基于證據(jù)推理的定量測定實驗教學(xué)

魯衍旭

摘? ? 要：作為高中化學(xué)選擇性必修教材中的一個必做定量測定實驗，酸堿中和滴定依托的是化學(xué)反應(yīng)的定量關(guān)系，這種關(guān)系普遍存在。但并非所有的定量關(guān)系都可直接用于測定，需要利用定量關(guān)系確定化學(xué)計量點進行證據(jù)收集，基于證據(jù)進行推理，從而建立定量測定實驗的認知模型。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理;定量測定;中和滴定

實驗方法是化學(xué)學(xué)科最基礎(chǔ)和最重要的研究方法，高中化學(xué)教育要發(fā)展學(xué)生基于證據(jù)推理形成結(jié)論的思維能力，發(fā)展學(xué)生通過實驗探究解決與化學(xué)相關(guān)實際問題的能力?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標準（2017年版）》規(guī)定必修課程有9個學(xué)生必做實驗，其中有1個定量實驗，就是配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液[1]。選擇性必修課程也有9個學(xué)生必做實驗，也有1個定量實驗，就是酸堿中和滴定實驗。前一個定量實驗可以配制所需濃度的溶液，后一個實驗則是以酸堿中和反應(yīng)中的定量關(guān)系為基本原理形成的定量分析測定方法，它所體現(xiàn)的“用已知推未知”也滲透著哲學(xué)思想，是人們認識事物的方法論。

證據(jù)推理，是化學(xué)學(xué)科的思想和方法，也是化學(xué)學(xué)科的重要核心素養(yǎng)。酸堿中和滴定實驗要求學(xué)生能從定性與定量結(jié)合上收集證據(jù)，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，通過定性分析和定量計算推出合理的結(jié)論，建立定量測定實驗的認知模型。

一、教材與學(xué)情分析

（一）教材分析

本節(jié)課“酸堿中和滴定”選自蘇教版選修4教材《化學(xué)反應(yīng)原理》中的專題3《溶液中的離子反應(yīng)》第二單元的第2節(jié)。該單元第1節(jié)是“溶液的酸堿性”，介紹了溶液酸堿性與溶液中H+、OH-濃度的關(guān)系，pH的概念及與溶液酸堿性的關(guān)系，常用的測量溶液pH的方法。第2節(jié)則從原理、實驗方法等角度介紹了一種常用的測定酸堿濃度的方法——酸堿中和滴定，教材前后知識聯(lián)系緊密。教材中關(guān)于實驗必備儀器（滴定管）和指示劑的知識補充較為詳細，而對滴定原理的敘述比較精練，尤其是對滴定終點如何確定的解釋比較抽象，學(xué)生對定量實驗的化學(xué)計量點的如何選擇難以理解。

（二）學(xué)情分析

學(xué)生通過之前的學(xué)習(xí)已經(jīng)能夠理解酸堿中和反應(yīng)的本質(zhì)，從而比較容易建立酸堿中和完全反應(yīng)時的定量關(guān)系。通過本單元第1節(jié)“溶液酸堿性”的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道酸堿性與H+、OH-濃度的關(guān)系，學(xué)會用酸堿指示劑、pH試紙和pH計等方法可以測量溶液酸堿性。定量測定，就是通過已知和未知的定量關(guān)系而得到未知，找到合適的化學(xué)計量點非常關(guān)鍵。酸堿中和反應(yīng)的現(xiàn)象不明顯，如何把隱性的反應(yīng)進程顯性化，再從顯性化的現(xiàn)象（數(shù)據(jù)）里找到化學(xué)計量點。學(xué)生的困惑就是恰好完全反應(yīng)點難以控制，如何找到合適化學(xué)計量點比較困難。

此外，該實驗中能夠較精確測量溶液體積的儀器——滴定管，學(xué)生也是第一次接觸，該儀器不同于學(xué)生熟悉的量筒的結(jié)構(gòu)，也有別于量筒的操作方法。不過作為實驗操作技能，可以通過多操作練習(xí)，就能消除學(xué)生的生疏，讓學(xué)生準確、熟練地操作。

二、教學(xué)目標

1.通過中和滴定實驗操作，學(xué)會使用滴定管，獨立、合作完成實驗操作，從實驗中收集實驗證據(jù)，基于證據(jù)推斷想要的結(jié)論。

2.根據(jù)酸堿中和反應(yīng)的本質(zhì)，從定性（反應(yīng)過程中酸堿性的變化）與定量（反應(yīng)過程中pH的變化）結(jié)合上收集證據(jù)，建立定量測定的認知模型。

3.通過滴定發(fā)展史的介紹以及食物是否變質(zhì)檢測方案的設(shè)計，理論聯(lián)系實際，感受化學(xué)對社會發(fā)展的貢獻，增強社會責(zé)任感。

三、教學(xué)流程圖

從信息加工理論看，推理時所依據(jù)的“信息”即“證據(jù)”，常常與數(shù)據(jù)和知識相關(guān)聯(lián)[2]。證據(jù)推理意指從問題情境及已有知識經(jīng)驗中識別、轉(zhuǎn)換形成觀點，并多方收集證據(jù)、利用證據(jù)進行推理，從而獲得結(jié)論[3]。本節(jié)課從史實中、實驗中、數(shù)據(jù)中以及應(yīng)用中獲得證據(jù)，建立中和滴定乃至定量測定實驗的原理模型。本課的教學(xué)流程如圖1所示。

四、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)認知情境，產(chǎn)生認知需要

認知需要是人類的需要和動機之一，美國學(xué)者馬斯洛指出：人具有解決疑難和理解問題的欲望，探索各種事物的需求。在本節(jié)課的開始，通過對人體體液、土壤、海水的pH值的介紹，讓學(xué)生了解人與自然需要酸堿的平衡與控制，生產(chǎn)生活與科學(xué)研究需要測定和控制溶液的酸堿性，激發(fā)學(xué)生去了解測定溶液酸堿性的經(jīng)典方法——酸堿中和滴定。

化學(xué)史實既能使學(xué)生深刻理解知識本身發(fā)生的過程，也能讓學(xué)生從科學(xué)家艱辛探究的歷程中為新知學(xué)習(xí)收集證據(jù)。 課堂中，給學(xué)生展現(xiàn)了如表1的史實材料。

根據(jù)上述材料，引發(fā)學(xué)生思考和尋找證據(jù)。為什么早期研究，利用鹽和酸反應(yīng)也可以測定未知物的濃度？1729—1877年，氧化還原滴定和沉淀滴定發(fā)展比較快，而酸堿中和滴定卻進展不大。當指示劑合成后，促使了中和滴定的發(fā)展。

引導(dǎo)學(xué)生推理得出：任何化學(xué)反應(yīng)都存在定量關(guān)系，都可以用來從已知測未知，關(guān)鍵是定量關(guān)系的確定。在中和滴定實驗中，關(guān)鍵就是確定滴定的終點。

（二）化隱性為顯性，用已知測未知

1.從酸堿中和反應(yīng)的本質(zhì)推理定量關(guān)系。通過問題的遞進，由一般到特殊再到一般，推理酸堿中和反應(yīng)的定量關(guān)系（如圖2），建立從已知測未知的測量原理。

2.從定量關(guān)系推理實驗關(guān)鍵。給出具體測量實例（用已知濃度的NaOH溶液測定未知濃度的HCl溶液），結(jié)合定量關(guān)系，尋找中和滴定實驗的關(guān)鍵（如圖3）——體積的測量和終點的確定。“需測量”中溶液體積的測量，聯(lián)系過去學(xué)過測溶液體積的方法，量筒的精確度不高，可以使用精確度更高的滴定管。同時從滴定管的構(gòu)造、使用等方面介紹與量筒的差別，讓學(xué)生以小組為單位練習(xí)使用滴定管測量溶液的體積。“需控量”中“=”何時取到，就是關(guān)鍵之關(guān)鍵了。

3.隱性進程顯性化，滴定終點可視化。酸堿中和反應(yīng)因沒有明顯現(xiàn)象，實驗過程中的反應(yīng)進程難以知曉，無法建立酸堿之間的定量關(guān)系。因而，需要將隱性的反應(yīng)進程顯性化，怎么顯性呢？隨著反應(yīng)的進行，溶液的酸堿性是變化的，酸堿性是可測的，可以通過指示劑定性判斷，也可以通過pH計測定pH值（如圖4），將中和反應(yīng)的進程顯性化，進而可以判斷滴定的終點，使滴定終點可視化。在推理終點確定的證據(jù)上，主要從理論計算、實驗操作進行收集，同時輔以動畫演示，讓學(xué)生更易理解。

根據(jù)上述證據(jù)的收集進行推理，通過追問引發(fā)學(xué)生討論、思考、推理。（1）NaOH溶液與HCl溶液反應(yīng)時，判斷反應(yīng)的進程，比較簡單的方法是什么？（通過滴加指示劑，觀察溶液顏色變化）（2）根據(jù)滴定曲線，0.1000 mol/L NaOH溶液滴定0.1000 mol/L HCl溶液時，判斷有沒有完全反應(yīng)，選用的指示劑何時變色最佳？（3）若以滴入19.98mL、20.02 mL作為滴定終點，相對誤差有多大？可不可以作為滴定終點？（4）選用的指示劑的變色范圍可不可以擴大？變色范圍可以為多少？

另外再輔以數(shù)據(jù)變化的flash動畫予以說明，進而得到滴定終點可以選擇在突躍范圍內(nèi)比較方便，此時可以滴加在突躍范圍內(nèi)變色的指示劑，通過溶液顏色的變化判斷滴定的終點。

通過上述過程，就可以建立從已知測未知的認知模型，即建立定量關(guān)系、找準化學(xué)計量點、測準用儀器可測的數(shù)據(jù)。

（三）學(xué)生分組實驗，理解滴定原理

通過四人一組的分組實驗，用0.1000 mol/L HCl測定NaOH溶液的物質(zhì)的量濃度，提供了型”等素養(yǎng)緊緊相扣。在解讀中，教師能理解教材多元表征的意義所在。教師在對課標的比較中才能理順教學(xué)中應(yīng)該“教什么”“為什么教”這兩個問題，把教學(xué)之關(guān)鍵“力”用在刀刃上。

二、透·析·悟之教材比較中整合能力的提升

胡丹老師在《中美小學(xué)數(shù)學(xué)教材“兩位數(shù)乘兩位數(shù)”的比較研究》一文中提到，在知識的準備比較中，MM教材采用畫一畫、說一說、練一練、用一用、寫一寫的方式，讓學(xué)生更好地借助面積模型把兩位數(shù)乘兩位數(shù)轉(zhuǎn)化為已學(xué)過的一位數(shù)乘整十數(shù)和一位數(shù)乘兩位數(shù)的舊知。這樣的教學(xué)方式值得教師在教學(xué)中斟酌思考，人教版教材在教學(xué)兩位數(shù)乘兩位數(shù)時，教師是否太過于注重學(xué)生對于算法的掌握，而忽略了讓學(xué)生在動手操作中進行更深入的理解。因此，在教學(xué)《兩位數(shù)乘兩位數(shù)》時，教師應(yīng)更注重讓學(xué)生在動手操作中理解與運用。同時人教版教材將《兩位數(shù)乘兩位數(shù)》編排在三年級下冊《面積》之前進行教學(xué)，這是否有必要？值得再深入分析思考。另外，人教版教材在圖形表征上的呈現(xiàn)更加多樣化，在計算過程中讓學(xué)生在形象生動和剝離抽象中找到共性，掌握算法。透過以上內(nèi)容的比較，分析兩版教材對于同一教學(xué)內(nèi)容在實踐操作、計算方法和幾何直觀上的不同，挖掘教材內(nèi)涵，能讓教師整合教材的能力得到很好的提升，以更好地為開展教學(xué)、提高學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)服務(wù)。

張耀勝老師在《中美小學(xué)數(shù)學(xué)教材“用數(shù)對確定位置”的比較研究》一文中指出，“用數(shù)對確定位置”將代數(shù)與幾何領(lǐng)域進行聯(lián)系，為解析幾何的學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。在人教版教材和MM版教材的比較中，思考教學(xué)時應(yīng)更注重如人教版教材中數(shù)對知識的學(xué)習(xí)是與生活的緊密聯(lián)系，還是如MM版教材中側(cè)重規(guī)范的數(shù)學(xué)表達，呈現(xiàn)準確的數(shù)學(xué)名詞。追根溯源，數(shù)學(xué)的核心素養(yǎng)應(yīng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)的眼光觀察，用數(shù)學(xué)的語言表達，用數(shù)學(xué)的思維思考。在數(shù)對的教學(xué)中，如果只是簡單地用數(shù)對進行位置上的描述，那么低年級學(xué)生利用前、后、左、右即可描述，這樣就體現(xiàn)不出學(xué)習(xí)數(shù)對的必要性與價值性。MM版教材在數(shù)對的學(xué)習(xí)上呈現(xiàn)了如“數(shù)軸”“坐標平面”“原點”等數(shù)學(xué)名詞，并對數(shù)對的概念也用較為準確的數(shù)學(xué)語言進行描述定義。同時在讓學(xué)生語言描述上，MM版教材引導(dǎo)學(xué)生先標明原點以及列和行的刻度，精準地進行語言描述“先從左往右看橫坐標，再從下往上看縱坐標”，教師在教學(xué)數(shù)對內(nèi)容時可以對MM版教材這塊內(nèi)容進行借鑒。透過兩個版本教材的比較，教師在分析中提升自身解讀教材的能力，同時悟出對于教材的理解，從而提升了教師重新整合教材的能力。

三、透·析·悟之整合能力提升的注意點

在教材比較整合的過程中，教師應(yīng)注意以下幾個角度。

（一）內(nèi)容視角

在不同版本教材比較整合的過程中，教師要會化繁為簡。有意識地對教材進行刪減，及時精準地抓出不同版本教材中的“核心內(nèi)容”，抓住整合的必要性與價值性，以達到教材整合的意義所在。

（二）學(xué)生視角

教育教學(xué)的本質(zhì)是發(fā)展學(xué)生和成就學(xué)生，教師只有站在學(xué)生的視角來審視和研究不同版本的教材，研究才具有意義。所以在對不同版本教材的比較整合研究中，教師要時時刻刻站在學(xué)生的視角進行思考，思考如何整合不同版本的教材才更加有利于學(xué)生的發(fā)展。

（三）教學(xué)視角

比較不同版本的教材，整合教材中值得留存的內(nèi)容，從而在教學(xué)中設(shè)計有效活動。教師在研讀時，觀察不同版本教材給出的提示，運用整合能力，在有效對接學(xué)生的具體情況的前提下，時時考慮從教學(xué)視角上設(shè)計有效活動。

培養(yǎng)教師對于不同版本教材進行整合的能力，不僅要有意識，更要有積極思考、探索、研究的興趣。而本期中不同版本教材的比較研究正好給我們的探究整合提升引導(dǎo)了一個方向。

（浙江省溫州道爾頓小學(xué)? ?325000）