整合“元素化合物”和“实验方案设计”的主题式复习课

苏华虹 潘红 王怀文 丁美霞

摘要以“葡萄酒中二氧化硫含量测定”为主题内容，开展高三主题式复习课。学生在真实问题的解决过程中，巩固并应用元素化合物“价-类二维图”认识模型，并初步形成实验方案设计的一般思路，发展读信息和用信息、实验方案设计、实验操作等多种综合能力。

关键词主题式教学；实验方案设计；元素化合物；二氧化硫

1 教学主题分析

1.1 新课标对常见无机物及科学探究主题的学业要求

元素化合物知识是学生学习化学概念原理及化学实验的基础，更是学生自主建构与发展化学学科思维能力、形成化学学科基本观念的载体。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（下称“新课标”）中指出学习元素化合物时应紧密联系生产和生活实际，创设丰富多样的真实问题情境，重视开展高水平的实验探究活动。实验是科学探究的一种重要途径，科学探究过程包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释、形成结论及交流评价等核心要素[1]。元素化合物内容是发展科学探究思维的载体，实验探究是学习元素化合物的重要手段，两者互为补充，相互促进。

根据“新课标”中的学业质量水平要求，参加高考的学生应能在复杂化学情境中提出有价值的实验探究课题；能设计有关物质转化、性质应用等的综合实验方案，并能从不同角度对物质转化进行分析和推断；能确定合适的实验条件并安全、顺利地完成实验；能用数据、图表等描述实验证据并据此进行分析推理形成结论；能对实验方案、实验过程和实验结论进行评价[1]。因此在高三复习课中，通过设置真实、有意义的的情境，依托具体的元素化合物知识和实验探究过程，促使学生的认知达到学业质量水平4的要求就显得十分必要。此外，在实验探究过程中重视实验方案设计能力的培养，有助于改变在实验中注重动手但缺少思考的现状，强调高级思维过程。

1.2主题式教学

主题式教学是通过整合教学资源，设计与教学主题密切相关的真实情境和学习任务，以学生发展为核心的一种教学模式[2]。本课例以测量葡萄酒中二氧化硫含量为切入点，整合“元素化合物”和“实验方案设计”两个主题进行复习，设置实验方案设计、评价、优化和实施的学习任务，进一步巩固并应用价-类二维认识模型，发展实验方案设计、评价和实验操作的能力、建立分析真实化学情境的一般思路和方法，在主题式复习过程中外显学科核心素养培养。

1.3主题式教学情境素材

葡萄酒是学生熟悉的饮品，有利于激发学生的学习兴趣。葡萄酒中SO2含量测定实验涉及物质转化、实验装置选择、定量分析实验（滴定）、化学实验操作等多个主题内容，因此本课例选用该真实情境，开展整合“元素化合物”和“实验方案设计”的高三主题式复习。葡萄酒的主要成分有水、酒精（乙醇）、糖、单宁、有机酸等（琥珀酸、苹果酸、柠檬酸等）。SO2是葡萄酒中常见的一种添加剂，主要以游离态和结合态两种形式存在，结合态SO2是指被糖类、醛类、酮类等化合物结合的SO2，结合态SO2释放过程存在的平衡反应如下图1所示。加热条件下促使平衡向正向进行，结合态SO2被释放[3-4]。

SO2在葡萄酒酿制和保存过程有重要的作用，但若过量不仅会影响葡萄酒的质量，更会损害人体健康，因此准确、快捷检测葡萄酒中SO2的含量是食品安全问题的重要一环。葡萄酒中SO2含量的国标测定方法有氧化法、蒸馏法、直接碘量法、盐酸副玫瑰苯胺法（比色法）等4种方法[5-8]。

2 教学目标

根据新课标的要求，确定本的教学目标如下：

①能绘制硫元素价类二维图，会用方程式表示实验原理；

②能分析混合体系中的成分，会用装置图表示选择的实验方法；

③能根据实验方案设计原则和情境的特点评价、筛除或优化方案，从而发展实验方案设计能力；

④能与同伴总结和反思葡萄酒中二氧化硫含量测定的实验探究过程，形成分析真实化学情境的一般思路和方法。

3 教学任务和流程（表1）

4 教学过程与学生成果

4.1 了解葡萄酒中SO2的相关信息，初步设计实验方案（课前完成）

学生课前查阅资料，了解葡萄酒中SO2的相关信息，为设计、评价并优化实验方案提供知识支持。

师：给學生印发实验方案设计任务单，该任务单主要包含以下内容：①汇总葡萄酒中SO2的相关信息（详见1.2）；②展示实验方案设计的一般思路：明确实验目的→确定实验原理→选择合适的试剂和仪器→实验步骤→实验数据及处理。

生：阅读信息后，确定实验原理，初步设计实验方案；

师：整理并汇总学生的实验方案。

【实验方案初步评价】本次共收集45份学生实验方案。实验原理方面，所有学生均能画出硫元素的价类二维图，列出常见的含硫物质，这是因为硫及其化合物是必修阶段重点学习的核心元素；44人能根据SO2的性质设计实验原理，仅有一位学生给出错误的反应原理（设计的反应原理为：CuO+SO2 == Cu+SO3），其中38人能同时从价-类两个维度设计SO2的转化，设计的原理主要有以下三类：①SO2与碱溶液[NaOH、Ba（OH）2]反应；②SO2与氧化剂反应（KMnO4、Cl2、I2、H2O2）；③SO2与还原剂反应（H2S），其余7人仅能从其中一个维度认识SO2的性质。对于定量测量方法的选择，绝大多数同学选择了沉淀法和滴定法（分别为用NaOH溶液滴定葡萄酒、用碘水/高锰酸钾溶液滴定葡萄酒），沉淀法是初中重点学习的实验方法，而滴定实验是高中重点学习的定量分析实验。

4.2 师生展示、评价实验方案（第一课时）

师：要测量葡萄酒中SO2含量需要经历哪些步骤？

【师生拆分学习任务】需要经历“查阅资料（已完成）→设计实验方案（已完成）→评价并优化实验方案→实施实验方案→处理数据→ 得出实验结论”等多个环节。

师：展示典型的实验方案，学生分小组讨论，对实验方案进行评价并优化（详见表2）。

师：大家认为方案4比较合理，但查阅资料发现，实验室或食品检测中心并不采用沉淀重量分析法，为什么？

生：疑惑不解

师：我国规定葡萄酒中总SO2含量上限为250 mg/L（即4×10-3 mol/L）（分析化学根据被测组分的含量不同划分为常量成分（>１%）、微量成分 （0.01%～1%）和痕量成分 （<0.01%）的分析[9]，根据该标准SO2屬于葡萄酒中的微量成分）。因此将SO2导出后氧化，再加入BaCl2溶液也难以将微量的SO2 4全部沉淀；其次，生成的沉淀表面常吸附有杂质离子（共沉淀和后沉淀现象[9]），从而使测得的沉淀质量产生误差；最后，在实际操作过程中，沉淀不再产生的现象难以观察，且需经过滤、洗涤、干燥等多个步骤才能准确称量固体质量。用沉淀重量分析法，操作繁琐，耗时长。综上所述，实验方案设计还要遵循可行性原则。

师：请同学们根据上述分析对方案进行优化调整，设计出符合科学性、安全性、可行性和绿色化学原则的实验方案。

生：对方案进行调整和优化，主要设计出如下三种方案5-7（见表3）

生：葡萄酒中含有有机酸，方案5中加热葡萄酒并通入N2，若有机酸也会被导出，则用NaOH溶液滴定测量结果偏大。

师：如何使有机酸不随SO2气体一起导出呢？

【支持信息】葡萄酒中较主要的三种有机酸是琥珀酸（丁二酸）、苹果酸（2-羟基丁二酸）、柠檬酸，其沸点依次为235℃、306.4℃、175℃，三种酸均可溶解在葡萄酒中[4]。

生：根据信息，加热葡萄酒时，有机酸也会部分挥发从而使测量结果偏大。增加冷凝装置，可以使有机酸冷凝回流，即可分离有机酸和SO2气体。

师：很好，冷凝装置能使有机酸回流，进而排除干扰。

最后我们可以确定两种实验方法：氧化法（方案5改进后的部分实验装置见下图2）和直接滴定法（方案6和7）

）

4.3 实施实验方案、汇报实验成果（第二课时）

师：课前准备好仪器和试剂；

生：45名学生分成8个小组，学生分小组完成测量实验，其中1～4组采用氧化法，5～8组采用直接滴定法。

师生共同讨论实验中出现的问题（见表4）。学生处理实验数据，师生共同分析实验结果（见表5）。

表4 实验过程出现的问题描述及解决方案

生：学生分组汇报实验成果，重点介绍实验原理、实验过程出现的问题及解决方案、实验结果分析、心得体会等。

师：引导学生总结分析真实化学情境的一般思路和方法。

5 教学反思与改进建议

5.1 基于真实情境的主题式学习有利于评价和发展学生的知识、能力和素养水平

在实验方案设计和评价过程中，学生对方案的认识经历以下4个进阶过程：“利用所学知识初步设计方案→根据方案设计的科学性、安全性、绿色化学原则筛选或修改方案→根据情境的特点（微量分析）考虑方案的可行性并进一步修改→分析干扰成分，进一步完善实验条件”，学生设计的实验方案是评价其元素化合物认识水平、实验方案设计能力的重要素材，而对实验方案的评价和完善过程则使学生的能力进一步得到发展。从学生提交的实验方案初稿发现存在表述不规范、仪器选用不当、装置搭建不当等问题（见图3），因此在教学中，有必要关注和强化学生的实验方案表达能力。

此外，学生亲历复杂情境中的定量实验，能更深刻理解滴定实验中的条件控制，如有一组学生采用方案5测得消耗的NaOH溶液的体积为1.05mL，三组平行实验结果的绝对值之差超过平均值的20%，经过师生讨论，发现该组选用的NaOH溶液浓度过大导致实验误差大，由此学生对“一般选用稀溶液进行滴定”的条件控制有了更深刻的理解。在高三复习课中，基于真实、有意义的情境的主题式学习是评价和发展学生关键能力和核心素养的重要途径。

5.2 基于真实情境的主题式学习的开放度把控

新课标强调基于真实情境的学习，但如何处理问题的真实性与学生可接受的真实、与中学实际条件的关系也是重要的课题。

葡萄酒中的SO2是微量成分，测量过程需要严格控制实验条件才能得到较精准的结果，如采用的氧化法，加热温度、抽气流量、抽气时间等因素均会影响实验结果的准确性[10]，国标法规定抽气量为1.0～1.5L/min，抽气10min[5+7]，但由于中学实验室条件有限，未能对真空泵的抽气量进行定量监控，未能对加热温度进行严格控制，因此数据重现性不够理想，且葡萄酒的标签中并未标明SO2含量，学生无法对实验数据进行误差分析，只能在不同小组间进行横向比较。基于以上实际条件的限制，本课例实施过程中，侧重设计、评价和优化实验方案、分析并解决实验过程出现的问题，而对实验结果及其误差不作过多的分析。因此主题式教学过程，教师可根据学生认识水平、实验室条件等实际情况对真实情境进行适度调控。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）. 北京：人民教育出版社，2020： 17+6

[2] 王怀文. 张春艳.高中化学主题教学的理论研究与实践探索——以佛山市主题教学研究为例[J]. 中学化学教学与参考， 2022（03）：13-17

[3] https：//www.lallemandwine.com/wp-content/uploads/2014/10/WE6-China-Ch.pdf[OL]

[4] http：//vel.spxy.cau.edu.cn/attach/0/8c21e6727015430ba367488bb243cb52.pdf[OL]

[5] GB/T 15038 —2006 葡萄酒、果酒通用分析方法[S]

[6] GB/T 5009.34 —2003 食品中亚硫酸盐的测定[S]

[7] GB/T 5009.49 —2008 发酵酒及其配制酒卫生标准的分析方法[S]

[8] GB 15037 —2006 葡萄酒[S]

[9] 分析化学上册. 华中师范大学等编. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2011： 317-319

[10] 梁宏， 林燕奎， 王丙涛， 等. 葡萄酒中二氧化硫的几种检测方法对比[J]. 食品科学， 2012， 33（04）： 178-181