解开面包中丙酸钙的秘密

曹葵

摘    要：在食品添加剂丙酸钙的项目式教学中，教师通过构建真实生活情境的学习背景，引导学生通过查阅文献、方案讨论、实验合成和性能对比等一系列教学过程，使学生不仅对丙酸钙有了深入了解，还综合运用多种化学知识，同时使用多种实验器材进行操作，突出了实践性，有助于提升学生的学科核心素養。

关键词：项目式学习;实验教学;丙酸钙

一、项目课题的选择

项目式学习（PBL），起源于美国教育家杜威的“做中学”教育理论。1918年，教育家克伯屈在其发表的《项目教学法：在教学过程中有目的地活动的应用》中首次提到了项目学习的概念，将项目作业引入教学实践领域[1]。

对于项目式学习的概念，学界普遍认可的定义是：项目式学习是一种教与学的模式，关注的是学科的核心概念和原理，要求学生在实际问题解决、基于现实世界的探究活动以及其他的一些有意义的工作中主动学习并通过制作最终作品的形式来自主地完成知识意义的建构，以现实的、学生生成的知识和培养起来的能力为最高成就目标。以建构主义理论为指导，强调学生在真实问题情境中探究学习，希望通过这一教学模式，学生能逐步习得包括知识、可迁移技能、思维方式、价值观等在内的21世纪学生必备品格与关键能力。因此，项目式学习是适合培养中小学生核心素养的教学模式之一[2]。

丙酸钙是人们日常生活中经常使用的防腐剂，但是由于其含有钙离子，很多人将其误认为是钙强化剂。丙酸钙广泛使用在生湿面制品（如面条、饺子皮、馄饨皮、烧卖皮）、面包、糕点、醋、酱油等食品中。选择丙酸钙作为项目式学习的切入点，其一是化学课本中提到了食品添加剂的基本概念但没有后续拓展内容，本课题可以进行有效的补充拓展;其次是人们普遍对食品添加剂存在认识偏差，似乎凡是添加剂都是有害的，因受到社会传言的影响，一部分学生回避一切含有添加剂的食物，而另一部分学生则对此非常漠然，认为无所谓。本课题借此可以对学生进行有效的教育，对添加剂有更深刻的认知;第三是课本中缺少物质制备实验，尤其没有固体有机物的制备实验，学生做的绝大多数都是试管验证性实验，仅仅有乙酸乙酯制备等少数制备实验，但是也无法看到最终的纯产品，本课题可以利用制取丙酸钙进行研究，进行综合性的实验操作，对课本实验进行有效补充;第四，丙酸钙制备操作与性质对比实验简单易行，学生所具有的知识、技能储备可以胜任。

二、教学实施过程

项目课题确定后，教学主要分为四个步骤。

（一）任务分解

这个环节是教师介绍问题背景并向学生明确任务要求，紧接着分组讨论任务并进行资料查找工作。为了便于学生课前做足功课，引导学生进行充分讨论，引发猜想，再有目的地去寻找答案。

题目提前两周布置，第一个问题是丙酸钙在哪？或者说是什么食品中添加了丙酸钙？去超市的食品货架上寻找含有丙酸钙的食品，从中找规律，为什么有的食品添加丙酸钙有的不添加？

第二个问题是添加的丙酸钙起到什么作用？加入到食品中的丙酸钙一定起到关键的作用，不是可有可无的，按照中国食品标签法规的要求，食品中各种原料按照含量多少顺序排序，可以从标签中看出其在食品中的重要性。

第三个问题是丙酸钙在食品中起到重要作用，可以使用什么方法来获得这个物质？用什么原料？用什么反应条件？产品如何收集？

第四个问题是如何证明文献提出的丙酸钙的作用？如何设计一个实验，使用自己制取的丙酸钙来证明文献的说法或者是自己的猜想？

（二）设计讨论

第二周，学生根据自己的实地调查和网络检索，在课上进行简单的汇报交流。此时学生已经确认丙酸钙是防腐剂而不是望文生义的补钙剂。

讨论的重点则转向如何制取丙酸钙。根据文献和学生已知的化学反应原理，备选的含钙原料有碳酸钙、硫酸钙、氢氧化钙等常见化学试剂，还有学生根据文献提出可以使用虾蟹壳或者鸡蛋壳等含钙元素多的材料。

而反应条件，学生根据已掌握的影响化学速率的因素，则很容易得到应选用浓度大的丙酸，应选择较高反应温度的结论，为了保证反应充分进行，丙酸也应适当过量。

使用何种反应装置的争论相对较大。因为丙酸是有机物，反应装置应该选用烧杯还是使用回流装置存在分歧。一部分学生认为丙酸为液态有机物，就应该采用回流装置，而另外一部分学生则认为丙酸沸点达141℃，挥发性会比较差，没有必要使用回流装置，可以使用烧杯作为反应装置。项目式教学就是尽可能发挥学生的能动性，教师预做实验时已经探讨了这个问题，没有发现两种实验方法的明显差异，且文献中也没有提到必须使用回流装置。因此对于这个问题建议学生暂时搁置争议，通过实验结果来确定最佳的实验方法。

最后一个讨论内容就是如何才能得到产物。这个问题是很多学生没有想到的，在他们的印象中，化学反应都是完全反应，而现实中却很难存在，按照完全反应添加的物料，很可能都有剩余，如何处理这些剩余物料呢？ 学生依据自己掌握的知识提出，如果有固体剩余就过滤，丙酸剩余则采用蒸馏的方法。而问题随之而来，用蒸馏的方法分离液态有机物，根据反应原理（以碳酸钙为原料）：

CaCO3 + 2CH3CH2COOH =（CH3CH2COO）2Ca + H2O + CO2

现在是丙酸、水和丙酸钙混合，能否使用蒸馏法呢？学生分歧较大。此时教师提出一个问题，我们要得到的丙酸钙是什么状态？固体还是液体？由于产物丙酸钙是固体，蒸馏法就显得多余了。水分采用直接蒸发将是最简单有效的方法，而剩余丙酸则在丙酸钙产品析出后通过抽滤去除，但是却不能回收没有充分反应的过量丙酸，可以说各有优缺点。

（三）任务实施

讨论充分，就为实验操作节省了大量的时间，避免了很多无效的实验时间。但是项目式学习的特点就是将更多的主导权教给学生，项目式学习中“学”的本质是以学生为中心的学习，教师是学习的引领者而非权威者，逼着学生不得不相互协作以顺利完成任务。因此“意外”依然不断出现。

在第一步合成时，学生就出现了问题，如图1 a所示，使用鸡蛋壳做原料的学生发现，虽然将鸡蛋壳掰碎，但反应还是太慢，而使用碳酸钙的实验（图1b）则反应太快，大量气体产生，这些气体不像初中二氧化碳制取实验那样“听话”地溢出，而是裹挟着反应原料溢出烧杯外面，导致实验失敗。

面对互相矛盾的现象，如何相互协调，且条件一致才能进行对比。学生现场讨论，鸡蛋壳是因为块太大，要保持反应条件一致就要将鸡蛋壳掰成和碳酸钙粉末一样的大小，但是这是手工做不到的。如何解决这个问题呢？学生经过讨论找到了办法，利用研钵将鸡蛋壳研碎，虽然无法测量颗粒度是否一致，但是差异就会很小，问题解决了一个。而碳酸钙反应过快的问题通过观察，仅仅是反应启动的前半分钟非常快，而后速率就减慢，不再出现原料随气体溢出的问题，学生提出的解决方法是降低温度或者将丙酸适当稀释，通过小样测试，一组使用常温作反应条件，一组将丙酸稀释，实验证明只要将丙酸稀释1倍，就基本不会有大量气泡，产生的气泡可以通过搅拌破坏。

项目式学习的难点和乐趣就在于不断出现的“意外”。在浓缩过程中，学生已经习惯用粗盐提纯直接加热的操作方式，于是实验动作最快的学生就出现了意外，丙酸钙产物被烧“糊”。学生忽略了丙酸钙是有机物的事实，丙酸在高温下可以燃烧，如何解决这个问题？采用与粗盐提纯相似的方法，在产物中的液体要干还没有干的时候，撤掉火源，利用余热就可以避免这个现象。后面的学生借鉴这个经验，得到的固体产物外观就明显改善，呈现白色或者略显黄色。

（四）展示交流

丙酸钙合成后学生自行将产品带走，利用家里的食品在家中通过控制变量的方法进行防腐蚀实验，而后再到课堂上进行总结交流，各小组反思本组的任务完成情况，并提出进一步思考的内容。

部分学生通过家庭实验证明了丙酸钙具有优良的防腐性能[3]，但是有的学生的防腐实验因为设计有缺陷没有成功，例如有学生使用西瓜进行防腐蚀实验，却发现防腐作用不大，有学生使用紫米饭进行防腐实验，结果发现所有的样品都没有发霉，之所以出现这个异常现象，一方面在于其使用的原料有颜色，不利于观察，另一方面是没有做任何保护，北方天气干燥，米粒脱水，也导致不易变质。

学生在课上总结自己在实验中的各种收获和出现的问题，并提出改进的设想：有学生提出适当延长水浴加热时间，即充分反应，还通过水浴起到蒸发作用;有学生提出将滤液放入蒸发皿后，立即不间断地用玻璃棒搅拌，直到大部分粉末蒸干。当有少量液体剩余时，熄灭酒精灯，持续搅拌……

学生在实验中也确实发现使用鸡蛋壳做原料得到的产品防腐性能最佳，和文献的说法是一致的[4]。学生还提出自己的疑问，文献提出是鸡蛋壳中含有蛋白分解酶才使得防腐效果好，而在实验中既有强酸，又有加热，这些酶的活性还能存在吗？

讨论展示的过程中，学生分析解释了一个个实验中发现的问题，同时又提出了一个个新的问题。限于教师和学生的水平，有的问题没能解释清楚或者有争议，这也给今后的学习提供了目标与动力。

三、结束语

项目式学习没有固定的教材，学生可以通过多种渠道获取需要的资源。在项目式学习的过程中学生体验到真实社会背景的实际问题，学习是一个综合性、复杂性、实践性、开放性、体验性的过程。项目式学习作为一种培养学生综合解决问题能力的学习方式，是培养适应未来社会人才的有效手段[5]。通过丙酸钙制取和防腐实验，学生收获的不仅仅是知识，更是综合技能、学科素养的提升。

项目式学习的评价不再根据纸笔测试的分数，而是应该依据达成度、关联度、实践性、获得性四个维度进行[6]，学生在一个真实陌生的环境背景中，发掘自身潜质，做到自己的最佳状态，不奢求面面俱到，只要求突破一点，动手操作而不是纸上谈兵，实验中不怕失败，但是要从失败中找到原因。项目式学习的过程不仅仅是教师教，更是学生之间的互相教，学生的成果激励其他学生不断努力。这个过程对教师也提出了更高的要求，随时应对学生的各种预料到和没有预料到的问题，不但要及时处理实验中出现的各种异常，还要“冷静”对待学生的提问，不能过于热心地将答案直接告知学生，就如同相声中的捧哏，看似不重要，说话不多，但却是逗哏的重要助手，关键时刻的一句话就是包袱。

参考文献：

[1]胡佳怡.真实性：项目式学习的本源[J].中国教师，2019（7）：77-79.

[2]张文兰，苏瑞.境外项目式学习研究领域的热点、趋势与启示——基于CiteSpace的数据可视化分析[J].远程教育杂志，2018，36（5）：91-102.

[3]赵珂，吴道宁.丙酸钙制备条件与性能的初步研究[J].实验教学与仪器，2019，36（10）：70-71.

[4]颜薛宴，徐晓钟，阳科.鸡蛋壳制备丙酸钙的方法分析与研究[J].化工设计通讯，2018，44（4）：138，141.

[5]胡佳怡.项目式学习中“教”与“学”的本质[J].基础教育参考，2019（2）：7-10.

[6]赵玉泉，于乃佳.基于项目教学的普通高中化学实践教学[J].中学化学教学参考，2019（2）：12-14.