朱成東 孫永興 徐泓 孫影

摘要： 以海帶中碘含量測定過程中待測液反復(fù)變藍的實驗異常現(xiàn)象作為課堂生成性資源，通過引導(dǎo)學(xué)生對其進行猜想、假設(shè)和驗證組織課堂教學(xué)，從而在體驗科學(xué)探究的一般過程中，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)化學(xué)； 生成性教學(xué)； 異?，F(xiàn)象； 碘含量的測定

文章編號： 10056629（2023）07003708

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

生成性教學(xué)是指教師根據(jù)課堂中的互動狀態(tài)及時地調(diào)整教學(xué)思路和教學(xué)行為的教學(xué)形態(tài)［1］。生成性教學(xué)有賴于課堂中師生互動產(chǎn)生的生成性資源，而實驗作為化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，是化學(xué)課堂生成性資源的重要來源?！邦A(yù)設(shè)”與“生成”是一對矛盾統(tǒng)一體［2］，教科書已經(jīng)闡明的實驗結(jié)果，抑或是由學(xué)生通過已經(jīng)掌握的化學(xué)知識進行證據(jù)推理與預(yù)測得到的實驗現(xiàn)象等均可作為課堂“預(yù)設(shè)”，而在化學(xué)實驗中出現(xiàn)一些與預(yù)期的實驗現(xiàn)象不相符的異常現(xiàn)象，如顏色變化的異常等，則是課堂中的動態(tài)“生成”。教師利用異?，F(xiàn)象組織生成探究式課堂，對異?，F(xiàn)象進行猜想、假設(shè)、驗證的過程中，既能體驗科學(xué)探究的一般過程，又可發(fā)展證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等學(xué)科核心素養(yǎng)。

海帶中碘含量的測定方法眾多，如分光光度法［3］、氣相色譜法［4］，這些方法雖精確易行，但所涉及的原理和設(shè)備均超出高中教學(xué)要求和條件；我國現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海帶碘含量的測定》中所提及的碘量法雖原理簡單，但過程復(fù)雜且需要用到溴水和甲酸鈉等對人體不友好的化學(xué)物質(zhì)，因此也不適用于高中課堂教學(xué)［5］。筆者在實際教學(xué)時擬采用雙氧水做氧化劑氧化碘離子，再用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液進行滴定，從原理、安全等多個角度基本滿足課堂小組實驗的需求。但在進行預(yù)實驗時，意外發(fā)現(xiàn)變?yōu)闊o色后的待測液會反復(fù)變回藍色的異?，F(xiàn)象（如圖1所示）。查閱文獻發(fā)現(xiàn)，造成該異?，F(xiàn)象的原因在于過氧化氫氧化碘離子的反應(yīng)慢于硫代硫酸鈉還原碘分子至碘離子的反應(yīng)［6］。

現(xiàn)有“海帶提碘”“碘含量的測定”等相關(guān)教學(xué)研究［7～9］和實驗研究［10］，主要側(cè)重于探究實驗最佳條件以及以了解物質(zhì)的提取和分離方法為教學(xué)目標(biāo)的項目式教學(xué)或定量測定的STEM教學(xué)，一般忽略了雙氧水氧化碘離子，再用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液進行滴定的實驗中的“異?！爆F(xiàn)象。本研究運用該異常現(xiàn)象的生成性教學(xué)模型（如圖2），立足于“提出猜想→設(shè)計方案→實驗驗證→收集證據(jù)→得出結(jié)論→交流討論”的科學(xué)探究一般步驟，讓學(xué)生經(jīng)歷真實的科學(xué)探究歷程，培養(yǎng)嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度，以期達成對實驗中的“異?！爆F(xiàn)象能提出質(zhì)疑或新的設(shè)想，并進一步付諸探究實踐的素養(yǎng)水平［11］。

2 基于實驗異?，F(xiàn)象的生成性教學(xué)實踐

2.1 教學(xué)內(nèi)容分析

本課時選自魯科版高中化學(xué)必修第二冊第一章微項目“海帶提碘與海水提溴”，是基于該內(nèi)容設(shè)計的實驗復(fù)習(xí)課［12］?！皬暮е刑崛〉狻薄昂恹}的檢驗”是高中階段兩個重要的化學(xué)實驗，多個版本的必修教材和實驗選修教材均有涉及［13， 14］。此外，強酸與強堿的中和滴定是高中階段必做的定量實驗，對海帶中的碘進行提取與含量測定不僅是對酸堿滴定的拓展和提升，更是需要綜合運用氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)速率與限度等核心知識。因此，從知識內(nèi)容上看，該課時具有鞏固化學(xué)反應(yīng)原理、強化酸堿中和滴定實驗技能、進一步發(fā)展學(xué)生解決問題能力的功能；從學(xué)習(xí)方法上看，基于真實情境的科學(xué)探究過程可以有效地促進知識與技能的遷移，為后續(xù)開展復(fù)雜真實的實驗探究活動打下基礎(chǔ)。其教學(xué)功能歸納如圖3所示。

2.2 教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過海帶中的碘含量的測定，鞏固滴定實驗的操作技能，認識滴定實驗的重要價值。

（2） 通過實驗中異?，F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，樹立嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度，形成敢于質(zhì)疑、探索未知、崇尚真理的意識。

（3） 通過對實驗中異?，F(xiàn)象原因的探究，形成提出假設(shè)、設(shè)計方案、實驗驗證的探究思路，并運用氧化還原理論進行分析、推理，用實驗加以證實或證偽，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。

（4） 通過對實驗曲線的解釋和宏觀現(xiàn)象的分析，建立多反應(yīng)復(fù)雜體系的分析思路，初步形成從熱力學(xué)和動力學(xué)等角度分析化學(xué)反應(yīng)的意識。

2.3 教學(xué)流程

具體教學(xué)流程如圖4所示。

2.4 教學(xué)實施

環(huán)節(jié)一：發(fā)現(xiàn)異?！郎y液反復(fù)變藍

［提出問題］碘元素是人體必需的微量元素之一，健康成人體內(nèi)的碘的總量約為30毫克，攝入過多或攝入不足均會對我們的健康造成危害，加碘鹽和海帶是我們?nèi)粘z入碘的主要來源。上節(jié)課我們將海帶通過灼燒、浸泡、過濾等實驗操作，獲得了含碘離子的待測液，現(xiàn)在如何去測定海帶中的碘含量呢？

［生］聯(lián)系舊知，根據(jù)強酸與強堿的中和滴定，明確滴定法是實驗室測定未知離子濃度的一般方法。

［追問1］如何選取指示劑和標(biāo)準(zhǔn)液呢？

［思考討論］碘單質(zhì)遇淀粉溶液變藍，可以先將碘離子氧化成碘單質(zhì)，選取淀粉溶液做指示劑，再選取還原劑做標(biāo)準(zhǔn)液。

［歸納總結(jié)］含碘待測液的測定原理為：

H2O2+2I-+2H+I2+2H2O①

2Na2S2O3+I22NaI+Na2S4O6②

［小組實驗］根據(jù)實驗原理進行小組實驗（如圖5所示）。

［生1］發(fā)現(xiàn)問題：達到滴定終點時的實驗現(xiàn)象應(yīng)為藍色變?yōu)闊o色且半分鐘內(nèi)不變，但是在實驗時，待測液變?yōu)闊o色后會反復(fù)變回藍色，為什么一直達不到滴定終點？

［引導(dǎo)提問］待測液變回藍色后你是如何操作的？

［生1］繼續(xù)滴加硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液，再次讓待測液變回?zé)o色，但是很快又變?yōu)樗{色。

［追問］待測液反復(fù)變回藍色，實驗出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，同學(xué)們能結(jié)合所學(xué)的化學(xué)知識，提出合理的猜想嗎？

環(huán)節(jié)二：初步猜想——應(yīng)用氧化還原反應(yīng)模型探究異常現(xiàn)象

出現(xiàn)異?，F(xiàn)象后，教師應(yīng)充分利用該生成性資源進行教學(xué)，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主討論探究。由于造成該異?，F(xiàn)象的原因較為復(fù)雜，學(xué)生在未熟悉科學(xué)探究的一般步驟時，很難主動地提出合理猜想，這時就需要教師充分扮演好課堂引導(dǎo)者的角色，從學(xué)生熟悉的易想到的原因入手，在平等的對話中進行持續(xù)探究。

［引導(dǎo)發(fā)問］待測液藍色褪去，說明碘單質(zhì)轉(zhuǎn)化為了碘離子，那藍色恢復(fù)呢？

［生］說明碘離子又被氧化成了碘單質(zhì)。

［追問1］氧化劑是誰？

［生］錐形瓶為敞口容器，溶液接觸氧氣。提出猜想一：待測液反復(fù)變藍是因為碘離子被空氣中的氧氣氧化。

［追問2］如何設(shè)計實驗進行驗證呢？

［小組討論］可以向滴有淀粉溶液的含I-待測液中鼓入空氣，觀察溶液是否會變?yōu)樗{色。

［評價實驗方案］方案巧妙可行，但是待測液中依然需要加入等量的酸進行酸化。

［小組實驗］實驗現(xiàn)象：打開充氣泵開關(guān)，待測液始終保持為無色（如圖6所示）。得出結(jié)論：空氣中的氧氣很難在短時間內(nèi)氧化碘離子，猜想一為錯誤猜想。

［追問3］反應(yīng)體系中是否還存在其他氧化劑呢？

［交流思考］滴定前，待測液中加入了過量的H2O2溶液，提出猜想二：待測液反復(fù)變藍是因為碘離子被過量的H2O2氧化了。

［追問1］如何設(shè)計實驗驗證呢？

［交流討論］可以向滴有H2SO4溶液和淀粉溶液的待測液中加入少量H2O2溶液再滴定，進行對比實驗。

［評價實驗方案］待測液中的碘離子含量未知，如何確保H2O2溶液為少量呢？

［定量實驗］在試管中加入兩滴管0.1mol/L KI溶液，經(jīng)硫酸酸化，滴加淀粉溶液做指示劑后僅僅加入1滴0.2mol/L H2O2溶液進行氧化，從而確保過氧化氫的量為少量（如圖7所示）。

［小組實驗］實驗現(xiàn)象：變?yōu)闊o色后的待測液會再次變藍。得出結(jié)論：過量的H2O2不是造成該異常現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。

［得出結(jié)論］猜想二為錯誤猜想。

環(huán)節(jié)三：深入探索——化學(xué)反應(yīng)的速率和限度對異?，F(xiàn)象的影響

利用氧化還原反應(yīng)原理進行了兩次猜想與假設(shè)后，學(xué)生已經(jīng)熟悉了科學(xué)探究的一般步驟，這時只需從化學(xué)反應(yīng)的限度入手稍加引導(dǎo)，學(xué)生便可自主生成新的猜想，隨后再利用實驗證據(jù)逐漸過渡到反應(yīng)的速率角度，讓探究活動與學(xué)生的思維生成始終保持一致，課堂的生成性在該環(huán)節(jié)中也得到較大程度的體現(xiàn)。

［引導(dǎo)］大家能否再提出新的猜想與假設(shè)，思考什么情況下溶液中會始終存在碘單質(zhì)？

［生1］提出猜想三：有沒有可能過氧化氫與碘離子的反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)，即：

H2O2+2I-+2H+I2+2H2O

［生2］若為可逆反應(yīng)，溶液中始終存在I2，滴加Na2S2O3，溶液不會變?yōu)闊o色。

［追問］如何判斷一個反應(yīng)進行的程度？

［生3］可以利用平衡常數(shù)的數(shù)值來進行判斷。

［提供資料］該反應(yīng)的平衡常數(shù)約為1×1042。

［得出結(jié)論］猜想三為錯誤猜想。

［啟發(fā)思考］課前，進行了如圖8所示的實驗，待測液放置12小時后再進行滴定，異?，F(xiàn)象就消失了，這是為什么呢？

［生1］說明反應(yīng)①的時間長短對滴定過程有一定的影響。

［追問1］反應(yīng)時間的長短又取決于什么？

［生2］化學(xué)反應(yīng)速率。

［追問2］化學(xué)反應(yīng)速率是否會對該異?，F(xiàn)象造成影響呢？請大膽猜想。

［交流討論］從化學(xué)反應(yīng)速率的角度思考，提出猜想四：造成異?，F(xiàn)象的可能原因是H2O2氧化I-的反應(yīng)比Na2S2O3還原I2的反應(yīng)慢，因此在滴定的過程中不斷產(chǎn)生新的I2，故溶液會再次變藍（如圖9所示）。

［提問］如何驗證反應(yīng)①在滴定的過程中是持續(xù)進行的慢反應(yīng)呢？

［交流討論］很難根據(jù)宏觀實驗現(xiàn)象進行判斷。

［教師引導(dǎo)］我們可以引入氧化還原電勢傳感器（ORP），去測定滴定過程中的電勢變化，進而通過曲線變化趨勢探尋反應(yīng)的微觀本質(zhì)（實驗裝置如圖10所示）。

［預(yù)測］已知氧化性物質(zhì)的電勢值高于還原性物質(zhì)的電勢值，如果猜想四為正確猜想，請預(yù)測曲線變化趨勢。

［觀察］預(yù)測結(jié)束后，注意觀察燒杯內(nèi)溶液顏色變化和曲線變化（曲線變化如圖11所示）。

［解釋］構(gòu)建四重表征（如圖12所示）。滴定前，燒杯中溶液為藍色，打開雙閥滴液管滴加硫代硫酸鈉，曲

線立刻呈現(xiàn)下降趨勢，溶液也由藍色變?yōu)闊o色；恰好變?yōu)闊o色后，關(guān)閉雙閥滴液管，曲線又呈現(xiàn)上升趨勢，溶液也恢復(fù)為藍色。重復(fù)實驗操作可以觀察到相同的宏觀現(xiàn)象和曲線變化。

［提問］曲線在下降和上升的過程中，溶液中的離子分別發(fā)生怎樣的化學(xué)變化？

［生1］碘單質(zhì)具有氧化性，其電勢值較高，曲線下降，說明是碘單質(zhì)被還原為碘離子；相反，曲線上升則說明是具有還原性的碘離子又被氧化成碘單質(zhì)。

［追問1］關(guān)閉雙閥滴液管后曲線上升的趨勢重復(fù)出現(xiàn)，說明什么？

［生2］說明H2O2與I-的反應(yīng)確實在滴定的過程中持續(xù)進行著。

［追問2］為什么a點的電勢值始終高于c點和之后的每一個曲線頂點呢？

［生3］因為滴加了硫代硫酸鈉，相當(dāng)于稀釋溶液，溶液中各溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度都會降低。

［生4］因為a點為滴定起點，滴定前溶液靜置的時間長，所以此時溶液中的碘單質(zhì)含量高，電勢值就高；而b與c之間的時間間隔短，H2O2與I-的反應(yīng)速率可能較慢，因此c點溶液中的碘單質(zhì)含量低，電勢值就低。

［評價升華］我們需要從多個角度認識化學(xué)反應(yīng)，特別是要從化學(xué)反應(yīng)速率的角度對實驗現(xiàn)象進行解釋。

宏觀現(xiàn)象曲線表征符號表征微觀表征

過氧化氫在不斷緩慢地氧化碘離子：H2O2+2I-+2H+I2+2H2O溶液中部分碘離子被氧化為碘單質(zhì)，到達波谷前溶液中含有：I-、 I2

碘單質(zhì)被還原：2Na2S2O3+I22NaI+Na2S4O6

碘單質(zhì)被還原速率大于碘離子被氧化速率，所以波谷位置溶液中僅含有：I-

剩余碘離子繼續(xù)被氧化：

H2O2+2I-+2H+I2+2H2O碘離子被氧化為碘單質(zhì)，波峰位置溶液中含有：I-、 I2

［設(shè)問］那如何進一步驗證H2O2與I-的反應(yīng)速率就很慢呢？可以直接測定H2O2與I-反應(yīng)過程中的電勢變化，曲線如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)2小時后電勢還有上升的趨勢，說明該反應(yīng)確實很慢。

［提問］那如何設(shè)計實驗表征Na2S2O3與I2的反應(yīng)很快呢？

［生］依然可以測定反應(yīng)過程的電勢變化，觀察電勢曲線趨于平穩(wěn)所需的時間。

［引導(dǎo)］大家還可以將待測液直接倒入硫代硫酸鈉溶液中，觀察現(xiàn)象。

［小組實驗］如圖14所示，實驗現(xiàn)象：幾乎在倒入的瞬間，藍紫色就會消失。實驗結(jié)論：說明反應(yīng)②的速率遠遠大于反應(yīng)①。

［總結(jié)］通過宏觀現(xiàn)象和曲線斜率等多種途徑，讓化學(xué)反應(yīng)速率可視化，最終得出結(jié)論：碘含量測定中被測液反復(fù)變藍的異?，F(xiàn)象是因為反應(yīng)①與反應(yīng)②速率相差過大導(dǎo)致的。同學(xué)們課下還可繼續(xù)探討造成該異?，F(xiàn)象的其他可能原因。

環(huán)節(jié)四：拓展升華——如何精確地測定海帶中的碘含量

［提問］既然H2O2做氧化劑有這么多的弊端，還是造成該異?，F(xiàn)象的主要原因，我們能否更換氧化劑進行實驗?zāi)兀?/p>

［生］交流討論，選取其他常見的氧化劑，如KMnO4等。

［總結(jié)］如圖15所示。

［課后作業(yè)］請大家課后查閱文獻，找到國家制定的海帶中碘含量測定的標(biāo)準(zhǔn)，思考不同氧化劑對碘含量測定的影響。

3 教學(xué)反思

我們在教學(xué)中充分挖掘過氧化氫“碘鐘”實驗的教學(xué)資源，以測定海帶中碘含量為情境，利用學(xué)生分析多反應(yīng)復(fù)雜體系的實驗結(jié)果時習(xí)慣性地僅從熱力學(xué)視角進行分析，使之實驗現(xiàn)象與學(xué)生認識產(chǎn)生沖突，順勢引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)從動力學(xué)視角進行探究，并運用其生成性特點來發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)。對本節(jié)課的生成性教學(xué)實踐具體反思如下。

3.1 生成性教學(xué)需要合理的預(yù)設(shè)

精心預(yù)設(shè)可以為動態(tài)生成“保駕護航”——保證生成性資源的合情、合理和有效［15］。如果把異常實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生看作為“合情”，那么對異常實驗現(xiàn)象的持續(xù)探究過程則需“合理和有效”，這種“合理”是建立在教師前期的實驗研究之上的。本文用過氧化氫氧化碘離子，再用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定碘，從而確定碘含量，是中學(xué)常見的碘含量測定的一種方法。在實驗室重現(xiàn)該實驗時發(fā)現(xiàn)該異常現(xiàn)象，對此進行深入的探究；再將整個探究過程濃縮成一節(jié)基于實驗現(xiàn)象異常的生成性探究課。因而異常實驗現(xiàn)象的生成性教學(xué)需要教師經(jīng)常在實驗中“備課”，才能把握住實驗課中生成性教學(xué)的預(yù)設(shè)機會。

3.2 生成性教學(xué)更需關(guān)注學(xué)生的真實表現(xiàn)

生成性教學(xué)中學(xué)生的表現(xiàn)行為是個性的和未知的，學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展往往就體現(xiàn)在各種課堂表現(xiàn)之中，因此需要不斷地關(guān)注學(xué)生在復(fù)雜情境中的活動表現(xiàn)，注重“教學(xué)評”一體化理念的落實。如用硫代硫酸鈉滴定碘的實驗中反復(fù)出現(xiàn)藍色的異?，F(xiàn)象，對學(xué)生的認知產(chǎn)生較大沖突，學(xué)生的驚訝、疑惑等真實表現(xiàn)都體現(xiàn)了學(xué)生對探索未知的渴望。對異常現(xiàn)象原因的探究中，教師關(guān)注學(xué)生提出的猜測、實驗方案，以判斷學(xué)生的思維水平；用數(shù)字化實驗做出曲線后，關(guān)注學(xué)生對曲線的解釋，以判斷學(xué)生對問題本質(zhì)的理解能力和對異?；瘜W(xué)現(xiàn)象的解釋能力。

3.3 生成性教學(xué)能夠有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識

課堂以師生之間的平等互動為基礎(chǔ)，生成性教學(xué)則更加關(guān)注師生在課堂中由高質(zhì)量互動產(chǎn)生的一系列具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，由師生對話引發(fā)的“設(shè)計—實驗—再設(shè)計—再實驗”的課堂經(jīng)歷使得學(xué)生的“生成”能力不斷提高。如此一來，生成性教學(xué)對發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等素養(yǎng)的價值不斷得到體現(xiàn)。如本節(jié)課對實驗異?，F(xiàn)象原因的探究是先通過對學(xué)生提出的“空氣中氧氣的氧化、過量過氧化氫氧化”等猜想進行證偽探究，然后從化學(xué)反應(yīng)速率視角對其進行證實探究，以此培養(yǎng)學(xué)生基于實驗事實對猜想進行論證，在證偽中勇于創(chuàng)新的精神。在證偽與證實過程中不斷地設(shè)計方案、運用實驗進行探究，以此來培養(yǎng)學(xué)生堅韌不拔、持之以恒的學(xué)科素養(yǎng)和能力。

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［15］吳玲， 郭孝文. 有效教學(xué)： 讓課堂生成與課前預(yù)設(shè)互動共生［J］. 中國教育學(xué)刊， 2007， （11）： 52～54.