高中化學定量實驗能力培養的教學策略

唐紅珍

摘要：實驗思維能力是化學實驗能力的核心，是“實驗探究與創新意識”素養的核心。以滬科版高二年級第十章“學習幾種定量測定方法”的三個定量實驗為載體，以“精準”為準繩，初步建立起處理定量實驗問題的一般方法和思維模型，提升對定量實驗方案的設計及處理能力。

關鍵詞：高中化學；定量實驗能力；核心素養；教學策略

文章編號：1005–6629（2017）6–0049–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

進入21世紀以來，核心素養被視為課程設計的DNA，核心素養強調的不再是知識和技能，而是獲取知識的能力，核心素養將是素質教育再出發的起點。“實驗探究與創新意識”素養是高中化學學科提出的五項核心素養之一。在我國化學學科教學傳統中，歷來重視化學實驗，化學課程對實驗教學的要求經歷了從把“實驗作為一種技能”到“實驗作為一種能力”再到新課程把“實驗作為科學探究的重要方式”“實驗能力是科學探究的必備能力”的演變[1]。化學實驗過程中，操作、觀察和思維三者始終聯系在一起，彼此相互影響、相互制約。化學實驗能力是操作能力、觀察能力和思維能力的有機結合，其中實驗思維能力是化學實驗能力的核心，更是“實驗探究與創新意識”素養的核心。

楊玉琴[2]從定量和定性兩個角度對高中生“實驗思維能力”的分析研究表明：高中生對實驗儀器和基本操作的認知能力較高，具備了對實驗事實加工和處理的基本能力，但對實驗原理的理解和運用能力還不高，實驗方案的設計和評價能力較弱。高一和高二的學生并不存在顯著性差異，高三學生明顯地高于高一和高二。隨后，余秀娟[3]統計了教師在實驗教學中促進學生不同實驗能力水平發展的教學行為所占時長，“實驗原理和實驗方案設計”占總實驗教學時長的45.7%，“化學事實的收集加工和處理”以及“實驗評價及其優化”分別占15%左右。從以上研究事實中不難發現：教師雖然把“實驗原理和實驗方案設計”的教學作為實驗教學的核心，由于大多數教師直接運用科學語言闡釋實驗原理并給定實驗方案的教學方法，其教學效果令人擔憂；同時，教師還沒有引起對實驗方案的評價及優化的高度重視，導致學生在這方面的能力尤為薄弱。

從定性的描述進入到定量的分析和計算階段，是人類對自然事物的認識越趨深刻和精確的標志。定量實驗分析是常用的化學分析方法，定量實驗是以定性實驗為基礎的研究，利用專用儀器和化學反應計量關系來分析研究對象所含成分的數量關系或性質間的數量關系，并用“數量”或“模型”描述研究結果。從定量實驗中得到有效數據是對化學原理和理論最充分的印證和說明。定量實驗的教學內容不同于定性實驗，包括實驗原理、化學計量關系、專用儀器、藥品用量、數據處理及誤差分析等內容，要順利完成定量實驗需要學生具有較高水平的實驗思維能力。

吳晗清[4]等3人對高二年級學生“定量”概念的問卷調查結果顯示：能了解“定量”和“定性”差別的學生僅占27%，大部分學生都處于不確定和不了解的狀態。筆者認為，要讓學生能直觀地感受“定量”的價值所在，首先需要積極開展定量的探究性實驗，為學生搭建“定量”學習的平臺；其次從“量”的角度出發設計實驗，以“精準”為準繩，圍繞“定什么量”、“如何定量”以及“如何精準定量”逐漸展開，讓學生在實踐活動中發現“定量”對于實驗及學科本質的重要性，主動建構“定量”概念，逐漸形成“定量”的科學思維和習慣。

2 本單元內容分析及教學價值

“學習幾種定量測定方法”的教學內容選自滬科版高二化學教材第十章，本單元分三節，共有三個定量實驗，依次包括：測量1mol氣體的體積、結晶水合物中結晶水含量的測定、酸堿滴定，因不同的實驗目的、不同的實驗對象、不同的實驗原理代表了定量測量中三種基本的實驗方法，即氣體體積法、重量法和容量法。三個定量測定的化學知識內容沒有直接的邏輯關系，科學方法也是并列的，從學生已有的知識和經驗看，學生對氣體體積法和容量法都不熟悉，相比之下重量法比較容易接受，難度不太大，學生參與度較高，更易產生成就感，從而增加進一步學習其他定量測定方法的興趣、信心，并積累一定的經驗。因此，實際教學中把“結晶水合物中結晶水含量的測定”調整為本章的第一節，第二節為“測量1mol氣體的體積”，“酸堿滴定”為第三節。

化學實驗作為一種能動的實踐活動方式，一方面是化學理論產生的源泉和檢驗標準，另一方面又需要一定的化學理論做指導。它不僅是一種感性認識過程，更重要的是一種理性思維的過程，本質上是理性思維的物化。定量實驗一直被學生視為化學學習中的難點，主要表現在遇到定量實驗問題找不到解決的思路。在選擇反應原理、選擇實驗儀器、確定實驗步驟、進行實驗數據諸方面都有困惑。究其原因，主要是沒有掌握定量實驗的一般本質、形成正確的思維順序，而且思維習慣的培養不是一蹴而就的，不可能僅通過一兩次課就完成。初步建立起處理定量實驗問題的一般方法和思維模型，不僅是本單元的教學目標，也是定量實驗的教學價值所在，可以提升對定量實驗的設計及處理能力。

3 本單元學情分析

（1）學生的知識基礎：高二學生已經具備了這三個定量實驗涉及到的化學知識，掌握并理解結晶水受熱分解的本質、金屬與酸反應產生H2、中和反應實質和酸堿指示劑變色范圍等等。這些便于為學習設計合理的認知梯度。

（2）學生的實驗基礎：高二學習已經具備一些綜合實驗的操作技能基礎，如物質分離與提純中的“海帶中提碘”和“粗鹽提純”，在“一定物質的量濃度溶液的配制”的實驗中初步理解了“精確性”對于定量實驗的重要意義。這些為定量實驗方案設計中實驗步驟的優化和操作的規范性奠定了基礎。

（3）學生的認知特征：據皮亞杰的認知發展論可知，高二學生的抽象邏輯思維趨于成熟，各種思維成分趨于穩定狀態。經過一年的學習，高二學生各種推理能力、從具體到抽象又從抽象到具體的辯證邏輯思維均得到了較好的發展。

4 教學策略

本單元教學旨在形成定量實驗的一般思維程序，作為學生解決問題的思維指導。定量實驗的理論基礎包括反應原理、裝置原理和操作原理，以“實測量”為實驗的核心，以“精準”為準繩，將三種原理進行整合，實驗方案設計的模型如圖1所示。教學中，依據“化學原理”進行“實驗方案設計”可以實現抽象思維向表象思維的轉化；再將實驗方案具體化，如設計實驗步驟、確定實驗儀器和藥品，可以實現表象思維向具象思維的轉化；在經歷了對綜合問題的解構分析之后，再從整體上認識部分的組合關系和組合方式，將理論分析和實踐經驗結合在一起，實現具象思維向抽象思維的升華。

4.1 反應原理及“實測量”的分析策略

在教學中，面對“一瓶標簽模糊的NaOH溶液，如何測定其物質的量濃度？”的問題情境時，解決這一問題的途徑并不是唯一的，為什么不用其他方法要采用書上現成告知的方法，如果不把這些“為什么”搞明白，即使通過教師的講授使學生對“酸堿滴定原理”的本身理解了，但由于學生未親歷知識是如何產生以及如何被使用的，對原理的理解停留在表面，不利于學生以后對知識的遷移內化。

案例1 “酸堿滴定”實驗原理和實測量的確定

師：一瓶標簽模糊的NaOH溶液，如何測定其物質的量濃度？若需要利用化學反應，選擇何種適宜的反應試劑？分析實驗中需要測定哪一種物理量？

生1：利用物質的量濃度的定義式c=n/V，其中n=m/M。取一定體積的NaOH溶液，蒸干溶液。實測量為NaOH固體的質量。

生2：利用化學反應：2NaOH+MgCl2→Mg（OH）2↓+2NaCl，取一定量NaOH溶液與足量MgCl溶液充分反應，采取過濾、洗滌、灼燒、冷卻、稱量、恒重操作。實測量為MgO固體的質量，根據比例關系轉化成NaOH固體的質量。

師：從實驗的精準度出發，分析、判斷上述三種方法是否可行。

生1：“粗鹽提純”就是采取了蒸干溶液后稱量固體，該測定方法的實驗精準度較高。

生2：從實驗的精準度進行考量，“結晶水合物中結晶水測定”增加了“恒重操作”這一關鍵操作，也對“過濾、洗滌”作了規范的操作要求。

師：蒸干溶液稱量固體或轉化成沉淀而稱量都屬于重量分析法，這兩種方法的關鍵操作在已學的兩個定量實驗中已經明確。

師：學生提出“用已知濃度的鹽酸測定未知濃度的NaOH溶液”的實驗測定量是消耗的已知濃度的鹽酸體積，如何提高實測量的精準度呢？

生1：提高量取鹽酸體積的儀器精度。

生2：確保鹽酸與NaOH溶液剛好反應。

設計意圖：知識的意義是學習者個人化的、深層次理解的結果。物質含量的測定方法多種，每一種測定方法都有對應的化學反應、化學計量關系及實測量。案例中引導學生從化學反應、化學計量關系兩個方面對實測量進行分析，幫助學生建立理論分析定量實驗原理的一般方法和模型，然后引導學生從實驗的精準度考量，辯證分析，選擇精確度相對較高的實驗原理作為定量實驗中操作原理和儀器原理設計的依據。實驗原理的闡釋無疑是實驗教學中的重點和難點，應該讓學生“知其然并知其所以然”。

4.2 儀器原理及專用儀器的設計策略

借助專用儀器進行測量是定量型實驗的重要手段和方法。傳統教學中大多數教師僅對儀器的用途和操作方法作簡單介紹后，通過實驗中反復練習達到熟練使用，這只是一種“實驗技能”而不是一種“實驗能力”。儀器直接影響著采集數據的精準性，如何選擇實驗儀器，將實驗誤差控制得更小、使實驗結論更準確，則是一種“實驗能力”。

案例2 “酸堿滴定”專用定量儀器“滴定管”的設計

師：可以用什么儀器來準確量取NaOH溶液和鹽酸溶液的體積呢？

生：量杯、量筒。

師：分析這兩種儀器的精準度。

生：量杯的內徑大，數據粗略；量筒的精確度隨容量而變，10mL量筒估讀至0.1mL，精確度并不高。

師：提高儀器的精準度，對儀器如何改進？

生：儀器內徑變細。

師：用內徑變細的儀器可以用來量取未知濃度的NaOH溶液，那么用膠頭滴管滴加的被消耗的鹽酸體積如何測定呢？

生：把膠頭滴管改成有刻度的。

師：該儀器具有哪些功能？

生：量取體積；滴加，需用活塞控制滴加速度和及時停止滴加。

師：畫出滿足上述條件的儀器形狀。

……

師：如何使用該儀器量取液體體積？

……

設計意圖：案例中學生勾畫出的儀器基本具備三個功能，但是如何標注刻度出現了分歧，零刻度靠近上端還是下端，教師沒有將結論直接告訴學生，而是繼續提出了“如何使用該儀器量取液體體積”，引導學生從儀器的實際使用中找到答案。化學儀器的形狀是多種多樣的，但每一種儀器的產生必然出于某種需求，而不是憑空想象而來的，這為學生今后選擇化學實驗儀器乃至設計儀器裝置提供一種思維的指向，同時，削弱書本的“權威”性為學生的創新性思維提供了可能。

4.3 操作原理及操作步驟的優化策略

操作原理是指為準確實現實驗原理采用的操作步驟和專用儀器使用要求配套的操作步驟。傳統教學中往往采用教師“全盤托出”后，再逐項分析講解操作步驟和注意事項，學生“照方抓藥”練習操作。學生主要以機械記憶記住實驗操作步驟，基本無法說清這些實驗操作步驟的必要性，更談不上隱含在實驗操作中“精準定量”這一線索。

案例3 “結晶水合物中結晶水的測定”操作步驟

師：實驗需要測定m晶體、mCuSO4粉末，請設計實驗步驟？

生：稱量晶體質量、加熱、冷卻、稱量CuSO4粉末質量。

師：提高測定量的精準度，加熱應選擇哪一種容器？

生：試管長，加熱產生的水蒸氣遇冷易聚集于試管口，水蒸氣不易排盡；燒杯耐熱溫度不高，一般不用于固體加熱；蒸發皿用于液體加熱。

師：該加熱儀器應該滿足哪些條件呢？

生：使固體分解，需要耐熱；利于水蒸氣排盡，應身短、口大。坩堝符合要求。聯想起在海帶提碘實驗中用于灼燒海帶干。

師：提高測定量的精準度，加熱時，需達到多少溫度？用哪一種熱源？

生：根據資料可知，硫酸銅晶體加熱到102℃時開始失水，150℃完全失水，650℃分解為黑色CuO。加熱溫度應控制在150～650℃。酒精燈的加熱溫度可達400～500℃，可選擇酒精燈。

師：提高測定量的精準度，加熱多長時間為宜？

生：藍色晶體變為白色粉末，不再有水蒸氣逸出。

師：外觀上變為白色粉末，能確認已完全失水嗎？

師：提供一組“硫酸銅晶體加熱過程中的外觀變化”的圖片，你看到了什么？得到什么啟發？

生：當晶體外觀變為白色時，蹍碎后，發現還有一些藍色顆粒。

生：在稱量晶體前，需對晶體進行研磨（增加了步驟“研磨”）。

師：不同個體的肉眼觀察，必然存在著誤差。只有“量化”才能達到精確。

師：提高測定量的精準度，描述“加熱”應怎樣具體操作？

生：將坩堝以45℃放在泥三角上，用酒精燈加熱，用玻璃棒輕輕攪拌，直到藍色晶體完全變成白色粉末，且不再有水蒸氣逸出。

師：獲取哪些量才能確認晶體失水完全？如何操作？

生：將稱量后的CuSO4粉末進行“再加熱、再冷卻、再稱量”，直到連續兩次稱量的質量差不超過0.001克（電子天平的最小感量）。

師：對固體再加熱、再冷卻、再稱量，直到連續兩次稱量的質量差不超過0.001克，這個操作稱為“恒重操作”。

設計意圖：學生的學習是同化、順應的認知建構過程和“平衡-不平衡-新的平衡”的認知發展過程。對于“測定m晶體和mCuSO4粉末的實驗步驟”，學生已有知識只能解決部分步驟即“稱量晶體、加熱、冷卻、稱量CuSO4粉末”，隨著“加熱需達到多少溫度？如何確認已完全失水”等問題的層層推進，學生的認知發生了沖突，激發起學生主動思考；教師的提示“提高測定量的精準度”、“量化才能精確”，幫助學生建構起新的認識，促使學生對已有的實驗步驟有所反思，適當調整乃至形成一個優化的、完整的實驗步驟。

5 實踐反思

定量實驗方案設計的思維模型在三個定量實驗的第一個課時中得到持續強化，學生的實驗設計能力在第二個和第三個實驗中不斷得到提升；而化學原理、儀器原理和操作原理在三個定量實驗中復雜性的不同，在處理各種細節中培養了學生嚴謹的科學態度。值得一提的是，每個定量實驗的第三課時的實驗誤差分析非常關鍵，是對第一課時教學內容的實踐檢驗，通過實驗數據促使學生對自己的實驗操作進行反思，有助于學生把握實驗關鍵、理解操作要領。實踐證明，通過這三個定量實驗，學生在實驗方面的學科素養得到了有效提升。

參考文獻：

[1][2]楊玉琴.化學學科能力及其測評研究[D].上海：華東師范大學博士學位論文，2012.

[3]余秀娟.基于化學學科能力的課堂診斷研究[D].上海：華東師范大學碩士學位論文，2015.

[4]吳晗清，陳萍，董素靜.化學實驗中學生“定量”概念的建構[J].化學教育，2013，（7）：70～72.