指向深度學(xué)習(xí)的化學(xué)定量實驗教學(xué)

葉佩佩 喻俊

摘 要 以“酸堿中和滴定”教學(xué)為例，從教學(xué)實踐中的問題出發(fā)，梳理定量實驗的思維過程，結(jié)合具體的實施路徑，引導(dǎo)學(xué)生逐步建立起解決定量實驗問題的一般方法和思維模型，提升對定量實驗的設(shè)計及處理能力，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 深度學(xué)習(xí) 酸堿中和滴定 定量實驗 實驗探究 教學(xué)策略

作者簡介：葉佩佩（1993— ），女，上海人，同濟大學(xué)第一附屬中學(xué)一級教師，碩士，研究方向：高中化學(xué)課程、教材、教學(xué)研究；喻 ?。?992— ），男，上海人，上海交通大學(xué)附屬中學(xué)一級教師，碩士，研究方向：高中化學(xué)課程、教材、教學(xué)研究。

一、問題背景

化學(xué)實驗有定性實驗和定量實驗之分。相比于定性實驗，定量實驗需要學(xué)生具有較高水平的思維能力。在定量實驗教學(xué)中，教師習(xí)慣直接運用科學(xué)語言闡釋實驗原理并給定實驗方案，再通過試題訓(xùn)練強化學(xué)生對知識點的掌握，弱化定量實驗的探究價值。這種通過簡單描述、重復(fù)記憶和強化訓(xùn)練等方式學(xué)習(xí)新知識的學(xué)習(xí)形式，屬于淺層次學(xué)習(xí)。以“酸堿中和滴定”為例，教學(xué)中一般直接提出用酸堿中和反應(yīng)來測量未知濃度的酸或堿溶液的濃度，然后介紹指示劑的選擇，學(xué)習(xí)實驗操作，進行誤差分析。在具體落實上，從滴定原理、實驗操作（實驗課）、誤差分析等三個環(huán)節(jié)展開。實踐表明，該實驗仍有諸多值得進一步討論的地方，例如，學(xué)生理解每一步操作的真正意義嗎？如何體現(xiàn)該實驗的“探究”特點？強酸滴強堿、強堿滴強酸的指示劑選擇有區(qū)別嗎？該實驗是先講后做、先做后講還是邊講邊做，哪一個效果好？學(xué)生能自主設(shè)計出滴定儀器嗎？該實驗的思想方法對其他滴定實驗有何啟示？這些問題的解決，將有助于學(xué)生理解、歸納、掌握、運用、遷移知識，更加積極主動地建構(gòu)知識，從而實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

二、教學(xué)分析

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂》將“酸堿中和滴定”作為選擇性必修的必做實驗之一[1]105，因為該實驗對培養(yǎng)學(xué)生的定量思維能力具有不可替代的作用。對于定量實驗，應(yīng)該從實驗原理、裝置原理以及操作原理等角度盡可能地提高實驗的精準性。定量實驗需要關(guān)注：（1）依據(jù)實驗原理設(shè)計科學(xué)、合理的實驗方案；（2）將實驗方案具體化，包括設(shè)計精準的實驗操作步驟、確定定量實驗儀器和藥品用量等；（3）開展實驗，觀察實驗現(xiàn)象，準確記錄并處理實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)果；（4）對實驗進行反思，形成對定量實驗的整體認識，逐步建立起處理定量實驗問題的一般流程，如圖1所示。

“酸堿中和滴定”需要學(xué)生運用物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度等知識，了解為什么可用酸堿指示劑的變色來判斷滴定終點，理解酸堿中和過程中溶液pH的變化特征，掌握新儀器的使用方法，結(jié)合相關(guān)知識解決化學(xué)變化中的定量問題，以此進一步感受“精準性”在定量測定中的意義和價值。從教學(xué)設(shè)計角度看，需要從“量”的角度出發(fā)設(shè)計實驗，圍繞“定什么量”“如何定量”“如何精準定量”逐漸展開，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)該實驗的定量思維過程，如圖2所示，逐步形成“定量實驗測定的結(jié)果要精準”的觀念[3]。

哪些因素會影響實驗結(jié)果的精準度？如何提高實驗結(jié)果的精準度？這也是學(xué)生在定量實驗情境中必須面對的核心問題。學(xué)生通過逐步解決與實驗結(jié)果精準有關(guān)的問題，體會化學(xué)實驗的嚴謹性、先進儀器的優(yōu)越性，從而激發(fā)探索創(chuàng)新的主動性和積極性，促進定量思維的發(fā)展。

三、教學(xué)實施過程

（一）創(chuàng)設(shè)問題，滲透定量實驗方案的精準

在教學(xué)中，面對“如何測定鹽酸（或氫氧化鈉溶液）的物質(zhì)的量濃度”問題時，學(xué)生會有什么想法？學(xué)生能設(shè)計出來不同于教材的實驗方案嗎？學(xué)生的方案和教材中的方案各有哪些特點？如果能夠圍繞這些問題組織學(xué)生進行討論，將有助于親歷知識的產(chǎn)生過程，以及知識是如何被應(yīng)用的，從而促進學(xué)生對知識的內(nèi)化、遷移。為了更好地以探究的方式開展本節(jié)課教學(xué)，在上課前讓學(xué)生展開對該問題的思考。在思考期間學(xué)生不能翻閱課本，以避免教材內(nèi)容對學(xué)生思維的干擾。

課前任務(wù)：要精準地測定某鹽酸的物質(zhì)的量濃度，你打算如何完成？簡要描述你的實驗方案，并說明理由。通過課前思考，得到的結(jié)果，如表1所示。

實驗方案的優(yōu)劣是達成目標的關(guān)鍵，要力求實驗過程簡單、易行，獲得的數(shù)據(jù)具有說服力。從表1可以看出，學(xué)生的思維是非?；钴S、開放的，能夠應(yīng)用所學(xué)知識進行方案設(shè)計。當(dāng)把這些想法在課堂上進行深入討論后，學(xué)生意識到要使結(jié)果精準，需要考慮現(xiàn)有實驗條件、實驗數(shù)據(jù)收集的可行性、實驗操作的方便程度、實驗測定結(jié)果的精確度等，同時能夠發(fā)現(xiàn)自己在實驗方案設(shè)計上的合理和不足之處。例如，方案①使用pH試紙盡管可以簡捷、快速地測量溶液的濃度，但是結(jié)果比較粗略，并不精確；方案⑦是教材中的實驗，但是學(xué)生提出了鹽酸的揮發(fā)性、中和反應(yīng)熱效應(yīng)可能會影響實驗結(jié)果，結(jié)合教材實驗中所用的稀溶液，說明學(xué)生的思考是合理的?？梢?，課前的問題能夠有效地激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，還能夠促進學(xué)生對教材提出的實驗原理、實驗操作等形成客觀理性的認識，即理解其中的原因，通過處理實驗細節(jié)，滲透定量實驗中的“精”“準”意識。

（二）生成問題，感悟定量實驗儀器的精準

與定性實驗側(cè)重物質(zhì)性狀、現(xiàn)象及變化的觀察等相比，定量實驗更關(guān)注實驗步驟、實驗儀器。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，這些方案大都提到了需要量取“一定體積”的鹽酸，但均未說明體積到底是多少。

[師]在設(shè)計的實驗方案中，量取多少體積的鹽酸比較合適？為什么？

[生]由于物質(zhì)的量濃度與所取溶液的體積無關(guān)，多取一點或少取一點都沒有關(guān)系。體積太少則數(shù)據(jù)收集不方便，太多則工作量太大。

[師]為了提高所取溶液體積的精準性，可以使用什么量器？理由是什么？

[生]量筒，這是目前知道的精確度最高的量器。不過量筒容量越大，精確度越低。

[師]盛放待測液的容器，選擇什么儀器比較合適？

[生]燒杯或錐形瓶。

[師]如何向未知濃度的鹽酸中加入氫氧化鈉溶液？

[生]使用量筒逐滴傾倒；使用滴管逐滴滴加。

[師]使用量筒可以量出體積，但反應(yīng)結(jié)束時難以準確把握；使用滴管逐滴滴加既耗時耗力，也不便讀數(shù)。能否將二者的特點結(jié)合以來，設(shè)計一個新的儀器？畫出滿足上述條件的儀器形狀，并作簡要說明。

學(xué)生設(shè)計的滴定儀器與教材中的儀器如表2所示。

[生]比較不同形式儀器的特點，交流討論在使用時的方便程度。

[師]滴定管是能夠根據(jù)需要連續(xù)滴加溶液，并且時時準確地讀出液體體積的量器。觀察滴定管的結(jié)構(gòu)、特點、標示，體會“滴”“定”的內(nèi)涵。

[生]滴定管上注明了容量、溫度、刻度。相比量筒和滴管，滴定管使用起來更方便，溶液體積測量更精確。

通過討論測定溶液濃度所需要的體積，有助于學(xué)生形成在物質(zhì)檢驗等實驗中“取樣”的量化認識。將樣品全部用于實驗，不僅耗時耗材，也無法進行重復(fù)實驗。通過對儀器的討論，一方面學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)之前提供的儀器的不足之處，從而為認識新儀器奠定基礎(chǔ)；另一方面有助于學(xué)生理解為什么教材上的實驗方案是20mL左右，即是由專用儀器的量程決定的。這種認識是必要的，因為教材借助專用儀器或引入關(guān)鍵的實驗操作是定量實驗的重要手段和方法。學(xué)生設(shè)計出的儀器基本具備三個特點：有刻度、易滴加、易控制，但是對于如何標注刻度出現(xiàn)了不同的想法。零刻度在上端還是下端？在教學(xué)過程中沒有將結(jié)論直接告訴給學(xué)生，而是鼓勵學(xué)生從儀器使用的方便程度方面考慮并找到答案?；瘜W(xué)儀器的形狀是多種多樣的，而且形狀和用法必然與特殊的需求有關(guān)，這為學(xué)生今后選擇化學(xué)實驗儀器乃至設(shè)計儀器裝置提供了思維指向。有了專用儀器，如何確定滴定終點呢？

[師]如何確定鹽酸和氫氧化鈉溶液“恰好”完全反應(yīng)？

[生]提出判斷滴定終點的方案，如表3所示。

[師]方案②中需要pH計進行連續(xù)測定，理論可行性高。考慮到現(xiàn)有實驗條件，如果使用酸堿指示劑，應(yīng)當(dāng)如何操作呢？

[生]使用酚酞，溶液由無色變?yōu)榧t色；使用甲基橙，溶液由紅色變?yōu)槌壬?；使用紫色石蕊，溶液由紅色變?yōu)樽仙?/p>

[師]不同酸堿指示劑的pH變色范圍，如表4所示。根據(jù)表中信息，酸堿指示劑能夠準確地指示滴定“恰好”完全反應(yīng)的那一點嗎？

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生認為酸堿指示劑顏色變化是在酸性（pH < 7）、中性（pH = 7）、堿性（pH > 7）條件下的顏色。這是學(xué)生的迷思概念，必須得以矯正。讓學(xué)生先說出自己的想法，再給出酸堿指示劑的顏色變化的pH值，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，從而突出教學(xué)重點和難點。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，無論酚酞、甲基橙或石蕊，都無法準確地指示滴定終點，這屬于系統(tǒng)誤差。由于石蕊顏色太深，且變化范圍太大，通常不作為指示劑?？紤]到滴定實驗中無論使用甲基橙或酚酞，產(chǎn)生的誤差都在允許范圍之內(nèi)[5]，因此本實驗中兩種指示劑都可以選擇。

（三）分析問題，反思定量實驗過程的精準

結(jié)合教材中的步驟[6]60-61，在完成“0.10 mol/L氫氧化鈉溶液滴定未知濃度的鹽酸”實驗后，學(xué)生通過親自動手，初步體會到酸堿中和滴定實驗操作與實驗結(jié)果的精準性密切相關(guān)。通過獨立實驗，學(xué)生獲得了有關(guān)數(shù)據(jù)，并計算出了實驗結(jié)果，這些結(jié)果與理論值相比，偏大、偏小的情況都有。在進行誤差分析時，學(xué)生針對可能引起誤差的常見案例提出如下問題：

（1）為什么實驗過程中沒有看到氣泡？它是如何產(chǎn)生的？沒有氣泡會影響實驗結(jié)果嗎？

（2）滴定管尖嘴懸掛液體是什么意思？為什么會出現(xiàn)這種情況？對實驗結(jié)果影響大嗎？

在教學(xué)中往往將可能引起誤差的操作“全盤托出”，再逐項分析。然而，沒有親自做這些實驗，就可能不知道這些問題的來源，即使是做了這些實驗，也不一定都出現(xiàn)上述提到的氣泡、懸掛液體等情況。僅靠理論解釋而沒有親身體驗，學(xué)生獲得的理解是不深刻的，因此實驗的誤差分析需要充分地尊重學(xué)生的實踐和體驗。只有當(dāng)學(xué)生知其然，也知其所以然，才能夠認識到實驗結(jié)果的準確性與實驗過程中各個細節(jié)的相關(guān)性。如針對（2）中提到的懸掛一滴液體，它對反應(yīng)終點的影響很大嗎？教學(xué)中不妨在此時再展開或鞏固滴定過程中有關(guān)滴定突變的學(xué)習(xí)，通過理論計算引導(dǎo)學(xué)生感受實驗操作中“精準定量”的價值。

（四）延伸問題，提升學(xué)生綜合思維能力

實驗操作不僅僅是停留于動手等表面行為，更需要注重實驗操作背后的意義與作用。

在實驗教學(xué)中，通過講解操作步驟和注意事項，學(xué)生主要以機械記憶方式記住實驗操作步驟，基本無法說清這些實驗操作步驟的必要性。通過在課堂上提供充分的自我思考和討論空間，學(xué)生針對所做實驗提出如下問題：

（1）待測液、標準液能否使用同一支滴定管？其他溶液滴定時都有特制的儀器嗎？

（2）能否右手控制旋塞，左手拿錐形瓶？

（3）在滴定時速率可以“先快后慢”嗎？

（4）將本實驗中的鹽酸換成醋酸，其他程序完全一樣嗎？

（5）滴定前和滴定后都仰視（或俯視）進行讀數(shù)會產(chǎn)生誤差嗎？

（6）滴定管檢漏后烘干，是否可以不潤洗？

（7）只要兩種溶液能相互反應(yīng)，就能采用同樣的滴定法測定其中一種溶液的濃度嗎？

（8）如果兩種呈中性的溶液（如Na2SO4溶液和BaCl2溶液）恰好完全反應(yīng)后溶液呈中性，在滴定時應(yīng)該如何選擇指示劑？

學(xué)生對知識的深度學(xué)習(xí)，不是為了記住文本知識，只會依照范例解決問題，而是需要理解知識中所蘊含的觀點、思想、研究方法和思維方式，形成遷移、靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力，回答或解決新情境下陌生問題的能力[7]。學(xué)生提出的問題很有深度，能夠?qū)⒃搶嶒炛械哪承┧悸泛头椒ㄟM行類比、遷移。例如，（3）中學(xué)生發(fā)現(xiàn)滴定耗時較多，于是提出“滴定可以先快后慢”嗎？不妨讓學(xué)生思考“先快后慢”的理由是什么，什么情況下可以“先快后慢”？（6）中滴定管檢漏后烘干再取溶液，看似可行，但烘干后再盛放液體仍舊無法避免漏液問題，此時可引導(dǎo)學(xué)生認識玻璃儀器上標示溫度的必要性。教材中的實驗操作是靜態(tài)的，如果不能將靜態(tài)的學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為靈動的學(xué)科思維，教學(xué)的意義是體現(xiàn)不出來的[8]。只有幫助學(xué)生厘清這些問題，保護好學(xué)生的好奇心，利用好學(xué)生的求知欲，才能更好地發(fā)展實驗素養(yǎng)。

四、教學(xué)反思

（一）注重探究活動挖掘

在實驗教學(xué)中，常見情況是教師“指明方向”“直接引導(dǎo)”，學(xué)生專注于獲取教師要求或告知需要思考的實驗事實，但是較少對實驗原理、實驗儀器、操作過程以及現(xiàn)象進行分析，導(dǎo)致很難產(chǎn)生疑問和觀點。將學(xué)生的生活經(jīng)驗和已有認識作為教學(xué)基礎(chǔ)，有效的教學(xué)應(yīng)該盡可能地通過課前任務(wù)、課堂問題、活動反思暴露學(xué)生的“常識思維”，利用好來自學(xué)生思考或活動的素材。即使是教材上一個成熟的實驗方案，同樣可以挖掘其中有探究價值的內(nèi)容，讓學(xué)生發(fā)生思維碰撞，發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)思維”。

（二）注重高階思維培養(yǎng)

課程標準要求教師在教學(xué)中改變在實驗時注重動手，但是缺少思考的現(xiàn)狀，強調(diào)高階思維過程，建立解決某類化學(xué)實驗問題的特定思路與方法，促進學(xué)生發(fā)展動手能力和高階思維能力。教師應(yīng)該注重高水平實驗探究活動設(shè)計，充分利用實驗觀察和啟迪思維的教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生進行概括關(guān)聯(lián)、分析比較、解釋說明、推斷預(yù)測、設(shè)計驗證等高階思維活動。例如，如何提高學(xué)生的“檢漏”意識呢？僅靠講解學(xué)生難以記住。然而，分液漏斗、容量瓶的使用都需要檢漏，它們之間有何關(guān)聯(lián)？教學(xué)中不妨利用這些關(guān)聯(lián)，巧妙地設(shè)計一些活動（如在一開始可以使用漏水的儀器），通過親身體驗，強化檢漏意識。

（三）注重實踐體驗反思

實驗素養(yǎng)的提升，既要強化理論知識學(xué)習(xí)、動手實踐，也要在實驗后進行反思。例如，學(xué)生在課堂上提出使用燒杯盛放待測液時，不妨讓學(xué)生在實驗課中進行嘗試，進而體會使用錐形瓶的好處?？傊?，課堂教學(xué)應(yīng)該重視學(xué)生提出的每個問題，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)思考的方向、路徑，并及時調(diào)整教學(xué)策略與方法。在新形勢下，實驗對教師的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，而在克服挑戰(zhàn)的過程中教師本身對實驗教學(xué)也會有更深的體會和認識。教師只有不斷地發(fā)掘?qū)嶒灥膴W秘，才能引領(lǐng)學(xué)生更好地去發(fā)現(xiàn)、感受化學(xué)實驗之美！

[參 考 文 獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]上海市教委教研室.上海市高中化學(xué)學(xué)科教學(xué)基本要求[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2017.

[3]喻俊，唐樂天.基于問題驅(qū)動的化學(xué)定量實驗觀念教學(xué)[J].化學(xué)教學(xué)，2019（11）：38-43.

[4]麻生明，陳寅.普通高中教科書·化學(xué)（選擇性必修1：化學(xué)反應(yīng)原理）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2021.

[5]趙廣柱，杜際更.甲基橙作指示劑誤差究竟有多大：關(guān)于強酸強堿滴定時指示劑的選擇[J].化學(xué)教育，2006（10）：59-60.

[6]姚子鵬.高級中學(xué)課本·化學(xué)（高二年級第二學(xué)期）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2007.

[7]王云生.基于深度學(xué)習(xí)的中學(xué)化學(xué)教學(xué)設(shè)計芻議[J].化學(xué)教學(xué)，2018（7）：3-7.

[8]王軍翔.以“思維發(fā)展”為抓手實現(xiàn)“核心素養(yǎng)”教育[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（13）：1-3.

（責(zé)任編輯：姜顯光）