談實驗設計的科學性和實驗操作的可行性

陳方

摘要：通過對“硫酸銅溶液中溶質的物質的量濃度的測定”中各種實驗設計方案的分析與反思，指出設計的科學性及實驗操作的可行性等方面存在的問題，并提出改進方法和建議，為教師進行實驗教學與研究提供參考和借鑒，以促進教師的專業成長。

關鍵詞：高中化學；實驗設計；科學性；可行性

文章編號：1008-0546（2017）04-0080-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.027

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準》（實驗）在第二部分“課程目標”“一、知識與技能”中有如下表述：2.獲得有關化學實驗的基礎知識和基本技能，學習實驗研究的方法，能設計并完成一些化學實驗。在第三部分“內容標準”《化學1》主題2“化學實驗基礎”中又有如下表述：5.初步認識實驗方案設計、實驗條件控制、數據處理等方法在化學學習和科學研究中的應用[1]。顯然，對于高中化學教師而言，學會設計并完成一些基本的化學實驗是必須具備的化學實驗技能。

最近參與了某地“高中化學中青年教師基本功大賽”的評委工作，其中實驗為大賽的一項內容。評委組老師出了一道實驗設計題：“根據自己的實驗設計方案，選用必要的實驗器材及試劑，按規定內容和要求對實驗進行設計并操作”（每人可進行實驗準備15分鐘，操作展示不超過40分鐘）。

實驗課題：硫酸銅溶液中溶質的物質的量濃度的測定。

要求：

1. 書寫出實驗方案步驟。

2. 按各自的實驗方案進行符合規范的實驗操作。

3. 測定結果保留兩位有效數字。

評委老師對各位參賽老師實驗設計的科學性及實驗操作的可行性、規范性和熟練程度、實驗結果的準確性等進行評判和考核（以百分制形式判分）。（具體細則略）

各位參賽老師可謂“八仙過海，各顯神通”，設計了各種各樣的方案，并各自進行操作，評委老師在考核的過程中，發現了參賽老師在實驗設計的科學性和實驗操作的可行性等方面形形式式的問題。這引發了我們的分析與反思。

二、對問題的分析與反思

各位參賽老師的實驗設計主要有以下不同的方案。

方案1. 取一定體積（各位參賽老師所取溶液的體積有異，下同）的CuSO4溶液，加熱蒸發獲得CuSO4·5H2O晶體，再將晶體加熱脫水得到無水CuSO4，稱量其質量，進行計算。

方案2.取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的2mol·L-1 NaOH溶液反應得到Cu（OH）2沉淀，過濾、洗滌并干燥，將固體移入坩堝中灼燒分解得到CuO，稱量其質量，進行計算。

方案3.取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的2mol·L-1 BaCl2溶液反應得到BaSO4沉淀，過濾、洗滌并烘干，將沉淀轉移至托盤天平（兩托盤墊有相同質量的紙片），稱量其質量，進行計算。

方案4.取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的2mol·L-1 Ba（OH）2溶液反應得到BaSO4和Cu（OH）2混合沉淀，過濾洗滌干燥，稱量其質量，進行計算。

方案5. 取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的1.00mol·L-1 KI溶液反應，得到I2單質，用1%的淀粉溶液作指示劑，用1.00mol·L-1 Na2S2O3標準溶液進行滴定，由消耗Na2S2O3溶液的體積，進行計算。【注：相關反應原理為（1）2CuSO4+4KI[=]2CuI↓+I2+2K2SO4（2）I2+ 2Na2S2O3[=]2NaI+ Na2S4O6】

評委組老師對各方案實驗設計的科學性和實驗操作的可行性等方面進行了思考與反思，達成了一些基本的共識。

方案1中：有老師認為，不易控制加熱的溫度。當加熱溫度不同時，CuSO4·5H2O分解可得到CuSO4·xH2O（x﹤5）或CuO，故不能準確得到CuSO4的質量。反思：（1）經查證，CuSO4·5H2O到216.06～288.33℃時完全失水成為無水硫酸銅，而無水硫酸銅在650℃才分解得到CuO，其間有400℃左右相隔[2]。顯然以上思考欠妥，實際上該方案是可行的，結果也相當準確。（2）該方案中得到CuSO4·5H2O晶體后，可直接稱量其質量。如考慮蒸發皿中的晶體不易轉移干凈，可先稱量干凈蒸發皿的質量，再稱量蒸發皿與晶體的質量，由此得到晶體質量。后經評委老師親自實驗，發現得到的結果是較為準確的。所以，有時看似基本且簡單的實驗方案，可能也是較科學且可行的方案。

方案2中：濾紙上的沉淀不易全部轉移入坩堝，坩堝中也有部分CuO殘留，稱量出CuO的質量偏小；若將濾紙灼燒后有灰份殘留，不易準確得到CuO質量。反思：該方案中可將濾紙改為無灰濾紙（中學階段一般不用），在坩堝中灼燒后，稱量坩堝與CuO的質量（可先稱量干凈坩堝的質量），最后再得到CuO的質量。該方案應是中學階段常用且可靠的方案。

方案3中：參賽老師想利用所得到的BaSO4相對分子質量較大的特點，減小實驗誤差。問題是：濾紙上的沉淀不易全部轉移，稱量出的質量偏小。反思：類似方案2中，可將濾紙改為無灰濾紙，將沉淀和濾紙置于坩堝中灼燒后，稱量坩堝與BaSO4的質量（可先稱量干凈坩堝質量），最后再得到BaSO4的質量。該方案也可作如下改進：可先用兩張等質量的濾紙，一張用作過濾，待將沉淀過濾、洗滌并烘干后，將濾紙和沉淀合并稱量，另一張濾紙可作稱量時的平衡用紙。后經實驗證實，實驗結果也較為準確。

方案4中：參賽老師認為，該方案與方案2、方案3相比沉淀的總質量更大，誤差更小。但由于Ba（OH）2·8H2O溶解度很小（298K時，Ksp=2.55×10-4[3]）（這與一般中學化學老師的猜想不符），所能配制的Ba（OH）2溶液濃度太小（約0.04mol·L-1，根本達不到2mol·L-1），要使溶液中Cu2+、SO42-完全沉淀，所需Ba（OH）2溶液體積較大，且沉淀顆粒小，過濾速度慢，過濾后濾液仍然渾濁，實驗操作時間較長（超過要求中的40分鐘）。反思：錯誤的實驗設計往往會使實驗操作不可行。化學實驗必須注意理論與實際相結合，那些脫離實際的“想象性實驗”只能是紙上談兵。

方案5中：該方案是高考命題中經常涉及的方案。想到該方案的老師較少，該方案在實驗設計的科學性及實驗操作的可行性及實驗結果的準確性等方面都是較為理想的。反思：定性與定量相結合是化學學習和研究中常用的學科思想。對于常見的定量實驗，如稱量、一定物質的量濃度溶液的配制、滴定（包括中和滴定及氧化還原滴定）等，應重點研究其方法與原理，還需關注實驗的準確性，對實驗進行誤差分析等。對中學階段較少涉及的配位（絡合）滴定，沉淀滴定等實驗，教師應有所了解，以進一步拓展我們的視野，豐富并充實教學資源。

三、結語

化學實驗方案設計中必須對問題進行全面的思考與分析。如：如何正確選擇實驗用品和試劑、實驗過程設計是否合理和簡潔、如何控制實驗條件、怎樣通過有關現象和有關數據得出正確結論等。通過以上案例，也為我們中學化學教師的實驗教學和實驗研究工作提供了一種思路和方法；同時，此類活動的開展對培養教師的發散思維能力及創新精神能起到很好的推動作用。

《普通高中化學課程標準》（實驗）在第一部分“二、課程的基本理念”中有如下表述：8.為化學教師創造性地進行教學和研究提供更多的機會，在課程改革的實踐中引導教師不斷反思，促進教師的專業發展[4]。我們常說：要給學生一瓢水，自己就要有一桶水。但是大家設想一下，如果自己總是那一桶水，能夠無休止的往外舀嗎？如果自己總是那一桶水，舀出來的還是活水嗎？老師需要與時俱進，在不斷的學習中汲取豐富的營養，更新自己的老舊知識，豐富并完善自己的知識結構，使自己的學識在教學過程中不斷得到提升。此外，在高中化學教學中，教師要以改革的精神搞好教學，轉變教學觀點，經常反思自己的教學活動，針對教學中遇到的實際問題開展教學研究。如：如何結合學校的實際情況開展化學實驗探究教學？如何根據具體情況設計解決化學問題的實驗方案，并予以評價和優化[5]？這也是新課程改革賦予教師的職責所在。

參考文獻

[1][4][5]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003：7-11，2，34

[2] 曹新鑫.無水硫酸銅脫水機理及硫酸銅高溫分解的熱力學研究[J].精細與專用化學品，2011（6）：31

[3] 權新軍.無機化學簡明教程[M].北京：科學出版社，2009：286