高中化學(xué)應(yīng)加強實驗定量意識與能力的培養(yǎng)——對實驗中反應(yīng)物不定量現(xiàn)象及其影響調(diào)查后的思考

王永忠 吳 星

（1張家港市樂余高級中學(xué) 江蘇 張家港 215621；2揚州大學(xué) 江蘇 揚州 225000）

對化學(xué)實驗進行定量研究的思想與方法對化學(xué)科學(xué)的發(fā)展具有里程碑式的意義。古代經(jīng)驗化學(xué)之所以能上升為科學(xué)的化學(xué)，其中一個重要的原因，是采用了天平等衡量器具和數(shù)學(xué)的推論，如拉瓦錫通過對物質(zhì)燃燒實驗的定量研究，建立了氧化學(xué)說，發(fā)現(xiàn)了“質(zhì)量守恒定律”；道爾頓、阿伏加德羅在對氣體反應(yīng)實驗定量研究的基礎(chǔ)上，提出了近代原子、分子學(xué)說，宣告近代化學(xué)科學(xué)的誕生。煉丹術(shù)在公元前二世紀(jì)時就已在中國產(chǎn)生，比歐洲早了上千年，但為什么我國煉丹術(shù)歷經(jīng)千年仍然只停留在經(jīng)驗化學(xué)階段，主要原因是中國的煉丹家常常缺乏數(shù)學(xué)的素養(yǎng)，對實驗的定量研究意識與能力不足，一直未能發(fā)現(xiàn)物質(zhì)間的數(shù)量關(guān)系規(guī)律，這就是中國煉丹家不能把古代化學(xué)發(fā)展成為科學(xué)的化學(xué)的重要的原因［1］。在近現(xiàn)代，稀有氣體、同位素、放射性元素、有機化學(xué)等一系列重大的化學(xué)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)展都是對實驗進行嚴(yán)格的定量研究的結(jié)果，可以說，沒有對實驗的定量研究就沒有化學(xué)科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展，“我們依靠的是嚴(yán)格的實驗”，拉瓦錫的話可謂一語中的。

但在中學(xué)化學(xué)教材和實際教學(xué)中，卻存在著一些藥品用量、濃度的隨意性。這雖然和中學(xué)化學(xué)實驗的定量要求不高有關(guān)，但這種隨意性卻有可能損害化學(xué)的科學(xué)性，也使實驗的成功率大大降低，對培養(yǎng)學(xué)生全面、科學(xué)地認(rèn)識化學(xué)不利，對培養(yǎng)學(xué)生的研究意識不利。例如，向高錳酸鉀酸性溶液中通入乙烯氣體隨著H2SO4、KMnO4濃度的不同會出現(xiàn)多種現(xiàn)象，研究表明，該實驗中的高錳酸鉀酸性溶液以0.5%的溶液和10%的H2SO4溶液按體積比4∶1混合，褪色現(xiàn)象最明顯［2］。 “實驗，實際上是條件控制下的觀察”［3］，只有對化學(xué)實驗的條件（物質(zhì)的濃度、用量等是實驗條件的重要組成部分）進行嚴(yán)格有效的控制，才能獲得科學(xué)事實，取得科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

一、中學(xué)化學(xué)教材演示實驗中的非定量情況

筆者對2002年人民教育出版社出版的 《全日制普通高中教科書·化學(xué)》（共三冊）（以下簡稱人教版）與江蘇教育出版社2005年出版的 《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)》中的《化學(xué) 1》、《化學(xué) 2》、《有機化學(xué)基礎(chǔ)》、《化學(xué)反應(yīng)原理》（以下簡稱蘇教版）的實驗教學(xué)內(nèi)容進行了分析、比較。

表1 兩種版本教材演示實驗中含未定量內(nèi)容統(tǒng)計

分析上述兩表中的數(shù)據(jù)可知，兩種版本教材演示實驗的非定量描述特點相近，主要是對溶液濃度、液體體積、固體質(zhì)量這三個方面，多用“一些、少量、一小段”等來說明物質(zhì)的用量，用“濃、稀”等來說明物質(zhì)的濃度，甚至不指明濃度或用量。

為什么教材中會出現(xiàn)這么多非定量的描述呢？主要有兩種原因：（1）大部分的非定量描述的實驗是因為反應(yīng)物的用量多少 （在相對較大的合理范圍）對實驗本身和現(xiàn)象并無明顯影響，可能會因?qū)嶒炚呤褂玫姆磻?yīng)容器的不同而有所不同。（2）對某些未指明用量的藥品有一些約定俗成的規(guī)則。在人教87版的初級中學(xué)化學(xué)教材中對如何取用沒有說明用量的藥品作出過規(guī)定：“應(yīng)該取用最少量：液體用1~2毫升，固體只要蓋滿試管底部。”（不知何種原因，在現(xiàn)行教材中刪去了上述規(guī)定）因此教學(xué)者應(yīng)該在實際教學(xué)中針對具體情況對教材實驗的非定量部分進行合理范圍的定量。所以教材中大多數(shù)非定量描述的實驗是為了避免學(xué)生學(xué)習(xí)時過于僵化和呆板，避免造成不必要的限制，并非對反應(yīng)物的用量沒有要求。教師應(yīng)明確認(rèn)識這點，并在教學(xué)中滲透“定量”的概念。

表2兩種版本教材的演示實驗中非定量內(nèi)容的分類統(tǒng)計

二、高中生化學(xué)實驗定量意識與能力的調(diào)查分析

本調(diào)查分別從江蘇的蘇南、蘇中、蘇北三個地區(qū)抽取了張家港市、如皋市、灌云縣三個地區(qū)的各一所學(xué)校的一個班進行了調(diào)查，共發(fā)放問卷190份，回收190份，其中有效問卷182份。

研究材料為自編的《高中化學(xué)實驗定量化現(xiàn)狀調(diào)查問卷》，該問卷測試前請化學(xué)教育專家和中學(xué)化學(xué)教師進行了分析和修改。

1.高中生對化學(xué)實驗藥品定量的基本認(rèn)識

表3 高中生對實驗定量的基本認(rèn)識統(tǒng)計

由表3可知，高中生對定量化學(xué)實驗對化學(xué)科學(xué)發(fā)展的突出貢獻缺乏基本的認(rèn)識，只有54.95%的被調(diào)查者意識到在化學(xué)實驗中嚴(yán)格控制物質(zhì)的用量主要是由于實驗本身的需要，還有21.98%的被調(diào)查者不知道哪些屬于實驗條件。高中生對化學(xué)實驗條件尤其是物質(zhì)用量對化學(xué)實驗的重要作用認(rèn)識不夠清晰，實驗定量意識比較薄弱，在實驗操作中表現(xiàn)為對藥品隨意取用的情況比較普遍（具體見表4），這必然導(dǎo)致學(xué)生做實驗的隨意性和實驗結(jié)果的不準(zhǔn)確性，化學(xué)實驗隨之也就很容易失去它應(yīng)有的功能。值得關(guān)注的是，還有一些學(xué)生反映未親手做過實驗，這說明還有少部分學(xué)校對實驗的重視程度還有待提高。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行高中化學(xué)教材及實驗教學(xué)中的大量非定量化處理或重視不足是造成高中生化學(xué)實驗定量研究意識不強的主要原因。

2.化學(xué)實驗藥品的非定量描述對學(xué)生實驗操作的影響

調(diào)查題1：中學(xué)化學(xué)教材中有下列實驗：取兩支試管，分別加入少量NH4Cl、KCl溶液，再各滴入幾滴AgNO3溶液和稀硝酸，觀察實驗現(xiàn)象。請根據(jù)你的理解填寫下表。

試劑 溶液濃度（mol/L） 溶液用量（mL）NH4Cl溶液KCl溶液AgNO3溶液

調(diào)查題2：中學(xué)化學(xué)教材中有下列實驗：在一支試管中加入一小段擦去氧化膜的鎂條，再向試管中加入一定量的稀硫酸，觀察現(xiàn)象。根據(jù)你的理解實驗中“一定量的稀硫酸”表示稀硫酸的物質(zhì)的量濃度為mol/L，體積為 mL。

調(diào)查題3：中學(xué)化學(xué)教材中有下列實驗：取一支潔凈的試管，向試管中加入0.1mol/L AgNO3溶液2mL，向其中加入稍過量的Cu粉，反應(yīng)一段時間后，取上層清液于另一支試管中，再向試管中滴加0.1mol/L KI溶液，觀察實驗現(xiàn)象。如果你做這一實驗，你將加Cu粉 g，反應(yīng)時間將控制 分鐘。

調(diào)查結(jié)果表明，化學(xué)教材中的探究實驗的非定量化，給學(xué)生的實驗探究造成了很大的困難，有些實驗甚至到了無法進行的地步。具體地有以下幾個方面：

（1）學(xué)生對實驗中“藥品用量含糊性描述”不能正確理解。如對 “少量、適量、稀、濃”等模糊性描述，有68.68%的被調(diào)查學(xué)生表示不知道其確切含義。在具體實驗中大多數(shù)學(xué)生對藥品用量表現(xiàn)出隨意性、經(jīng)驗性的特點。如題1中，學(xué)生對加入“少量”NH4Cl溶液、KCl溶液的具體用量，分別有57.14%和57.69%的被調(diào)查的學(xué)生回答“不知道”，其他被調(diào)查的學(xué)生大多數(shù)認(rèn)為其溶液的體積在1~10mL之間，少數(shù)學(xué)生認(rèn)為可達(dá)50mL。

（2）學(xué)生對實驗中“未說明的試劑濃度”理解差異性很大。問題1中的“滴入幾滴AgNO3溶液和稀硝酸”，調(diào)查發(fā)現(xiàn)約57%的被調(diào)查的學(xué)生不知道取用多少物質(zhì)的量濃度的溶液，能確定其溶液濃度的學(xué)生也是給出了毫無根據(jù)的數(shù)值，如AgNO3溶液的濃度最小的為0.01mol/L，最大的為5mol/L。在對題2的回答中，學(xué)生選擇的“加入的稀硫酸的濃度和體積”相差幾十倍，答案很分散，說明學(xué)生認(rèn)識很不統(tǒng)一，有的甚至準(zhǔn)備用40mL 10mol/L的硫酸。

（3）學(xué)生對實驗中“反應(yīng)條件的含糊性描述”不能正確理解。題3中要求學(xué)生“加入稍過量的Cu粉”，加多少Cu粉可認(rèn)為是“稍過量”呢?有47.25%的被調(diào)查的學(xué)生“不知道”該取多少，其他認(rèn)為取0.0064g、0.02g、0.1g、1g、2g的學(xué)生較多，上述答案僅占被調(diào)查者的24.17%，加入最少的為0.001 g，最大的為25.6 g，這里面雖有學(xué)生計算上的錯誤，但答案如此不統(tǒng)一，并且相差很大，這樣的描述引起了學(xué)生認(rèn)識上的混亂。對該實驗中的另一個反應(yīng)條件“反應(yīng)一段時間”，認(rèn)為所需時間最短的為0.5分鐘，最長的為10分鐘，還有47.25%的被調(diào)查的學(xué)生回答“不知道”，也同樣說明了這個問題。

3.學(xué)生解決實驗問題時的定量意識

（1）學(xué)生在理解化學(xué)實驗原理時定量意識較為淡薄。

在調(diào)查問卷中設(shè)置了五個判斷題：

①將一定量的AlCl3溶液和NaOH溶液混合，會出現(xiàn)白色沉淀；

②將硝酸銀溶液與氨水混合能夠得到銀氨溶液；

③在加熱的條件下，二氧化錳與鹽酸反應(yīng)制備氯氣；

④向澄清的石灰水中通入二氧化碳?xì)怏w，最后可看到白色混濁；

⑤將氫氣、氧氣混合氣點燃，肯定會發(fā)生爆炸。

各題的正確率如表5。

表5 實驗中定量分析能力測試判斷題情況統(tǒng)計

由上表可知，高中生對這類常見的與量有關(guān)的實驗問題平均正確率僅為61.76%，說明高中生對于實驗原理中涉及定量問題的理解是很欠缺的，究其原因，教學(xué)與教材實驗中的大量出現(xiàn)的對藥品的非定量使用造成學(xué)生理解上的偏頗與僵化應(yīng)是其中非常重要的一個因素，在調(diào)查問卷的簡答題和實驗設(shè)計、評價題中，更可以明確地看到這一點。

調(diào)查問卷中設(shè)置了兩個簡答題：

（1）某同學(xué)為了制備少量的氫氧化鋁，設(shè)計了如下實驗方案：①向試管中加入0.1mol/L AlCl3溶液3mL，②向試管中滴加一定量的NaOH溶液，③振蕩試管，④過濾洗滌。在上述方案中不合理的是步驟 （填序號），理由是 ，你的改進方法是 。

（2）為了比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率的快慢，某同學(xué)設(shè)計了如下實驗：①向兩只試管中分別加入一定量的碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液，②向兩只試管中分別滴加鹽酸，③觀察并記錄生成氣體的速度。在上述方案中不合理的是步驟 （填序號），理由是，你的改進方法是 。

在對上述兩題的回答中，答案集中度很低。如（1）題中對不合理步驟的判斷，共有七種不同的答案，分別占有一定的比例。對理由的敘述中，僅有64.29%的被調(diào)查學(xué)生提到了藥品的用量問題，其中合理的答案僅占42.86%，在改進方案中，僅有2.20%的被調(diào)查學(xué)生能從濃度、體積兩方面對NaOH溶液的用量進行界定，而有54.40%的被調(diào)查者的回答中根本就未從物質(zhì)用量的角度進行或不知道該如何改進。（2）題的調(diào)查結(jié)果與（1）題相似，也僅有32.99%的被調(diào)查學(xué)生從物質(zhì)用量的角度對實驗方案作出了評價，僅有34.62%的被調(diào)查學(xué)生能從物質(zhì)用量這個方面給予了比較合理的改進方法，但無人能夠全面地從溶液濃度、體積兩方面全面地給出改進意見。

（3）在調(diào)查問卷中設(shè)置了一道實驗設(shè)計題：

某學(xué)生利用如圖所示的實驗裝置，進行實驗探究：

（1）二氧化碳?xì)怏w的制備；

（2）二氧化碳使紫色石蕊溶液變色；

（3）二氧化碳能與澄清石灰水反應(yīng)。

請完善下列實驗步驟。

（1）檢查儀器的氣密性。

（2）在漏斗A中加入_______，在試管B中加入________（3）___（4）____（5）____（6）將廢液倒入指定的容器中，洗滌并整理儀器。

對A中的藥品，有66.48%的學(xué)生寫了稀鹽酸或稀硫酸，另有31.32%的被調(diào)查學(xué)生寫了鹽酸，但無人對酸的濃度作明確的說明。對固體的選用，有92.31%的被調(diào)查學(xué)生選擇了碳酸鈣、碳酸鈉等碳酸鹽類，但無人說明該取用多少質(zhì)量的固體比較合適。對于C、D中的藥品，被調(diào)查者大多只注意溶液的順序和反應(yīng)的現(xiàn)象，而無人關(guān)注溶液濃度。78.57%的被調(diào)查者寫“在試管中放入石蕊試液”，而不是“將2~3滴石蕊試液滴加到試管的水中”。同樣的，石灰水是否用飽和的也無人作出說明。從整體的實驗設(shè)計來看，還有33.52%的被調(diào)查者給出的方案根本不可行或是不知道該怎么做。

從上述調(diào)查結(jié)果來看，很多學(xué)生掌握的只是紙面上的化學(xué)而不是實驗室中的化學(xué)，這和教材有關(guān)，更和中學(xué)實驗教學(xué)密切相關(guān)。一方面教材的實驗示例要對藥品濃度、用量盡可能進行定量，以期獲得最好的演示效果，但也應(yīng)避免過于繁瑣和僵化；另一方面在日常教學(xué)中要有意識地培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實驗定量意識，尤其要強調(diào)藥品濃度、用量對實驗原理、對操作合理性的影響，避免學(xué)生認(rèn)識上的單一和操作上的隨意；其三是要積極研究演示實驗最優(yōu)化的用量與操作，研究怎樣用最少的藥品完成實驗，把綠色化學(xué)理念落實到日常實驗中。

［1］ 張家治主編.化學(xué)史教程［M］.太原：山西教育出版社，2000

［2］ 周偉.乙烯和高錳酸鉀溶液反應(yīng)淺探 ［J］.化學(xué)教學(xué)，2004，（9）：8-9

［3］ 楊少明.中學(xué)實驗內(nèi)容改革的思路［J］.化學(xué)教學(xué)，2000，（5）：8-9

［4］ 梁英豪等編寫.初級中學(xué)課本·化學(xué)·全一冊 ［M］.北京：人民教育出版社，1987