將技術素養融入科學探究與創新意識培養的教學設計

張玉娟

摘要：結合《普通高中化學課程標準（2017年版）》，以蘇教版選修模塊《實驗化學》中“水果中維生素C的測定”的教學內容為例，闡釋了基于技術素養培養學生科學探究與創新意識的教學設計。

關鍵詞：技術素養;科學探究;創新意識;教學設計;維生素C的測定

文章編號：1008-0546（2020）06-0049-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.013

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（簡稱《標準》，下同）中指出，“科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實驗活動;能發現和提出有探究價值的問題;能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗等方法進行實驗探究;勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新”。隨著科學與技術的高速發展，科學與技術的相互依存性不斷加強，現代技術在社會生產和生活中的作用和地位日益突出，技術素養已經成為人們必備的基本素養。2001年我國頒布的《基礎教育課程改革綱要（試行）》就強調將“技術”確定為一個“基礎的學習領域”，以技術素養的培養和提升為上位目標，要求學生在更加廣闊的視野下認識化學科學與技術進步和社會發展的關系，培養學生的社會責任感和創新精神。

本文以蘇教版選修模塊《實驗化學》專題六中拓展課題6-2“水果中維生素C含量的測定”的內容為教學內容，基于技術素養的角度對高中化學實驗教學進行重新審視、分析和定位，通過充分挖掘課本中的實驗，結合技術創新，幫助學生認識和初步掌握與化學相關的技術問題，使學生在科學探究過程中，創新能力與意識得到全面提升。

一、教學設計的前端分析

1.教材分析與教學設計思路

蘇教版選修模塊《實驗化學》專題六的主題是物質的定量分析，該專題以融生活和化學知識及實驗于一體的課題，介紹定量分析的一般過程、定量分析實驗方案的設計方法、常用定量分析儀器的使用方法，以及如何記錄和處理實驗數據，如何書寫物質的定量分析實驗報告等內容。“水果中維生素C的測定”是生活中有意義的化學問題，通過學生自主研究和探索讓學生感受到化學就在身邊，學化學是為了用化學解決實際問題，從而激發學生學習化學的興趣，提高科學探究能力。結合我校實際實驗條件及學生的實際操作水平，水果中維生素C（Vc）的測定方法可以選擇以數字化信息系統（DIS）為研究平臺的碘滴定法和高效液相色譜法（HPCL），通過使學生接觸現代儀器分析技術，強化學生技術意識，最終實現培養和提升學生勇于創新的技術素養的目的。

2.教學目標與核心素養水平

（1）基于已有知識和經驗解決生活中的問題，完成定性測定水果中是否有Vc的簡單實驗設計，依據《標準》提升科學探究與創新意識素養之水平2，即能對簡單化學問題的解決提出可能的假設，依據假設設計實驗方案，基于實驗事實得出結論。

（2）基于定性實驗設計的基礎進一步解決生活中的實際問題，完成半定量比較不同水果中Vc含量的實驗設計，依據《標準》提升科學探究與創新意識素養之水平3，即能在與同學討論的基礎上，完成實驗，收集實驗證據，基于現象和數據進行分析并得出結論，交流自己的探究成果。

（3）基于現代技術解決綜合性的探究課題，完成定量測定水果中Vc含量的實驗設計。依據《標準》提升科學探究與創新意識素養之水平4，即能依據文獻，提出多種探究方案，用數據、圖表等處理實驗信息，對實驗進行反思。

二、教學流程

1.定性測定

引入：在我國最新的居民平衡膳食建議指南中，水果蔬菜占據了人體每日飲食量的半壁江山。為什么水果蔬菜如此重要？在同學們的自由發言中，引出同學們熟悉的具有抗壞血病作用的Vc。

任務1：如何定性檢測水果中有Vc呢？

[資料1]根據Vc的結構，發現Vc中含有烯醇式結構。它具有極強的還原性，可以和H₂O₂、酸性KMnO₄等強氧化劑反應，也可以和FeCl₃、I₂等弱氧化劑反應。

[學生1]提供方案：可以利用酸性KMnO₄與Vc的反應檢測水果中有維生素C。因為酸性KMnO₄呈紫紅色，所以Vc能使酸陸KMnO₄褪色，現象明顯。

[學生2]提出質疑：水果中會不會有其他還原性的物質也可以使酸性KMnO₄褪色？

[資料2]查閱文獻：《探究高錳酸鉀定性檢測維生素C的影響因素》（靳飛）。文獻中指出，Vc和酸性KMnO₄反應速率最快，遠遠大于其他被測物。葡萄糖、草酸等大多數的還原劑遇到酸性KMnO₄，lmin時都沒有明顯現象，維生素B類與酸性KMnO₄在lmin時才能有明顯現象。

[教師]酸性KMnO₄確實可以作為初步檢測水果中Vc的一種方法。如果為了降低維生素B類物質對Vc檢測的影響，大家有沒有更好的方法？

[學生3]提供另一方案：以淀粉為指示劑，利用碘水與Vc的反應檢測水果中有Vc。

[實驗]取1-2mL碘水于試管中，加入幾滴淀粉溶液，溶液變藍;用滴管移取壓榨的橙汁，滴入上述的藍色淀粉與碘水混合溶液中，發現溶液藍色褪去，說明橙子中有Vc。

設計意圖：實驗探究活動要結合學生認知發展特點，引導學生根據已有知識和生活經驗、資料等做出預測和假設，設計實驗方案，引導學生對實驗方案進行自評、互評從而優化方案，順利完成實驗，基于實驗事實得出結論。

2.半定量測定

任務2：如何半定量比較不同水果中Vc含量呢？

[學生實驗]討論并實驗。用移液槍分別移取lmL碘水于兩支試管中，加入相同滴數的淀粉溶液;將壓榨的橙汁、檸檬汁分別滴入上述混合溶液中，根據藍色溶液褪色時滴人的滴數的多少比較橙子、檸檬中Vc含量的相對大小。

[學生活動]匯報、交流結果，得出結論：同體積的檸檬汁液中含有Vc的量與橙汁相近。

[學生4]提出質疑：做了兩次平行實驗，發現第二次滴入的橙汁、檸檬汁的滴數都比第一次多，但是結論不變。

[學生5]Vc在空氣中很容易被氧化，所以兩次測定的滴數會略有所不一樣。

[教師]Vc的氧化速度與pH、氧濃度及溫度等因素有關。為了防止Vc氧化，取樣后應盡快測定，也可將樣品溶在2%草酸或2%鹽酸中，低溫保存。

設計意圖：實驗探究活動應緊密結合具體的化學知識來實施，通過引導學生開展證據與推理具有學科特質的學習活動，使化學知識的學習、科學探究能力的形成與化學學科核心素養的發展有機結合起來。教學中，應引導學生通過合作進行實驗設計與探究，引導學生學會基于現象和數據對實驗中的“異常”進行反思、質疑。

3.定量測定

任務3：如何定量測定水果中Vc含量呢？

[學生活動]查閱文獻，以數字化信息系統（DIS）為研究平臺的碘滴定法和高效液相色譜法（HPCL）分別設計了兩種實驗方案，小組合作完成實驗，對實驗中的數據進行處理。

[實驗1]

（1）實驗原理：橙汁、Vc標準液中的Vc濃度之比等于消耗碘水體積之比。

（2）實驗裝置：如圖1。

儀器和藥品：計算機、LabQuest數據采集器、Ver-nier滴數傳感器（型號：VDC-BTD）、塑料滴定管、Vc標準品、2%草酸、約0.002m01·L^-1碘水、淀粉試液、橙子。

（3）實驗步驟：

①將Vc標準品溶于2%的草酸，配制0.5000mg·mL-1的Vc標準液。

②準確移取lmL Vc標準液于錐形瓶中，加人30mL 2%草酸溶液和幾滴淀粉溶液，用約0.002m01`L-1碘水溶液進行滴定（如圖1），記錄消耗碘水的體積V₁。

③用榨汁機壓榨橙汁，紗布過濾，減壓過濾，取lmL汁液于錐形瓶中，加入30mL 2%草酸溶液和幾滴淀粉溶液，用約0.002m01·L^-1碘水溶液進行滴定（如圖1），記錄消耗碘水的體積V₂。

（4）實驗記錄：VI=1.107mL、V2=1.0490mL

[實驗2]

（1）實驗原理：高效液相色譜儀（HPLC）以液體為流動相，采用高壓輸液系統，將溶液等流動相泵人裝有固定相的色譜柱，在柱內各成分被分離后，進入檢測器進行檢測，從而實現對試樣的分析。

（2）主要儀器和藥品：Perkin Elmer高效液相色譜儀（型號：Flexar）、Vc標準品、0.1%草酸、超純水、0.45um濾膜。

（3）實驗步驟：

①調試Perkin Elmer高效液相色譜儀。色譜柱：Brownlee Validated C18（5txm，150x4.6mm）;流動相：0.1%草酸;流速：1.0mL·min^-1;進樣量：10uL;檢測波長：248nm;柱溫：室溫。

②標準儲備液配制。稱取0.05000gVc，用0.1%草酸溶解、稀釋并定容到50mL棕色容量瓶中，密封保存。

③標準曲線制備。用0.1%草酸把標準儲備液逐級稀釋到0.0ug·mL^-1、40.01ug·mL^-1、80.0ug·mL^-1、100.0ug·mL^-1、160.0ug·mL^-1的標準工作液，注入液相色譜儀，測定峰面積，以進樣的Vc濃度（x）對峰面積（y）回歸分析（如圖2）。

④橙汁用布氏漏斗過濾，量取1.000 mL樣品于25 mL容量瓶中，用0.1%草酸定容搖勻，用0.45um濾膜過濾，進樣，測定峰面積，帶人線性回歸方程計算得到Vc濃度。

（4）實驗記錄：峰面積：232756.43，進樣的Vc濃度=18.94txg·mL^-1

水果中Vc含量=18.94ug·mL^-1x10^-3mg·ug-1x25=0.4735mg·mL^-1

教學意圖：《標準》中指出應精心設計學生必做實驗，適當增加數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動，讓學生在實驗探究中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值。教學中，師生共同開展了基于技術素養培養的創新實驗教學，讓學生在真實的DIS和HPLC的技術運用過程中學習技術知識、提高技術能力、養成技術理性，最終培養和提高學生創新能力。

三、設計反思

1.循序漸進，達成教學目標

從教育學、心理學的角度分析，整個設計與皮亞杰的認知發展理論和建構主義理論相契合。教學設計從學生已有的知識和生活經驗出發，引導他們討論設計實驗，從水果中Vc的定性檢測到不同水果中Vc含量的半定量比較，最后深入到定量測定水果中Vc含量，按照學生的認知發展特點，循序漸進地達成教學目標，使學生初步掌握了一些定性和定量的基本實驗方法和思路，了解了包括數字化實驗、高效液相色譜儀在內的一些儀器的原理和使用方法，使知識和實驗技能系統化、結構化。

2.以生為本，開展實驗探究

實驗探究是一種重要的實踐活動，是化學學科核心素養的構成要素之一。通過實驗探究活動，有利于學生的可持續發展。整個教學設計都是以學生為中心，使學生自覺地、主動地探索，著重學習和體驗科學研究的思路和方法，同時將化學知識的學習融合在以實驗為主的課題中，使學生主動建構實驗基本原理、方法手段及操作技能方面的有關知識。

3.技術引領，提升創新能力

高中教育要為學生接受高等教育奠基，中學實驗教學中迫切需要引入高校實驗室中的技術，促進中學實驗教學改革的方向能夠緊跟時代。DIS和HPLC的技術的引入能夠使學生以新時代科技的視角對傳統實驗教學內容進行重新詮釋，不僅實現了基礎實驗教學與前沿科學研究很好的對接，更重要的是幫助了學生體會到了科技進步對社會發展的重要貢獻，真正培養了學生對化學世界無窮無盡的好奇心，從而激發創新意識與能力。