基于问题情境的项目式实验教学

摘要

以问题为导向，选取“蔗糖与浓硫酸微型化实验创新设计与应用”为主题，展开项目式教学活动。鼓励学生深度参与实验创新设计的过程，引导学生提出问题、形成假设、设计方案、分析反思、拓展应用。这不仅让学生在解决实际问题的过程中提升自己的能力和素养，也丰富了实验教学的案例，为教师开展项目教学实践提供参考。

Graphical abstract

关键词

问题情境 / 蔗糖 / 浓硫酸 / 项目式教学

化学实验教学过程存在的普遍问题主要表现为以下两点：在呈现形式上，多以验证性的演示实验为主；在学习方式上，大部分停留在表层认知。在项目式教学中，教师化身为引导者和设计师，学生置身于真实问题情境中，围绕特定的主题，以小组合作探究的方式联系所学知识解决问题，真正做到学以致用，从而提升实验教学的效果。笔者以“蔗糖与浓硫酸微型化实验创新设计与应用”为例，对基于问题情境的项目式实验教学设计及实施进行解析。

1 项目背景

蔗糖与浓硫酸的反应是人教版高中化学第二册第五章第一节中的实验。按照教材中的方式进行实验，学生发现存在以下3个方面的问题：一是如何收集并检验气体产物？二是气体产物中是否存在CO？三是如何改进实验装置使其更绿色、安全？针对学生提出的问题，笔者从实验装置、实验原理和实验操作3个层面启发学生：气体产物无法收集检验是由于实验体系是敞开的，可以从实验装置方面改进；利用元素守恒和氧化还原反应理论分析，CO是可能存在的，需要确定检验CO的方法；针对安全性和可操作性问题，可以从实验微型化、绿色化方向思考。

2 项目教学目标

（1） 知道化学实验改进的方向与原则，进一步认识实验方案设计、实验条件控制在实验中的应用，形成绿色化学的思想。

（2） 通过查阅文献了解CO的检验方法，掌握CO、SO₂、CO₂的检验原理及操作，学会设计产物的检验流程，优化检验方法，提升问题分析及解决能力。

（3） 基于实验仪器特征对实验装置的应用进行拓展思考，提升迁移应用能力。

（4） 通过实验改进与操作，体会理论对实践的指导作用，提升实践创新能力。

3 项目任务及教学流程

针对教材实验存在的问题，如操作不安全、药品用量大、气体产物逸出无法收集检验，确定本项目的总任务：蔗糖与浓硫酸反应实验的改进。将总任务拆解为4个阶梯式渐进任务，以不断产生的问题为驱动，以一系列活动为载体，促进学生将知识转化为能力，实现真实情境下复杂化学问题的解决。教学流程如表1所示。

4 项目实施

任务1：蔗糖与浓硫酸反应实验装置的改进和反应条件的优化。

学生深入思考，初步设计方案，经过讨论改进后形成以下4种方案（图1），分析方案的优点和不足（表2）。

【教师启发】根据方案4设计的实验装置在实验过程中又暴露出新问题：该装置是一个封闭体系，反应放出大量热，使得气压过大，容易将橡皮塞冲出，造成危险。通常减小压强可以通过扩大容器体积、减少气体的量或者降温等方法来实现^［1］，请思考哪种方法比较可行？

【学生活动】思考并讨论，扩大容器不可行，违背了微型化实验的初衷，降温会使蔗糖与浓硫酸反应现象不明显。可以尝试在干燥管中放入碱石灰来吸收SO₂和CO₂等气体以达到减压目的。通过实验发现压强明显减小，但是锥形瓶底部直径较大，“黑面包”现象不明显，且蔗糖和浓硫酸用量较大，浪费试剂。由于锥形瓶上口小，反应残渣难清理，实验仪器几乎不能二次使用。

【教师启发】要现象明显、微型、方便清洗，这样的实验仪器实验室几乎很难找到，请根据实验需求设计定制实验仪器。

【学生活动】经过思考与讨论，设计出定制实验仪器草图。设计的装置是一个内径相对较小且上下均匀的圆柱形玻璃仪器（图2）。在保证实验现象明显的前提下，既节约了试剂，又解决了仪器难以清洗的问题。学生还设计了T形玻璃棒解决了直形玻璃棒在封闭体系中搅拌效果不佳的问题。三通阀方便控制气体的收集，避免气体泄漏污染空气。根据参考文献中提供的蔗糖与浓硫酸用量^［2］，再综合考虑在仪器上方方便放置注射器和干燥管等因素，初步确定了定制玻璃仪器的规格（高12.0 cm，直径4.5 cm）。

【学生活动】参考文献推荐试剂用量的最佳配比：10.0 g蔗糖，7.5 mL浓硫酸，20滴水，结合定制的实验仪器在试剂用量方面继续做对比实验（表3），在控制试剂用量的同时获得明显的实验效果。根据实验结果选择蔗糖用量5 g，浓硫酸用量4.5 mL继续探究蔗糖形状对实验效果的影响，得到结论：颗粒状蔗糖搅拌时间长，基本在1 min以上，反应较慢，且热量容易散失，实验容易失败；粉末状蔗糖反应迅速，只需20 s，就可以出现明显的实验现象。

任务2：气体产物检验装置的优化。

【驱动性问题】实验发生装置、试剂用量及气体产物收集的问题基本解决，收集的气体产物该如何检验？

【学生活动】用注射器依次吸取检验液，关闭三通阀，不停摇动注射器使气体与检验液反应，出现明显现象后小心将反应后的溶液从注射器下端挤出，再继续吸取下一个检测液，以达到连续检验气体产物的效果。实验证明该方法操作简便、效果明显。

任务3：探究气体产物中是否存在CO。

【驱动性问题】蔗糖与浓硫酸反应的产物中会不会有CO，如果有该如何检验？

【学生活动】通过查阅文献了解到氯化钯可以检验CO，有明显的黑色沉淀现象，但是氯化钯价格昂贵不易获得。另有文献指出银氨溶液可以将CO氧化，生成黑色的银单质，有明显的实验现象。结合文献和已掌握的气体相关化学性质，设计出气体产物检验方案如表4所示，按照实验方案完成所有气体产物的检验。

【驱动性问题】检验CO₂后残留的澄清石灰水会不会和银氨溶液反应，干扰CO的检验？

【学生活动】单独设计澄清石灰水与银氨溶液反应的实验，发现两者混合并没有明显的实验现象，说明澄清石灰水并不会对银氨溶液检验CO造成干扰。实验完成后向反应装置内注入氢氧化钠溶液吸收CO₂和SO₂，剩余极少量CO置通风橱统一排放。

任务4：对设计的实验仪器进行二次开发利用。

【教师启发】根据这套装置的特征，还可以用它来完成以前做过的其他实验吗？

【学生活动】结合装置的特点和以前学过的实验，设计适合该仪器的实验方案如下：①氯气制备及性质检验；②氨气制备及性质检验；③探究温度、浓度、催化剂等对化学反应速率的影响；④盐酸分别与碳酸钠和碳酸氢钠的对比反应；⑤铜片与浓、稀硝酸的反应；⑥二氧化硫制备及性质检验；⑦物质溶解时的吸热放热现象；等等。

5 项目教学反思及建议

本项目以课堂上学生的真实问题为导向，以解决问题为目的设计了一系列真实任务。学生置身其中，将“蔗糖与浓硫酸反应的实验改进”总任务拆解为4个具体的子任务。既符合认知逻辑，又能层层递进地解决问题，有利于形成化学实验改进的系统思维，发展证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等核心素养。

5.1 敏于发现，明确项目任务

在日常教学中，化学教师要留心观察与思考，捕捉有意义的、适于实验探究的项目问题，并通过进一步加工确立项目问题情境的框架与呈现方式，以启发性和结构化的问题要素作为学生项目式实验学习的行动指南。

5.2 启发思考，形成项目方案

教师要给予学生充分的空间深度参与实验问题的分析及实验方案的设计与改进，通过积极思考与自主建构形成项目问题的解决方案。教师也要在学生的认知和思维出现障碍时给予相应的指导和点拨，从而保证项目式实验教学的效率与质量。

5.3 鼓励实践，达成项目目标

在项目实践过程中，要鼓励学生通过实践检验方案的有效性与合理性，并通过对实验现象及数据的分析获得准确的实验结论，进而形成正确的科学认知。引导他们在实践中融入对反应原理、装置原理和操作原理的深入思考，不断调整与完善，最终高质量地达成项目目标。

参考文献

[1] 何婧，乔金锁，刘延华.蔗糖与浓硫酸反应实验的改进及反应产物的定性检测［J］.化学教学，2017（06）：60-62.

[2] 王建平.二氧化碳气体一体化装置的设计及应用［J］.实验教学与仪器，2019，36（09）：51-53.

基金资助

贵州省教育科学规划课题“新教材背景下高中化学项目式学习实践研究”(2021B285)