從第2分鐘起氧氣的體積分?jǐn)?shù)開始出現(xiàn)明顯增加，但增加的速率比較緩慢，可見FeCl3對(duì)過氧化氫溶液有一定的催化作用，但催化效果不夠迅速，不能作為實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的催化劑[4].動(dòng)物肝臟的小組實(shí)驗(yàn)中，氧氣含量迅速上升，可見對(duì)過氧化氫的催化效率很高，如圖2（2）所示.土豆的小組實(shí)驗(yàn)中，開始氧氣的含量增加不夠迅速，后40 s氧氣含量迅速變大，可見土豆對(duì)過氧化氫的催化效率也較高，如圖2（3）所示.

由于系統(tǒng)軟件只能呈現(xiàn)一種物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了更清晰地對(duì)比他們的催化效果，運(yùn)用Origin作圖，將所有原始數(shù)據(jù)融合于一張圖中，如圖3所示.經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加清晰明朗.在無機(jī)催化劑中，實(shí)驗(yàn)室制取氧氣常用的催化劑MnO2的催化效果是最好的，這也是MnO2作為催化劑應(yīng)用廣泛的原因.FeCl3的催化效率不高，如果增加過氧化氫的濃度也可以實(shí)現(xiàn)催化過氧化氫分解氧氣的效果，但催化效率遠(yuǎn)不如MnO2.本次探究實(shí)驗(yàn)中最令學(xué)生吃驚的是動(dòng)物肝臟和土豆竟然也能催化分解過氧化氫，而且催化效率很高，這也實(shí)現(xiàn)了他們能在家中制取氧氣的愿望.生物催化劑引起了大家的關(guān)注，既然生物催化劑的催化效率如此之高為什么實(shí)驗(yàn)室中不用生物催化劑來制取氧氣呢？學(xué)生回憶整個(gè)探究實(shí)驗(yàn)過程很快說出了原因：生物催化劑不容易保存，前一天準(zhǔn)備的動(dòng)物肝臟和切開的土豆必須保存在冰箱中，否則第二天到學(xué)校就腐爛變質(zhì)了.所以，對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室中制取氧氣最好的催化劑是MnO2，它對(duì)保存條件、環(huán)境的酸堿性要求都不苛刻，適用范圍更廣泛.

3.4 交流拓展，多學(xué)科融合

催化劑是指在化學(xué)反應(yīng)中能改變化學(xué)反應(yīng)歷程，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生改變的一類物質(zhì).催化劑對(duì)化學(xué)工業(yè)及社會(huì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用.大部分材料的合成都需要通過催化劑.無機(jī)催化劑的工業(yè)應(yīng)用，難以避免地對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害.開發(fā)清潔、高效、環(huán)境友好型的新型催化劑，是工業(yè)催化面臨的重大挑戰(zhàn).土豆和動(dòng)物肝臟能如此高效地催化過氧化氫，就是因?yàn)樗鼈冎写嬖谏锎呋?隨著生物化學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，酶作為一種高效、專一且反應(yīng)條件溫和的生物催化劑，引起越來越多科研工作者的關(guān)注.聯(lián)系生物學(xué)科有關(guān)生物酶的相關(guān)知識(shí)，探索生物酶的改造可能性，為學(xué)生提供了頭腦風(fēng)暴的機(jī)會(huì).在交流過程中，學(xué)生提出為什么催化劑具有如此的“神力”能夠加快反應(yīng)速率呢？通過查閱催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的資料，讓學(xué)生初步了解反應(yīng)活化能，知道二氧化錳其實(shí)是通過參加反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)催化目的的，但宏觀來看二氧化錳的質(zhì)量是不變的.

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與評(píng)價(jià)

（1）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究不同物質(zhì)對(duì)過氧化氫的催化效果.

利用傳感器等技術(shù)，精確測得生成氧氣的多少，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)從定性到定量的提升.初步了解化學(xué)作圖軟件Origin，體會(huì)數(shù)據(jù)分析的樂趣.

（2）多學(xué)科融合，嘗試STEM創(chuàng)新教育模式.

學(xué)科知識(shí)、數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用于同一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中.化學(xué)與生物學(xué)科融合，將催化劑的范疇由無機(jī)推廣到有機(jī).

（3）分類研究催化劑，分類是化學(xué)中非常重要的理念，物質(zhì)世界如此豐富繁多，逐一研究是很難完成的.學(xué)會(huì)分類研究，這對(duì)今后乃至高中的學(xué)習(xí)都打下了基礎(chǔ).

5 結(jié)束語

把立德樹人的育人目標(biāo)融入學(xué)科、教材、教學(xué)等各環(huán)節(jié)，培養(yǎng)家國情懷、樹立責(zé)任意識(shí).居家實(shí)驗(yàn)與學(xué)校實(shí)驗(yàn)室結(jié)合，線上教學(xué)與線下實(shí)驗(yàn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了線上線下的教育融合.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 高志標(biāo)，王河華， 洪虹. 過氧化氫分解制取氧氣實(shí)驗(yàn)催化劑的選擇[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2021，38（Z1）：72-75.

[2] 黃歡.芻議構(gòu)建思維課堂的教學(xué)策略：以“用過氧化氫制取氧氣”為例[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2020（16）：43-44.

[3] 王麗麗，吳礅艷，張艷華，等.過氧化氫催化分解制備氧氣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究[J].化學(xué)教學(xué)，2019（06）：73-75.

[4] 馬鑫.再探過氧化氫分解反應(yīng)催化劑的選擇[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（06）：65.

［責(zé)任編輯：季春陽］

收稿日期：2023-10-25

作者簡介：郝玉婷（1989.6-），女，山東省博興人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.