基于真实情境的探究实验教学

伍文洪

摘要：创设学生熟悉的，感兴趣的真实生活情境，从情境中找到探究实验素材是激发学生探究兴趣，提高课堂效率的有效途径。在学生参观自来水厂研学旅行基础上，引领学生从真实的情境中找到测定水的耗氧量的探究实验课题。在探究实验的过程中，教师引导学生在已有知识背景下分析问题，解决问题，培养学生化学学科核心素养。

关键词：真实情境;水的耗氧量;氧化还原滴定;化学核心素养

文章编号：1008-0546（2020）11-0091-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.023

一、问题的提出

化学是一门以实验为基础的学科。目前中学化学实验从传统的演示实验、验证性实验为主发展到探究性实验为主。探究性实验是新课程标准下的必然要求，是提高高中化学课堂效率的重要方法，是培养和发展学生化学核心素养的途径。

当前中学探究性实验内容主要来自以下几个方面。（1）充分挖掘教材的资源，教材中很多知识设计了实验证明，但并不是把知识的生成过程还原为科学的发现过程，这为探究性实验教学提供丰富的资源。（2）对课本实验的改进，教材中的某些实验存在的不足，如现象不明显，存在污染等。针对这些不足进行探究实验改进。（3）从试题中寻找探究性实验素材。（4）从新闻报道，科普读物中发现探究实验课题。而教师和学生从亲身体验的真实情境中发现探究实验素材的情况则比较少。如果能从生活实践中，根据所见所闻善于发现问题，思考问题，查询信息，找到探究内容，应用所学知识去解决问题，那么这种探究实验将极大提升学生的学习效率，达到培养学生化学素养的目的。

水的耗氧量探究实验来源于真实情境。笔者带领学生去自来水厂开展研学旅行活动。参观前师生查询信息了解了自来水水质的国家标准数据，水的耗氧量是其中之一。参观过程中在自来水厂化验室通过厂实验员初步了解了水的耗氧量问题。学生对水的耗氧量测定非常感兴趣，就产生了探究课题。基于真实情境的实验探究，让学生体会到科学、技术、社会的密切关系。研学旅行就给师生创造了真实情境的环境，从情境中发现问题，寻找到探究性实验课题。自来水厂、污水处理厂、化工厂等都是很好的化学研学旅行的地点。师生可以通过参观了解这些场所，挖掘出更多学生感兴趣的探究实验。

二、探究水的耗氧量实验教学设计和实施

1.教材和学情分析

本节课选自于高三化学实验复习课。高三实验复习课如果仅仅简单重复教材实验，那么学生的兴趣和复习效率不高。开展综合性探究实验，能使实验达到知识和技能的巩固和复习，又能培养学生的思维分析能力，发展学生的化学核心素养。基于真实情境的水的耗氧量探究实验能激发学生的探究热情。

“探究水的耗氧量滴定實验”是一个综合性较强的实验。其涉及较多的知识点，包括离子反应，氧化还原反应，有机化学，化学计算，实验操作，误差分析等。内容涉及必修1，必修2，选修4化学反应原理，选修5基础有机化学。高三学生已经完成以上模块的学习，具有了基本的实验操作和设计能力。但面对较复杂的实际问题，学生还是考虑不全面，缺乏综合的分析能力。该探究实验考察学生的基础知识掌握，实验设计，实验评价，定量分析和实验数据处理能力。

2.教学设计思路

探究实验教学思路如图1。

3.教学过程

主题（1）回顾参观自来水厂的收获。

展示①：学生参观自来水厂净化池和水质化验室图片。

[讲解]我们参观了自来水厂，对自来水的净化工艺流程和自来水的国家标准有了一定的了解。自来水的水质关系到我们每个人的身体健康。自来水的生产和水质检测都涉及到很多化学知识。水质各项数据检测涉及到各种仪器和方法。我们现在来探究水质的耗氧量的实验检测方法。

设计意图：引导学生回顾参观自来水厂的收获，使学生深深地认识到化学知识与人类生产和生活的密切联系，化学对人类的重要性。培养学生的“科学态度和社会责任”素养。如何进一步探究水质的检测实验更能激发他们主动学习的欲望。

主题（2）水耗氧量的介绍。

展示PPT：水的耗氧量①定义：以高锰酸钾为氧化剂，在1升水中还原性物质在一定条件下被氧化时所消耗的毫克数，将消耗的高锰酸钾的量换算为氧（O2）表示。水中的还原性物质包括无机物和有机物两部分。天然水中无机还原物（如亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等）含量少，而有机物含量较多（主要来源于污水或生物分解产物）。②意义：耗氧量分析项目在水质分析中属于有机物综合指标，水中耗氧量的大小不仅可以间接地反映水中有机物的含量，还可以做为水体被污染的标志之一，对水质污染情况进行综合性评价，水处理中耗氧量的大小还可反映一定的净化程度，因此，水中耗氧量的检测有着重要的意义，水中耗氧量的大小可以作为水体被污染的标志之一。饮用水中耗氧量的检测，一般都采用酸性高锰酸钾或重铬酸钾滴定法进行，酸性高锰酸钾滴定法属于氧化还原反应类型。

设计意图：通过介绍水的耗氧量的定义和测定耗氧量的重要性，让学生不仅了解水的污染原因，环境保护的重要性，同时还复习巩固了氧化还原反应知识，为接下来的探究实验起到指导作用。

主题（3）用酸性高锰酸钾测定水耗氧量的探究实验。

[讲解]我们已经学习了酸碱中和滴定，氧化还原反应滴定。现在我们应用所学知识来探究测定水的耗氧量。

[设问]展示一杯水，这是学校附近水库的水。我们现在来探究该水库水耗氧量的测定方法。

同学们思考需要哪些仪器和试剂？如何设计实验？

[PPT]展示学生初步思考的实验设计图如图2。

[设问]能否用盐酸？为什么用棕色酸式滴定管？滴定终点怎么判断？

[学生回答]不能用盐酸，HCl会和高锰酸钾反应，使测定结果产生误差。在自来水厂实验室见过棕色酸式滴定管，可避免高锰酸钾见光分解。最后一滴高锰酸钾溶液滴下，锥形瓶溶液中的颜色显浅红色，且半分钟不褪色，达到滴定终点。

[讲解]回答很好，这也许是绝大多数同学的设计方案。对于滴定实验我们一定要分析实验对象。同学们分析了高锰酸钾见光分解性质，要用棕色滴定管。那水样中的成分我们也要分析，水样的成分是很复杂的。

[PPT]展示水样成分，如图3。

[讲解]同学们根据水样中的成分分析，评价刚才的实验设计是否合理。

[学生回答]刚才的实验设计不能保证水样中的有机物都能和高锰酸钾反应。这些测定结果偏低。

[设问]如何解决这个问题？使水样中的有机物充分与高锰酸钾溶液反应？

[学生回答]可以提高反应温度，加催化剂，延长反应时间。参观自来水厂化验室我们看到了技术人员用水浴锅加热锥形瓶。

[设问]还有什么需要考虑？

[学生回答]高锰酸钾要过量才能保证水中有机物都参与反应。

[PPT]展示逐步完善的实验设计图4。

[设问]以上是改进后的实验设计，上面设计图中加HgS04的目的？

[学生回答]HgSO4的作用可能是催化剂。

[教师讲解]HgSO4很容易认为起催化剂作用。我们再看一遍自来水水质的标准，其中氯化物的含量不超过250mg/L，氯化物含cl^-，CF在酸性条件下能与高锰酸钾反应。水样中Cl^-的存在会影响水的耗氧量的测定，所以要排除cl^-的干扰。HgSO4能与Cl^-结合生成稳定的[HgCl4]^2-，消除Cl-干扰。

[设问]怎样判断高锰酸钾加入过量？怎样测定参加反应的高锰酸钾的量？

[学生回答]水浴加热30分钟后锥形瓶中颜色显红色，说明高锰酸钾是过量的。

[讲解]我们可以测量加入过量高锰酸钾溶液的量，再测量剩余高锰酸钾的量，就可以测定参加反应消耗高锰酸钾的量。如何测定剩余高锰酸钾的量？

[学生回答]可选择一定浓度的还原剂与剩余高锰酸钾反应。

[讲解]选用一定浓度的还原剂Na2C2O4或H2C2O4和高锰酸钾反应。

[PPT]展示实验设计如图5。

[设问]该反应滴定终点如何判断？同学们是否认为实验设计比较完善了？

[学生回答]最后一滴Na2C2O4溶液滴下，锥形瓶中溶液颜色由浅红褪去，30秒不恢复。该实验设计应该比较完善了。

[解答]该设计还不完善，还需要考虑两点。（1）Na2C2O4溶液滴定高锰酸钾需要控制一定温度60℃-80%左右，不能超过85℃，否则Na2C2O4会部分分解。（2）如用Na2G04溶液滴定高锰酸钾，那么在滴定过程中锥形瓶里的高锰酸钾见光分解，導致实验误差增大。

[设问]同学们讨论分析如何去完善这个实验设计。

[PPT]展示最终完整的实验设计如图6。

[讲解]先用过量Na2C2O4和锥形瓶中剩余高锰酸钾在60℃较快反应，然后用高锰酸钾溶液滴定锥形瓶中剩余的Na2C2O4。以上实验设计就完善了。用氧化还原反应滴定法测水的耗氧量实验确实比以前我们学习用高锰酸钾溶液滴定FeSO4溶液复杂。

[设问]最后的问题，该实验需要测定那些量？

[学生讨论]水样的体积，加入过量高锰酸钾溶液体积，过量Na2C2O4体积，滴定Na2C2O4消耗的高锰酸钾溶液体积。

[讲解]根据以上测定的体积数据，课后同学查询信息，思考计算耗氧量的方法。

从这个实验设计过程分析有什么体会和收获？

[设计意图]通过探究水的耗氧量设计实验过程，从已学基础知识入手，引导学生逐步分析复杂问题，应用所学知识解决实际问题。从而达到培养学生的各项化学核心素养的目的。

三、小结及展望

水的耗氧量的测定是一个比较复杂的氧化还原反应滴定实验。要比较准确的测定数据需要严格的实验条件，如温度，酸度，高锰酸钾浓度，反应时间，滴定速度等多方面因素。有些分析可能超过了高中学生的能力。但是该探究实验的原理还是以高中教材为基础，主要培养学生的分析思维能力和化学核心素养。从这次基于真实情境的探究实验的教学效果，说明教师要充分创造机会给学生探究实验。在高三实验复习阶段，开展基于真实情境的探究实验教学，能激发学生学习主动性，提高复习效率。