基于科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂設(shè)計(jì)
——以食品中鈣含量的深度研究為例

北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院(100083) 于 笑 李 政

中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)(100080) 曹 葵

在常規(guī)教學(xué)中，教師通常關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與運(yùn)用，而忽視對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，有必要在課本之外尋找課題，引領(lǐng)學(xué)生在解決真實(shí)問題的方式中完成科學(xué)方法訓(xùn)練，提升科學(xué)素養(yǎng)。

1 課題的選擇

元素的檢驗(yàn)與含量是化學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要內(nèi)容。在平時(shí)的教學(xué)中一般不涉及定量實(shí)驗(yàn)，但是在高考中經(jīng)常出現(xiàn)定量實(shí)驗(yàn)試題，這類試題學(xué)生普遍感到困難，尤其是2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)提高了對(duì)定量實(shí)驗(yàn)的要求，在教學(xué)中有必要加強(qiáng)對(duì)定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)訓(xùn)練。

如何在學(xué)生已知的知識(shí)基礎(chǔ)上，進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)拓展研究？以食品中鈣含量的測(cè)定為例。首先鈣的測(cè)定需要使用EDTA滴定的方法，符合現(xiàn)在高考的導(dǎo)向；其次鈣元素是學(xué)生在初中就已經(jīng)接觸到但是沒有能夠拓展學(xué)習(xí)的知識(shí)。補(bǔ)鈣是社會(huì)上一個(gè)熱點(diǎn)話題，各種補(bǔ)鈣的廣告或多或少影響著學(xué)生。如果簡(jiǎn)單地帶領(lǐng)學(xué)生按照傳統(tǒng)的方法測(cè)定某一個(gè)物質(zhì)中的鈣含量，無法達(dá)到提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。為此，筆者選定了“牛奶和蝦皮哪個(gè)更補(bǔ)鈣”這一課題。

2 展開重點(diǎn)問題

在實(shí)驗(yàn)中存在幾個(gè)難點(diǎn)：首先是測(cè)定過程中各種雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)可能的干擾；其次是如何保證待測(cè)樣本中的鈣元素能被完全檢出；第三則是固態(tài)樣本中有效物質(zhì)提取方法。

為了盡快進(jìn)行研究，教師給出了自來水中鈣離子含量測(cè)定的方法，滴定過程中的各種試劑的用途，例如加入HCl、三乙醇胺和Na2S分別除去各種雜質(zhì)。

在此基礎(chǔ)上，教師將問題升級(jí)：水換成牛奶，牛奶中含有的物質(zhì)與水有什么不同；鈣含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)該如何進(jìn)行；牛奶中的這些“雜質(zhì)”是不是會(huì)同樣影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果？

學(xué)生回答：牛奶中含有的脂肪和蛋白質(zhì)就是測(cè)定鈣含量的雜質(zhì)。

因此，我們需要做一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，即去除蛋白質(zhì)和脂肪的牛奶與不去除蛋白質(zhì)和脂肪的牛奶的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。而去除蛋白質(zhì)和脂肪的方法，同學(xué)們則需要利用網(wǎng)絡(luò)來檢索最適宜的方法。由于需要排除的干擾因素很多，逐一排查需要大量的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，因此在實(shí)際操作中并不可行，教學(xué)中教師僅僅帶領(lǐng)學(xué)生討論可能存在干擾的物質(zhì)，而將探究重點(diǎn)引向更復(fù)雜的蝦皮中鈣含量的測(cè)定。

牛奶作為液體，測(cè)定起來比較容易，而蝦皮中鈣的測(cè)定則要復(fù)雜得多。

教師問：蝦皮作為固體，我們應(yīng)該怎樣處理才能將其中的鈣元素提取出來？

學(xué)生答：用酸浸泡。

教師問：這個(gè)反應(yīng)的過程看不見，如何保證蝦皮中的鈣完全被鹽酸溶解出來？

學(xué)生答：多泡一段時(shí)間。

教師繼續(xù)追問：多泡一段時(shí)間是多長(zhǎng)時(shí)間？多泡就能證明鈣完全溶解了嗎？

此時(shí)學(xué)生明白了，單純浸泡無論多長(zhǎng)時(shí)間都無法通過一次實(shí)驗(yàn)證明鈣元素已經(jīng)完全溶出。

學(xué)生問：既然一次測(cè)定不能證明，通過多次平行實(shí)驗(yàn)是不是可以呢？

在過去的教學(xué)中，很多學(xué)生已經(jīng)養(yǎng)成了平行實(shí)驗(yàn)就可以去除誤差的思維邏輯，但是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中卻是不行的，因?yàn)槿〉臉颖臼峭粋€(gè)樣品，只能證明這次測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但是依然不能證明鈣元素是否完全溶出。

可以假設(shè)，鈣元素的溶出是和時(shí)間有關(guān)的，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，溶出率提高，直到完全溶出，但是具體應(yīng)該泡多長(zhǎng)時(shí)間該如何確定呢？學(xué)生在習(xí)題訓(xùn)練中做過很多類似的題目，只不過在實(shí)際操作過程中還不能與平時(shí)的習(xí)題形成有效的正向反饋。此時(shí)教師需要來引導(dǎo)：兩次取樣測(cè)定數(shù)據(jù)如果不一樣，說明什么？如果一樣又說明了什么？

學(xué)生立即明白了，那就是浸泡一段時(shí)間測(cè)定一次鈣離子的含量，直到兩次測(cè)定的數(shù)據(jù)一致。

不過這個(gè)實(shí)驗(yàn)方法過于費(fèi)時(shí)，在教學(xué)中不可行。有什么辦法能讓沒有用的有機(jī)物“消失”呢？

學(xué)生答：把有機(jī)物分解掉。

教師問：怎樣分解？有機(jī)物在什么條件可以被破壞？

學(xué)生答：高溫條件下有機(jī)物可以被氧化分解。我們可以把將蝦皮高溫灼燒分解其中有機(jī)物。

教師由此給出了灰化法的概念，并提出問題：灰化法與酸浸法有什么區(qū)別？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

學(xué)生討論并回答：酸浸法不能獲知是否將所測(cè)元素完全浸出，有機(jī)物完全浸出本身就存在困難，酸浸法存在系統(tǒng)誤差無法消除。酸浸法實(shí)驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，而灰化法可以很快完成實(shí)驗(yàn)，灰化法效果更好。

這里學(xué)生又犯了經(jīng)常犯的小錯(cuò)誤，認(rèn)為非對(duì)即錯(cuò)，在獲知了灰化的方法后就認(rèn)為酸浸法不好，而實(shí)際上并非如此。

教師追問：你如何知道完全灰化了？

學(xué)生茫然。

灰化和酸浸其實(shí)同樣存在需要判斷是否反應(yīng)完全的問題，差別僅僅是酸浸法肉眼無法看出來，而灰化法憑肉眼基本可以判斷。而實(shí)際上肉眼的判斷并不一定準(zhǔn)確，如何判斷完全灰化最終還是要依靠技術(shù)手段。

如果簡(jiǎn)單地照搬灰化法的實(shí)驗(yàn)方法，灼燒一段時(shí)間就測(cè)定一次，因?yàn)榛曳址浅Ｉ伲粊碚`差太大，二來幾次取樣后就沒有樣本了，這個(gè)方法不可行。但是思想方法卻是可以借鑒的。

教師提示：灰化的過程就是將有機(jī)物燒掉的過程，這個(gè)過程的質(zhì)量會(huì)有什么變化？

在教師的提示下，學(xué)生意識(shí)到只要在灰化后稱量樣本質(zhì)量，直到質(zhì)量不變就可以認(rèn)為有機(jī)物完全被燒掉了。

3 思維躍升，實(shí)驗(yàn)中解決實(shí)際問題

討論解決一些基本問題，實(shí)際操作時(shí)的變量則是對(duì)學(xué)生的應(yīng)變能力、操作水平、理論聯(lián)系實(shí)際能力的又一種考驗(yàn)。比如實(shí)驗(yàn)將要開始時(shí)，坩堝的恒重問題就需要學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決，這時(shí)教師要及時(shí)提出并引導(dǎo)學(xué)生思考。

教師問：我們的實(shí)驗(yàn)過程中用電子稱量天平時(shí)，經(jīng)常用到“歸零”，我們?yōu)槭裁匆獨(dú)w零？

學(xué)生答：沒有歸零前有數(shù)值，稱重出的結(jié)果就不準(zhǔn)確。

教師問：那坩堝我們可以直接用來盛裝蝦皮灼燒嗎？我們需要對(duì)坩堝進(jìn)行“歸零”嗎？

學(xué)生答：需要。

教師問：為什么需要？需要怎樣對(duì)坩堝進(jìn)行“歸零”？

學(xué)生答：坩堝中可能會(huì)有物質(zhì)會(huì)在灼燒時(shí)產(chǎn)生變化，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差，需要先對(duì)坩堝進(jìn)行灼燒。

教師問：我們應(yīng)該灼燒多久呢？

學(xué)生答：灼燒至坩堝重量不再變化。

討論取得效果，學(xué)生已經(jīng)能再次使用恒重法來剔除坩堝可能帶來的誤差。

實(shí)驗(yàn)開始，在灰化的過程中，坩堝中會(huì)冒煙，學(xué)生并沒有意識(shí)到這些煙可能對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響，教師此時(shí)則不能放過這個(gè)誤差，給學(xué)生提出新的問題。

教師問：這些煙是什么成分，對(duì)實(shí)驗(yàn)有無影響？

學(xué)生答：是碳。

教師追問：你怎么知道只有碳，而沒有其他物質(zhì)？

此時(shí)學(xué)生就意識(shí)到鈣元素就可能隨煙霧損失，導(dǎo)致最終測(cè)定值偏小。

教師此時(shí)繼續(xù)提出新要求：如何不能起火并盡量減少冒煙，也就是控制燃燒的速度。因?yàn)槲r皮的量是一定的，唯一能夠控制的就是氧氣的量，有什么辦法讓氧氣按照我們需要的量進(jìn)入坩堝內(nèi)呢？

教師在此過程中可引導(dǎo)學(xué)生往坩堝蓋的方向上思考，不蓋坩堝蓋，就會(huì)起火冒煙，完全蓋住坩堝蓋，則氧氣不足無法充分灰化，部分蓋住坩堝蓋才可以解決這個(gè)問題。

當(dāng)學(xué)生將一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出來，問題又出現(xiàn)了，從絕對(duì)含量上比較，蝦皮明顯高于牛奶而究竟是牛奶適合補(bǔ)鈣還是蝦皮適合補(bǔ)鈣觀點(diǎn)卻并不一致。有學(xué)生從絕對(duì)量比較，認(rèn)為蝦皮最適合補(bǔ)鈣；有的學(xué)生則認(rèn)為蝦皮不適合每天大量吃，因此還是牛奶最適合補(bǔ)鈣。

教師此時(shí)并不給出所謂的標(biāo)準(zhǔn)答案，而是有意識(shí)留下懸疑，讓學(xué)生課后繼續(xù)探討，在科學(xué)的道路上，只有不斷探索，才能得出真理。

4 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)選取的是貼近生活的實(shí)驗(yàn)材料——牛奶和蝦皮，這樣將教學(xué)的事實(shí)性知識(shí)置于真實(shí)的問題情境中，教學(xué)內(nèi)容就顯得生動(dòng)且有意義。能夠充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生將化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)、生活實(shí)踐的意識(shí)，為今后能夠?qū)εc化學(xué)有關(guān)的社會(huì)和生活問題做出合理的判斷提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的課堂授課方式教師講授偏多，學(xué)生主動(dòng)性發(fā)揮不足，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)部分知識(shí)點(diǎn)掌握的深度和廣度受到限制。這節(jié)課教師由知識(shí)的傳輸者變?yōu)橐龑?dǎo)者，學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)接受者變?yōu)橹鲃?dòng)構(gòu)建者。在探究式教學(xué)過程中，學(xué)生是主體，教師以課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，將講授式授課與開放式討論授課相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地解決問題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中掌握科學(xué)思維方法。通過定量實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的敏感性，知道哪些參數(shù)可變哪些不可以變。哪些是不確定因素、哪些數(shù)據(jù)存在邏輯關(guān)系在鍛煉學(xué)生類比思維的同時(shí)也強(qiáng)化了求異思維。培養(yǎng)學(xué)生的求異思維是建立在求同思維的基礎(chǔ)上，課后教師不給出標(biāo)準(zhǔn)答案，給學(xué)生發(fā)散性思維空間。在探究性學(xué)習(xí)過程中，將學(xué)生引入主動(dòng)學(xué)習(xí)過程，探究過程的體驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的積累會(huì)提高其學(xué)習(xí)能力，問題解決帶來的成就感會(huì)使其更有學(xué)習(xí)激情和動(dòng)力，從而形成良性循環(huán)，循序漸進(jìn)地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。