◎ 張德貴
《上海市高中化學(xué)學(xué)科教學(xué)基本要求(試驗(yàn)本)》對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整,其中“結(jié)晶水合物中結(jié)晶水含量的測(cè)定”成為滬科技版《化學(xué)(試用本)》高中階段學(xué)習(xí)的第一個(gè)化學(xué)定量實(shí)驗(yàn),是幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)定量測(cè)定分析方法、技能和態(tài)度,發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。教材選擇硫酸銅晶體即膽礬作為測(cè)定對(duì)象,運(yùn)用熱重法測(cè)定膽礬結(jié)晶水含量。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖谴_定膽礬化學(xué)式CuSO4·xH2O中x的值,但是在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中卻從未直接測(cè)量水的任何物理量,具有“求水卻不測(cè)水”的特點(diǎn)。
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》凝練了“宏觀辨識(shí)與微觀探析” “變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”5個(gè)方面的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),并明確提出“課堂貼近生活”“創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境”和“發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)獨(dú)特價(jià)值”等教學(xué)實(shí)施建議。奧蘇伯爾(D. P. AuSubel)于1963年在有意義言語(yǔ)學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上提出認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論,認(rèn)為一切有意義的學(xué)習(xí)都是在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,不受原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)影響的有意義學(xué)習(xí)是不存在的。一切有意義的學(xué)習(xí)必然包括遷移,遷移是以認(rèn)知結(jié)構(gòu)為中介進(jìn)行的,先前學(xué)習(xí)所獲得的經(jīng)驗(yàn),通過(guò)影響原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的有關(guān)特征影響新學(xué)習(xí)。學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí),原認(rèn)知結(jié)構(gòu)可利用性高、可辨別性大、穩(wěn)定性強(qiáng),就能促進(jìn)對(duì)新知識(shí)學(xué)習(xí)的遷移。根據(jù)認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論,教師希望在課堂中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)的關(guān)鍵便是準(zhǔn)確定位學(xué)生“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”,“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”與新知識(shí)應(yīng)具有高匹配度的可遷移性。而將學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)作為“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”,并以此為基礎(chǔ)遷移新知識(shí)是一種符合“課堂貼近生活”和“創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境”理念的有效可行的教學(xué)設(shè)計(jì)策略。
筆者嘗試基于奧蘇伯爾認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論,將學(xué)生橙汁含量測(cè)定的生活經(jīng)驗(yàn)作為“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”,使其遷移至膽礬結(jié)晶水含量測(cè)定的原理建構(gòu)過(guò)程。同時(shí)根據(jù)本實(shí)驗(yàn)“求水卻不測(cè)水”等特點(diǎn),設(shè)計(jì)測(cè)定対象選擇、實(shí)驗(yàn)原理分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)步驟操作與分析等教學(xué)環(huán)節(jié),以期幫助學(xué)生更好地理解該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理,并在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。
1.問(wèn)題1:如何測(cè)定一個(gè)橙子的橙汁含量?(教師拿出一個(gè)橙子)
生:把橙子榨汁,根據(jù)橙汁和橙子質(zhì)量計(jì)算。
【展示】橙汁和殘?jiān)ㄕブ瓩C(jī)的殘?jiān)迌?nèi))。
2.問(wèn)題2:假設(shè)這個(gè)橙子100g,榨得橙汁60g和一些殘?jiān)?,橙汁含量是多少?/p>
生:60%。
【展示】教師現(xiàn)場(chǎng)喝掉橙汁。
3.問(wèn)題3:如果教師面對(duì)誘人可口的橙汁,榨完就直接喝了,忘記稱(chēng)量橙汁質(zhì)量,怎么辦?
生:通過(guò)稱(chēng)量殘?jiān)|(zhì)量也可以間接計(jì)算。
4.問(wèn)題4:怎么稱(chēng)量?把殘?jiān)鼜墓拮永锿诔鰜?lái)?麻煩且不精確,有沒(méi)有更好的辦法稱(chēng)量殘?jiān)?/p>
生:榨汁前先稱(chēng)量空罐質(zhì)量,再稱(chēng)空罐和橙子總質(zhì)量,榨汁后稱(chēng)量空罐和殘?jiān)傎|(zhì)量。(學(xué)生完成學(xué)案、投影展示交流,具體內(nèi)容見(jiàn)表1)
表1 測(cè)定橙汁含量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)
師:非常好!在無(wú)法直接測(cè)量橙汁質(zhì)量的情況下,同學(xué)們依然通過(guò)空罐和殘?jiān)荣|(zhì)量間接計(jì)算出了橙汁含量。
【設(shè)計(jì)說(shuō)明】情境導(dǎo)入是教師通過(guò)語(yǔ)言描述或演示創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,以誘發(fā)學(xué)生的探究心理,引起其解決問(wèn)題的欲望和興趣,促使其思維的積極活動(dòng)。生活情境導(dǎo)入能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生思維的積極性,有利于學(xué)生情感的激發(fā),也有利于學(xué)生主動(dòng)地介入教學(xué)活動(dòng),激發(fā)其智慧潛能。本環(huán)節(jié)教師在上課之初拿出了一個(gè)橙子,并以“如何得知其橙汁含量?”創(chuàng)設(shè)了一個(gè)生活情境,學(xué)生對(duì)此問(wèn)題顯得特別興奮,興奮的原因不外乎大家都有這樣的生活經(jīng)驗(yàn)。教師同時(shí)以四個(gè)循序漸進(jìn)的問(wèn)題啟動(dòng)了學(xué)生的思維,引導(dǎo)學(xué)生將測(cè)定橙汁含量的“普通方法”逐步發(fā)展成“求橙汁卻不測(cè)橙汁”的“特殊方法”,測(cè)定方法演變過(guò)程中既考慮了“無(wú)法直接測(cè)定橙汁”的客觀障礙,又重視了“準(zhǔn)確測(cè)定殘?jiān)|(zhì)量”的準(zhǔn)確性要求,體現(xiàn)了化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)“準(zhǔn)”的內(nèi)涵和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的化學(xué)核心素養(yǎng),同時(shí)也為后續(xù)膽礬結(jié)晶水測(cè)定過(guò)程中“求水卻不測(cè)水”作思維鋪墊。
師:在實(shí)驗(yàn)室中,我們可以通過(guò)剛才測(cè)定橙汁含量類(lèi)似的方法測(cè)定結(jié)晶水合物中結(jié)晶水的含量。請(qǐng)同學(xué)們列舉我們學(xué)習(xí)過(guò)的結(jié)晶水合物有哪些。
生:CuSO4·5H2O、Na2CO3·10H2O、KAl(SO4)2·12H2O、Na2SO4·10H2O 等。
【展示】用多媒體展示常見(jiàn)結(jié)晶水合物失水前后的變化(見(jiàn)圖1)。
圖1 常見(jiàn)結(jié)晶水合物失水前后的變化
1.問(wèn)題5:如果讓你從中選擇一種作為測(cè)定對(duì)象,你選什么?為什么?
生:膽礬,因?yàn)槠渌Y(jié)晶水合物及其分解產(chǎn)物大多顏色相近,不容易觀察。
師:膽礬失去水分后從藍(lán)色變?yōu)榘咨阌谟^察,作為初學(xué)者,確實(shí)是我們學(xué)習(xí)測(cè)定結(jié)晶水合物中結(jié)晶水含量方法的明智選擇。那么膽礬的化學(xué)式是前人告訴我們的,他們是怎么測(cè)定出來(lái)的呢?今天我們就以CuSO4·5H2O作為測(cè)定對(duì)象,學(xué)習(xí)熱重法測(cè)定其結(jié)晶水含量的定量實(shí)驗(yàn)方法,暫時(shí)先假設(shè)膽礬化學(xué)式是CuSO4·xH2O。
2. 問(wèn)題6:膽礬不是橙子,不能放入榨汁機(jī),如何讓膽礬失去水分?
【學(xué)生完成學(xué)案、板書(shū)交流】
實(shí)驗(yàn)原理:
【多媒體投影展示】膽礬在不斷加熱過(guò)程中會(huì)發(fā)生以下變化,如圖2所示。
圖2 膽礬受熱變化過(guò)程
3.問(wèn)題7:根據(jù)反應(yīng)原理,應(yīng)該加熱到什么現(xiàn)象出現(xiàn)?為什么?
生:加熱到固體全部變白,此時(shí)膽礬失去全部結(jié)晶水,也沒(méi)有加熱過(guò)度。
4.問(wèn)題8:如果加熱不足或者過(guò)度,可能看到什么現(xiàn)象?
生:加熱不足固體會(huì)有些許藍(lán)色,加熱過(guò)度固體可能出現(xiàn)黑色甚至磚紅色。
師:從膽礬受熱變化過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),膽礬除了有失水變色的特點(diǎn)外,在260—650℃很大的溫度范圍內(nèi),只發(fā)生完全失水的過(guò)程,沒(méi)有其他副反應(yīng),這就使實(shí)驗(yàn)的可控性大大提升。因此從這個(gè)角度來(lái)看,我們初學(xué)熱重法測(cè)定結(jié)晶水合物結(jié)晶水含量時(shí)選擇膽礬作為測(cè)定對(duì)象確實(shí)也是明智之舉。
【設(shè)計(jì)說(shuō)明】為什么化學(xué)教材講到測(cè)結(jié)晶水總是拿膽礬入門(mén)?含結(jié)晶水的晶體數(shù)量眾多,膽礬究竟有什么獨(dú)特之處才能“拔得頭籌”?本環(huán)節(jié)教師沒(méi)有直接要求學(xué)生把膽礬作為測(cè)定對(duì)象,而是提供了一些資料讓學(xué)生自行選擇,顯然學(xué)生被膽礬“失水明顯變色”的特點(diǎn)深深吸引了,異口同聲地都選擇了它。當(dāng)然并非沒(méi)有顏色變化的結(jié)晶水合物就不能作為測(cè)定對(duì)象,但作為初學(xué)者的學(xué)生們顯然已經(jīng)意識(shí)到實(shí)驗(yàn)可觀察性對(duì)于新手的重要性。
通過(guò)膽礬加熱反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě),學(xué)生很容易理解實(shí)驗(yàn)的原理,而教師用多媒體展示膽礬受熱的豐富變化過(guò)程后,學(xué)生也意識(shí)到必須加熱至固體全部變白才能保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。而這一過(guò)程中,學(xué)生也認(rèn)識(shí)到了CuSO4在260—650℃這一較大溫度范圍的熱穩(wěn)定性,從實(shí)驗(yàn)可控性角度再次驗(yàn)證了選擇膽礬作為測(cè)定對(duì)象的正確性。而能夠從實(shí)驗(yàn)可觀察性和可控制性角度考量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題正是“宏觀辨識(shí)與微觀探析”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”素養(yǎng)的具體表征。
師:膽礬加熱需使用坩堝。(展示坩堝和蒸發(fā)皿)
坩堝和蒸發(fā)皿一般都是陶瓷材質(zhì),較耐高溫。蒸發(fā)皿敞口大,像湯碗,用于液體的加熱蒸發(fā),比如食鹽水的蒸發(fā)結(jié)晶,使用溫度一般不超過(guò)400℃;坩堝敞口小,底深,用于固體的灼燒,比蒸發(fā)皿更耐高溫,一般可以達(dá)到800℃,配有蓋子防止固體濺出。坩堝可以放在泥三角上直接加熱,還配有坩堝鉗,便于夾持。坩堝常常用于重量法的定量實(shí)驗(yàn)測(cè)定中,有較高精度,因此無(wú)論冷熱都需用坩堝鉗夾持,不能用手直接觸碰。坩堝就是我們今天實(shí)驗(yàn)用的“榨汁機(jī)”。
1.問(wèn)題9:膽礬代替橙子,坩堝代替榨汁機(jī),請(qǐng)借鑒剛才測(cè)定橙子含汁量的方法,利用坩堝加熱膽礬晶體測(cè)定結(jié)晶水含量需要測(cè)量哪些數(shù)據(jù)?
【學(xué)生完成學(xué)案、投影展示交流,需測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2】
表2 測(cè)定結(jié)晶水含量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)
2.問(wèn)題10:通過(guò)類(lèi)比我們獲得了膽礬結(jié)晶水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法,那么如何計(jì)算x值?
【學(xué)生完成學(xué)案、板書(shū)交流】根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算x值
【設(shè)計(jì)說(shuō)明】膽礬無(wú)法通過(guò)榨汁機(jī)失水,怎么辦?坩堝就這樣順其自然地被引出了。坩堝在本節(jié)課中的出現(xiàn)也是中學(xué)階段第一次在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用坩堝,因此教師將其與同是陶瓷材質(zhì)但學(xué)生已學(xué)的蒸發(fā)皿進(jìn)行了比較,通過(guò)儀器材質(zhì)、形狀和適用情況等方面的分析,幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)和使用都是有理可依的。本實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中不便直接測(cè)量水的量,因此全程從未測(cè)量水的任何物理量,具有“求水卻不測(cè)水”的特點(diǎn)。如何幫助學(xué)生理解這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呢?通過(guò)上課之初教師喝掉橙汁后再求橙汁含量的情境遷移,膽礬代替橙子,坩堝代替榨汁機(jī),學(xué)生很快正確設(shè)計(jì)出了膽礬結(jié)晶水測(cè)定實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄表,再結(jié)合初中就掌握的化學(xué)方程式計(jì)算方法,很快獲得了x值和實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的轉(zhuǎn)換公式?;蛟S就像奧蘇伯爾所說(shuō),學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí),原認(rèn)知結(jié)構(gòu)可利用性高、可辨別性大、穩(wěn)定性強(qiáng),就能促進(jìn)對(duì)新知識(shí)學(xué)習(xí)的遷移。
師:根據(jù)上述公式,我們只需通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確稱(chēng)量m0、m1和m2即可。
1.問(wèn)題11:膽礬的晶體形狀很美,但這樣的美麗外表是否對(duì)實(shí)驗(yàn)存在影響?
生:膽礬晶體雖美,但較大外形不利于內(nèi)部充分失去水分,也容易碎裂飛濺,最好將膽礬晶體加工成粉末。
師:為了讓膽礬受熱均勻,失水充分,我們需要用研缽將膽礬研磨成粉末。
2.問(wèn)題12:至此,可以測(cè)定哪些數(shù)據(jù)?如何操作?數(shù)據(jù)精度確定為多少?
生:可以稱(chēng)量空坩堝質(zhì)量m0和坩堝+膽礬晶體質(zhì)量m1,用電子天平稱(chēng)量,精度為0.001g。
【教師演示加熱裝置】
3.問(wèn)題13:加熱到什么程度?把固體加熱到漂亮的紅色好不好?
生:不行,變紅CuSO4已經(jīng)分解,加熱到固體全部變白即可。
師:根據(jù)測(cè)定原理,應(yīng)該加熱至藍(lán)色完全變白即可,變紅或者變黑都已過(guò)度加熱,就像橙渣也掉進(jìn)了橙汁里一樣。
4.問(wèn)題14:加熱完成,幾百度高溫的坩堝直接放上電子天平稱(chēng)量可以嗎?
生:當(dāng)然不行,電子天平不是一次性玩具。
5.問(wèn)題15:那放在實(shí)驗(yàn)桌上等它冷卻?
生:至少應(yīng)該墊石棉網(wǎng),但空氣中有水氣,滾燙的硫酸銅已成為優(yōu)質(zhì)的吸水劑。
【教師展示】干燥器,干燥器底部有變色硅膠,吸水后會(huì)從藍(lán)色變成紅色,取出硅膠放在微波爐中加熱即可變回藍(lán)色,循環(huán)使用。加熱好的坩堝要放在干燥器中冷卻,防止吸水。
6.問(wèn)題16:在一次實(shí)驗(yàn)加熱過(guò)程中,教師通過(guò)肉眼觀察,認(rèn)為膽礬固體已經(jīng)完全變白,冷卻后稱(chēng)量為6.824g;小明看了覺(jué)得還沒(méi)有完全變白,又拿去加熱、冷卻后稱(chēng)量為6.817g;小花覺(jué)得小明操作也還沒(méi)有完全變白,又拿去加熱、冷卻、稱(chēng)量還是6.817g。
那么上述實(shí)驗(yàn)中m2質(zhì)量究竟為多少?通過(guò)這個(gè)過(guò)程大家能獲得什么結(jié)論?
生:m2數(shù)據(jù)應(yīng)該為6.817g。肉眼觀測(cè)固體變白并不準(zhǔn)確,最好有定量數(shù)據(jù)支持,要反復(fù)加熱、冷卻、稱(chēng)量到質(zhì)量不變。
師:小明和小花無(wú)意中進(jìn)行了一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)中非常重要的操作:恒重。定量實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵就是要準(zhǔn),僅通過(guò)肉眼觀察固體變白顯然誤差很大,恒重便是再次將坩堝加熱、冷卻、稱(chēng)量直至連續(xù)兩次質(zhì)量差不超過(guò)0.001g,這樣再出意外的概率就會(huì)小很多。通過(guò)恒重操作后,便可以記錄坩堝和無(wú)水CuSO4質(zhì)量m2了。
7.問(wèn)題17:至此我們已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)量m0、m1和m2了,根據(jù)公式便可計(jì)算x值。請(qǐng)同學(xué)們歸納完整的實(shí)驗(yàn)步驟(見(jiàn)圖3)。
【設(shè)計(jì)說(shuō)明】精心選擇了測(cè)定對(duì)象,設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表是否就大功告成了呢?當(dāng)然不是,在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)中也必須“步步為營(yíng)”方能最大程度地提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。本環(huán)節(jié)教師圍繞定量實(shí)驗(yàn)“準(zhǔn)”的獨(dú)特魅力,在每一步的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中通過(guò)一個(gè)個(gè)啟發(fā)性的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考:究竟如何做才能保證每一步的萬(wàn)無(wú)一失呢?在恒重問(wèn)題的突破上,教師通過(guò)小明和小花的有趣經(jīng)歷,讓學(xué)生意識(shí)到雖然反應(yīng)原理顯示加熱到固體全部變白即可,但是如果缺少了定量數(shù)據(jù)的支持,每個(gè)人眼中不同的“白”將造成巨大的誤差,無(wú)形中恒重操作的教學(xué)難點(diǎn)也就迎刃而解了。學(xué)生們?cè)诮處煹囊龑?dǎo)下,共同對(duì)實(shí)驗(yàn)之“準(zhǔn)”產(chǎn)生至臻至極的追求,這無(wú)疑也是學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)發(fā)展的顯性表征。
圖3 實(shí)驗(yàn)步驟
教師要重視教學(xué)情境的作用,在教學(xué)中要盡可能地創(chuàng)設(shè)知識(shí)產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用的情境,同時(shí)也要兼顧學(xué)生這一能動(dòng)的因素,使學(xué)生能夠和創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境互動(dòng),以此達(dá)到教學(xué)情境促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知、發(fā)展學(xué)生思維的目的,使化學(xué)課程的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生形成支持未來(lái)長(zhǎng)期發(fā)展的素養(yǎng)。本節(jié)課上課之初教師便拿出了一個(gè)橙子問(wèn)學(xué)生如何得知其含汁量,學(xué)生因有這樣共同的生活經(jīng)驗(yàn)而興奮,師生間有了互動(dòng)感悟,啟動(dòng)了思維,明確了方向。整堂課以“橙”為線(xiàn),妙趣橫生。形式上橙是主角,實(shí)質(zhì)上卻是處處類(lèi)比膽礬。將橙分為兩部分,即橙汁和橙渣,分別類(lèi)比膽礬中的結(jié)晶水和無(wú)水硫酸銅,在類(lèi)比中學(xué)習(xí)新知,在對(duì)比中闡述原理。
這堂課其實(shí)很平實(shí),平實(shí)到不需要出現(xiàn)深?yuàn)W難懂的化學(xué)術(shù)語(yǔ),沒(méi)有出乎意料的測(cè)定方法。測(cè)定的要求是準(zhǔn)確,如何實(shí)現(xiàn)這樣的要求呢?必須渣是渣,汁是汁,不能拖泥帶水,這就對(duì)儀器和方法提出了要求,所以用到了電子天平、坩堝和干燥器等,所有這些步驟、方法和儀器選用都是有理可循的。整堂課教師提出的17個(gè)問(wèn)題無(wú)疑都是圍繞實(shí)驗(yàn)的可觀察性、可控性和準(zhǔn)確性啟發(fā)學(xué)生思考,通過(guò)精心設(shè)計(jì)的問(wèn)題“啟動(dòng)”和“推進(jìn)”學(xué)生思維,促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。