基于真實問題情境的實驗教學(xué)探究

［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“測定某補鈣劑中碳酸鈣的含量”為實驗教學(xué)主題，從實驗原理的確定、影響實驗成功的因素、實驗方案的設(shè)計、實驗裝置的改進與創(chuàng)新、實驗探究的不斷改進、建構(gòu)誤差分析模型等角度進行實驗復(fù)習(xí)教學(xué)，以期提高學(xué)生的科學(xué)精神、問題解決能力和創(chuàng)新意識，并為實驗教學(xué)的選題提供有意義的參考。

［關(guān)鍵詞］真實問題情境；實驗教學(xué)；碳酸鈣含量

［中圖分類號］" " G633.8" " " " ［文獻標(biāo)識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0070-04

一、實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

在基礎(chǔ)教育階段，實驗教學(xué)不僅有助于學(xué)生對知識的理解和掌握，同時也是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、問題解決能力和創(chuàng)新意識的重要手段[1]。然而，部分教師在參加實驗教學(xué)說課比賽時，卻面臨選題困難，受限于已有改進或?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融入課程[2]，提倡真實問題情境與“做中學(xué)”，這為實驗教學(xué)提供了豐富的教學(xué)建議。本文以“測定某補鈣劑中碳酸鈣的含量”為例，展示從實驗原理到數(shù)據(jù)處理的全過程，旨在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，并為實驗教學(xué)選題提供參考。

經(jīng)查閱文獻發(fā)現(xiàn)，在中學(xué)階段與本實驗教學(xué)主題相關(guān)的文獻主要有李俊紅[3]的項目式實驗復(fù)習(xí)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗探究、數(shù)據(jù)處理、模型建構(gòu)等三個學(xué)習(xí)任務(wù)測定碳酸鈣 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定”為例，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計了五種實驗方案，并給出了實驗的裝置圖，從理論上討論了實驗方案的優(yōu)缺點，但未進行真實的實驗探究；蔣鵬、丁偉[5]選擇將三通管和注射器組裝成一體化實驗儀器，采用絡(luò)合滴定和測定二氧化碳體積的方法來測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)計了石頭紙中碳酸鈣的定性檢測和定量測定的探究性實驗，構(gòu)建混合物中主要成分檢測的一般思維模型。

上述文獻均以高中學(xué)生的學(xué)情為出發(fā)點，或部分展示科學(xué)探究的過程，或僅從理論上討論實驗方案的可行性，或采用高中化學(xué)知識進行實驗探究。本文結(jié)合九年級學(xué)生的學(xué)情，以“測定某補鈣劑中碳酸鈣的含量”為例，探究基于真實問題情境的實驗教學(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定實驗，能根據(jù)化學(xué)方程式進行簡單的計算，能夠運用簡單的裝置和方法制取二氧化碳，能觀察實驗現(xiàn)象、如實記錄、處理實驗數(shù)據(jù)、撰寫實驗報告，知道碳酸鹽的檢驗方法，知道壓強、摩擦力的相關(guān)知識，具備簡單地收集資料的能力；但在解決復(fù)雜的、有挑戰(zhàn)性的真實問題時，實驗探究、創(chuàng)新和誤差分析的能力仍有待提高。

（二）實驗原理

通過稀鹽酸和補鈣劑中碳酸鈣的反應(yīng)，測量出生成的二氧化碳的質(zhì)量或體積，進而計算出碳酸鈣的含量。

（三）教學(xué)目標(biāo)

（1）能設(shè)計實驗方案，能分析實驗實施的合理性，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實、敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度；（2）構(gòu)建定量實驗探究的誤差分析模型，發(fā)展問題解決能力，并通過制作簡單裝置，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

（四）教學(xué)重難點

教學(xué)重點在于分析實驗方案的合理性，動手實驗以及構(gòu)建誤差分析思路；教學(xué)難點在于自制簡易的量氣裝置。

三、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

[資料展示]我國居民鈣的攝入量普遍較低，部分人群需要補充鈣制劑。但鈣攝入過量或不足均不利于人體健康，補鈣一定要定量而行。市場上的補鈣劑的主要成分是碳酸鈣。我們今天選擇的某品牌固體補鈣劑的有效成分是碳酸鈣，其他成分均不與稀鹽酸反應(yīng)。那么如何測定該補鈣劑中碳酸鈣的含量呢？

設(shè)計意圖：選取學(xué)生熟悉的日常生活事件為切入口，讓學(xué)生體會到用化學(xué)學(xué)科知識解決真實問題的魅力。

環(huán)節(jié)二：確立原理，設(shè)計方案

[教師提問]測定補鈣劑中碳酸鈣含量的原理是什么？你能從教材中的哪些實驗得到啟發(fā)？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生回顧教材知識，即測定空氣中氧氣的含量，二氧化碳的制取、收集和測量方法等。立足學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，引導(dǎo)學(xué)生運用已學(xué)知識解決問題。

[學(xué)生1]首先稱量一定質(zhì)量的補鈣劑，將其與稀鹽酸充分反應(yīng)，測量出生成的二氧化碳的質(zhì)量，再根據(jù)化學(xué)方程式計算出碳酸鈣的質(zhì)量，進而計算出碳酸鈣的含量。

[學(xué)生2]測量二氧化碳的體積，再由體積和質(zhì)量的關(guān)系計算出二氧化碳的質(zhì)量。

[教師引導(dǎo)]如何測量二氧化碳的質(zhì)量或體積呢？各小組在設(shè)計實驗裝置時，注意探討影響實驗的因素：（1）若實驗中提供的量氣儀器量程為50 mL，請先估算出碳酸鈣的最大質(zhì)量，并推算出補鈣劑的最佳取用量。（2）為加快反應(yīng)速率和提高實驗的準(zhǔn)確性，實驗前可對補鈣劑進行怎樣的處理？（3）鹽酸的濃度對實驗結(jié)果有沒有影響？（4）利用排空氣法測量體積時，可能會有哪些因素影響測量結(jié)果，如何改進？（5）利用排液法測量體積時，可能會有哪些因素影響測量結(jié)果，如何改進？（6）測量二氧化碳質(zhì)量時，可能會有哪些干擾因素？

[學(xué)生活動]進行小組合作，設(shè)計出實驗裝置圖（如圖1、圖2）。

[學(xué)生活動]各小組展示實驗方案。

[學(xué)生小組1]圖1（1）設(shè)計的是測量二氧化碳質(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。實驗步驟：實驗前檢查裝置的氣密性→打開彈簧夾，通入一段時間的氮氣，關(guān)閉彈簧夾→稱量裝置丙的質(zhì)量記為[m1]→打開分液漏斗的活塞，緩緩滴入足量稀鹽酸→不再有氣體產(chǎn)生后打開彈簧夾，通入一段時間的氮氣，關(guān)閉彈簧夾→稱量裝置丙的質(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)計的裝置是通過測量不參加反應(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）采用排空氣法測量二氧化碳的體積。用注射器收集并測量二氧化碳的體積，因生成的二氧化碳中混有水蒸氣，會使測量結(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）采用排液法測量二氧化碳的體積。因加入的稀鹽酸有一定的體積，會使測量結(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行實驗；二氧化碳?xì)怏w能溶于水，會使測定結(jié)果偏小，因此要在水面上加一層植物油。

[教師]請同學(xué)們對這四個實驗方案進行評價。

[學(xué)生3]圖1（1）設(shè)計很嚴(yán)謹(jǐn)，理論上是可行的，但實驗儀器較多、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、稱量，會增加實驗誤差。

[學(xué)生4]圖1（2）的設(shè)計也要過濾、洗滌、干燥、稱量，實驗步驟也很多，誤差會較大。

[學(xué)生5]圖2（1）、圖2（2）測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]如果實驗中注射器的最大量程是50 mL，取用多少克補鈣劑較為合適呢？

[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]到補鈣劑中含有雜質(zhì)，實驗中取用0.3 g補鈣劑比較合適。

[學(xué)生7]為了使碳酸鈣與稀鹽酸充分反應(yīng)，還應(yīng)該將補鈣劑研碎。

[教師]我們就采用排空氣法和排液法分別測量二氧化碳的體積。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生在相互評價交流中發(fā)現(xiàn)實驗方案的優(yōu)點和存在的問題，并對實驗方案進行改進，初步形成優(yōu)化實驗方案的意識，培養(yǎng)質(zhì)疑能力、創(chuàng)新意識、合作能力；在確定補鈣劑用量時，鞏固化學(xué)式的相關(guān)計算，發(fā)展元素守恒觀，并初步形成根據(jù)實驗儀器量程進行定量計算的意識。

環(huán)節(jié)三：實驗探究，改進創(chuàng)新

[學(xué)生實驗]學(xué)生分組進行實驗探究，測量二氧化碳的體積。

第一小組采用排空氣法測量二氧化碳的體積，實驗裝置如圖3所示。在實驗中出現(xiàn)如下異?，F(xiàn)象：（1）氣泡從漏斗口向外逸散；（2）注射器的活塞沒有向右移動。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。改進后重新進行實驗，活塞向右移動。0.3 g的補鈣劑充分反應(yīng)后，收集到了24 mL的氣體。但進行三次平行實驗后，發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定。這表明采用排空氣法測定二氧化碳的體積，實驗誤差較大。

第二小組同學(xué)采用排液法測量二氧化碳的體積，實驗裝置如圖4所示。實驗結(jié)束后有一段液體殘留在導(dǎo)管內(nèi)，這會使測得的二氧化碳體積偏小，從而導(dǎo)致計算出的碳酸鈣含量偏低。實驗記錄如表1所示。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生在真實的實驗探究中，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和勤于實踐、嚴(yán)謹(jǐn)求實的品質(zhì)。

[教師引導(dǎo)]這兩次實驗探究的結(jié)果均不夠理想，我們能否自制裝置，讓氣體的發(fā)生、收集、測量一體化，從而消除阻力和壓強差帶來的誤差呢？

向?qū)W生展示圖5簡易的產(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，對注射器的最小量程重新進行標(biāo)定；借助水平儀對反應(yīng)前后液體的體積進行讀數(shù)。

[教師提問]如何使用這套簡易的產(chǎn)氣、量氣裝置進行實驗探究呢？

[實驗步驟]（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)生實驗]學(xué)生分小組繼續(xù)進行實驗探究。

學(xué)生采用自制裝置再次進行實驗探究。0.3 g的補鈣劑充分反應(yīng)后，收集到了50 mL的氣體。經(jīng)計算，實驗結(jié)果與標(biāo)簽標(biāo)注的含鈣量基本一致，誤差較小。實驗記錄如表2所示。

設(shè)計意圖：使學(xué)生學(xué)會綜合運用化學(xué)、工程、物理等學(xué)科知識制作簡易裝置解決實際問題，并發(fā)展創(chuàng)新意識。

環(huán)節(jié)四：分析實驗，建構(gòu)模型

[教師引導(dǎo)]結(jié)合實驗方案設(shè)計和實驗探究中出現(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]從反應(yīng)物預(yù)處理、實驗裝置、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)計意圖：通過三次實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生基于實驗事實建構(gòu)模型的能力。

四、教學(xué)評價

首先，創(chuàng)設(shè)情境，通過實驗測定出補鈣劑中碳酸鈣的含量，提升學(xué)生的科學(xué)探究和實踐能力。其次，引導(dǎo)學(xué)生基于實驗事實進行證據(jù)推理和模型建構(gòu)，在解決與化學(xué)相關(guān)的真實問題中培養(yǎng)創(chuàng)新意識。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)度和社會責(zé)任感。

（一）實驗方式創(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)生進行了最小量程的標(biāo)定，且進行了多次校準(zhǔn)，并從壓強的角度探討出讀數(shù)前需要將兩支注射器內(nèi)的液面調(diào)整至同一水平面，然后借助水平儀進行讀數(shù)。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)，促進其創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

（二）實驗裝置創(chuàng)新

自制的量氣裝置所使用的儀器在普通的實驗室和五金店都能找到，實現(xiàn)了儀器的簡易化和可推廣化。實驗操作較為簡單，實驗結(jié)果較為準(zhǔn)確。同時，其他固液不加熱型的實驗室制取氣體的方法也可以采用這套裝置，如實驗室制取氧氣、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氯氣等。

五、教學(xué)反思

針對教師在參加實驗教學(xué)說課比賽時面臨的實驗選題困難的問題，謝明陽、鮑亞培[7]建議選題時可以響應(yīng)新課標(biāo)要求，以綜合實踐為抓手，選擇學(xué)生感興趣的主題，豐富實驗創(chuàng)新角度。本實驗教學(xué)設(shè)計了真實問題情境的學(xué)習(xí)任務(wù)，實驗主題從生活中來，實驗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)實驗”中提供的情境素材，避免了局限于教材實驗選題、重復(fù)改進教學(xué)實驗裝置等問題。結(jié)合本文的闡述，同行們亦可以深挖課標(biāo)，找出合適的實驗教學(xué)選題，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]［7］" 謝明陽，鮑亞培.義務(wù)教育新課標(biāo)視域下的化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新：淺析第六、第七、第八屆全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課活動[J].中國教育技術(shù)裝備，2023（5）：26-30.

[2]" 中華人民共和國教育部 .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.

[3]" 李俊紅.基于項目式學(xué)習(xí)的初中化學(xué)實驗復(fù)習(xí)：以“測定碳酸鈣D3顆粒中的鈣含量”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2022（8）：60-65，69.

[4]" 鮑軍.活用教材習(xí)題 提升思維能力：以“胃藥中碳酸鈣含量測定”為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2023（15）：64-66.

[5]" 蔣鵬，丁偉.測定雞蛋殼中碳酸鈣含量的創(chuàng)新實驗[J].教育與裝備研究，2022（2）：53-55.

[6]" 李小靜.石頭紙中碳酸鈣的定性檢測和定量測定[J].化學(xué)教與學(xué)，2022（12）：47-49，34.

（責(zé)任編輯 羅 艷）