第七章第三节创新实验：基于数字化技术的乙醇的催化氧化一体化实验 教学设计 2023-2024学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

人教版（2019）高中化学必修二第七章第三节创新实验：基于数字化技术的乙醇的催化氧化一体化实验说课 一、使用教材 （一）教材分析 本节课选取人教版（2019）高中化学必修二第七章有机化合物第三节乙醇与乙酸第一课时中的实验：乙醇的催化氧化。乙醇催化氧化是中学化学经典实验，人教版、苏教版、鲁教版均有涉及。在人教版化学必修二实验教学中，通过观察铜丝前后的变化以及嗅闻气味达到对产物的检验。 （二）学情分析 学生在初中以及日常生活中，对乙醇有着或多或少的了解，但很难从微观角度认识乙醇。学生已经学习了烃类有机物，但容易官能团与有机物的性质割裂开来，不能深刻认识到官能团决定化学性质；局限于单一方面认识事物，不能从多方面认识世界；科学探究、逻辑思维、证据推理能力等化学学科素养亟待发展。 （三）课标分析 高中化学课程标准中明确要求： （1）结合定性实例认识官能团与性质的关系，知道氧化、加成、取代、聚合等有机反应类型，知道有机化合物之间在一定条件下是可以转化的。 （2）提倡采用观察实验现象、联系生产生活实际、归纳总结等策略对典型的有机化合物的结构、性质及应用进行教学。 （3）鼓励教师运用信息技术提高课堂教学效率与质量，强化信息技术与化学教学的深度融合。 二、实验器材 （1）定性角度：学生改进教材实验 实验仪器：注射器、硬质玻璃管、试管、酒精灯、铁架台、烧杯 实验药品：铜丝、无水酒精、粘有无水硫酸铜粉末的棉花、银氨溶液 （2）定量角度：数字化实验探究乙醇的催化氧化 实验仪器：注射器、烧杯、泡沫板、苏维尔智能数字实验盘、氧气传感器、多媒体电子白板一体机、酒精灯、坩埚钳 实验药品：铜丝、无水乙醇 三、实验创新要点 （1）实验数字化。使用传感器灵敏测出空气中氧气的变化曲线，将探究实验定量化、化学反应可视化，符合学生认知规律，提升学生深度学习与数字化学习素养。 （2）实验微型化。课本中的实验是将烧红的铜丝插入乙醇中，乙醇量多。我们将其改进为使用注射器加热，操作简单，耗费药品量少耗时短，现象明显，便于进行课堂学生分组实验。 （3）实验绿色化。以课本实验为基础，引导学生创新实验，将教材实验的开放体系改为了相对封闭的体系，有效防止乙醛气体直接排放于空气中，符合绿色化的实验理念。 （4）实验一体化。从教材实验，到学生改进实验，再到数字化实验，整体设计一体化，同时使用无水硫酸铜检验是否生成水，用在后续教学糖类中出现的银氨溶液检验乙醛，使知识之间产生联系，完成对醇催化氧化反应的知识建构，同时有效发展学生批判思维、科学探究、证据推理能力等，培养学生化学学科核心素养。 四、实验原理： 2Cu＋O22CuO，CuO＋CH3CH2OHCu＋CH3CHO＋H2O 总：2CH3CH2OH＋O22CH3CHO＋2H2O 五、实验教学目标 基于对教材、学情、课标的分析，设立实验教学目标如下： （1）通过思考现有教材问题并查阅资料，设计创新实验，依据实验结果获得证据，从而推出结论，感受并建立科学探究的一般过程，培养证据推理与模型认知的能力。 （2）通过从学生完成教材实验，到自主创新实验设计，再到数字化探究乙醇的催化氧化，从定性认识过渡到定量认识，实验设计一体化，培养学生多角度认识世界，发展高阶能力。 （3）通过探究“乙醇的催化氧化”的过程，培养学生发展正确的科学态度与社会责任意识，体会绿色化学的意义。 六、实验教学内容 依据乙醇的催化氧化创新设计，见图1，从教材实验到学生改进实验，再到使用数字化技术分析，更深层次的认识乙醇的催化氧化反应原理，培养学生发展学科核心素养。 活动一 活动二 活动三 活动四 小结反思 发现问题 分组完成教材实验 查阅资料改进实验 升华应用 数字化实验分析 定性分析到定量分析 图1 乙醇的催化氧化实验教学内容 七、实验教学过程 活动一：教材实验探究乙醇催化氧化（见图2） 图2 学生分组完成教材实验 通过实验和讨论，同学们认为课本实验存在以下问题： （1） 教材实验中铜丝颜色变化明显，但乙醇本身有气味且反应生成的乙醛偏少，乙醇挥发出来的刺激性气味冲淡了乙醛的气味，因此仅通过闻气味来识别乙醛，依据不充分 （2）由于整个实验处于敞开体系之中，导致生成的乙醛扩散空气中，不符合实验安全和绿色化学的理念。 （3）仅检验产物乙醛，未验证产物水，不够全面。 活动二：一体化改进乙醇的催化氧化 图3 学生查阅关于乙醛资料 通过查阅资料（见图3），学生整理出以下信息： ①乙醛与新制氢氧化铜加热生成砖红色沉淀；可以与银氨溶液发生银镜反应；具有还原性，可以强氧化剂反应；希夫试剂与醛显紫色，与酮作用不显色。 ②无水硫酸铜与水接触，颜色会由白色变为蓝色；变色硅胶无水时呈蓝色，有水时呈粉红色 小组讨论，组装仪器（如图4）。在硬质玻璃管左端加入铜丝，右端放置粘有无水硫酸铜的棉花。点燃酒精灯，将铜丝烧制红热之后，用注射器将无水乙醇注入硬质玻璃管左端红热铜丝处。粘有无水硫酸铜的棉花检验是否有水蒸气的生成，银氨溶液检验是否有乙醛的生成。 图4 学生改进教材实验 实验结果分析如图5所示： 铜丝加热时由红色变黑，加入乙醇后由黑变红色，重复发生现象。 铜是催化剂 粘有无水硫酸铜粉末的棉花变蓝 生成了水 银氨溶液中产生银镜现象 生成了醛类物质 图5 实验结果分析 活动三：数字化实验探究乙醇的催化氧化 图6 数字化实验探究乙醇的催化氧化装置 基于数字化、微型化、绿色化教学理念，选择250ml烧杯与注射器进行实验，并用生活中常见的泡沫板保持环境密闭，如图6。连接传感器，打开分析软件，设置参数并校准。将铜丝加至红热之后，迅速放置于烧杯之中，并用泡沫板将其密封。用注射器将无水乙醇注入烧杯中，观察数据图像。 图7 时间—气中氧图像 由图7中时间—气中氧图像分析可得，用注射器在烧杯中注入乙醇后，气体中氧气的百分含量迅速减少，从20.9%降至13%左右，这说明乙醇的催化氧化消耗量氧气。 活动四：升华应用 2018年8月，全球医学顶级期刊《柳叶刀》发布了一项重磅级研究成果：即使是少量的饮酒，也会危害人体健康。 （剧毒） 乙醇 乙醛 乙酸 乙醇脱氢酶 乙醛脱氢酶 图8 乙醇在体内酶作用过程 这是由于乙醇进入人体后，乙醇会在体内乙醇脱氢酶的作用下，转换为有毒的乙醛，乙醛再从体内乙醛脱氢酶的作用下，转换为乙酸（图8）。如果体内乙醛脱氢酶活性弱，就会导致大量乙醛在体内堆积，对人体器官产生损坏，甚至导致癌症。 尾声：有同学提出，氧气百分含量的减少是否是因为乙醇受热汽化，导致总气体含量增大所造成的？请同学们课后思考讨论。 八、实验效果评价 （一）优点： （1）让学生完成已有的教材实验基础上讨论，发现问题，自主查阅资料并改进实验，发展学生的科学探究、证据推理等化学素养。 （2）使用数字化技术引导学生从多角度认识化学世界。 （3）整体实验设计一体化，从教材实验到实验改进，再到数字化实验，最后升华应用，抛出问题引发学生思考，实验设计结构紧凑，同时联系后续知识，为后续教学埋下伏笔。 （4）使用微型化、绿色化实验装置。 （二）不足： 在数字化实验中，铜丝在酒精灯火焰加热至红热之后，才迅速放置于烧杯中。可以考虑在后续实验改进中，将加热方式更换，使得整个装置保持密闭状态。比如用电阻丝自制发热装置、微型加热管加热铜丝等等。 学科网（北京）股份有限公司 $$