[摘 要]文章基于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022 年版)》提供的情境素材,選取“測(cè)定某補(bǔ)鈣劑中碳酸鈣的含量”為實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題,從實(shí)驗(yàn)原理的確定、影響實(shí)驗(yàn)成功的因素、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)與創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)探究的不斷改進(jìn)、建構(gòu)誤差分析模型等角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué),以期提高學(xué)生的科學(xué)精神、問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新意識(shí),并為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的選題提供有意義的參考。
[關(guān)鍵詞]真實(shí)問(wèn)題情境;實(shí)驗(yàn)教學(xué);碳酸鈣含量
[中圖分類(lèi)號(hào)]" " G633.8" " " " [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]" " A" " " " [文章編號(hào)]" " 1674-6058(2024)20-0070-04
一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析
在基礎(chǔ)教育階段,實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握,同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要手段[1]。然而,部分教師在參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課比賽時(shí),卻面臨選題困難,受限于已有改進(jìn)或?qū)W校條件,難以展現(xiàn)真正的創(chuàng)新。
《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》提出將生命安全與健康等重大主題教育有機(jī)融入課程[2],提倡真實(shí)問(wèn)題情境與“做中學(xué)”,這為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了豐富的教學(xué)建議。本文以“測(cè)定某補(bǔ)鈣劑中碳酸鈣的含量”為例,展示從實(shí)驗(yàn)原理到數(shù)據(jù)處理的全過(guò)程,旨在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力,并為實(shí)驗(yàn)教學(xué)選題提供參考。
經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),在中學(xué)階段與本實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題相關(guān)的文獻(xiàn)主要有李俊紅[3]的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)處理、模型建構(gòu)等三個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)測(cè)定碳酸鈣 D3顆粒中的鈣含量;鮑軍[4]以教材習(xí)題“胃藥中碳酸鈣含量測(cè)定”為例,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)了五種實(shí)驗(yàn)方案,并給出了實(shí)驗(yàn)的裝置圖,從理論上討論了實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn),但未進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究;蔣鵬、丁偉[5]選擇將三通管和注射器組裝成一體化實(shí)驗(yàn)儀器,采用絡(luò)合滴定和測(cè)定二氧化碳體積的方法來(lái)測(cè)定雞蛋殼中碳酸鈣的含量,其中絡(luò)合滴定的分析方法在初中化學(xué)中并未出現(xiàn);李小靜[6]設(shè)計(jì)了石頭紙中碳酸鈣的定性檢測(cè)和定量測(cè)定的探究性實(shí)驗(yàn),構(gòu)建混合物中主要成分檢測(cè)的一般思維模型。
上述文獻(xiàn)均以高中學(xué)生的學(xué)情為出發(fā)點(diǎn),或部分展示科學(xué)探究的過(guò)程,或僅從理論上討論實(shí)驗(yàn)方案的可行性,或采用高中化學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。本文結(jié)合九年級(jí)學(xué)生的學(xué)情,以“測(cè)定某補(bǔ)鈣劑中碳酸鈣的含量”為例,探究基于真實(shí)問(wèn)題情境的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。
二、教學(xué)背景
(一)學(xué)情分析
學(xué)生在新課階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了空氣中氧氣含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn),能根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算,能夠運(yùn)用簡(jiǎn)單的裝置和方法制取二氧化碳,能觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、如實(shí)記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,知道碳酸鹽的檢驗(yàn)方法,知道壓強(qiáng)、摩擦力的相關(guān)知識(shí),具備簡(jiǎn)單地收集資料的能力;但在解決復(fù)雜的、有挑戰(zhàn)性的真實(shí)問(wèn)題時(shí),實(shí)驗(yàn)探究、創(chuàng)新和誤差分析的能力仍有待提高。
(二)實(shí)驗(yàn)原理
通過(guò)稀鹽酸和補(bǔ)鈣劑中碳酸鈣的反應(yīng),測(cè)量出生成的二氧化碳的質(zhì)量或體積,進(jìn)而計(jì)算出碳酸鈣的含量。
(三)教學(xué)目標(biāo)
(1)能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,能分析實(shí)驗(yàn)實(shí)施的合理性,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度;(2)構(gòu)建定量實(shí)驗(yàn)探究的誤差分析模型,發(fā)展問(wèn)題解決能力,并通過(guò)制作簡(jiǎn)單裝置,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。
(四)教學(xué)重難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn)在于分析實(shí)驗(yàn)方案的合理性,動(dòng)手實(shí)驗(yàn)以及構(gòu)建誤差分析思路;教學(xué)難點(diǎn)在于自制簡(jiǎn)易的量氣裝置。
三、教學(xué)過(guò)程
環(huán)節(jié)一:創(chuàng)設(shè)情境,提出問(wèn)題
[資料展示]我國(guó)居民鈣的攝入量普遍較低,部分人群需要補(bǔ)充鈣制劑。但鈣攝入過(guò)量或不足均不利于人體健康,補(bǔ)鈣一定要定量而行。市場(chǎng)上的補(bǔ)鈣劑的主要成分是碳酸鈣。我們今天選擇的某品牌固體補(bǔ)鈣劑的有效成分是碳酸鈣,其他成分均不與稀鹽酸反應(yīng)。那么如何測(cè)定該補(bǔ)鈣劑中碳酸鈣的含量呢?
設(shè)計(jì)意圖:選取學(xué)生熟悉的日常生活事件為切入口,讓學(xué)生體會(huì)到用化學(xué)學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題的魅力。
環(huán)節(jié)二:確立原理,設(shè)計(jì)方案
[教師提問(wèn)]測(cè)定補(bǔ)鈣劑中碳酸鈣含量的原理是什么?你能從教材中的哪些實(shí)驗(yàn)得到啟發(fā)?
設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生回顧教材知識(shí),即測(cè)定空氣中氧氣的含量,二氧化碳的制取、收集和測(cè)量方法等。立足學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。
[學(xué)生1]首先稱(chēng)量一定質(zhì)量的補(bǔ)鈣劑,將其與稀鹽酸充分反應(yīng),測(cè)量出生成的二氧化碳的質(zhì)量,再根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算出碳酸鈣的質(zhì)量,進(jìn)而計(jì)算出碳酸鈣的含量。
[學(xué)生2]測(cè)量二氧化碳的體積,再由體積和質(zhì)量的關(guān)系計(jì)算出二氧化碳的質(zhì)量。
[教師引導(dǎo)]如何測(cè)量二氧化碳的質(zhì)量或體積呢?各小組在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí),注意探討影響實(shí)驗(yàn)的因素:(1)若實(shí)驗(yàn)中提供的量氣儀器量程為50 mL,請(qǐng)先估算出碳酸鈣的最大質(zhì)量,并推算出補(bǔ)鈣劑的最佳取用量。(2)為加快反應(yīng)速率和提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)前可對(duì)補(bǔ)鈣劑進(jìn)行怎樣的處理?(3)鹽酸的濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有沒(méi)有影響?(4)利用排空氣法測(cè)量體積時(shí),可能會(huì)有哪些因素影響測(cè)量結(jié)果,如何改進(jìn)?(5)利用排液法測(cè)量體積時(shí),可能會(huì)有哪些因素影響測(cè)量結(jié)果,如何改進(jìn)?(6)測(cè)量二氧化碳質(zhì)量時(shí),可能會(huì)有哪些干擾因素?
[學(xué)生活動(dòng)]進(jìn)行小組合作,設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)裝置圖(如圖1、圖2)。
[學(xué)生活動(dòng)]各小組展示實(shí)驗(yàn)方案。
[學(xué)生小組1]圖1(1)設(shè)計(jì)的是測(cè)量二氧化碳質(zhì)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(shí)驗(yàn)步驟:實(shí)驗(yàn)前檢查裝置的氣密性→打開(kāi)彈簧夾,通入一段時(shí)間的氮?dú)?,關(guān)閉彈簧夾→稱(chēng)量裝置丙的質(zhì)量記為[m1]→打開(kāi)分液漏斗的活塞,緩緩滴入足量稀鹽酸→不再有氣體產(chǎn)生后打開(kāi)彈簧夾,通入一段時(shí)間的氮?dú)猓P(guān)閉彈簧夾→稱(chēng)量裝置丙的質(zhì)量記為[m2]。[m2]與[m1]的差值即為二氧化碳的質(zhì)量。
[學(xué)生小組2]圖1(2)設(shè)計(jì)的裝置是通過(guò)測(cè)量不參加反應(yīng)的雜質(zhì)的質(zhì)量,從而求出碳酸鈣的質(zhì)量。
[學(xué)生小組3]圖2(1)采用排空氣法測(cè)量二氧化碳的體積。用注射器收集并測(cè)量二氧化碳的體積,因生成的二氧化碳中混有水蒸氣,會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏大,所以在發(fā)生裝置和收集裝置之間連接一個(gè)干燥裝置,從而減少誤差。
[學(xué)生小組4]圖2(2)采用排液法測(cè)量二氧化碳的體積。因加入的稀鹽酸有一定的體積,會(huì)使測(cè)量結(jié)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(nèi)外壓強(qiáng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn);二氧化碳?xì)怏w能溶于水,會(huì)使測(cè)定結(jié)果偏小,因此要在水面上加一層植物油。
[教師]請(qǐng)同學(xué)們對(duì)這四個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[學(xué)生3]圖1(1)設(shè)計(jì)很?chē)?yán)謹(jǐn),理論上是可行的,但實(shí)驗(yàn)儀器較多、步驟煩瑣,需要反應(yīng)前通空氣、除雜、干燥,反應(yīng)后繼續(xù)通空氣、稱(chēng)量,會(huì)增加實(shí)驗(yàn)誤差。
[學(xué)生4]圖1(2)的設(shè)計(jì)也要過(guò)濾、洗滌、干燥、稱(chēng)量,實(shí)驗(yàn)步驟也很多,誤差會(huì)較大。
[學(xué)生5]圖2(1)、圖2(2)測(cè)量二氧化碳體積的方案比較嚴(yán)謹(jǐn),可減少誤差。
[教師提問(wèn)]如果實(shí)驗(yàn)中注射器的最大量程是50 mL,取用多少克補(bǔ)鈣劑較為合適呢?
[學(xué)生6]如果收集50 mL二氧化碳,則二氧化碳的質(zhì)量為[1.977 g/L×0.05 L=0.099 g],需要碳酸鈣0.225 g??紤]到補(bǔ)鈣劑中含有雜質(zhì),實(shí)驗(yàn)中取用0.3 g補(bǔ)鈣劑比較合適。
[學(xué)生7]為了使碳酸鈣與稀鹽酸充分反應(yīng),還應(yīng)該將補(bǔ)鈣劑研碎。
[教師]我們就采用排空氣法和排液法分別測(cè)量二氧化碳的體積。
設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生在相互評(píng)價(jià)交流中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題,并對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn),初步形成優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的意識(shí),培養(yǎng)質(zhì)疑能力、創(chuàng)新意識(shí)、合作能力;在確定補(bǔ)鈣劑用量時(shí),鞏固化學(xué)式的相關(guān)計(jì)算,發(fā)展元素守恒觀,并初步形成根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器量程進(jìn)行定量計(jì)算的意識(shí)。
環(huán)節(jié)三:實(shí)驗(yàn)探究,改進(jìn)創(chuàng)新
[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,測(cè)量二氧化碳的體積。
第一小組采用排空氣法測(cè)量二氧化碳的體積,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)如下異?,F(xiàn)象:(1)氣泡從漏斗口向外逸散;(2)注射器的活塞沒(méi)有向右移動(dòng)。經(jīng)分析,學(xué)生認(rèn)為是注射器活塞與注射器內(nèi)壁之間的阻力太大造成的,應(yīng)在活塞上涂植物油。改進(jìn)后重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn),活塞向右移動(dòng)。0.3 g的補(bǔ)鈣劑充分反應(yīng)后,收集到了24 mL的氣體。但進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定。這表明采用排空氣法測(cè)定二氧化碳的體積,實(shí)驗(yàn)誤差較大。
第二小組同學(xué)采用排液法測(cè)量二氧化碳的體積,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后有一段液體殘留在導(dǎo)管內(nèi),這會(huì)使測(cè)得的二氧化碳體積偏小,從而導(dǎo)致計(jì)算出的碳酸鈣含量偏低。實(shí)驗(yàn)記錄如表1所示。
設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究中,培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和勤于實(shí)踐、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的品質(zhì)。
[教師引導(dǎo)]這兩次實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果均不夠理想,我們能否自制裝置,讓氣體的發(fā)生、收集、測(cè)量一體化,從而消除阻力和壓強(qiáng)差帶來(lái)的誤差呢?
向?qū)W生展示圖5簡(jiǎn)易的產(chǎn)氣、量氣裝置。左側(cè)的塑料注射器和帶有銅制燃燒匙的橡膠塞為氣體的發(fā)生裝置和收集裝置;右側(cè)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(duì)注射器的最小量程重新進(jìn)行標(biāo)定;借助水平儀對(duì)反應(yīng)前后液體的體積進(jìn)行讀數(shù)。
[教師提問(wèn)]如何使用這套簡(jiǎn)易的產(chǎn)氣、量氣裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究呢?
[實(shí)驗(yàn)步驟](1)在注射器內(nèi)加入足量稀鹽酸,借助水準(zhǔn)儀調(diào)整注射器左、右兩端液面齊平,然后讀數(shù);(2)在銅制燃燒匙內(nèi)裝入研碎的補(bǔ)鈣劑粉末,用橡膠塞塞緊左側(cè)注射器;(3)緩慢下壓燃燒匙,使補(bǔ)鈣劑與稀鹽酸充分反應(yīng);(4)反應(yīng)結(jié)束后,借助水平儀再次調(diào)整注射器左、右兩端液面齊平,然后讀數(shù);(5)兩次讀數(shù)的差值即為二氧化碳的體積。
[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]學(xué)生分小組繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。
學(xué)生采用自制裝置再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。0.3 g的補(bǔ)鈣劑充分反應(yīng)后,收集到了50 mL的氣體。經(jīng)計(jì)算,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)簽標(biāo)注的含鈣量基本一致,誤差較小。實(shí)驗(yàn)記錄如表2所示。
設(shè)計(jì)意圖:使學(xué)生學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用化學(xué)、工程、物理等學(xué)科知識(shí)制作簡(jiǎn)易裝置解決實(shí)際問(wèn)題,并發(fā)展創(chuàng)新意識(shí)。
環(huán)節(jié)四:分析實(shí)驗(yàn),建構(gòu)模型
[教師引導(dǎo)]結(jié)合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)探究中出現(xiàn)的異?,F(xiàn)象,找出影響碳酸鈣含量的因素,建構(gòu)誤差分析認(rèn)知模型。
[學(xué)生活動(dòng)]從反應(yīng)物預(yù)處理、實(shí)驗(yàn)裝置、操作步驟、藥品選擇、雜質(zhì)去除等角度思考影響因素,建構(gòu)誤差分析認(rèn)知模型(如圖6)。
設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)三次實(shí)驗(yàn)探究,培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)模型的能力。
四、教學(xué)評(píng)價(jià)
首先,創(chuàng)設(shè)情境,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定出補(bǔ)鈣劑中碳酸鈣的含量,提升學(xué)生的科學(xué)探究和實(shí)踐能力。其次,引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理和模型建構(gòu),在解決與化學(xué)相關(guān)的真實(shí)問(wèn)題中培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。最后,將生命安全與健康教育融入課堂,幫助學(xué)生建立正確的“健康生活觀”,提升其科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感。
(一)實(shí)驗(yàn)方式創(chuàng)新
由于100 mL的注射器最小刻度是5 mL,刻度不夠精細(xì),課前部分學(xué)生進(jìn)行了最小量程的標(biāo)定,且進(jìn)行了多次校準(zhǔn),并從壓強(qiáng)的角度探討出讀數(shù)前需要將兩支注射器內(nèi)的液面調(diào)整至同一水平面,然后借助水平儀進(jìn)行讀數(shù)。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí),促進(jìn)其創(chuàng)造性思維的發(fā)展。
(二)實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新
自制的量氣裝置所使用的儀器在普通的實(shí)驗(yàn)室和五金店都能找到,實(shí)現(xiàn)了儀器的簡(jiǎn)易化和可推廣化。實(shí)驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。同時(shí),其他固液不加熱型的實(shí)驗(yàn)室制取氣體的方法也可以采用這套裝置,如實(shí)驗(yàn)室制取氧氣、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氯氣等。
五、教學(xué)反思
針對(duì)教師在參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課比賽時(shí)面臨的實(shí)驗(yàn)選題困難的問(wèn)題,謝明陽(yáng)、鮑亞培[7]建議選題時(shí)可以響應(yīng)新課標(biāo)要求,以綜合實(shí)踐為抓手,選擇學(xué)生感興趣的主題,豐富實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新角度。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)了真實(shí)問(wèn)題情境的學(xué)習(xí)任務(wù),實(shí)驗(yàn)主題從生活中來(lái),實(shí)驗(yàn)原理和裝置源自教材內(nèi)容的拓展和延伸;選題參考了新課標(biāo)學(xué)習(xí)主題“科學(xué)探究與化學(xué)實(shí)驗(yàn)”中提供的情境素材,避免了局限于教材實(shí)驗(yàn)選題、重復(fù)改進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置等問(wèn)題。結(jié)合本文的闡述,同行們亦可以深挖課標(biāo),找出合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)選題,促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。
[" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "]
[1][7]" 謝明陽(yáng),鮑亞培.義務(wù)教育新課標(biāo)視域下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新:淺析第六、第七、第八屆全國(guó)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課活動(dòng)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2023(5):26-30.
[2]" 中華人民共和國(guó)教育部 .義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn):2022年版[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2022.
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(責(zé)任編輯 羅 艷)