文化傳承與化學實驗雙向賦能

摘要： 中華優秀傳統文化傳承與現代教育相結合是教育領域的重要課題。義務教育和普通高中化學課程標準均強調化學在解決資源、能源、材料和人類健康等問題中的關鍵作用。酸雨是化學的重要內容，是很好的教育教學載體。酸雨模擬實驗裝置的設計，旨在彌補教材以文字描述為主、缺乏實驗支撐、形式較為抽象的不足，達到簡單、高效、現象明顯且環保的目的。它融合漢代青銅雁魚燈的環保智慧與現代數字化傳感器技術，實現現象可視化與數據定量化。教師控制變量設計對比實驗，引導學生深入探究酸雨的成因、危害及防治措施，可培養學生尊重事實、嚴謹細致的科學態度，同時增強民族自豪感。新實驗裝置為傳統實驗裝備優化提供了新視角，實現了文化傳承與化學實驗的雙向賦能。

關鍵詞：中華優秀傳統文化；化學數字化實驗；創新實驗；酸雨模擬

黨的十八大以來，習近平總書記系列重要論述和指示對中華優秀傳統文化進行了精準定位和系統闡釋，并提出具體的工作要求。中華優秀傳統文化是中華民族的根與魂，其傳承與發展對于培養青少年的文化認同與民族自豪感具有重要意義。《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）設置“化學與社會·跨學科實踐”主題，提倡教師基于真實情境問題，讓化學在解決實際問題中發揮作用。

一、實驗背景與問題：酸雨模擬實驗的教學價值

課標強調化學在解決資源、能源、材料和人類健康等問題中的關鍵作用。《中華優秀傳統文化進中小學課程教材指南》強調，開展中小學中華優秀傳統文化教育，對于永續中華民族的根與魂，培養青少年做堂堂正正的中國人具有重要意義。將中華優秀傳統文化融入化學實驗教學，有助于學生科學素養與人文精神的融合，也有助于學生在探究化學原理的同時，領略傳統文化的獨特魅力，進而強化文化認同。此外，以大概念“化學與可持續發展”統整課程內容，有助于學生認識化學在解決相關問題中的作用，體會化學是推動人類社會可持續發展的重要力量。

酸雨作為環境污染現象，其形成、危害及防治是初中化學的常見教學情境之一。酸雨是一種常見的環境污染現象，酸雨教學能幫助學生樹立人與自然和諧共生的觀念，培養綠色發展意識。然而，現行教材中關于酸雨的內容較為抽象，不利于學生核心素養發展。筆者設計了一套創新實驗裝置，融合漢代青銅雁魚燈的環保智慧與數字化傳感器技術，旨在彌補傳統實驗裝備的不足。

筆者調研相關文獻發現，眾多教育工作者已對模擬酸雨實驗裝置展開了創新、改良等工作。部分教師運用多元化的實驗裝置，深入剖析酸雨的成因和危害^[1-3]。然而，這些裝置通常包含多種玻璃儀器，導致預實驗準備耗時長且實驗操作流程復雜，對于連堂教學，可能產生不便。部分教師采用三頸燒瓶、集氣瓶和水槽構建封閉式反應系統，以大理石、金屬和植物為實驗素材，利用石蕊試紙、紫羅蘭花瓣、pH試紙和酸度計來測定酸雨酸度^[4-7]。這樣的一體化設計有效實現了對酸雨的形成、危害及防治的實驗探究，同時也防止有害氣體二氧化硫的泄漏。但是在實驗操作中會發現，若實驗裝置微型化可能導致硫粉在氧氣有限的環境中燃燒不完全，依據原理，難以模擬硫酸型酸雨；若增大實驗裝置容積，則二氧化硫逸散較慢，反應速率小，耗時長，實驗現象不明顯，并且容易造成試劑浪費，利用率不高。

值得注意的是，課堂上學生往往未能充分理解二氧化硫轉化為硫酸型酸雨的化學過程，簡單地認為二氧化硫與水直接反應即生成硫酸，這種認知偏差與真實情境不符。鑒于此，筆者改進模擬酸雨的實驗裝置，嘗試用簡單的素材還原真實情境，將現象可視化、產品環保化，讓學生在實驗探究的過程中厘清酸雨的成因、危害以及防治內容，同時為他們后續在高中階段學習二氧化硫相關知識打下基礎。

二、實驗裝置設計：漢代智慧與現代科技的融合

（一）實驗設計思路

漢代制作的青銅雁魚燈、錯銀銅牛燈和長信宮燈將功能實用、造型優美與科學的環保原理結合在一起，彰顯了勞動人民的智慧與生活情趣。以青銅雁魚燈為例，其燈體結構由燈盤、燈罩、雁銜魚和雁體四部分構成，其中雁與魚皆為空心，體內盛水。點燃燃料后，燃料持續燃燒，隨著溫度上升，氣壓變化，發生虹吸效應，燃料的尾氣順雁銜魚通道進入雁體內并被水吸收。

（二）實驗裝置的制作

受青銅雁魚燈的啟發，筆者利用身邊簡單易得的材料，在解決了燃燒、燈罩、導氣等問題之后，依據酸雨產生及防治的原理設計并制作了實驗裝置（如圖1）。

操作步驟如下。第一步，選用透明的亞克力方盒作為燈罩，并在其正前方挖一個小孔，便于空氣進入。第二步，用PET塑料罐充當雁體，加入磁子和一定量水后，將亞克力方盒放置在其上方。第三步，將排煙管作為雁頸，連接PET塑料罐和亞克力方盒。第四步，燃燒室內放置蠟燭，底部鋪設濕紙巾，以保護PET塑料罐并減少二氧化硫溢出。第五步，為模擬酸雨防治的過程，向PET塑料罐內插入裝有氫氧化鈣溶液的注射器；為了方便觀察溶液pH的變化，插入pH傳感器。整個裝置置于磁力攪拌器上，確保實驗連續與穩定。

（三）實驗裝置的操作、現象及結論

1.酸雨模擬實驗裝置操作

第一步，啟動磁力攪拌裝置，用小木條引燃亞克力方盒內的蠟燭。

第二步，將裝有硫粉的燃燒匙伸入亞克力方盒內，用蠟燭點燃硫粉，觀察亞克力方盒及PET罐內的現象，同時觀察溶液pH的變化（筆者剪輯的酸雨模擬實驗裝置的介紹及其操作視頻，可用微信或QQ掃圖2中二維碼觀看）。

第三步，待pH趨于穩定，取樣品溶液與預先用稀鹽酸酸化的氯化鋇溶液混合，觀察現象。

第四步，向產生的酸雨溶液中加入氫氧化鈣溶液，觀察pH的變化。

2.酸雨模擬實驗現象及結論

在以上步驟的第二步中，蠟燭持續燃燒，硫粉充分燃燒產生的大量白霧向上飄并沿導氣管進入PET塑料罐內，逐漸充斥整個容器。由圖3可知，在此過程中，溶液的pH從7.26逐漸下降并穩定至2.56，說明二氧化硫能與水反應，生成的溶液pHlt;5.6，這與酸雨的定義相符，即二氧化硫是酸雨形成的誘因。

在第三步中，模擬酸雨溶液由無色透明變成白色渾濁，說明二氧化硫參與反應形成了酸雨。

在第四步中，模擬酸雨溶液的pH從2.56逐漸上升并穩定至7.01（如圖4），說明氫氧化鈣溶液中和了模擬酸雨溶液，可用于治理酸雨引起的土壤酸化等環境問題。

三、教學實踐：酸雨模擬實驗的探究式教學設計

（一）實驗教學目標

第一，學生參與酸雨模擬實驗裝置的設計，能從多角度分析裝置的優劣，并能提出相應改進及優化建議。利用實驗裝置融合手持技術開展數字化實驗，初步學會從定性到定量分析實驗數據，闡明酸雨的成因、危害以及防治方法，從而進一步建構元素觀和變化觀，同時提升實驗探究能力。

第二，學生利用給出的圖、表等信息，學會運用比較、分析、綜合、歸納等科學方法，提出創造性見解，解決真實問題，提升信息提取和整合能力，從化學視角構建研究物質及其變化規律的思路與方法。

第三，學生展示廈門的生態環境情況，分組研討，深入剖析環保議題，提出具有建設性的意見，旨在提升環保意識，樹立科學自然觀和綠色發展觀，構筑理論與實踐之間的橋梁。

第四，學生秉承化學可持續發展觀，運用化學等學科知識，完成拓展項目，促進其在真實情境中形成解決問題的系統思維，激發創新能力。

（二）實驗教學流程

對于本實驗，筆者依據任務線、問題線、活動線和素養線四線合一展開教學（如圖5）。

（三）實驗教學實錄

1.國之瑰寶的“心酸”史（任務一）

課前，教師組織學生觀看展現鼓浪嶼作為歷史國際社區風貌的紀錄片，并對廈門市2020—2023年酸雨發生概率與二氧化硫年均濃度數據展開分析，引導學生認識到廈門空氣質量的持續好轉。廈門當前所擁有的碧海藍天景觀以及鼓浪嶼的如詩如畫景致，與廈門市政府和市民共同付出的努力緊密相關。

設計意圖：依托地方性資源（廈門鼓浪嶼古建筑群）創設真實情境，讓學生觀看鼓浪嶼紀錄片，感受其文化魅力，增強文化認同。分析酸雨與二氧化硫數據，引導學生從數據看環境問題，培養其數據分析與科學思維，使其明白空氣質量好轉源于多方努力，提升環保意識與責任感，調動學生興趣和探究欲，為后續教學奠定基礎。

2.探究酸雨成因（任務二）

活動一：設計模擬酸雨實驗裝置。

教師積極引導學生深入探討酸雨形成與人類活動之間的內在關聯，并啟發學生自主設計實驗，探究二氧化硫是否為酸雨形成的誘因。學生充分利用材料，秉持科學嚴謹的態度，從定性研究逐步深入到定量分析，同時緊密結合環保理念，精心設計并成功制作出三套實驗裝置（如圖6）。在模擬酸雨實驗過程中，學生仔細觀察、認真分析實驗結果，最終得出結論：二氧化硫能夠引發酸雨。此外，教師播放了二氧化硫與水反應的微觀動畫。該動畫將微觀世界直觀呈現，清晰展示了二氧化硫與水反應的微觀過程。學生原本錯誤地認為二氧化硫與水反應會生成硫酸。動畫以生動形象的方式糾正了這一誤解，使他們確切地認識到實際生成的是亞硫酸，從而打破了原有的認知局限。

活動二：改進和優化模擬酸雨實驗裝置。

教師巧妙地引導學生深入挖掘所提供的文獻信息，對實驗中亞硫酸生成的潛在原因進行細致剖析。同時，教師激勵學生積極思考并基于真實情境設計優化實驗裝置的方案。學生經過深入探究發現，在之前的實驗裝置里存在氧氣耗盡的情況，導致硫粉無法充分燃燒，并且生成的亞硫酸也未能全部轉化為硫酸。這種狀況與真實的實驗情境存在明顯差異。緊接著，學生展開了討論，充分發揮集體智慧，共同繪制經過改進后的實驗裝置圖。教師對學生的創新想法給予了充分肯定，隨后教師采用生生互評以及師生互評的多元評價方式，引導學生進一步對實驗裝置進行完善。最終，學生將優化后的成果進行分享展示。

【教師支持】

材料1：根據廈門市生態環境局發布的廈門市環境質量公報，SO₄^2-是廈門市酸雨主要致酸因子，而正是SO₄^2-和其中的H⁺是酸雨侵蝕鼓浪嶼建筑群最主要的介質。

材料2：工業、生活燃燒煤炭排放出來的二氧化硫，經過“成云聚雨”，即水汽吸附在硫酸根等凝結核上，發生液相氧化反應，形成硫酸雨滴。參考資料：酸雨形成過程（如圖7）。

活動三：古今融合，創新裝置。

教師展示融合古代文化與現代科技的創新實驗裝置后，組織學生開展酸雨模擬實驗和硫酸驗證實驗。實驗中，學生發現pH降低還可能源于蠟燭燃燒產生的二氧化碳與水結合形成的碳酸。于是，教師引導學生依據控制變量思想增設一組對照實驗，排除蠟燭燃燒的影響，以確保實驗結果的準確性與科學性。

設計意圖：教師引導學生展開深度交流探討，從多元視角評估實驗裝置的合理性、環保性與高效性，進而開展設計、改良與優化工作。此過程有助于學生深度融入科學探究實踐，透徹理解實驗原理，切實掌握運用理論知識解決實際問題的有效方法。師生共同操作創新實驗裝置，能夠深切感悟古人智慧、創新實驗的高效及定量實驗的獨特魅力。

3.感受酸雨危害（任務三）

教師拋出情境問題：如何驗證酸雨會對鼓浪嶼造成的危害呢？設計實驗加以探究，感悟酸雨的危害。學生控制變量，設計對比實驗，借助裝置所產生的模擬酸雨的溶液，一同探究模擬酸雨的溶液與普通雨水對大理石以及金屬鋅腐蝕的影響。在學生完成實驗后，教師展示有關酸雨對鼓浪嶼建筑材料里混凝土的質量損失以及相對抗壓強度隨侵蝕齡期和酸液pH變化的文獻數據，促使學生通過對這些實驗數據的細致分析，再次深切感悟酸雨給鼓浪嶼建筑群帶來的嚴重危害。

接著，教師播放了課前運用延時攝影技術拍攝的模擬酸雨溶液對植物和土壤影響的照片。學生觀察到浸泡在酸雨中的葉片，其黃化面積會隨著時間的推移不斷擴大，直至完全被腐蝕，而浸泡在普通雨水中的葉片則幾乎沒有明顯變化。由此，學生得出結論：酸雨具有腐蝕植物、酸化土壤的危害。

設計意圖：借探究酸雨對鼓浪嶼危害，激發學生探究欲，培養其科學探究與實驗設計能力，通過實驗與團隊協作深化認知。展示文獻數據，幫助學生接觸科研資料，學會分析，使認知更全面深入且具權威性。播放照片以直觀視覺沖擊，讓學生見證酸雨對生物與土壤破壞，拓寬危害認知視野，加深感悟，樹立環保意識，激發關注與思考環境問題的動力。

4.商議酸雨防治（任務四）

當面臨鼓浪嶼土壤酸化這一嚴峻生態問題時，島上居民該如何應對呢？教師巧妙引導學生借助創新實驗裝置，將氫氧化鈣溶液緩緩加入模擬酸雨溶液之中，同時運用pH傳感器精準測定溶液pH的變化歷程。在此過程中，學生能夠極為直觀地目睹酸雨溶液逐步被中和的過程。不僅如此，教師還提供了廈門鼓浪嶼附近水溶性離子來源解析以及因子貢獻率的相關數據。學生在深入分析這些數據之后，提出了一系列預防酸雨形成的切實可行的方法。例如，可著力加強工業與交通領域的排放管控，大力采用先進的污染治理技術，以此有效減少二氧化硫的排放量，進而降低酸雨形成的風險；積極尋求替代傳統高污染能源（如煤炭）的途徑，大力推廣使用清潔能源，諸如天然氣、太陽能和風能等，通過減少大氣污染物的排放，最終實現減少酸雨產生的目標。

設計意圖：教師利用創新裝置開展酸雨中和實驗，借pH傳感器使學生直觀感知化學變化，具象化抽象知識，深化酸堿中和理解，提升實踐與探究力，培育科學思維。教師提供數據，培養學生數據處理與信息整合能力，促其依數據思考酸雨預防法，增強社會責任感。

5.拓展延伸（任務五）

課后，教師讓學生根據自身實際，從以下拓展項目中任選其一完成：一是將本節課的感悟予以物化，制作手抄報，對綠色環保理念展開宣傳；二是借助創客空間，嘗試制作環保科技產品。

設計意圖：此拓展項目設計意圖主要有兩方面。一方面，手抄報的制作可讓學生將課堂感悟具象化，在整合知識、藝術創作與宣傳過程中理解綠色環保理念并增強使命感。另一方面，利用創客空間制作環保產品，能促使學生融合環保與科技，激發跨學科探索欲，培養實踐能力，使學生獲得從理論到實踐的完整學習體驗，助力綠色環保理念的實踐落地與綜合性人才培養。

四、教學效果與反思

（一）深化情境任務解構，驅動實驗教學的進階設計

在本次實驗教學中，教師充分利用廈門獨特的地域資源，以鼓浪嶼古建筑群遭受酸雨侵蝕的實際問題為背景，分解成四個逐級進階的情境任務和多個探究活動，引導學生深入探討酸雨的成因、危害及防治策略，從而將碎片化的知識系統化，并激發學生深層次的情感共鳴，增強學習動力。

在教學初期實施時，由于鼓浪嶼古建筑群真實侵蝕的成因復雜，且酸雨形成的機制與課內所學知識存在顯著差異，導致創設裝置難度過大。為解決這一問題，教師對情境任務和活動進行了深度整合與優化。以硫燃燒等經典實驗為知識起點，利用限定視角和提示線索，對問題難度進行梯度設置，逐步構建出模擬二氧化硫轉化為硫酸型酸雨的實驗裝置創設路徑。同時，在這一過程中，教師關注并促進不同層次學生的能力提升，防止因情境問題開放性過大而導致學生解決問題的方向迷茫與隨意。

實踐表明，這種深度情境解構有效提升了課堂任務推進的效率，配合教師的教學節奏調控，能引導學生專注于核心情境問題解決，從發現問題到解決問題再到針對解決此類問題形成的一般思路和方法，從而實現學科實踐。這一過程同時也深化了學生對化學在推動社會可持續發展中關鍵作用的認識。

（二）文化與科技的賦能，化學觀念與價值的建構

該創新實驗裝置運用了先進的手持數字傳感器技術，促進學生基于實驗事實進行分析、建構模型并推測物質及其變化等思維能力的發展。例如在“探酸雨成因”和“議酸雨防治”環節中，學生借助手持設備呈現的pH曲線，有效地推斷出酸雨的成因及防治策略，從而強化了證據推理、歸納總結的能力。學生認識酸雨形成時二氧化硫的變化規律，理解反應的微觀本質，充分發展了微粒觀、變化觀等學科觀念，深化了對科學探究的功能和本質特征的理解。此外，本套裝置巧妙地融入了漢代青銅雁魚燈的文化元素，有助于培養學生的文化素養和愛國情懷。課堂實踐中，學生表現出高度的熱情與專注，他們不僅快速掌握了科學知識，更在文化的浸潤下，對科學精神有了更深的理解和感悟。

集成古代智慧與現代科技的實驗裝置為傳統實驗裝備優化提供了獨特的視角。深度解構具有地域特色的真實情境，并與實驗裝置進行有機結合，構成了一種卓有成效的教學策略。然而，本節課雖有課后的拓展延伸項目作為學習成果展示，讓學生利用多學科知識解決問題，但從項目與實驗教學的銜接性以及學習的可持續性出發，仍需進一步提升。在后續教學中，教師可以引入與本節課主題緊密相關的社會調研和跨學科實踐，例如參與節能減排宣講活動、參觀環保機構，基于大氣保護制定政策提案等，以此在更為現實和復雜的環境中深化學生對科學在社會進步中關鍵作用的理解。

注 ：本文系廈門市教育科學“十四五”規劃2024年度課題“基于‘一核三融四體’的初中化學傳統文化教學研究”（編號：24102）的階段性研究成果。

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（作者郭俊毅、周婧系福建省廈門外國語學校湖里分校教師；洪茲田系福建省廈門市翔安第一中學高級教師、廈門市學科帶頭人；張韶纓系福建省同安第一中學教師）

責任編輯：祝元志