張玉娟

摘要：結(jié)合《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，以蘇教版選修模塊《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》中“水果中維生素C的測(cè)定”的教學(xué)內(nèi)容為例，闡釋了基于技術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：技術(shù)素養(yǎng);科學(xué)探究;創(chuàng)新意識(shí);教學(xué)設(shè)計(jì);維生素C的測(cè)定

文章編號(hào)：1008-0546（2020）06-0049-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.013

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》，下同）中指出，“科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng);能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題;能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究;勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”。隨著科學(xué)與技術(shù)的高速發(fā)展，科學(xué)與技術(shù)的相互依存性不斷加強(qiáng)，現(xiàn)代技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)和生活中的作用和地位日益突出，技術(shù)素養(yǎng)已經(jīng)成為人們必備的基本素養(yǎng)。2001年我國(guó)頒布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》就強(qiáng)調(diào)將“技術(shù)”確定為一個(gè)“基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)領(lǐng)域”，以技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升為上位目標(biāo)，要求學(xué)生在更加廣闊的視野下認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和創(chuàng)新精神。

本文以蘇教版選修模塊《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》專(zhuān)題六中拓展課題6-2“水果中維生素C含量的測(cè)定”的內(nèi)容為教學(xué)內(nèi)容，基于技術(shù)素養(yǎng)的角度對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行重新審視、分析和定位，通過(guò)充分挖掘課本中的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和初步掌握與化學(xué)相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，使學(xué)生在科學(xué)探究過(guò)程中，創(chuàng)新能力與意識(shí)得到全面提升。

一、教學(xué)設(shè)計(jì)的前端分析

1.教材分析與教學(xué)設(shè)計(jì)思路

蘇教版選修模塊《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》專(zhuān)題六的主題是物質(zhì)的定量分析，該專(zhuān)題以融生活和化學(xué)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)于一體的課題，介紹定量分析的一般過(guò)程、定量分析實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何書(shū)寫(xiě)物質(zhì)的定量分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容。“水果中維生素C的測(cè)定”是生活中有意義的化學(xué)問(wèn)題，通過(guò)學(xué)生自主研究和探索讓學(xué)生感受到化學(xué)就在身邊，學(xué)化學(xué)是為了用化學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，提高科學(xué)探究能力。結(jié)合我校實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件及學(xué)生的實(shí)際操作水平，水果中維生素C（Vc）的測(cè)定方法可以選擇以數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）為研究平臺(tái)的碘滴定法和高效液相色譜法（HPCL），通過(guò)使學(xué)生接觸現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，強(qiáng)化學(xué)生技術(shù)意識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)和提升學(xué)生勇于創(chuàng)新的技術(shù)素養(yǎng)的目的。

2.教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)水平

（1）基于已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)解決生活中的問(wèn)題，完成定性測(cè)定水果中是否有Vc的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》提升科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)之水平2，即能對(duì)簡(jiǎn)單化學(xué)問(wèn)題的解決提出可能的假設(shè)，依據(jù)假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)得出結(jié)論。

（2）基于定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)進(jìn)一步解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，完成半定量比較不同水果中Vc含量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》提升科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)之水平3，即能在與同學(xué)討論的基礎(chǔ)上，完成實(shí)驗(yàn)，收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)，基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得出結(jié)論，交流自己的探究成果。

（3）基于現(xiàn)代技術(shù)解決綜合性的探究課題，完成定量測(cè)定水果中Vc含量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》提升科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)之水平4，即能依據(jù)文獻(xiàn)，提出多種探究方案，用數(shù)據(jù)、圖表等處理實(shí)驗(yàn)信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思。

二、教學(xué)流程

1.定性測(cè)定

引入：在我國(guó)最新的居民平衡膳食建議指南中，水果蔬菜占據(jù)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(xué)們的自由發(fā)言中，引出同學(xué)們熟悉的具有抗壞血病作用的Vc。

任務(wù)1：如何定性檢測(cè)水果中有Vc呢？

[資料1]根據(jù)Vc的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Vc中含有烯醇式結(jié)構(gòu)。它具有極強(qiáng)的還原性，可以和H₂O₂、酸性KMnO₄等強(qiáng)氧化劑反應(yīng)，也可以和FeCl₃、I₂等弱氧化劑反應(yīng)。

[學(xué)生1]提供方案：可以利用酸性KMnO₄與Vc的反應(yīng)檢測(cè)水果中有維生素C。因?yàn)樗嵝訩MnO₄呈紫紅色，所以Vc能使酸陸KMnO₄褪色，現(xiàn)象明顯。

[學(xué)生2]提出質(zhì)疑：水果中會(huì)不會(huì)有其他還原性的物質(zhì)也可以使酸性KMnO₄褪色？

[資料2]查閱文獻(xiàn)：《探究高錳酸鉀定性檢測(cè)維生素C的影響因素》（靳飛）。文獻(xiàn)中指出，Vc和酸性KMnO₄反應(yīng)速率最快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他被測(cè)物。葡萄糖、草酸等大多數(shù)的還原劑遇到酸性KMnO₄，lmin時(shí)都沒(méi)有明顯現(xiàn)象，維生素B類(lèi)與酸性KMnO₄在lmin時(shí)才能有明顯現(xiàn)象。

[教師]酸性KMnO₄確實(shí)可以作為初步檢測(cè)水果中Vc的一種方法。如果為了降低維生素B類(lèi)物質(zhì)對(duì)Vc檢測(cè)的影響，大家有沒(méi)有更好的方法？

[學(xué)生3]提供另一方案：以淀粉為指示劑，利用碘水與Vc的反應(yīng)檢測(cè)水果中有Vc。

[實(shí)驗(yàn)]取1-2mL碘水于試管中，加入幾滴淀粉溶液，溶液變藍(lán);用滴管移取壓榨的橙汁，滴入上述的藍(lán)色淀粉與碘水混合溶液中，發(fā)現(xiàn)溶液藍(lán)色褪去，說(shuō)明橙子中有Vc。

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)要結(jié)合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)、資料等做出預(yù)測(cè)和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行自評(píng)、互評(píng)從而優(yōu)化方案，順利完成實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)得出結(jié)論。

2.半定量測(cè)定

任務(wù)2：如何半定量比較不同水果中Vc含量呢？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]討論并實(shí)驗(yàn)。用移液槍分別移取lmL碘水于兩支試管中，加入相同滴數(shù)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(jù)藍(lán)色溶液褪色時(shí)滴人的滴數(shù)的多少比較橙子、檸檬中Vc含量的相對(duì)大小。

[學(xué)生活動(dòng)]匯報(bào)、交流結(jié)果，得出結(jié)論：同體積的檸檬汁液中含有Vc的量與橙汁相近。

[學(xué)生4]提出質(zhì)疑：做了兩次平行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)第二次滴入的橙汁、檸檬汁的滴數(shù)都比第一次多，但是結(jié)論不變。

[學(xué)生5]Vc在空氣中很容易被氧化，所以?xún)纱螠y(cè)定的滴數(shù)會(huì)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(guān)。為了防止Vc氧化，取樣后應(yīng)盡快測(cè)定，也可將樣品溶在2%草酸或2%鹽酸中，低溫保存。

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)應(yīng)緊密結(jié)合具體的化學(xué)知識(shí)來(lái)實(shí)施，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展證據(jù)與推理具有學(xué)科特質(zhì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，使化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)、科學(xué)探究能力的形成與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展有機(jī)結(jié)合起來(lái)。教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)中的“異常”進(jìn)行反思、質(zhì)疑。

3.定量測(cè)定

任務(wù)3：如何定量測(cè)定水果中Vc含量呢？

[學(xué)生活動(dòng)]查閱文獻(xiàn)，以數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）為研究平臺(tái)的碘滴定法和高效液相色譜法（HPCL）分別設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)方案，小組合作完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

[實(shí)驗(yàn)1]

（1）實(shí)驗(yàn)原理：橙汁、Vc標(biāo)準(zhǔn)液中的Vc濃度之比等于消耗碘水體積之比。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置：如圖1。

儀器和藥品：計(jì)算機(jī)、LabQuest數(shù)據(jù)采集器、Ver-nier滴數(shù)傳感器（型號(hào)：VDC-BTD）、塑料滴定管、Vc標(biāo)準(zhǔn)品、2%草酸、約0.002m01·L^-1碘水、淀粉試液、橙子。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟：

①將Vc標(biāo)準(zhǔn)品溶于2%的草酸，配制0.5000mg·mL-1的Vc標(biāo)準(zhǔn)液。

②準(zhǔn)確移取lmL Vc標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行滴定（如圖1），記錄消耗碘水的體積V₁。

③用榨汁機(jī)壓榨橙汁，紗布過(guò)濾，減壓過(guò)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(jìn)行滴定（如圖1），記錄消耗碘水的體積V₂。

（4）實(shí)驗(yàn)記錄：VI=1.107mL、V2=1.0490mL

[實(shí)驗(yàn)2]

（1）實(shí)驗(yàn)原理：高效液相色譜儀（HPLC）以液體為流動(dòng)相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將溶液等流動(dòng)相泵人裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)各成分被分離后，進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的分析。

（2）主要儀器和藥品：Perkin Elmer高效液相色譜儀（型號(hào)：Flexar）、Vc標(biāo)準(zhǔn)品、0.1%草酸、超純水、0.45um濾膜。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟：

①調(diào)試Perkin Elmer高效液相色譜儀。色譜柱：Brownlee Validated C18（5txm，150x4.6mm）;流動(dòng)相：0.1%草酸;流速：1.0mL·min^-1;進(jìn)樣量：10uL;檢測(cè)波長(zhǎng)：248nm;柱溫：室溫。

②標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液配制。稱(chēng)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(biāo)準(zhǔn)曲線制備。用0.1%草酸把標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)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(biāo)準(zhǔn)工作液，注入液相色譜儀，測(cè)定峰面積，以進(jìn)樣的Vc濃度（x）對(duì)峰面積（y）回歸分析（如圖2）。

④橙汁用布氏漏斗過(guò)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(guò)濾，進(jìn)樣，測(cè)定峰面積，帶人線性回歸方程計(jì)算得到Vc濃度。

（4）實(shí)驗(yàn)記錄：峰面積：232756.43，進(jìn)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(xué)意圖：《標(biāo)準(zhǔn)》中指出應(yīng)精心設(shè)計(jì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)增加數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究過(guò)程，體會(huì)、認(rèn)識(shí)技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值。教學(xué)中，師生共同開(kāi)展了基于技術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在真實(shí)的DIS和HPLC的技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中學(xué)習(xí)技術(shù)知識(shí)、提高技術(shù)能力、養(yǎng)成技術(shù)理性，最終培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

三、設(shè)計(jì)反思

1.循序漸進(jìn)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)

從教育學(xué)、心理學(xué)的角度分析，整個(gè)設(shè)計(jì)與皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論和建構(gòu)主義理論相契合。教學(xué)設(shè)計(jì)從學(xué)生已有的知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)他們討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從水果中Vc的定性檢測(cè)到不同水果中Vc含量的半定量比較，最后深入到定量測(cè)定水果中Vc含量，按照學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，循序漸進(jìn)地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生初步掌握了一些定性和定量的基本實(shí)驗(yàn)方法和思路，了解了包括數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、高效液相色譜儀在內(nèi)的一些儀器的原理和使用方法，使知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化。

2.以生為本，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)探究是一種重要的實(shí)踐活動(dòng)，是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，有利于學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展。整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)都是以學(xué)生為中心，使學(xué)生自覺(jué)地、主動(dòng)地探索，著重學(xué)習(xí)和體驗(yàn)科學(xué)研究的思路和方法，同時(shí)將化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)融合在以實(shí)驗(yàn)為主的課題中，使學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)實(shí)驗(yàn)基本原理、方法手段及操作技能方面的有關(guān)知識(shí)。

3.技術(shù)引領(lǐng)，提升創(chuàng)新能力

高中教育要為學(xué)生接受高等教育奠基，中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中迫切需要引入高校實(shí)驗(yàn)室中的技術(shù)，促進(jìn)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向能夠緊跟時(shí)代。DIS和HPLC的技術(shù)的引入能夠使學(xué)生以新時(shí)代科技的視角對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新詮釋?zhuān)粌H實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與前沿科學(xué)研究很好的對(duì)接，更重要的是幫助了學(xué)生體會(huì)到了科技進(jìn)步對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要貢獻(xiàn)，真正培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)化學(xué)世界無(wú)窮無(wú)盡的好奇心，從而激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)與能力。