基于真實問題情境的實驗教學探究

［摘 要］文章基于《義務教育化學課程標準（2022 年版）》提供的情境素材，選取“測定某補鈣劑中碳酸鈣的含量”為實驗教學主題，從實驗原理的確定、影響實驗成功的因素、實驗方案的設計、實驗裝置的改進與創新、實驗探究的不斷改進、建構誤差分析模型等角度進行實驗復習教學，以期提高學生的科學精神、問題解決能力和創新意識，并為實驗教學的選題提供有意義的參考。

［關鍵詞］真實問題情境；實驗教學；碳酸鈣含量

［中圖分類號］" " G633.8" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0070-04

一、實驗教學現狀分析

在基礎教育階段，實驗教學不僅有助于學生對知識的理解和掌握，同時也是培養學生的科學精神、問題解決能力和創新意識的重要手段[1]。然而，部分教師在參加實驗教學說課比賽時，卻面臨選題困難，受限于已有改進或學校條件，難以展現真正的創新。

《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出將生命安全與健康等重大主題教育有機融入課程[2]，提倡真實問題情境與“做中學”，這為實驗教學提供了豐富的教學建議。本文以“測定某補鈣劑中碳酸鈣的含量”為例，展示從實驗原理到數據處理的全過程，旨在提高學生的科學素養和創新能力，并為實驗教學選題提供參考。

經查閱文獻發現，在中學階段與本實驗教學主題相關的文獻主要有李俊紅[3]的項目式實驗復習教學，引導學生通過實驗探究、數據處理、模型建構等三個學習任務測定碳酸鈣 D3顆粒中的鈣含量；鮑軍[4]以教材習題“胃藥中碳酸鈣含量測定”為例，引導學生設計了五種實驗方案，并給出了實驗的裝置圖，從理論上討論了實驗方案的優缺點，但未進行真實的實驗探究；蔣鵬、丁偉[5]選擇將三通管和注射器組裝成一體化實驗儀器，采用絡合滴定和測定二氧化碳體積的方法來測定雞蛋殼中碳酸鈣的含量，其中絡合滴定的分析方法在初中化學中并未出現；李小靜[6]設計了石頭紙中碳酸鈣的定性檢測和定量測定的探究性實驗，構建混合物中主要成分檢測的一般思維模型。

上述文獻均以高中學生的學情為出發點，或部分展示科學探究的過程，或僅從理論上討論實驗方案的可行性，或采用高中化學知識進行實驗探究。本文結合九年級學生的學情，以“測定某補鈣劑中碳酸鈣的含量”為例，探究基于真實問題情境的實驗教學模式。

二、教學背景

（一）學情分析

學生在新課階段已經學習了空氣中氧氣含量的測定實驗，能根據化學方程式進行簡單的計算，能夠運用簡單的裝置和方法制取二氧化碳，能觀察實驗現象、如實記錄、處理實驗數據、撰寫實驗報告，知道碳酸鹽的檢驗方法，知道壓強、摩擦力的相關知識，具備簡單地收集資料的能力；但在解決復雜的、有挑戰性的真實問題時，實驗探究、創新和誤差分析的能力仍有待提高。

（二）實驗原理

通過稀鹽酸和補鈣劑中碳酸鈣的反應，測量出生成的二氧化碳的質量或體積，進而計算出碳酸鈣的含量。

（三）教學目標

（1）能設計實驗方案，能分析實驗實施的合理性，培養嚴謹求實、敢于質疑的科學態度；（2）構建定量實驗探究的誤差分析模型，發展問題解決能力，并通過制作簡單裝置，培養創新意識。

（四）教學重難點

教學重點在于分析實驗方案的合理性，動手實驗以及構建誤差分析思路；教學難點在于自制簡易的量氣裝置。

三、教學過程

環節一：創設情境，提出問題

[資料展示]我國居民鈣的攝入量普遍較低，部分人群需要補充鈣制劑。但鈣攝入過量或不足均不利于人體健康，補鈣一定要定量而行。市場上的補鈣劑的主要成分是碳酸鈣。我們今天選擇的某品牌固體補鈣劑的有效成分是碳酸鈣，其他成分均不與稀鹽酸反應。那么如何測定該補鈣劑中碳酸鈣的含量呢？

設計意圖：選取學生熟悉的日常生活事件為切入口，讓學生體會到用化學學科知識解決真實問題的魅力。

環節二：確立原理，設計方案

[教師提問]測定補鈣劑中碳酸鈣含量的原理是什么？你能從教材中的哪些實驗得到啟發？

設計意圖：引導學生回顧教材知識，即測定空氣中氧氣的含量，二氧化碳的制取、收集和測量方法等。立足學生的最近發展區，引導學生運用已學知識解決問題。

[學生1]首先稱量一定質量的補鈣劑，將其與稀鹽酸充分反應，測量出生成的二氧化碳的質量，再根據化學方程式計算出碳酸鈣的質量，進而計算出碳酸鈣的含量。

[學生2]測量二氧化碳的體積，再由體積和質量的關系計算出二氧化碳的質量。

[教師引導]如何測量二氧化碳的質量或體積呢？各小組在設計實驗裝置時，注意探討影響實驗的因素：（1）若實驗中提供的量氣儀器量程為50 mL，請先估算出碳酸鈣的最大質量，并推算出補鈣劑的最佳取用量。（2）為加快反應速率和提高實驗的準確性，實驗前可對補鈣劑進行怎樣的處理？（3）鹽酸的濃度對實驗結果有沒有影響？（4）利用排空氣法測量體積時，可能會有哪些因素影響測量結果，如何改進？（5）利用排液法測量體積時，可能會有哪些因素影響測量結果，如何改進？（6）測量二氧化碳質量時，可能會有哪些干擾因素？

[學生活動]進行小組合作，設計出實驗裝置圖（如圖1、圖2）。

[學生活動]各小組展示實驗方案。

[學生小組1]圖1（1）設計的是測量二氧化碳質量的方案。裝置甲、乙、丙、丁的作用分別是制備二氧化碳、干燥二氧化碳、吸收二氧化碳、吸收空氣中的水蒸氣和二氧化碳。實驗步驟：實驗前檢查裝置的氣密性→打開彈簧夾，通入一段時間的氮氣，關閉彈簧夾→稱量裝置丙的質量記為[m1]→打開分液漏斗的活塞，緩緩滴入足量稀鹽酸→不再有氣體產生后打開彈簧夾，通入一段時間的氮氣，關閉彈簧夾→稱量裝置丙的質量記為[m2]。[m2]與[m1]的差值即為二氧化碳的質量。

[學生小組2]圖1（2）設計的裝置是通過測量不參加反應的雜質的質量，從而求出碳酸鈣的質量。

[學生小組3]圖2（1）采用排空氣法測量二氧化碳的體積。用注射器收集并測量二氧化碳的體積，因生成的二氧化碳中混有水蒸氣，會使測量結果偏大，所以在發生裝置和收集裝置之間連接一個干燥裝置，從而減少誤差。

[學生小組4]圖2（2）采用排液法測量二氧化碳的體積。因加入的稀鹽酸有一定的體積，會使測量結果偏大，所以在分液漏斗和錐形瓶之間連接一根橡膠管，確保裝置內外壓強相同；為了避免生成的二氧化碳中混有氯化氫氣體，要用濃度較小的鹽酸進行實驗；二氧化碳氣體能溶于水，會使測定結果偏小，因此要在水面上加一層植物油。

[教師]請同學們對這四個實驗方案進行評價。

[學生3]圖1（1）設計很嚴謹，理論上是可行的，但實驗儀器較多、步驟煩瑣，需要反應前通空氣、除雜、干燥，反應后繼續通空氣、稱量，會增加實驗誤差。

[學生4]圖1（2）的設計也要過濾、洗滌、干燥、稱量，實驗步驟也很多，誤差會較大。

[學生5]圖2（1）、圖2（2）測量二氧化碳體積的方案比較嚴謹，可減少誤差。

[教師提問]如果實驗中注射器的最大量程是50 mL，取用多少克補鈣劑較為合適呢？

[學生6]如果收集50 mL二氧化碳，則二氧化碳的質量為[1.977 g/L×0.05 L=0.099 g]，需要碳酸鈣0.225 g。考慮到補鈣劑中含有雜質，實驗中取用0.3 g補鈣劑比較合適。

[學生7]為了使碳酸鈣與稀鹽酸充分反應，還應該將補鈣劑研碎。

[教師]我們就采用排空氣法和排液法分別測量二氧化碳的體積。

設計意圖：讓學生在相互評價交流中發現實驗方案的優點和存在的問題，并對實驗方案進行改進，初步形成優化實驗方案的意識，培養質疑能力、創新意識、合作能力；在確定補鈣劑用量時，鞏固化學式的相關計算，發展元素守恒觀，并初步形成根據實驗儀器量程進行定量計算的意識。

環節三：實驗探究，改進創新

[學生實驗]學生分組進行實驗探究，測量二氧化碳的體積。

第一小組采用排空氣法測量二氧化碳的體積，實驗裝置如圖3所示。在實驗中出現如下異常現象：（1）氣泡從漏斗口向外逸散；（2）注射器的活塞沒有向右移動。經分析，學生認為是注射器活塞與注射器內壁之間的阻力太大造成的，應在活塞上涂植物油。改進后重新進行實驗，活塞向右移動。0.3 g的補鈣劑充分反應后，收集到了24 mL的氣體。但進行三次平行實驗后，發現實驗數據不夠穩定。這表明采用排空氣法測定二氧化碳的體積，實驗誤差較大。

第二小組同學采用排液法測量二氧化碳的體積，實驗裝置如圖4所示。實驗結束后有一段液體殘留在導管內，這會使測得的二氧化碳體積偏小，從而導致計算出的碳酸鈣含量偏低。實驗記錄如表1所示。

設計意圖：讓學生在真實的實驗探究中，培養發現問題、分析問題、解決問題的能力和勤于實踐、嚴謹求實的品質。

[教師引導]這兩次實驗探究的結果均不夠理想，我們能否自制裝置，讓氣體的發生、收集、測量一體化，從而消除阻力和壓強差帶來的誤差呢？

向學生展示圖5簡易的產氣、量氣裝置。左側的塑料注射器和帶有銅制燃燒匙的橡膠塞為氣體的發生裝置和收集裝置；右側的塑料注射器為量氣裝置，中間用耐酸堿腐蝕的硅膠管相連接，并用金屬管夾固定；100 mL注射器的最小刻度為5 mL，對注射器的最小量程重新進行標定；借助水平儀對反應前后液體的體積進行讀數。

[教師提問]如何使用這套簡易的產氣、量氣裝置進行實驗探究呢？

[實驗步驟]（1）在注射器內加入足量稀鹽酸，借助水準儀調整注射器左、右兩端液面齊平，然后讀數；（2）在銅制燃燒匙內裝入研碎的補鈣劑粉末，用橡膠塞塞緊左側注射器；（3）緩慢下壓燃燒匙，使補鈣劑與稀鹽酸充分反應；（4）反應結束后，借助水平儀再次調整注射器左、右兩端液面齊平，然后讀數；（5）兩次讀數的差值即為二氧化碳的體積。

[學生實驗]學生分小組繼續進行實驗探究。

學生采用自制裝置再次進行實驗探究。0.3 g的補鈣劑充分反應后，收集到了50 mL的氣體。經計算，實驗結果與標簽標注的含鈣量基本一致，誤差較小。實驗記錄如表2所示。

設計意圖：使學生學會綜合運用化學、工程、物理等學科知識制作簡易裝置解決實際問題，并發展創新意識。

環節四：分析實驗，建構模型

[教師引導]結合實驗方案設計和實驗探究中出現的異常現象，找出影響碳酸鈣含量的因素，建構誤差分析認知模型。

[學生活動]從反應物預處理、實驗裝置、操作步驟、藥品選擇、雜質去除等角度思考影響因素，建構誤差分析認知模型（如圖6）。

設計意圖：通過三次實驗探究，培養學生基于實驗事實建構模型的能力。

四、教學評價

首先，創設情境，通過實驗測定出補鈣劑中碳酸鈣的含量，提升學生的科學探究和實踐能力。其次，引導學生基于實驗事實進行證據推理和模型建構，在解決與化學相關的真實問題中培養創新意識。最后，將生命安全與健康教育融入課堂，幫助學生建立正確的“健康生活觀”，提升其科學態度和社會責任感。

（一）實驗方式創新

由于100 mL的注射器最小刻度是5 mL，刻度不夠精細，課前部分學生進行了最小量程的標定，且進行了多次校準，并從壓強的角度探討出讀數前需要將兩支注射器內的液面調整至同一水平面，然后借助水平儀進行讀數。教學中引導學生跨學科學習，促進其創造性思維的發展。

（二）實驗裝置創新

自制的量氣裝置所使用的儀器在普通的實驗室和五金店都能找到，實現了儀器的簡易化和可推廣化。實驗操作較為簡單，實驗結果較為準確。同時，其他固液不加熱型的實驗室制取氣體的方法也可以采用這套裝置，如實驗室制取氧氣、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氯氣等。

五、教學反思

針對教師在參加實驗教學說課比賽時面臨的實驗選題困難的問題，謝明陽、鮑亞培[7]建議選題時可以響應新課標要求，以綜合實踐為抓手，選擇學生感興趣的主題，豐富實驗創新角度。本實驗教學設計了真實問題情境的學習任務，實驗主題從生活中來，實驗原理和裝置源自教材內容的拓展和延伸；選題參考了新課標學習主題“科學探究與化學實驗”中提供的情境素材，避免了局限于教材實驗選題、重復改進教學實驗裝置等問題。結合本文的闡述，同行們亦可以深挖課標，找出合適的實驗教學選題，促進學生主動學習，提高學生的學習能力。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]［7］" 謝明陽，鮑亞培.義務教育新課標視域下的化學實驗教學創新：淺析第六、第七、第八屆全國中小學實驗教學說課活動[J].中國教育技術裝備，2023（5）：26-30.

[2]" 中華人民共和國教育部 .義務教育化學課程標準：2022年版[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[3]" 李俊紅.基于項目式學習的初中化學實驗復習：以“測定碳酸鈣D3顆粒中的鈣含量”為例[J].化學教學，2022（8）：60-65，69.

[4]" 鮑軍.活用教材習題 提升思維能力：以“胃藥中碳酸鈣含量測定”為例[J].中學化學教學參考，2023（15）：64-66.

[5]" 蔣鵬，丁偉.測定雞蛋殼中碳酸鈣含量的創新實驗[J].教育與裝備研究，2022（2）：53-55.

[6]" 李小靜.石頭紙中碳酸鈣的定性檢測和定量測定[J].化學教與學，2022（12）：47-49，34.

（責任編輯 羅 艷）