用“黑面包实验”培养学生的实验探究能力

作者：李晓頔

来源：《师道·教研》2018年第05期

        高中化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，是高中生综合素质的具体体现，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了学生通过化学课程学习形成过的关键能力和必备品格。教师要如何在教学过程中寻找和发现适当的教学素材，合理设计课程实验培养学生的实验探究意识与科学精神，是值得各位教师思考的问题。下面以高一新授课“浓硫酸与蔗糖反应——黑面包实验”为例，展示在教师引导下，学生通过学习小组合作探究改进实验的过程与做法，希望在培养学生的探究能力方面能够抛砖引玉。

        一、问题提出

        在中学化学中，浓硫酸是最具有代表性的氧化性酸之一，且具有许多独特的性质。为了更好地展示浓硫酸的三大特性：吸水性、脱水性及强氧化性，人教版《必修1》课本中设计了一个演示性实验：蔗糖与浓硫酸的反应（“黑面包实验”）来进行教学。但在实际教学中，仅仅通过课堂演示实验或者视频展示等教学手段无法满足学生对此实验的好奇心。如果能将此实验设计成学生个人实验，不仅能提高学生的学习兴趣，也能使学生体验危险品使用的注意事项，培养学生的科学精神与社会责任。本文主要对实验装置设计、实验产品检验及尾气处理三个方面进行讨论，并让学生分组根据讨论结果对实验装置进行改进，引导学生根据实验原理，结合SO2的性质，利用日常生活中常见物品，自主设计实验装置。此过程中较好地把学生的理论知识与实践经验有机地结合在一起，拓宽学生的思维空间，较好地训练了学生的实验探究能力。

        二、教学过程

        1. “黑面包”实验的演示与讨论

        教师在通风橱内进行浓硫酸与蔗糖的演示实验。该实验的具体操作如下：在200毫升的烧杯中放入30克蔗糖，加入几滴水，搅拌均匀，然后再加入30ml 98%的浓硫酸，迅速搅拌。此实验反应剧烈、现象十分明显且有较强的视觉冲击（蔗糖迅速由白变黄，然后变黑，黑色固体的体积显著膨胀，呈疏松海绵状），本应能引起学生强烈的学习兴趣。但做完实验后，学生们却议论纷纷，大失所望。

        经过学生讨论，得出这个演示实验的不足之处：①该实验在敞口仪器（烧杯）中进行，反应产生的大量刺激性的二氧化硫等有毒气体会直接排放到相对狭窄密闭的教室之中，污染室内环境，危害师生身心健康。②该反应产生的海绵状的炭，体积较大，难以清洗，且在实验中容易溢出，污染桌面，难以清理。③该反应大量放热，且放出大量气体，对玻璃仪器造成较大压力，容易导致玻璃仪器破裂，酸液流出，存在一定的危险性。④反应产物在这个实验中无法直接通过特征反应进行检测，只能凭借闻气味的方法进行鉴别，主观猜测性较强。

        2. “黑面包”实验装置的改进

        为了更好的演示该实验，同时也让学生能通过已有知识对反应现象进行探究，接下来组织学生进行分组讨论，针对本实验存在的优缺点，设计改进实验方案。经过小组内讨论以及小组间交流意见以后，各学习小组达成了一致的改进要求。改进要点如下：

        （1）对实验装置的改进：①将敞口环境改为密闭环境，并进行尾气处理，减少所产生气体的污染。②减少试剂用量，减少废弃物的产生，同时也降低危险性。③利用试纸对产生的气体进行检验。④考虑采用生活中的常见物品，进行实验，减少对仪器的后续清理操作。

        （2）对实验试剂、药品的改进：①试剂用量：6.0g蔗糖粉末（将蔗糖研磨成粉末，可以加快反应速率，不需要搅拌）、6ml 98% 浓硫酸、1ml 蒸馏水（恰好将蔗糖粉末润湿）②选择蓝色石蕊试纸与酸性高锰酸钾试纸对产生的气体进行检验。为方便放置试纸，在导管口附近黏上一圈双面胶，将试纸粘在双面胶上。③尾气处理选择浓NaOH溶液，以吸收产生的污染性气体。

        （3）对实验步骤的改进：将6.0g蔗糖粉末倒入反应容器中，均匀滴加约1ml蒸馏水将蔗糖粉末润湿，然后迅速倒入6ml 98% 浓硫酸，盖上盖子，观察现象。

        3. 改进后的实验展示及讨论

        各学习小组的学生根据讨论出的改进要点，分别对实验装置进行改进探究，并在课堂上将改进后的实验装置进行介绍与实验操作演示。

        方案一：

        试剂及用品：6ml 98%浓硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高锰酸钾试纸、蓝色石蕊试纸、蒸馏水、550ml矿泉水瓶、吸管、气球。

        实验现象：蔗糖先变黄，后变黑，体积逐渐膨胀，矿泉水瓶内壁有大量水雾产生，底部变形，瓶内酸性高锰酸钾试纸褪色、湿润的蓝色石蕊试纸变红、气球迅速变大，未闻到刺激性气味气体。

        方案二：

        试剂及用品：6ml 98%浓硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高锰酸钾试纸、蓝色石蕊试纸、浓NaOH溶液、蒸馏水、100ml锥形瓶、单孔带导管橡胶塞、小烧杯、双面胶。

        实验现象：蔗糖先变黄，后变黑，体积逐渐膨胀，酸性高锰酸钾试纸褪色、湿润的蓝色石蕊试纸变红、小烧杯中有大量气泡产生，能闻到少量刺激性气味。

        方案三：

        试剂及用品：6ml 98%浓硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高锰酸钾试纸、蓝色石蕊试纸、蒸馏水、浸泡过浓NaOH溶液的棉花、饮料瓶、吸管、气球、大烧杯、双面胶。

        实验现象：蔗糖先变黄，后变黑，体积逐渐膨胀，饮料瓶内壁有大量水雾产生，底部略有变形，瓶内酸性高锰酸钾试纸褪色、湿润的蓝色石蕊试纸变红、气球迅速变大，未闻到刺激性气味气体

        【学生解释】饮料瓶有以下优点： ①瓶身较厚，较耐高温，安全性较好； ②瓶嘴较小，有类似奶嘴的设计，内部有橡胶垫圈，密封性良好，且不需做太大的改动；③瓶盖与瓶嘴之间有一定的空间，可以事先放置一团浸泡过浓NaOH的棉花团，作为后续尾气处理。

        方案四：

        试剂及用品：6ml 98%浓硫酸、6.0g蔗糖粉末、酸性高锰酸钾试纸、蓝色石蕊试纸、浸泡过浓NaOH溶液的棉花、蒸馏水、250ml许愿瓶、单孔带导管木塞（许愿瓶配套）、双面胶。

        实验装置：（学生手画）

        实验现象：蔗糖先变黄，后变黑，体积逐渐膨胀，瓶内酸性高锰酸钾试纸褪色、湿润的蓝色石蕊试纸变红、未闻到刺激性气味气体。

        待各组展示完改进后的实验，让学生分组讨论各装置的优缺点，并进行交流，得出如下意见：

        （1）优点：①所有改进方案都制造了一个密闭的反应环境，还运用了多种尾气处理方法，大大减少了污染性气体的排放与固体废弃物的污染。②利用试纸对SO2进行检验，效果明显。③运用了多种尾气处理方法使用气球收集尾气，可以直观的观察到有大量气体生成，且收集到的气体可以用来做后续性质检验实验④操作更简单，不需要搅拌，缩短了演示实验的时间，也降低了危险性。⑤减少了试剂用量，降低了实验成本 ，也减少了污染；⑥将生活中的一些废品作为实验替代品，变废为宝。⑦用塑料瓶能观察到水雾的产生，现象更明显。⑧改进后的实验更适合课堂演示，也适合学生实验，达到了改进实验的目的。

        （2）缺点：方案一：要严格控制药品的用量，避免矿泉水瓶熔化漏液的情况发生。方案二：由于产生气体量较大，且十分快速，导致有少量气体无法被完全吸收，且使用锥形瓶进行实验，生产的固体炭难以清洗，容易造成仪器的浪费。 方案四：不同规格的许愿瓶质量不同，可能会导致玻璃破裂的情况发生，容易造成危险；且配套的木塞需要打孔，容易导致漏气等情况发生。

        【归纳总结】各方案均能较好的实现改进要点，其中方案三能合理有效利用瓶子自身的优点，减少了对实验仪器的前期处理，简单易操作，十分适合该实验。改进后的实验有一定的局限性，比如材料的获取、部分材料的改造等。另外由于反应物的用量减少，且反应容器的容积较大，导致“黑面包”膨胀过程不够明显。

        三、教学反思与自我评价

        本节课让敞开体系中进行的快速反应实验，在封闭体系中进行，并由学生利用生活中随处可见的材料，亲自设计实验装置，并展示实验效果，实现近距离观察，无污染气体排放。同时也收集到气体为学生探究留下时间和空间提供了可能。本节课在教学中充分体现化学学科核心素养的原则：让学生发现和提出有探究价值的化学问题；能依据探究目的设计并优化实验方案，完成实验操作，能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论；能和同学交流实验探究的成果，提出进一步探究或改进实验的设想；培养可持续发展意识和绿色化学观念。

        责任编辑 徐国坚