高中化学定量实验能力培养的教学策略
文章?号：1005?C6629（2017）6?C0049?C05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 问题提出
进入21世纪以来，核心素养被视为课程设计的DNA，核心素养强调的不再是知识和技能，而是获取知识的能力，核心素养将是素质教育再出发的起点。“实验探究与创新意识”素养是高中化学学科提出的五项核心素养之一。在我国化学学科教学传统中，历来重视化学实验，化学课程对实验教学的要求经历了从把“实验作为一种技能”到“实验作为一种能力”再到新课程把“实验作为科学探究的重要方式”“实验能力是科学探究的必备能力”的演变[1]。化学实验过程中，操作、观察和思维三者始终联系在一起，彼此相互影响、相互制约。化学实验能力是操作能力、观察能力和思维能力的有机结合，其中实验思维能力是化学实验能力的核心，更是“实验探究与创新意识”素养的核心。
杨玉琴[2]从定量和定性两个角度对高中生“实验思维能力”的分析研究表明：高中生对实验仪器和基本操作的认知能力较高，具备了对实验事实加工和处理的基本能力，但对实验原理的理解和运用能力还不高，实验方案的设计和评价能力较弱。高一和高二的学生并不存在显著性差异，高三学生明显地高于高一和高二。随后，余秀娟[3]统计了教师在实验教学中促进学生不同实验能力水平发展的教学行为所占时长，“实验原理和实验方案设计”占总实验教学时长的45.7%，“化学事实的收集加工和处理”以及“实验评价及其优化”分别占15%左右。从以上研究事实中不难发现：教师虽然把“实验原理和实验方案设计”的教学作为实验教学的核心，由于大多数教师直接运用科学语言阐释实验原理并给定实验方案的教学方法，其教学效果令人担忧；同时，教师还没有引起对实验方案的评价及优化的高度重视，导致学生在这方面的能力尤为薄弱。
从定性的描述进入到定量的分析和计算阶段，是人类对自然事物的认识越趋深刻和精确的标志。定量实验分析是常用的化学分析方法，定量实验是以定性实验为基础的研究，利用专用仪器和化学反应计量关系来分析研究对象所含成分的数量关系或性质间的数量关系，并用“数量”或“模型”描述研究结果。从定量实验中得到有效数据是对化学原理和理论最充分的印证和说明。定量实验的教学内容不同于定性实验，包括实验原理、化学计量关系、专用仪器、药品用量、数据处理及误差分析等内容，要顺利完成定量实验需要学生具有较高水平的实验思维能力。
吴晗清[4]等3人对高二年级学生“定量”概念的问卷调查结果显示：能了解“定量”和“定性”差别的学生仅占27%，大部分学生都处于不确定和不了解的状态。笔者认为，要让学生能直观地感受“定量”的价值所在，首先需要积极开展定量的探究性实验，为学生搭建“定量”学习的平台；其次从“量”的角度出发设计实验，以“精准”为准绳，围绕“定什么量”、“如何定量”以及“如何精准定量”逐渐展开，让学生在实践活动中发现“定量”对于实验及学科本质的重要性，主动建构“定量”概念，逐渐形成“定量”的科学思维和习惯。
2 本单元内容分析及教学价值
“学习几种定量测定方法”的教学内容选自沪科版高二化学教材第十章，本单元分三节，共有三个定量实验，依次包括：测量1mol气体的体积、结晶水合物中结晶水含量的测定、酸碱滴定，因不同的实验目的、不同的实验对象、不同的实验原理代表了定量测量中三种基本的实验方法，即气体体积法、重量法和容量法。三个定量测定的化学知识内容没有直接的逻辑关系，科学方法也是并列的，从学生已有的知识和经验看，学生对气体体积法和容量法都不熟悉，相比之下重量法比较容易接受，难度不太大，学生参与度较高，更易产生成就感，从而增加进一步学习其他定量测定方法的兴趣、信心，并积累一定的经验。因此，实际教学中把“结晶水合物中结晶水含量的测定”调整为本章的第一节，第二节为“测量1mol气体的体积”，“酸碱滴定”为第三节。
化学实验作为一种能动的实践活动方式，一方面是化学理论产生的源泉和检验标准，另一方面又需要一定的化学理论做指导。它不仅是一种感性认识过程，更重要的是一种理性思维的过程，本质上是理性思维的物化。定量实验一直被学生视为化学学习中的难点，主要表现在遇到定量实验问题找不到解决的思路。在选择反应原理、选择实验仪器、确定实验步骤、进行实验数据诸方面都有困惑。究其原因，主要是没有掌握定量实验的一般本质、形成正确的思维顺序，而且思维习惯的培养不是一蹴而就的，不可能仅通过一两次课就完成。初步建立起处理定量实验问题的一般方法和思维模型，不仅是本单元的教学目标，也是定量实验的教学价值所在，可以提升对定量实验的设计及处理能力。
3 本单元学情分析
（1）学生的知识基础：高二学生已经具备了这三个定量实验涉及到的化学知识，掌握并理解结晶水受热分解的本质、金属与酸反应产生H2、中和反应实质和酸碱指示剂变色范围等等。这些便于为学习设计合理的认知梯度。
（2）学生的实验基础：高二学习已经具备一些综合实验的操作技能基础，如物质分离与提纯中的“海带中提碘”和“粗盐提纯”，在“一定物质的量浓度溶液的配制”的实验中初步理解了“精确性”对于定量实验的重要意义。这些为定量实验方案设计中实验步骤的优化和操作的规范性奠定了基础。
（3）学生的认知特征：据皮亚杰的认知发展论可知，高二学生的抽象逻辑思维趋于成熟，各种思维成分趋于稳定状态。经过一年的学习，高二学生各种推理能力、从具体到抽象又从抽象到具体的辩证逻辑思维均得到了较好的发展。 4 教学策略
本单元教学旨在形成定量实验的一般思维程序，作为学生解决问题的思维指导。定量实验的理论基础包括反应原理、装置原理和操作原理，以“实测量”为实验的核心，以“精准”为准绳，将三种原理进行整合，实验方案设计的模型如图1所示。教学中，依据“化学原理”进行“实验方案设计”可以实现抽象思维向表象思维的转化；再将实验方案具体化，如设计实验步骤、确定实验仪器和药品，可以实现表象思维向具象思维的转化；在经历了对综合问题的解构分析之后，再从整体上认识部分的组合关系和组合方式，将理论分析和实践经验结合在一起，实现具象思维向抽象思维的升华。
4.1 反应原理及“实测量”的分析策略
在教学中，面对“一瓶标签模糊的NaOH溶液，如何测定其物质的量浓度？”的问题情境时，解决这一问题的途径并不是唯一的，为什么不用其他方法要采用书上现成告知的方法，如果不把这些“为什么”搞明白，即使通?^教师的讲授使学生对“酸碱滴定原理”的本身理解了，但由于学生未亲历知识是如何产生以及如何被使用的，对原理的理解停留在表面，不利于学生以后对知识的迁移内化。
案例1 “酸碱滴定”实验原理和实测量的确定
师：一瓶标签模糊的NaOH溶液，如何测定其物质的量浓度？若需要利用化学反应，选择何种适宜的反应试剂？分析实验中需要测定哪一种物理量？
生1：利用物质的量浓度的定义式c=n/V，其中n=m/M。取一定体积的NaOH溶液，蒸干溶液。实测量为NaOH固体的质量。
生2：利用化学反应：2NaOH+MgCl2→Mg（OH）2↓+2NaCl，取一定量NaOH溶液与足量MgCl溶液充分反应，采取过滤、洗涤、灼烧、冷却、称量、恒重操作。实测量为MgO固体的质量，根据比例关系转化成NaOH固体的质量。
师：从实验的精准度出发，分析、判断上述三种方法是否可行。
生1：“粗盐提纯”就是采取了蒸干溶液后称量固体，该测定方法的实验精准度较高。
生2：从实验的精准度进行考量，“结晶水合物中结晶水测定”增加了“恒重操作”这一关键操作，也对“过滤、洗涤”作了规范的操作要求。
师：蒸干溶液称量固体或转化成沉淀而称量都属于重量分析法，这两种方法的关键操作在已学的两个定量实验中已经明确。
师：学生提出“用已知浓度的盐酸测定未知浓度的NaOH溶液”的实验测定量是消耗的已知浓度的盐酸体积，如何提高实测量的精准度呢？
生1：提高量取盐酸体积的仪器精度。
生2：确保盐酸与NaOH溶液刚好反应。
设计意图：知识的意义是学习者个人化的、深层次理解的结果。物质含量的测定方法多种，每一种测定方法都有对应的化学反应、化学计量关系及实测量。案例中引导学生从化学反应、化学计量关系两个方面对实测量进行分析，帮助学生建立理论分析定量实验原理的一般方法和模型，然后引导学生从实验的精准度考量，辩证分析，选择精确度相对较高的实验原理作为定量实验中操作原理和仪器原理设计的依据。实验原理的阐释无疑是实验教学中的重点和难点，应该让学生“知其然并知其所以然”。
4.2 仪器原理及专用仪器的设计策略
借助专用仪器进行测量是定量型实验的重要手段和方法。传统教学中大多数教师仅对仪器的用途和操作方法作简单介绍后，通过实验中反复练习达到熟练使用，这只是一种“实验技能”而不是一种“实验能力”。仪器直接影响着采集数据的精准性，如何选择实验仪器，将实验误差控制得更小、使实验结论更准确，则是一种“实验能力”。
案例2 “酸碱滴定”专用定量仪器“滴定管”的设计
师：可以用什么仪器来准确量取NaOH溶液和盐酸溶液的体积呢？
生：量杯、量筒。
师：分析这两种仪器的精准度。
生：量杯的内径大，数据粗略；量筒的精确度随容量而变，10mL量筒估读至0.1mL，精确度并不高。
师：提高仪器的精准度，对仪器如何改进？
生：仪器内径变细。
师：用内径变细的仪器可以用来量取未知浓度的NaOH溶液，那么用胶头滴管滴加的被消耗的盐酸体积如何测定呢？
生：把胶头滴管改成有刻度的。
师：该仪器具有哪些功能？
生：量取体积；滴加，需用活塞控制滴加速度和及时停止滴加。
师：画出满足上述条件的仪器形状。
……
师：如何使用该仪器量取液体体积？
……
设计意图：案例中学生勾画出的仪器基本具备三个功能，但是如何标注刻度出现了分歧，零刻度靠近上端还是下端，教师没有将结论直接告诉学生，而是继续提出了“如何使用该仪器量取液体体积”，引导学生从仪器的实际使用中找到答案。化学仪器的形状是多种多样的，但每一种仪器的产生必然出于某种需求，而不是凭空想象而来的，这为学生今后选择化学实验仪器乃至设计仪器装置提供一种思维的指向，同时，削弱书本的“权威”性为学生的创新性思维提供了可能。
4.3 操作原理及操作步骤的优化策略
操作原理是指为准确实现实验原理采用的操作步骤和专用仪器使用要求配套的操作步骤。传统教学中往往采用教师“全盘托出”后，再逐项分析讲解操作步骤和注意事项，学生“照方抓药”练习操作。学生主要以机械记忆记住实验操作步骤，基本无法说清这些实验操作步骤的必要性，更谈不上隐含在实验操作中“精准定量”这一线索。 案例3 “结晶水合物中结晶水的测定”操作步骤
师：实验需要测定m晶体、mCuSO4粉末，请设计实验步骤？
生：称量晶体质量、加热、冷却、称量CuSO4粉末质量。
师：提高测定量的精准度，加热应选择哪一种容器？
生：试管长，加热产生的水蒸气遇冷易聚集于试管口，水蒸气不易排尽；烧杯耐热温度不高，一般不用于固体加热；蒸发皿用于液体加热。
师：该加热仪器应该满足哪些条件呢？
生：使固体分解，需要耐热；利于水蒸气排尽，应身短、口大。坩埚符合要求。联想起在海带提碘实验中用于灼烧海带干。
师：提高测定量的精准度，加热时，需达到多少温度？用哪一种热源？
生：根据资料可知，硫酸铜晶体加热到102℃时开始失水，150℃完全失水，650℃分解为黑色CuO。加热温度应控制在150～650℃。酒精灯的加热温度可达400～500℃，可选择酒精灯。
师：提高测定量的精准度，加热多长时间为宜？
生：蓝色晶体变为白色粉末，不再有水蒸气逸出。
师：外观上变为白色粉末，能确认已完全失水吗？
师：提供一组“硫酸铜晶体加热过程中的外观变化”的图片，你看到了什么？得到什么启发？
生：??晶体外观变为白色时，?碎后，发现还有一些蓝色颗粒。
生：在称量晶体前，需对晶体进行研磨（增加了步骤“研磨”）。
师：不同个体的肉眼观察，必然存在着误差。只有“量化”才能达到精确。
师：提高测定量的精准度，描述“加热”应怎样具体操作？
生：将坩埚以45℃放在泥三角上，用酒精灯加热，用玻璃棒轻轻搅拌，直到蓝色晶体完全变成白色粉末，且不再有水蒸气逸出。
师：获取哪些量才能确认晶体失水完全？如何操作？
生：将称量后的CuSO4粉末进行“再加热、再冷却、再称量”，直到连续两次称量的质量差不超过0.001克（电子天平的最小感量）。
师：对固体再加热、再冷却、再称量，直到连续两次称量的质量差不超过0.001克，这个操作称为“恒重操作”。
设计意图：学生的学习是同化、顺应的认知建构过程和“平衡-不平衡-新的平衡”的认知发展过程。对于“测定m晶体和mCuSO4粉末的实验步骤”，学生已有知识只能解决部分步骤即“称量晶体、加热、冷却、称量CuSO4粉末”，随着“加热需达到多少温度？如何确认已完全失水”等问题的层层推进，学生的认知发生了冲突，激发起学生主动思考；教师的提示“提高测定量的精准度”、“量化才能精确”，帮助学生建构起新的认识，促使学生对已有的实验步骤有所反思，适当调整乃至形成一个优化的、完整的实验步骤。
5 实践反思
定量实验方案设计的思维模型在三个定量实验的第一个课时中得到持续强化，学生的实验设计能力在第二个和第三个实验中不断得到提升；而化学原理、仪器原理和操作原理在三个定量实验中复杂性的不同，在处理各种细节中培养了学生严谨的科学态度。值得一提的是，每个定量实验的第三课时的实验误差分析非常关键，是对第一课时教学内容的实践检验，通过实验数据促使学生对自己的实验操作进行反思，有助于学生把握实验关键、理解操作要领。实践证明，通过这三个定量实验，学生在实验方面的学科素养得到了有效提升。
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