三階段“粗鹽提純”實驗背后的人才培養(yǎng)思考

耿鳳華,徐茂田

(1.河南省生物分子識別與傳感重點實驗室,河南 商丘 476000； 2.河南省化學生物傳感與重大疾病早期診斷國際聯(lián)合實驗室,河南 商丘 476000； 3.商丘師范學院 化學化工學院,河南 商丘 476000)

在大力推進中學素質(zhì)教育和努力開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的今天,化學實驗不僅是學生學習的主要內(nèi)容,也是化學學習的主要方式和途徑,同時也是實現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標的重要教學環(huán)節(jié).綜觀人教版九年級下冊《化學》教科書和普通高中課程標準實驗教科書《化學》以及北師大版《無機化學實驗》教材不難發(fā)現(xiàn),“粗鹽提純”這一化學實驗內(nèi)容在九年級、高一年級和化學及相關(guān)專業(yè)的大學一年級實驗課中均有設(shè)置,這充分說明了該實驗在化學教學中的重要性和基礎(chǔ)性.

1 “粗鹽提純”實驗在化學教學中的要求

在初中化學課程標準(2011版)第3部分“課程內(nèi)容”中有多處涉及“粗鹽提純”實驗及相關(guān)內(nèi)容[1]：“科學探究”一級主題下面二級主題“完成基礎(chǔ)的學生實驗”里面明確提出了學生“至少要完成的化學實驗活動”,其中包括“粗鹽中難溶性雜質(zhì)的去除”.新修訂的2017版普通高中化學課程標準[2],必修模塊主題1 “化學實驗”中要求學生“初步學會物質(zhì)的檢驗、分離、提純和溶液配制等化學實驗基礎(chǔ)知識和基本技能”,在主題2中明確規(guī)定“用化學沉淀法去除粗鹽中的雜質(zhì)離子”作為學生必做實驗,“教學提示”下面的學習活動建議中,把“用化學沉淀法去除粗鹽中的雜質(zhì)離子”作為一項實驗及探究活動.以上這些都充分體現(xiàn)了“粗鹽提純實驗”在化學教學中的重要性和基礎(chǔ)性.

2 “粗鹽提純”實驗在教材中的編排方式及實驗目的

2.1 “粗鹽提純”實驗在初中化學教材中的作用及目的

依據(jù)課程標準的要求,從人教版初中化學教材內(nèi)容的編排來看,在初中“粗鹽提純”實驗內(nèi)容是除去粗鹽中以泥沙為主的難溶性雜質(zhì),其實驗目的是：(1)通過實驗,體驗固體混合物初步分離提純的實驗過程；(2)初步學習過濾和蒸發(fā)實驗操作技能；(3)學會物質(zhì)的溶解、過濾、加熱等基本實驗操作技能.

2.2 “粗鹽提純”實驗在高中化學教材中的作用及目的

學生進入高中后,在人教版必修模塊《化學1》中的第1章從實驗學化學第1節(jié)“化學實驗基本方法”實驗1-1再次接觸到“粗鹽的提純”實驗.其這樣編排的目的是[3]：(1)從學生已有經(jīng)驗出發(fā),既可起到復習的作用,又可降低實驗的難度,逐步深入；(2)該實驗中包含著較多的分離操作,而且過濾是所有分離方法中最常用的,有必要讓學生掌握；(3)粗鹽經(jīng)溶解、過濾后所得的濾液并不只是NaCl的溶液,仍然含有少量可溶性雜質(zhì),需要進一步檢驗并除去.這樣學生就可以借助這一實驗進一步學習離子檢驗的方法.所以其學習內(nèi)容在鞏固初中所學的溶解、過濾和蒸發(fā)等操作技能的基礎(chǔ)上,還加入了除去粗鹽中可溶性雜質(zhì)的任務.高中粗鹽的提純實驗學生應著重于“掌握溶液中可溶性雜質(zhì)的去除方法”,這樣體現(xiàn)了不同學段教學內(nèi)容的進階.其實驗目的是：(1)通過實驗,鞏固用物理方法除去粗鹽中的不溶性雜質(zhì)；(2)通過實驗掌握溶解、過濾、蒸發(fā)等基本操作；(3)通過實驗,初步學會溶液中可溶性雜質(zhì)的去除方法,明確從混合物中分離和提純物質(zhì)的思想和方法；(4)通過實驗探究,認識到學好化學,服務于社會,學有所用,增強學習化學的興趣.

2.3 “粗鹽提純”實驗在大學化學實驗教材中的作用及目的

無機化學實驗不僅是化學實驗的重要分支,也是學生學習化學及相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)實驗課程.“粗鹽提純”實驗一般放在物質(zhì)的分離和提純專題下,其目的是使學生學會正確選擇無機物的分離、提純和分析鑒定方法,熟練掌握這些基本操作技能.眾所周知,自然界中的無機化學試劑或化工初級產(chǎn)品常含有一些雜質(zhì),故采用過濾或重結(jié)晶等基本方法來純化該類物質(zhì)十分必要.因此,過濾、蒸發(fā)和結(jié)晶等技術(shù)也成為無機化學實驗中必須掌握的最基本的也是非常重要的提純方法.

學生在初高中“粗鹽的提純”實驗基礎(chǔ)上,(1)掌握粗鹽提純的原理和方法以及產(chǎn)品的產(chǎn)率的計算和測定；(2)了解鹽類溶解度知識及沉淀溶解平衡原理在該實驗中的應用；(3)熟練掌握稱量、溶解、過濾、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶等基本操作；(4)學會定性檢驗產(chǎn)品純度的方法；(5)初步學習NaCl含量分析及雜質(zhì)限量分析方法.教學內(nèi)容是復習高中所學實驗原理,進一步鞏固溶解、過濾、蒸發(fā)、濃縮結(jié)晶等操作技能,拓展溶解、過濾等操作方法,初步學習用目視比色法進行限量分析的原理和方法.

3 不同階段“粗鹽提純”實驗教學策略

從三個階段的實驗學習內(nèi)容和學習目標來看,在知識的階梯上學生拾級而上,難度逐漸加大,內(nèi)容逐漸增多,層層深入,循序漸進,體現(xiàn)了學習進階,這樣的設(shè)計符合學生思維發(fā)展的特點,也符合學習的特點.如何實現(xiàn)這種進階呢？筆者認為根據(jù)不同階段的培養(yǎng)目標,采用不同的教學模式和教學策略.

3.1 初中階段“粗鹽提純”實驗教學策略

初中階段,主要培養(yǎng)學生學習化學的興趣,了解物質(zhì)分離提純的目的和意義,讓學生掌握物質(zhì)分離提純的一般方法,可以通過開展有教師指導的探究學習活動來完成本實驗.教師在指導學生開展探究活動時,注意聯(lián)系學生的已有經(jīng)驗和生活實際,努力創(chuàng)設(shè)生動真實的問題情景,激發(fā)學生的好奇心和求知欲,并鼓勵學生自己發(fā)現(xiàn)和提出問題,提高學生參與探究的自主性.

3.2 高中階段“粗鹽提純”實驗教學策略

學生進入高中后,開篇以學生熟悉的“粗鹽提純”實驗為切入點既滲透高中的實驗要點,又能使學生循序漸進學習該內(nèi)容,充分感受到學習探究的樂趣.在開展實驗教學前教師即要首先讓學生了解粗鹽提純的歷史背景,如古代制鹽法的簡介,充分挖掘其蘊含的教育價值,使學生認識到化學知識對創(chuàng)造物質(zhì)財富的重大貢獻,激發(fā)學生的熱愛化學,勇于探索科學知識的精神,同時為學生開展自主探究學習做好了鋪墊.

實驗教學要注重實踐性,以切實提高學生的化學核心素養(yǎng)為目標,最有效的方式就是采用實驗探究學習,以學生自主探究為主,教師指導為輔,可以采用“提出問題—猜想假設(shè)—制定方案—進行實驗—得出結(jié)論—交流評價”的教學過程.教師是學生探究的指導者和協(xié)助者,可以先向?qū)W生提出要解決的問題：如何從粗鹽中制備精鹽？為了保證學生實驗探究的時效性,在粗鹽提純實驗教學中,教師應圍繞本次實驗的核心內(nèi)容和重要環(huán)節(jié),設(shè)計學習任務和學習活動：(1)利用初中所學知識,如何除去粗鹽中的難溶性雜質(zhì)？(2)初次提純后的粗鹽中仍然含有可溶性的雜質(zhì),如何設(shè)計實驗方案除去呢？學生圍繞著這兩個具有驅(qū)動性的問題展開整個探究實驗.學習任務(1)要注意引導聯(lián)系學生已有的化學知識開展活動,使學生對知識形成深層理解.

由于可溶性雜質(zhì)的檢驗和除雜,思維要求較高,教師可以引導學生利用教材正文所提供的“鋇離子的檢驗方法”“思考與交流”學習欄目和“提示一些物質(zhì)溶解性”的資料卡片等內(nèi)容,設(shè)計實驗方案,除去粗鹽中的鈣離子、鎂離子和硫酸根等可溶性的雜質(zhì).學生通過分析問題、收集證據(jù)、并基于證據(jù)分析推理,對粗鹽中雜質(zhì)的成分作出假設(shè),設(shè)計方案進行實驗加以證實或證偽,經(jīng)歷一系列的探究活動,明確從混合物中分離和提純物質(zhì)的思想和方法,如根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)的差異選擇物質(zhì)分離的實驗方法,最后收集實驗證據(jù)做出解釋等.教師 “勵其行、促其思、放其手”,學生在教師的組織、指導下,獨立思考,主動發(fā)揮學習的主體作用,培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力.

學生根據(jù)老師創(chuàng)設(shè)的真實且豐富的學習情境及進階性問題,追溯究源,深層剖析氯化鈉精鹽的制取過程,通過科學探究感受到化學實驗的作用和價值,從而建立正確的實驗觀,通過實驗探究親身體驗“粗鹽提純”,既可以掌握基本操作技能又能培養(yǎng)一定的科學探究能力,最后通過師生、生生的相互評價,自我反思認識自身的設(shè)計能力及實驗操作能力的優(yōu)缺點.

3.3 大學階段“粗鹽提純”實驗教學策略

由于大學生的學習時間相對中學生來說自由時間較多,而且學生基本上都具備了自主學習能力,所以,在大學無機化學實驗課中,老師一般會至少提前一兩周給學生布置預習實驗內(nèi)容,要求學生先看書,查閱相關(guān)資料,寫出預習報告,然后才能進實驗室.大學的實驗條件比較好,不再像中學那樣進行分組實驗,基本上是單人單組,而且實驗時間比較充足,一般實驗課上老師會至少把三分之二的時間交給學生,而老師主要指導和幫助學生解決實驗中的一些疑難問題和突發(fā)事件.

根據(jù)往屆的經(jīng)驗,筆者發(fā)現(xiàn)雖然粗鹽的提純內(nèi)容學生相對比較熟悉,但由于剛剛從中學升入大學,開始獨立操作化學實驗,大多數(shù)學生動手能力不強,相當一部分學生在規(guī)定的時間里完不成實驗,粗鹽的提純實驗步驟又比較繁瑣,教師在實驗教學中有必要采取一些有效的教學策略和措施,指導學生順利操作,高效完成實驗.

為了提高產(chǎn)品的純度和收率,就要在過濾環(huán)節(jié)下手,本實驗主要探究影響第2次過濾實驗時間長短的因素.

在具體的操作中第一步是溶解,先讓學生思考如何使固體物質(zhì)溶解？加快溶解的方法有哪些(把固體研碎、玻璃棒攪拌或加熱)？在控制溶劑量的條件下,主要是采用加熱,比如酒精燈加熱,水浴加熱、恒溫磁力攪拌器加熱等,結(jié)合實驗室條件,你準備采用哪種方法？為了趁熱快速采用什么過濾方法？學生經(jīng)過討論決定用恒溫磁力攪拌器加熱,并用減壓過濾即抽濾(優(yōu)點是防止降溫時溶液中的溶質(zhì)析出,加快過濾速度,得到較干燥晶體),這樣縮短了實驗時間,提高了實驗效率,順利高效的完成了第一次過濾.

第二次過濾之后得到的仍然是溶液,若要得到NaCl晶體,需要對溶液進行蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶,在這步操作可以提示學生蒸發(fā)需要哪些儀器？學生根據(jù)課前預習已經(jīng)解決了這些問題.不僅要讓學生知其然更要知其所以然,可以引導學生深入思考：(1)為什么不能蒸干？這個問題稍微思考應該能夠回答上來(蒸干會造成晶體迸濺且不能除去K+)；(2)一般來說從溶液中析出晶體的方法有哪些？學生思考回答老師總結(jié)可以得出：蒸發(fā)結(jié)晶、冷卻熱的飽和溶液、加入有機溶劑以及利用溶度積規(guī)則等知識使晶體析出.此時還可以更進一步引導學生提前預習；(3)對于含結(jié)晶水的晶體如硫酸亞鐵銨的制備,如何讓其從溶液中析出？如果是易水解的鹽呢? 通過這種問答方式有意識地培養(yǎng)學生化學類別概念和聯(lián)想思維,體會鹽類溶解度的知識在無機物提純中的應用,使其學然后知不足.

為了得到更純凈的NaCl 晶體,還要進行晶體洗滌.關(guān)于晶體洗滌,實驗前給學生提出以下4個問題[4]：(1)為什么要洗滌？(2)用什么洗滌？為什么？(3)怎么洗滌？(4)如何證明已洗干凈？為了得到干燥的晶體還需要對洗滌后的晶體干燥除水,你知道實驗室有哪些干燥方法？你想選擇哪種？說明理由.這些問題對于大學生來說相當于復習中學知識,并適當有所拓寬所學內(nèi)容,解答難度不大.

最后還要計算收率,進行產(chǎn)品純度檢驗,此步驟讓學生了解什么是目視比色法,其分析原理和方法是什么,拓展學生常規(guī)分析知識,并知道其優(yōu)缺點和應用.

4 結(jié)論和反思

總之,過濾和蒸發(fā)濃縮結(jié)晶是提純固體無機物的重要方法.通過三階段粗鹽提純實驗學生不僅可以比較全面的熟練掌握溶液的溶解、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶以及過濾、洗滌和干燥等基本操作,同時還能夠把相關(guān)的理論知識和實驗操作結(jié)合起來,提升學生知識遷移能力,而且從實驗方法和實驗手段上不斷進行實驗創(chuàng)新,提高“粗鹽提純”的時效、純度和產(chǎn)率.當然,對粗鹽提純實驗的研究還需要逐步深化和細化,重點仍然是提高精鹽提純收率和純度,減小實驗誤差.