基于证据推理的实验教学设计与实践

摘要：分析次氯酸的漂白作用实验的教学作用以及对该实验的研究和存在的问题，设计氯气制备、干燥、漂白、尾气处理的一体化装置，应用于化学实验教学实践，基于证据进行逻辑推理，加深学生对次氯酸的漂白性的认识和理解，将证据推理渗透到实验教学中，培养学生的科学探究能力，激发学生的创造潜能，提升学生的思维能力。

关键词：证据推理;次氯酸漂白性;实验创新;教学实践

文章编号：1008-0546（2021）01-0048-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.013

一、问题的提出

苏教版《必修1》P43，实验1“潮湿氯气的漂白作用”（如图1），是氯气性质中的一个重要实验。实验探究潮湿氯气的漂白作用：真正起漂白作用的是次氯酸还是氯气，通过实验探究让学生充分认识：干燥的氯气不能使有色物质褪色，而潮湿氯气因含有次氯酸而具有漂白作用，可使有色物质褪色，干燥的氯气虽然有强氧化性，但不能使有色物质氧化而褪色[1]。该实验需要事先准备干燥的氯气[2]（如图2），由于氯气是有毒气体，无论是制取、收集还是操作中都容易造成氯气外泄，特别是学生分组实验时，氯气发生逸散，危害师生的身体健康。在常规教学中为避免氯气的危害，该实验往往改成演示实验验证，或以视频来代替，甚至有画实验、背实验的现象，这样既影响了化学实验教学价值的体现，也影响了化学教学质量的提高，更谈不上培养学生的探究思维和探究能力。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》将化学实验作为进行科学探究的重要实践活动方式，倡导开展以化学实验为主的多种探究活动，在实践中培养学生的科学探究能力，敢于质疑，勇于创新，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力，并在探究中不斷寻找充分的证据，逐步构建完善化学知识体系，将化学核心素养的培育细化到课堂教学中。

次氯酸漂白作用的探究实验对提升学生的实验探究能力有重要作用，而且对二氧化硫的漂白作用的学习有铺垫和对比作用，设计实验探究证明次氯酸的漂白性，可以培养学生仔细观察、记录现象、证据推理、理性分析的能力，显然上述装置满足不了学生深入探究的要求，教师有责任和义务，依据实验事实，引导学生分析证据和推理论证，概括出物质性质及其变化规律，提升“科学探究与创新意识”“证据推理和模型认知”等核心素养。

近年来，广大化学界同仁对该实验进行了不断改进和不同程度的优化，并取得了一定的成效。齐俊林、赵立国从简化装置，减少药品用量考虑[3]，李赛秋从减少尾气释放考虑[4]，但均没有干燥氯气，忽略了水蒸气对实验的影响;李海燕从设计密闭装置进行对比实验，但忽略了U型管两侧氯气浓度不同和有色花瓣中水分的影响，且药品用量较多，反应时间长[5];李兴等从操作方便，现象明显，绿色环保，实验趣味性，干燥氯气考虑，但步骤不算简便，装置不够简化，蘸水写字容易模糊，水蒸气蒸发对实验有一定的干扰[6];吴京谷将问题探究和实验探究融合，让学生充分体验探索乐趣，通过分析推理认识氯气的性质[7];黄翠玉等利用自制装置，提出“氯水的成分探究”的实验教学流程[8]。一线教师从不同角度进行了大量的实验改进和教学设计课例，为广大教师日常教学提供了丰富的参考和借鉴，但对于氯水成分及性质的探究主要局限于次氯酸漂白作用实验的改进、氯水中所含微粒的探究。笔者尝试将改进装置融合到教学设计中，在实验探究中搜集形成科学结论所需的证据和寻找证据的途径，基于证据进行分析推理，提高化学核心素养。

二、次氯酸漂白作用实验的创新

1.设计理念

由于氯气有毒，创新实验以装置密封性好，药品用量少，对环境无污染，氯气干燥，对比现象明显，操作简便，实验时间短为原则，以实现实验的绿色化，微型化，一体化，简便化。

2.仪器药品

双翼试管，注射器2个（20mL），橡皮塞，胶头滴管，高锰酸钾固体，浓盐酸（ 37%），红色纸条（用皱纹纸、吸水性较好），Imol/L NaOH溶液，无水氯化钙。

3.实验装置

如图3所示[9]3，其中：A为双翼试管，B、D为包裹有无水氯化钙的棉花球，C、E分别为干燥红色纸条和潮湿红色纸条，F为高锰酸钾固体，G为盛有少量浓盐酸（ 37%）的胶头滴管，H为注射器。

4.操作步骤

（1）在干燥的双翼试管左右试管中分别加入大小合适的干燥红色纸条，将其中一个红色纸条用水润湿;

（2）两翼试管上部塞一小团包裹有无水氯化钙的大小相同的疏松棉花团;

（3）用药匙取少量高锰酸钾固体（约1/8平匙）加人中间的试管中，将双翼试管固定在铁架台，用胶头滴管吸取少量（约0.5mL）浓盐酸，连接好装置;

（4）从胶头滴管中滴人几滴浓盐酸。

5.尾气处理

反应结束后，用注射器抽取容器内残余氯气，拔下注射器，迅速接上装有5mL 1mol/L NaOH溶液的注射器，推人反应容器中，轻轻振荡，直至完全吸收余氯，拔下的注射器放人盛有1mol/L NaOH溶液的烧杯中，慢慢推人NaOH溶液吸收氯气，最后拆除装置，双翼试管中残留药品倒人指定容器中。

三、基于证据推理的实验教学实践

1.环节1：创设实验情境，诱导思维

[情境]往一支装有少量紫色石蕊试液的试管中，滴加几滴氯水，溶液由紫色变为红色，最后变为无色。

[教师提问]什么物质或微粒能使红色物质褪色？

[学生]讨论，从理论上猜测，发言热烈。

[教师]总结学生提出的各种假设：氯水中具有漂白性的微粒可能是氢离子，氯离子，氯气分子，或其他微粒。

设计意图：化学实验顺应学生的“好奇、好动、好玩、好胜”的心理，刺激学生的感官，通过感性的实验现象和事实，激发学生求知欲，启迪学生思维，从情境中发现问题、提出问题、研究问题，推进教学层层深入。

2.环节2：设计实验方案，激发思维

[学生]设计实验方案，进行实验探究

探究实验：往一支装有少量稀盐酸的试管中，滴加几滴紫色的石蕊试液。

[学生]记录实验现象：溶液变红，最后未褪色，得出结论：溶液中的氢离子，氯离子均无漂白性。

[教师]使红色物质褪色的是氯分子还是其他微粒呢？

[学生]设计实验方案：将氯气通人盛有干燥的红色纸条的容器中。

[教师]引导学生思考，若红色试纸不褪色，排除了使红色物质褪色的是氯分子，那么使红色物质褪色可能是哪种微粒呢？如果要进一步探究可能是氯气与水反应生成的其他微粒，在此基础上实验方案要怎样改进呢？

[学生]讨论提出改进方案I：将氯气分别通人盛有干燥的红色纸条和潮湿的红色纸条容器中。

[教师]改进方案I采用了对照实验，有利于实验现象的比较，有没有其他因素会影响实验呢？比如氯气的浓度的大小。另外，改进方案I需要预先制备氯气，且氯气容易泄漏，最后没有进行尾气吸收，能否将氯气制备、性质探究和尾气处理在同一个装置中实现呢？

[学生]继续修改实验方案，提出改进方案Ⅱ并进行探究：往一支大试管中加入少量高锰酸钾固体，双孔橡胶塞的一孔插入装有浓盐酸的注射器，另一孔插入导管，导管一端通人盛有浓氢氧化钠溶液的烧杯中作尾气处理，将剪成大小合适红色纸条放在双孔橡胶塞两侧，一侧纸条用水湿润，纸条两端伸人试管中，塞紧橡胶塞，慢慢下压注射器活塞滴人少量浓盐酸，瞬间湿润的红色纸条褪色，干燥的红色纸条不褪色。不少学生据此现象判断：氯气分子不能使有色纸条褪色。

设计意图：以实验探究为载体，在活动中充分体现学生的主动性，通过设计方案，完善方案，实施方案，亲历实验探究的过程，学会搜寻证据，激发学生的创造性思维，把实验设计的主动权交给学生，提高学生的实验探究能力。

3.环节3：优化实验设计，创新思维

不到一分钟干燥红色纸条也褪色，学生纷纷提出疑问：干燥红色纸条褪色的原因是什么呢？对于学生的疑问，教师没有直接进行答疑，而将此问题作为新的课题引领学生继续开展深入探究。

[教师]改进方案Ⅱ中氯气是如何得到的？

[学生]高锰酸钾固体和浓盐酸制备得到的氯气中含有水蒸气。

[教师]造成氯气中含有水蒸气的可能原因是什么？

[学生]试管不干燥;纸条不干燥;浓盐酸中含有水。

[教师提问]为避免水蒸气对实验的干扰，必须保证氯气干燥，实验该如何改进？

[学生]讨论，综合考虑，优化实验方案，最后形成次氯酸漂白作用实验的创新装置（如图3）。

随后进行实验探究，挤捏胶头滴管，滴人2-3滴37%的浓盐酸，与试管底部高锰酸钾固体接触，发生反应（2KMnO4+16HCl = 2KCl+ 2MnCl2+5Cl2↑+8H2O），迅速产生氯气，注射器活塞上移约至注射器中部，氯气进入双翼试管，经过包有约19无水氯化钙的棉花球（因高锰酸钾固体和浓盐酸的用量很少，产生少量的氯气，可以充分干燥），干燥的氯气同时与干燥纸条和潮湿纸条接触，10s左右，湿润的红色纸条褪色，干燥的红色纸条不褪色，直到下课后（30min左右），干燥的红色纸条仍然不褪色。因为氯气与水反应Cl2+H2O=HCl+HClO，生成的次氯酸具有漂白性，由此推断干燥的氯气不能使有色物质褪色，而氯气与水反应生成次氯酸，次氯酸具有漂白性，使有色物质褪色。

该装置的创新之处在于除了极好地解决了氯气制备、干燥、漂白、尾气吸收在封闭体系中进行，随用随得，操作方便，符合绿色化，药品用量和废物排放量少，反应时间短，现象明显，符合微型化，巧妙地采用對照实验，干燥的红色纸条和潮湿的红色纸条分装于两翼小试管，相互没有影响和干扰，通过明显的实验现象，很容易在相似的实验对象之间（干燥纸条和潮湿纸条）区别本质上的差异，反应在同一体系中进行，采用控制变量法设置实验，既排除无关变量的影响，又增加实验结果的可信度和说服力。

设计意图：引导学生全面观察，从实验中发现问题，是学生深入探究的开始，实验的意外往往会激发学生更强的探究欲望和心理。在设计对照实验，比对实验现象的差异，分析实验现象与导致原因，寻找证据进行推理的活动过程中，学生真正明白了氯气与水反应的产物，理解次氯酸的漂白性，培养学生的实验能力、观察能力及思维能力。学生带着解决真实问题进行深入探究，更加强调课堂的生成，学生主动参与、积极合作，学生经历了实证和逻辑推理的过程，将探究活动推向高潮。

四、实践反思

中学阶段是学生思维能力与思维品质形成的关键阶段，而实验教学对培养学生的创新思维能力具有十分重要的作用。以上教学设计引导学生充分利用教材，挖掘常规实验的潜在探究价值，在教师的点拨引领下，敏于发现勇于探究，既真实完整地呈现了科学探究的过程，又通过探究过程中产生的认知冲突，促使学生产生强烈的探究愿望和要求，对实验进行改进创新，不断优化方案，寻求证据，延伸了学生的思维。

1.探究实验，培养了学生思维的严密性

以实验探究为主线，不断激发学生学习化学的兴趣，启发学生思维交互，引导学生设计实验方案，经历“提出假设一方案设计一优化实验一实施方案一寻求证据”的实验探究过程，逐步提升思维的高度。

2.改进装置，培养了学生思维的创新性

通过设计不同的实验方案，启发学生积极思考，找到解决问题的最佳方案，实验改进增强了学生的参与意识和合作精神，对反常现象不回避不含糊，培养学生尊重事实、探索真理的科学态度，增强实证意识，这恰恰也是实验结论准确和完整的前提。

3.课外延伸，培养了学生思维的开放性

课堂教学受时间、空间等客观条件的限制，往往不能完成所有实验的探究，也满足不了学生求知的欲望，为保证学生更广泛参与，我校开设了每周一次的化学实验室开放日，鼓励学生动手操作，这样的活动，既加深了学生对知识的理解，也拓展学生思维的广阔性，学生利用该装置，探究二氧化硫与品红溶液和二氧化硫与高锰酸钾溶液的反应原理，既可以对比二氧化硫与品红溶液、高锰酸钾溶液褪色速率的快慢，又可以对比褪色后的溶液加热后的变化，帮助学生充分理解二氧化硫漂白性和还原性。

化学实验是最真实的场景，基于证据推理的化学实验具有更高的科学性，从化学实验直观具体的感性认识和学生真切的过程体验，获得化学实验的全面依据，分析对比，归纳总结，帮助学生从感性到理性、从具体到抽象，理解化学反应原理，将证据分析推理植入化学实验教学，提升了学生的化学核心素养。

参考文献

[1] 陈金龙，肖明平.氯气漂白性实验的改进[J].中学化学教学参考下半月，2018（4）：61

[2] 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：化学1[M].南京：江苏教育出版社，2009：43

[3] 齐俊林，赵立国.次氯酸漂白作用演示实验的改进[J].河北理科教学研究，2011（3）：48-49

[4] 李赛秋.次氯酸的漂白作用实验的改进[J].教学仪器与实验，1997（10）：10

[5] 李海燕，新课标下的氯气漂白性质的实验改进[J].化学教育，2009（10）：68

[6]李兴，齐俊林.次氯酸漂白作用实验的新设计[J].化学教学，2018（5）：62-64

[7] 吴京谷.“证据推理”素养引领下的化学实验教学设计一以“氯水成分和性质”教学为例[J].中学化学教学参考，2019（3）：31-35

[8]黄翠玉，张贤金.“氯水的成分探究”实验装置改进及教学模式探究[J].化学教学，2019（4）：54-57

[9]袁君亚.次氯酸漂白作用实验的创新设计[J].化学教学.2020（5）：65-68，72