將對照實驗思想貫穿到探究式實驗中
——以測定可樂中磷酸為例

曹 葵 王俊秀2

（1中國人民大學附屬中學 北京 100080；2北京林業(yè)大學生物學院 北京 100083）

將對照實驗思想貫穿到探究式實驗中
——以測定可樂中磷酸為例

曹 葵1王俊秀12

（1中國人民大學附屬中學 北京 100080；2北京林業(yè)大學生物學院 北京 100083）

對照實驗是科學研究的一種重要方法，在中學實驗教學中，不僅要把實驗方法讓學生掌握，更重要的是掌握科學研究的思路，設置對照實驗的實驗思維在教學中仍有待加強，教師應該在設計實驗課程中增強這部分的內(nèi)容，通過設置測定可樂中磷酸含量的課題，多次使用對照實驗和空白實驗方法，從而提高學生的科研思維能力，提高學生的實驗技能。

探究教學；化學實驗；對照實驗

探究式教學以發(fā)現(xiàn)問題為基礎，以解決問題為目的。對于中學生來說，科學思維的形成需要教師的正確引導，潛移默化的形成。在傳統(tǒng)實驗教學中，教師把實驗問題，實驗方法等直接講述給學生，這樣會禁錮學生的思維發(fā)展，不利于學生形成有效科學思維方式，遇到新問題就不會解決。而探究式教學，課堂以學生為主，問題引入以及解決方法都由學生思考討論來完成，教師放手學生，正確引導學生進行思考，這種探究式實驗，不僅讓學生學到的是知識，更是學到了科學思維的方法以及提高學生自主學習的能力，這樣才更有利于青少年的發(fā)展。

對于學生來說，他們掌握的知識有限，所以需要在教師引導下進行自然科學和教育科學相結合的科學探究。在教學中，教師要根據(jù)學生已掌握的知識來引出新的知識，在無形中讓學生接受新的知識。在每一次學習新知識和新技能的時候，學生往往首先要從已經(jīng)學習過的知識中尋找突破口，這是人們思維的邏輯慣性，教師就要利用這個思維慣性。

探究的過程必然伴隨著科學思想與方法，對照實驗是進行研究的最基本方法，對照實驗就是指設置兩個或兩個以上的實驗組，通過對比結果的比較分析，來探究各種因素與實驗對象的關系的實驗。在探究教學中，教師要有意識地設計對照實驗，讓學生不斷和原來的知識進行對比，從而不斷地進步，讓學生在實踐中體會對照實驗的使用方法和意義，為將來主動運用打下基礎。

下面僅以探究可樂中的磷酸含量課題為例，介紹如何將對照實驗方式融入化學實驗教學。

一、第一次對照——讓學生認識到如何去除雜質(zhì)干擾

一說到研究磷酸，尤其是研究磷酸含量，學生都會意識到應該使用酸堿滴定的方法，因為教材中做過鹽酸和氫氧化鈉的滴定實驗，學生自然會將磷酸與鹽酸相聯(lián)系。

拿到課題，多數(shù)學生并不敢立即開始實驗，因為學生有個重要的疑問，對于有色飲料來做滴定，能判斷滴定終點嗎？可樂中除了顏色之外，其他物質(zhì)對滴定有干擾嗎？因為學生學習過的滴定實驗是無色溶液，這就形成了第一個對照系。如何將有色溶液變?yōu)闊o色溶液。

此時在課上開始第一次討論——如何去除這些干擾因素？這里涉及到兩個干擾因素，一個是CO2，一個是顏色，而顏色的主要來源是焦糖。對于CO2來說，處理起來比較簡單，學生都會想到采用加熱煮沸的方法，問題的關鍵在于可樂顏色。

學生在初三學習過水處理時使用過活性炭過濾，現(xiàn)在就需要進行對照，活性炭能處理污水是否能讓可樂脫色？在學習活性炭處理污水時，初三老師一般不介紹活性炭吸附的特點，即對分子量大的物質(zhì)吸附力大于分子量小的物質(zhì)，在水中吸附力大于有機溶劑，對含有極性基團多的有機物吸附力大于極性基團少的，對芳香烴的吸附力大于脂肪烴。學生因為沒有相關的知識儲備，也就導致一些學生不敢動手操作，因為擔心磷酸被吸附而無法測定，此時就需要先讓學生自己動手進行實驗驗證，首先要解決是否可以使用活性炭脫色？因為不解決脫色問題就不可能進行后續(xù)的實驗。

二、第二次對照——確定活性炭最佳用量

學生通過實驗證明活性炭可以使可樂脫色，然而問題并沒有完結，可以脫色僅僅是定性的結果，對于這個實驗來說，每次實驗應該使用多少活性炭呢？活性炭是不是越多越好，對于絕大多數(shù)學生來說，中學階段只有滴定實驗才是定量實驗，其他都是定性的。而在這個實驗中，學生非常有必要有定量思想，必須確定活性炭的最佳用量，用量過少，脫色不完全，用量太多，不僅僅是浪費問題，粉狀活性炭會影響過濾速度，同時還存在最初學生擔心的會不會吸附磷酸的問題，如果活性炭吸附焦糖色后再吸附磷酸，活性炭用量過多就會導致無法檢測到磷酸。因此學生就需要試驗相同體積的可樂使用活性炭脫色的最佳用量，也就是剛剛能脫色的用量。

在這個測試過程中，學生需要運用控制變量思想，每次可樂用量一樣，僅僅調(diào)整活性炭用量，檢測出恰好可以使焦糖被吸附的用量。

這個實驗環(huán)節(jié)，還存在一個技巧，其實也是一次對比。如果每一次實驗都按照正式實驗用量（因為磷酸含量很少，要滴定出比較合理的結果，可樂用量需要100mL左右）進行，如果實驗失敗，浪費的時間更多。此時，可以采用每次取樣品10mL，也就是取小樣的過程。學生只需要看過濾液是否有顏色，不需要做后續(xù)滴定，可樂用量不必太多，節(jié)約時間。首先取一定量的活性炭，如果過濾后濾液無色，就將活性炭用量減半再試驗，如果濾液有顏色，就將活性炭用量增加一半，直到找到添加的活性炭恰好使得濾液無色。而取小樣做預實驗也是科研中經(jīng)常使用的方法，這個實驗過程，也就將科學方法沉浸在課堂教學中，將枯燥的方法融入到學生解決問題的實踐活動中。

三、第三次對照——測量體積如何確定

由于可樂中磷酸含量比較少，測定時可樂取樣要100mL左右，問題隨之而來，我們測量時用的體積是最初取樣的體積還是過濾后的體積？

如果用取樣體積計算，加熱蒸發(fā)CO2、濾紙吸附導致實際測量體積偏小，數(shù)據(jù)結論偏小，這個偏差對實驗有多少影響？如果有影響應該如何消除？

反之如果選用過濾后體積計算，數(shù)據(jù)會不會偏大。如果有影響，影響有多大，如何消除影響？

兩種方法哪個因素的影響大？如何解決這個問題使得誤差最小。

最終的辦法還是通過對比實驗，實際測量過濾前后體積差來解決。實驗發(fā)現(xiàn)，加熱去除CO2的過程確實有少量的水分揮發(fā)，每100mL可樂加熱后體積大約減少1-2mL，可以說這個體積變化不能忽略，而每個人實驗時加熱的程度不完全一致，這就必須使用開始的體積作為測定標準，而過濾是濾紙會吸附一些水分，就需要通過蒸餾水潤洗的方式將吸附的溶液沖洗下來，從而減小實驗誤差。

四、第四次對照——活性炭是否吸附磷酸

經(jīng)過三次對比實驗，絕大部分學生完成了實驗測定，有的學生以為已經(jīng)完成了實驗，其實不然。此時最關鍵的問題——脫色用的活性炭有沒有吸附磷酸？依然沒有解決。這個問題不解決，那么前面做的所有實驗其實都是無效的，必須補充實驗證明沒有吸附作用。

立刻有學生提出測定已知濃度磷酸通過活性炭前后的濃度，如果濃度沒有變化，就說明沒有吸附作用。

然而問題并沒有這么簡單，老師隨后追問：是隨意拿任意濃度的磷酸就可以嗎？

學生顯然沒有想到這個問題，但是當老師提出問題，結論就擺在那里了——必須使用和可樂中磷酸濃度一樣的磷酸溶液進行實驗。

實驗證明，當活性炭適量，恰好使得可樂脫色的情況下，其對磷酸基本沒有吸附作用，使用活性炭吸附磷酸的實驗方案可行。

在實驗設計和進行中，教師設計了一系列的對照實驗，濃度對照、干擾對照、體積對照……教師適當?shù)靥岢鰡栴}引導學生思考，逐步遞進，問題層層深入，也漸漸達到我們探究教學的目的，讓學生在實驗過程中掌握科學思維方法。正如很多學生知道設置平行對照實驗來增加實驗的準確性。同樣，教師在實驗教學中也應該設置玄機，把科學思維滲入到實驗思路中，讓學生真正在無形中掌握科學思維方式，這才更加有利于學生未來的學習發(fā)展。如我們在實驗中也設置“陷阱”，教師所提供的磷酸是5g/L，而可樂中磷酸含量只有約0.5%，如果學生不思考直接依照可樂取樣的量來做滴定實驗，不僅是浪費太多時間在滴定過程中，因為濃度不一致，其說服力也大幅度下降，如果通過活性炭前后測量值相差0.01g/L，對于5g/L可以忽略，而對于0.5%初始濃度來說就不能忽略了。這就要求學生必須將對比實驗使用的純磷酸稀釋到上一步實驗測定的磷酸含量相同的濃度。

教師在設計實驗方案時，如果多思考，即使很小的一個生活問題，也能讓學生掌握科學研究思維。愛因斯坦說：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”，生活處處是化學，在學生的探究研究實驗中，教師把生活中的問題帶到課堂，增加課堂的趣味性，增加學生的研究興趣。

對照實驗是科學研究方法中非常重要的一種研究方法，如果在做可樂磷酸測定用活性炭過濾可樂時，學生不設置對照實驗，只做平行實驗的話，其實驗結果很難讓人信服。

對照實驗是化學實驗教學的重要手段，是從臨床診斷和治療引入化學實驗的成功案例之一，無論是現(xiàn)在使用的中學化學教材，還是目前對學生實驗能力的鑒定和評價，對照實驗都占了很大的比重。關于對照實驗的考查內(nèi)容主要是學生關于對照實驗的條件設置、過程設計、現(xiàn)象觀察和結論分析等的認識和掌握。這就要求教師在以對照實驗為方法的教學過程中，引導學生深入剖析對照實驗的內(nèi)涵，理清對照實驗的設計原則，掌握對照實驗的設計方法，從而更徹底地解決實際問題，以達到提高解決問題能力和科學素養(yǎng)的目的。對照實驗教學在化學教學中是重點也是難點，如何開展有效的化學實驗教學愈來愈引起化學教育工作者的關注，對照作為一種科學學習方法，對于學生的思維能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用，實驗過程中則需要學生手、腦、眼并用，在嚴謹?shù)膶嶒灢僮?、仔細的實驗觀察和嚴密的邏輯推理后得出科學結論。對照實驗開展讓教師更關注學生嚴密和謹慎的科學探究態(tài)度和習慣的培養(yǎng)，使學生能有效且熟練地解決實際問題，從而培養(yǎng)出創(chuàng)新性全面發(fā)展的人。

［1］ 吳俊明.發(fā)展化學實驗教學研究需要大智慧——在《化學教學》實驗教學高級研修班上的講話［J］.化學教學,2013（2）:3-5

［2］ 黃文君.創(chuàng)設條件經(jīng)歷探究體會科研［J］.教學儀器與實驗，2014（8）:14-16

［3］ 李進京.生物實驗設計中對照實驗的分析及應用［J］.中學生物學，2008（1）:43-48

［4］ 馬路平.對照實驗在高中化學教學中的應用［D］.武漢：華中師范大學，2013：1-16

1008-0546（2017）10-0078-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.025