挖掘探究性实验丰富教材的潜在价值--省级实验质量课程分析_原电池论文

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      金秋十月，我们有幸参加了2014年在青岛举行的山东省首届高中化学实验优质课评比活动。此次展评活动的内容是普通高中化学课程中的教师演示实验和学生分组实验，以及与学生（高二）认知发展水平相适应的科学探究实验，课题自选。根据比赛要求，结合对新课标[1]探究实验的理解，我们认为探究实验课必须充分体现探究性，要真探究，不能“假探究”（我们认为“假探究”主要包括：没必要、没价值、没思维容量的探究，超出学生认知发展水平的、难度太大的探究等）；要关注学生学情，选择合适的探究实验课题；同时要注意探究实验应联系学生生活实际，从生活中来，到社会中去[2]。基于这种认识，笔者（本文第一作者）设计了“关于除氧剂的探究实验课”并进行反思（本文两位作者），让学生加深对刚学过的金属吸氧腐蚀的理解，认识到借助化学原理能够合理利用化学反应，并通过对电极反应式的类比书写以及电极产物的实验验证，进一步强化巩固电化学知识。具体实验由除氧剂出发，探究它的成分和工作原理，在分析原理后结合铁系除氧剂、暖贴、热敷贴以及金属的防护等一系列问题；使学生辩证地认识到，既可以利用金属腐蚀[3-4]的原理为生产生活服务，也可以从原理出发减缓或防止金属的吸氧腐蚀，真正体现了“从生活中来，到社会中去”的教学理念；引导学生用化学知识解决实际问题，真正做到探究实验的探其因，究其理，实证之，应用之。本节课深受听课教师的赞誉，并获得一等奖。以下是本节课的教学情况及课堂实录。

      一、教学目标

      1.知识与技能：使学生加深对金属吸氧腐蚀的理解，认识到借助化学原理能够合理利用化学反应。

      2.过程与方法：通过实验任务驱动和问题组交流讨论，提高学生动手动脑能力、交流能力以及获取信息的能力，进一步养成科学的思维方法和实验探究能力。

      3.情感态度与价值观：让学生进一步感受实验在化学学习与生产生活中的重要作用，逐步养成团结协作的良好习惯。

      二、教学策略

      采用学案导学的方法，以学生实验活动为主线，引导学生通过猜想、讨论、实验、观察、类比等，在提出问题、猜想假设、设计方案、进行实验、收集证据、解释与结论、反思评价、表达与交流等活动中，强化小组合作意识，发展科学探究能力。

      三、教学实录

      【投影】清点实验仪器与药品。

      【师】10月16日是世界粮食日。据报道，全球每年被浪费掉的粮食约有1000亿公斤，其中，约有300亿公斤是加工过的食品。人们为了减少这种浪费，延长食品保质期，采用了各种各样的办法。其中有一种是向食品包装袋中加入这样的一小包试剂。

      （实物展示月饼，撕开后再展示其中的一个小包装袋。）同学们，你们知道这个小包装袋里面装的是什么吗？

      【生】干燥剂。……

      【师】刚才所说的这些确实对防止食物腐败有一定的作用。我现在让这位同学念一下这个小包装袋上的名称。

      【生】除氧剂。

      【师】资料信息1：除氧剂又名吸氧剂、脱氧剂等，通过吸收包装袋中的氧，使包装内呈无氧状态，防止各种物品的锈蚀和食物霉变、油脂氧化等。食品包装中的无机除氧剂使用较广的主要有两种：一种是铁系除氧剂，主要成分是铁粉、炭粉和氯化钠等（板书）；另一种是亚硫酸盐系除氧剂，主要成分是亚硫酸盐、硫酸盐和硅藻土等（板书）。实验台上提供的就是这两种中的某一种。这节课我们将共同探究该除氧剂的成分、工作原理并迁移应用。下面请同学们根据学案中的内容，分组完成实验任务1。

      【板书】关于除氧剂的探究实验：一、除氧剂的成分探究；二、除氧剂的工作原理探究；三、迁移应用。

      【投影】实验任务1.①结合资料信息1，用剪刀剪开一包除氧剂，倒在白纸上观察并预测：该无机除氧剂属于________系，可能含有_________；可能含有________……

      ②结合以下仪器、用品和试剂（认为多余可不选），以小组为单位，设计方案并进行实验。

      仪器和用品：剪刀、1张白纸、磁铁、100 mL小烧杯、玻璃棒、胶头滴管、若干支试管。

      

      实验过程如附表所示。

      

      【生】通过实验任务1，探究该除氧剂的成分。

      【师】用相机记录整个活动中的几个重要环节以及各小组的实验成果，并及时捕捉学生实验中的某些瞬间（如学生基本操作的不当之处以及实验方案设计与实施的不足之处等）。在观察过程中，还要对个别情况进行及时的启发和指导。

      实验完毕，请简单整理一下实验仪器和药品。提问某一小组代表：提供的除氧剂属于何种除氧剂？你们小组通过实验已经验证的成分有哪些？支持你们上述判断的实验现象有哪些？（其他小组适当补充和完善。）

      【生】提供的除氧剂属于铁系除氧剂，我们通过实验验证的成分有：铁粉、炭粉和氯化钠。磁铁能够吸引这些黑色固体，而且向固体中加稀硫酸有气泡冒出，这说明很可能是铁粉。有些黑色粉状物不能被磁铁吸引，说明可能是炭粉。用水溶解除氧剂，然后取上层清液于试管中，滴加稀硝酸和硝酸银后发现有白色沉淀，说明有氯离子……

      【师】虽然有的小组观察到了一些实验现象，但是在实验过程中，有些做得并不是太好，需要反思和完善。大家请看这些照片（投影），分别找出其中可以改进的地方。（其他学生适当补充回答。）

      【生】这张照片中胶头滴管插到了试管内，没有垂直悬空。

      这几张照片说明该小组直接在烧杯中加入了硝酸银。一是没有取上层清液进行检验；二是检验氯离子时应该用稀硝酸进行酸化处理，防止干扰。

      试管中的液体太多了，加入试剂的量没有控制好，应该取少量……

      【师】希望大家在今后的实验中，注意提高自己的动手能力，加强实验操作的规范性。在实验方案的设计中，要注意简单易行性、严密性和准确性等。下面我们再通过一组照片感受一下整个探究活动都经历了哪几个重要环节？首先，提出问题：这种除氧剂的成分如何？然后，通过资料信息和观察，猜测可能是铁系除氧剂，根据其可能成分设计检验的实验方案并进行实验，收集证据，得出结论，反思评价实验过程和实验结果，表达交流。这其实就是探究实验的一般步骤：提出问题、猜想假设、设计方案、进行实验、收集证据、解释与结论、反思评价、表达与交流（先将照片按顺序呈现，最后用幻灯片展示上述步骤）。

      设计意图：明确课堂主题。采用开放式的小组内自主选择和设计方案进行实验。教师用相机记录并及时捕捉某些瞬间，活动结束后以照片的形式让学生直观感受整个探究活动中操作的不当之处和方案设计的不足之处，以及经历的重要环节，形成并认知探究实验的一般步骤。

      【师】刚才分组探究所提供的除氧剂属于铁系除氧剂，那么它的工作原理又是怎样的呢？

      实验任务2.请同学们根据图1所示，将两包除氧剂（为了效果明显）置于器壁润湿过的注射器内，推入注射器活塞，将注射器横向固定在铁架台上，再把软管口浸没在盛有红墨水的烧杯中。仔细观察软管中水柱的变化。

      

      【生】通过实验任务2，模拟该除氧剂的工作情况，感受其除氧的过程，展示实验结果。

      【师】实验完毕，将软管与注射器分离。进行交流讨论1。

      【投影】交流讨论1：①引起软管中水柱变化的原因是什么？②仔细观察除氧剂的包装袋，大家有没有发现一些细微的小孔？若没有这些小孔，它会正常工作吗？应该怎样保存和运输除氧剂？③注射器内反应的氧化剂和还原剂分别是什么？若仅有二者，它们在常温常压下能否直接反应？④铁系除氧剂中炭粉、NaCl以及注射器中水的作用是什么？它们与铁粉共同构成了一个什么体系？这与钢铁的吸氧腐蚀在本质上是否一致？

      【师】引起软管中水柱变化的原因是什么？

      【生】注射器内的氧气被除氧剂吸收，气体压强减小，软管中的水柱上升。

      【师】为什么除氧剂包装袋上会有许多小孔？应该怎样保存和运输除氧剂？

      【生】小孔可以与空气相通，工作时可以除氧。除氧剂应该密封保存。

      【师】请看这包月饼，它也是密封的，现在我打开里面的除氧剂小包装袋，大家发现它已经变成褐色，说明了什么问题？

      【生】除氧剂已经工作完毕。说明除了密封，还应该真空保存除氧剂。

      【师】回答得很好，正是如此。大家请看我手中的除氧剂，它的确是采用真空压膜包装。除氧剂的成分在实验任务1中已经搞清楚了，现在结合除氧剂的除氧实验，反应中的氧化剂和还原剂分别是什么？

      【生】氧化剂是

，还原剂是铁粉。

      【师】根据你所学的知识，氧气和铁粉在常温常压下能否直接反应？铁系除氧剂中的炭粉、NaCl以及注射器中的水对铁粉和氧气的反应有何作用？它们共同构成了什么体系？

      【生】铁和氧气在常温常压下不能直接反应。铁系除氧剂之所以能除氧，是由于它们发生了原电池反应。氯化钠和水形成了电解质溶液，它们构成了原电池。

      【师】正、负极分别是谁？

      【生】正极是炭粉，负极是铁粉。

      【师】粉状的铁和炭，与氯化钠和水所形成的微型原电池多不多？

      【生】很多。

      【师】钢铁的主要成分是什么？加之外面的雨水，钢铁的吸氧腐蚀和除氧剂的工作，二者在原理上是否一致？

      【生】主要是铁和碳。原理一致，都是原电池原理。

      【师】认识得很到位，非常好。同学们，我们能否类比钢铁吸氧腐蚀的原理，写出除氧剂工作时的正、负极电极反应式呢？

      【投影】电极反应式为：正极________；负极________。

      【生】正极：

。

      负极：

。

      【师】正确。不过，为体现得失电子数相等，最好能将负极电极反应式系数变为原来的2倍。

      

      【师】实验任务3.结合所学知识及资料信息2，鉴定“实验任务2”中注射器内吸氧后的电极产物。注意：先用镊子取出注射器内的两包除氧剂，用剪刀剪开后分别倒入两只100 mL小烧杯中，然后再设计实验检测电极产物，观察现象，得出结论，反思评价。

      【生】完成实验任务3。

      【师】我们所有小组对正极产物

的检验均很成功（展示其中一个小组的实验结果），但是对

的检验许多小组没有成功。虽然有的小组检验成功（同时展示该小组的实验结果），但他们在检验时采用的是直接向烧杯中滴加铁氰化钾溶液，而非先加水溶解，然后再取上层清液用铁氰化钾检验的方法。造成这种差异的主要原因是什么呢？请大家结合除氧剂的成分特点，比如粉状、掺混等，形成的原电池特点以及正负电极的距离远近、正负电极产物的性质等多方面综合考虑并分析。

      【生】掺混了的炭粉和铁粉作为正负极，很容易接触在一起，电极反应产生的产物距离太近，会迅速生成氢氧化亚铁沉淀，当加水后再取上层清液时，亚铁离子的量极少，几乎检验不到。

      【师】向除氧剂中直接加入铁氰化钾溶液，观察到蓝色，主要是由于铁氰化钾中的阴离子和氢氧根对亚铁离子共同争夺的结果，这涉及后续课程中沉淀转化的内容。希望有兴趣的同学课后自学分析。这也说明，探究实验有时并非一帆风顺，每当产生预测之外的现象或新问题时，应该反思并作为下一步探究的课题，不断循环完善，通过信息和实验，得出合理的解释与结论。

      我们模拟钢铁吸氧腐蚀原理证明负极产物

，请同学们设计并进行补充实验。可供选择的仪器与药品：碳棒、铁钉、饱和食盐水、铁氰化钾溶液、导线、U形管。

      【生】完成补充实验，展示实验结果。

      【师生】总结铁系除氧剂的工作原理。

      设计意图：感受除氧的过程。初步认识除氧剂的工作原理，对除氧剂的除氧工作形成从现象到本质的认识，用实验证实并加深对电极产物的认识，加强对原电池反应的理解和再巩固。通过对实验方案的设计、实验现象的观察讨论，鼓励学生关注实验中的“意外”现象，鼓励学生提出问题，使学生认识到每当产生预测之外的现象或问题时，应该反思并作为下一步探究的课题，不断循环完善，通过信息和实验，得出合理的解释与结论，让学生真切地感受到探究实验始于细微，末于光大。

      【师】请同学们利用前两个活动中的收获，完成交流讨论2。

      【投影】交流讨论2：①除氧剂的工作与钢铁的吸氧腐蚀相比哪个更快一些？为什么？②暖宝宝、热敷贴以及某些即热饭盒中的有效成分和铁系除氧剂的成分很相似，它们的原理是否一致？化学能主要转化为哪种能量？③为减缓或防止海水中的铁制品发生吸氧腐蚀，可采用的具体防护措施有哪些？

      【师】对比铁系除氧剂与钢铁的组成及其特点，还有钢铁制品所处的环境，试分析除氧剂的工作与钢铁的吸氧腐蚀相比哪个更快一些？为什么？

      【生】除氧剂的工作要比钢铁的吸氧腐蚀更快。因为除氧剂中铁粉和炭粉固体表面积大，而且形成了许许多多的微型原电池。

      钢铁吸氧腐蚀的电解质溶液是雨水，而除氧剂加入了氯化钠。

      活性炭有吸附功能，能自动吸附空气，增加了氧气的浓度，提高了反应速率。

      【师】刚才我们从速率角度分析了除氧剂与钢铁吸氧腐蚀的差异，下面我们从物质转化和能量转化的角度分析，商场里卖的暖宝宝、热敷贴以及某些即热饭盒中的有效成分和铁系除氧剂的成分很相似，也都是铁粉、炭粉等，它们的工作原理是否一致？

      【生】它们与钢铁的吸氧腐蚀相似，都是原电池原理。

      【师】既然形成了原电池，大家觉得化学能最终主要转化为电能还是热能？为什么？

      【生】热能。形成的许多微型原电池由于正负极接触造成短路，从而将化学能转化为电能，但电能又迅速转化为热能。

      【师】在速率方面，这几种产品能不能太慢？能不能太快？为什么？

      【师生】速率不能太慢，否则除氧剂除氧防腐的效果不理想，暖宝宝、热敷贴和即热饭盒的速热效果不明显；但是速率也不能太快，否则除氧剂包装还未及时封上就会大部分失效，而热敷贴或暖宝宝等短时间内产热过多则会造成烫伤等不良后果。

      【师】据统计，发达国家每年由于金属腐蚀造成的直接经济损失约占全年国民生产总值的2%～4%，远远超过水灾、火灾、风灾、地震等自然灾害造成的损失总和。因此，寻求防止金属腐蚀的方法具有重要意义。请结合除氧剂和钢铁的化学组成以及工作环境特点分析，为了减缓或防止海水中铁制品的钢铁吸氧腐蚀，可以采取哪些具体的措施呢？

      【生】涂油漆、电镀……

      【师】涂油漆和电镀防腐蚀都会使被保护的金属隔绝氧气和电解质溶液。从形成原电池的三个条件，我们还可以想到哪些方法呢？

      【生】用锌块，保持环境干燥，减少氯化钠，外加电流阴极保护……

      【师】用锌块可以代替铁做负极，这种方法是牺牲阳极阴极保护法，外加电流阴极保护是采用电解池原理，利用电子去保护铁。回顾交流讨论2中的这三个问题，我们不难发现，人们可以利用化学原理对同一个化学反应从不同角度加以利用或规避，从而服务于生产生活。

      【投影】课堂内容设计如图2所示。

      

      【师】本节课由除氧剂开始，通过前两个活动探究到除氧剂为铁系除氧剂，它的工作原理是原电池，并与钢铁的吸氧腐蚀原理相同；通过对电极反应式的类比书写以及电极产物的实验验证，强化巩固了电化学知识，对钢铁吸氧腐蚀的正负极产物由原来的死记硬背上升到实验感知；最后实现迁移应用，即利用减缓腐蚀可实现金属防护，加快腐蚀则可设计成铁系除氧剂、暖贴和热敷贴等。说明我们应该辩证地看待钢铁的吸氧腐蚀，既可以利用金属腐蚀的原理为生产生活服务，也可以从原理出发找到减缓或防止金属吸氧腐蚀的具体方法。

      设计意图：第一个问题基于速率认识到两个反应原理一样，但却有快慢之分及其快慢不同的原因；第二个问题基于物质转化的角度认识到除氧剂就是将氧除掉，基于能量转化角度认识到原电池短路的目的是产生热能并可以加以利用，基于速率角度认知到速率不能太慢，否则除氧效果不明显、速热效应不明显，但是速率也不能太快，否则除氧剂包装还未及时封上就会大部分失效，热敷贴或暖贴短时间内产热过多则会造成烫伤等；第三个问题基于金属腐蚀的危害以及金属防护的重要性，结合除氧剂和钢铁的化学组成以及工作环境特点分析，为了减缓或防止钢铁的吸氧腐蚀，罗列可以采用的一些具体措施。总之，利用化学原理可以从不同角度调控同一化学反应并为我所用，同时回顾本节探究实验课的知识脉络。

      四、教学反思

      1.本节课的选题思路

      众所周知，除氧剂在食品防腐保鲜，特别是对延长含有高油脂食品的保质期有着重要的作用。常见的食品包装内，往往都有除氧剂，以除去包装内的氧气，不仅可以防止食品霉变，还可以阻止油脂因氧化而使产品酸败。目前研究使用的除氧剂种类很多，原料易得、成本低、除氧效果好、安全性高的铁系除氧剂的应用最广。所以本节课以铁系除氧剂类比探究钢铁发生吸氧腐蚀的条件、工作原理及其迁移应用，从学生已有的电化学知识出发，一方面既能巩固强化电化学知识，另一方面又能让他们在熟悉的生活情景中感受化学的重要性，了解化学与日常生活的密切关系，逐步学会分析解决与化学有关的一些简单的实际问题，如金属的防护、原电池反应的利用（暖宝宝、热敷贴等）。

      2.课堂注重师生互动、生生互动及课堂的动态生成

      实验课的课堂突发性概率大，因此要充分尊重学生。所谓“尊重学生”是指尊重学生的思考，尊重他们宝贵的灵光一现，善于听取学生的意见，不要轻易放弃他们的宝贵想法。尤其是实验探究课，充满了更多不可预设的情况。一方面，我们通过查阅大量文献和资料，努力提高自己的业务水平，尽量预设出更多可能的情况；另一方面，课堂实施中还关注了课堂过程中的动态生成，并巧妙地利用。此外，还充分认识到，高中阶段的实验探究课不能太过于追求探究的整体性和结果。

      3.课堂效果

      本节课收到了理想的效果：①学生掌握了探究实验的步骤，同时提高了他们的实验设计能力、动手操作能力、实验观察能力和实验探究能力；②加深了对电化学知识的理解，拓宽了学生的知识视野，提高了知识迁移应用的能力，同时培养了学生的自学能力和合作学习能力；③体现了学化学、用化学的教学思想，密切联系生活实际，激发学生强烈的求知欲望，使学生体会到学习化学的真正价值，看到学习化学大有用武之地，进而激发学习化学的兴趣和热情；④体现和落实了新课标重视探究实验的精神要求，培养和提高了学生的科学素养。

      通过本节课的教学，我们可以看到高中化学适合于探究实验的素材非常丰富，关键在于我们是否做到了认真研究与发掘。让我们以山东省首届高中化学实验优质课评比为契机，为进一步推动实验教学改革而努力！

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