培養(yǎng)化學(xué)定量思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要： 化學(xué)定量思維是指運(yùn)用定量的方式和方法分析和解決化學(xué)問題的思考過程，在化學(xué)學(xué)習(xí)中發(fā)揮著重要作用。梳理化學(xué)定量思維的內(nèi)涵與培養(yǎng)路徑，設(shè)計(jì)“探秘Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性”教學(xué)課例。從探究Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性入手，分別從橫向物質(zhì)的氧化性和縱向物質(zhì)的濃度進(jìn)行對照，層層遞進(jìn)，深入挖掘?qū)嶒?yàn)中的定量功能，有利于學(xué)生化學(xué)定量思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 高中化學(xué)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 定量思維； 硝酸鐵

文章編號： 10056629（2024）10004804

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)了定量研究、定量意識、定量分析、定量實(shí)驗(yàn)、定量計(jì)算在化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要性［1］。通過掌握這些定量方法，學(xué)生能夠更深入地分析化學(xué)變化，準(zhǔn)確地理解關(guān)鍵知識點(diǎn)，并提高他們在實(shí)驗(yàn)探究中的分析能力和解決問題能力。然而，學(xué)生的化學(xué)定量思維現(xiàn)狀不容樂觀，一項(xiàng)對107名高二學(xué)生的調(diào)查顯示，了解“定量”和“定性”的差別的學(xué)生僅占27%，大部分學(xué)生對“定量”僅有模糊的認(rèn)識，沒有準(zhǔn)確的認(rèn)知；甚至只有55%的學(xué)生同意任何化學(xué)現(xiàn)象或事實(shí)背后都存在數(shù)量關(guān)系，這表明相當(dāng)一部分學(xué)生不了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)規(guī)律以及“定量”的重要性［2］。鑒于此，本研究嘗試從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對化學(xué)定量思維的培養(yǎng)進(jìn)行探索。首先，在理論層面上梳理化學(xué)定量思維的概念內(nèi)涵和培養(yǎng)方法。其次，結(jié)合高中化學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，希望能為相關(guān)教學(xué)實(shí)踐提供一些參考。

1 化學(xué)定量思維：是什么，怎么培養(yǎng)

化學(xué)描述可以分為定性和定量兩種類型。前者是對物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行定性描述，如某溶液呈酸性；而定量描述是在定性基礎(chǔ)上對事物進(jìn)行深化的、精確的表達(dá)，通過數(shù)量關(guān)系來揭示事物的本質(zhì)，如該溶液的pH為2。同質(zhì)不同量的化學(xué)物質(zhì)在規(guī)模和發(fā)展程度上有所不同，這就可能會(huì)造成化學(xué)變化現(xiàn)象和結(jié)果的不同。因此只有進(jìn)行定量描述，才能夠更深入地理解和把握化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，揭示不同量變引起的現(xiàn)象和結(jié)果的差異。

化學(xué)定量思維是指運(yùn)用定量的方式和方法分析和解決化學(xué)問題的思考過程?；瘜W(xué)定量思維能使研究者更加理性和透徹地思考化學(xué)問題。化學(xué)定量思維作為一種重要的思維方式，在化學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。一方面表現(xiàn)為定量的研究方法是化學(xué)發(fā)展為一門獨(dú)立學(xué)科的重要標(biāo)志之一，能夠推動(dòng)化學(xué)研究向更加精確和準(zhǔn)確的方向發(fā)展［3］。另一方面，化學(xué)定量思維能幫助學(xué)生深入理解化學(xué)變化背后的本質(zhì)，從而促進(jìn)對化學(xué)問題的更深入的思考和理性分析［4］。

在中學(xué)階段，化學(xué)定量思維的學(xué)習(xí)內(nèi)容以物質(zhì)的量和質(zhì)量為核心，以質(zhì)量守恒定律為依據(jù)，結(jié)合化學(xué)基本概念原理和元素化合物知識而展開。教材從初中階段以質(zhì)量為核心到高中階段以物質(zhì)的量為核心，從核心概念到基礎(chǔ)計(jì)算再到綜合計(jì)算，遵循從宏觀到微觀、從簡單到復(fù)雜的認(rèn)知過程，構(gòu)建從核心概念到基礎(chǔ)計(jì)算再到綜合計(jì)算的遞進(jìn)式體系，讓學(xué)生逐步學(xué)會(huì)從量的角度認(rèn)識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，體會(huì)定量方法對化學(xué)學(xué)習(xí)和研究的重要意義［5］。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是發(fā)展學(xué)生化學(xué)定量思維的重要途徑，而傳統(tǒng)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)比較4jEgLGUK0ImSMYVG3FrH6w==側(cè)重定性描述，對定量方面的重視程度不夠。為了培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)定量思維能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以從以下兩個(gè)方向入手。首先，在傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)中挖掘其定量功能，引導(dǎo)學(xué)生在觀察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)注重?cái)?shù)量關(guān)系，以及通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析。其次，教師在認(rèn)知、操作和評估方面要強(qiáng)調(diào)“定量”，使學(xué)生意識到定量思維的重要性，并能靈活運(yùn)用定量方法解決化學(xué)問題［6］?？傊枰獮閷W(xué)生提供一個(gè)有利于培養(yǎng)定量思維的學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)“定量”在實(shí)驗(yàn)研究和學(xué)科本質(zhì)中的重要性，從而主動(dòng)構(gòu)建定量概念，逐漸形成定量的科學(xué)思維和習(xí)慣。

以下嘗試設(shè)計(jì)注重定量思維發(fā)展的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生形成化學(xué)定量觀念，提升學(xué)生理解和運(yùn)用定量思維方法解決化學(xué)問題的能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)——以“探秘Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性”為例

2.1 教材和學(xué)情分析

“探秘Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性”是滬科版高中化學(xué)必修一第二章“海洋中的鹵素資源”第二節(jié)“氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)”中拓展課的內(nèi)容。本節(jié)課分別從定性和定量兩個(gè)角度比較Fe（NO3）3溶液中粒子的氧化性，層層遞進(jìn)、不斷深化，促進(jìn)學(xué)生定量思維的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)圍繞以下三個(gè)活動(dòng)開展教學(xué)：（1）Fe（NO3）3溶液中的氧化性微粒驗(yàn)證（定性確定氧化性微粒，為定量分析做好鋪墊）；（2）某一濃度下Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性比較（引入量化內(nèi)容，從量化角度認(rèn)識氧化劑和還原劑的性質(zhì)）；（3）Fe（NO3）3溶液中微粒在不同條件下氧化性強(qiáng)弱的變化（使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋不同的量化條件下的微粒氧化性）。通過實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、方案評價(jià)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析等多個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的定量思維與研究能力。

學(xué)生在初中和高一上學(xué)期已部分接觸過探究實(shí)驗(yàn)，初步熟悉實(shí)驗(yàn)的探究流程，具備提出問題、做出假設(shè)和實(shí)驗(yàn)操作等基本能力。通過質(zhì)量守恒定律、化學(xué)方程式的學(xué)習(xí)，已熟悉“過量”“少量”“適量”“一定量”等術(shù)語，知曉任何化學(xué)反應(yīng)的背后存在著數(shù)量關(guān)系，形成了初步的定量意識。基本具備氧化還原反應(yīng)的判斷、離子反應(yīng)的書寫、元素化合物基本性質(zhì)等理論基礎(chǔ)知識。

2.2 教學(xué)目標(biāo)與重、難點(diǎn)

教學(xué)目標(biāo)：學(xué)習(xí)并應(yīng)用“控制變量法”從定性和定量兩個(gè)角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，定量分析、理解Fe（NO3）3相關(guān)反應(yīng)中氧化劑和還原劑的性質(zhì)，掌握如何通過定量實(shí)驗(yàn)得出可靠的科學(xué)結(jié)論。通過定量實(shí)驗(yàn)，深入理解不同條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性，并能使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，發(fā)展化學(xué)定量思維。以“Fe（NO3）3的氧化性探究”為例，學(xué)習(xí)分析復(fù)雜氧化劑和還原劑性質(zhì)的方法，能夠?qū)?fù)雜問題簡單化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定量分析。

教學(xué)重點(diǎn)：理解Fe（NO3）3溶液氧化性的成因；探究0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中起氧化作用的微粒。

教學(xué)難點(diǎn)：用控制變量法設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)；驗(yàn)證不同濃度、不同酸性條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒氧化性的強(qiáng)弱。

2.3 教學(xué)流程

教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.4 教學(xué)環(huán)節(jié)

2.4.1 情境導(dǎo)入：驗(yàn)證0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液的氧化性

［教師］展示0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液和Fe（NO3）3溶液用于銅蝕、銅雕的作品，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測Fe（NO3）3的化學(xué)性質(zhì)。

［教師］Fe（NO3）3是否具有氧化性呢？請用桌上的儀器與藥品驗(yàn)證自己的猜想。

［學(xué)生］向淀粉KI試紙上滴加0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

［現(xiàn)象］淀粉KI試紙變藍(lán)。

［教師］這說明什么呢？

［學(xué)生］I-被Fe（NO3）3溶液氧化生成I2，說明溶液具有氧化性。

設(shè)計(jì)意圖：

創(chuàng)設(shè)情境，聯(lián)系生活，激發(fā)學(xué)生對Fe（NO3）3學(xué)習(xí)的興趣。以Fe（NO3）3和Cu的反應(yīng)為例，加之實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從定性角度加深對Fe（NO3）3溶液氧化性的認(rèn)識。

2.4.2 活動(dòng)一：探究0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中起氧化作用的微粒

［教師］氧化I-的可能是Fe（NO3）3溶液中的哪些微粒呢？

［學(xué)生］可能有以下情況：①NO－3在酸性條件下氧化I-；②Fe3+氧化I-；③二者都可以氧化I-。

［教師］請?jiān)O(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證猜想。給出信息提示：NO－3在不同條件下的還原產(chǎn)物較復(fù)雜，難以觀察到氣體產(chǎn)生；0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液的pH約為1.7。

［學(xué)生］用0.3mol/L NaNO3溶液加鹽酸調(diào)節(jié)pH至1.7代替0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液進(jìn)行試驗(yàn)，淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)。證明假設(shè)①成立，即NO－3在酸性條件下氧化I-。

［學(xué)生］用0.1mol/L的FeCl3代替0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液進(jìn)行試驗(yàn)，淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)。證明假設(shè)③成立，即NO－3在酸性條件下、Fe3+二者都可以氧化I-。

設(shè)計(jì)意圖：

通過實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，在Fe（NO3）3溶液具有氧化性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確對Fe（NO3）3溶液中NO－3和Fe3+的氧化性的定性認(rèn)識，為隨后量化分析微粒的氧化性強(qiáng)弱做好鋪墊。

2.4.3 活動(dòng)二：比較0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性強(qiáng)弱

［教師］大家通過實(shí)驗(yàn)證明了0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中NO－3在酸性條件下和Fe3+都能起氧化作用，但是它們的氧化性誰更強(qiáng)一些呢？如何去檢驗(yàn)誰的氧化性更強(qiáng)？

［學(xué)生］由于氧化劑的氧化性強(qiáng)于氧化產(chǎn)物，因此如果可以在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，觀察到NO－3氧化Fe2+的現(xiàn)象，那么就可以說明在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性強(qiáng)于Fe3+。

［教師］非常好，請同學(xué)們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用桌上的儀器和試劑探究0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中不同氧化劑粒子的氧化性的強(qiáng)弱，要注意反應(yīng)物的用量。

［學(xué)生］在0.6mol/L的NaNO3溶液中加入鹽酸調(diào)節(jié)pH至1.7，在0.2mol/L的FeCl2溶液中加鹽酸調(diào)節(jié)pH至1.7。取兩種溶液各1mL混合，使之充分反應(yīng)，加入適量硫氰化鉀溶液，搖勻，觀察現(xiàn)象。

［教師］大家觀察到什么現(xiàn)象，這說明了什么？

［學(xué)生］溶液變?yōu)檠t色，說明有Fe3+出現(xiàn)。因此在pH=1.7時(shí)，0.3mol/L的NO－3能氧化0.1mol/L的Fe2+。即在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性強(qiáng)于Fe3+。

設(shè)計(jì)意圖：

在找到Fe（NO3）3溶液中起氧化作用的物質(zhì)后，應(yīng)用“控制變量法”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在定量分析中比較NO－3和Fe3+氧化性的強(qiáng)弱。

2.4.4 活動(dòng)三：比較不同濃度下Fe（NO3）3溶液中氧化劑的氧化性強(qiáng)弱

［教師］通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性強(qiáng)于Fe3+，但是我們知道，物質(zhì)在不同條件下可能呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。是否在其他濃度下的Fe（NO3）3溶液中NO－3的氧化性還是強(qiáng)于Fe3+呢？請同學(xué)們思考并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，比較在0.005mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3與Fe3+氧化性的強(qiáng)弱。

［教師］給出信息提示：0.005mol/L的Fe（NO3）3溶液的pH約為2.2。

［學(xué)生］設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：首先向0.03mol/L的NaNO3溶液中加入鹽酸調(diào)節(jié)pH=2.2，向0.01mol/L的FeCl2溶液中加入鹽酸調(diào)節(jié)pH=2.2。取1mL該FeCl2溶液于試管，向其中加入適量硫氰化鉀溶液，再加入1mL調(diào)節(jié)好pH的NaNO3溶液，搖勻，觀察現(xiàn)象。

［教師］大家觀察到什么現(xiàn)象，這說明什么呢？

［學(xué)生］試管中無血紅色出現(xiàn)，表示無Fe3+生成。即在0.005mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性不強(qiáng)于Fe3+。

［拓展深化］通過實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)Fe（NO3）3溶液中的硝酸根離子和鐵離子在不同條件下氧化性強(qiáng)弱有所不同。正如前文中所說的，F(xiàn)e（NO3）3可以用于銅的浸蝕、雕刻和拋光，實(shí)踐表明在Fe（NO3）3溶液濃度為0.05mol/L時(shí)，拋光效果最好，那么此濃度的Fe（NO3）3溶液中，起主要氧化作用的是哪種微粒呢？請同學(xué)們帶著這個(gè)問題，在課后設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，對0.05mol/L的Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性強(qiáng)弱做一個(gè)比較。

設(shè)計(jì)意圖：

經(jīng)過活動(dòng)二，學(xué)生已經(jīng)初具控制變量的思想?；顒?dòng)三繼續(xù)通過定量實(shí)驗(yàn)，探究濃度對不同物質(zhì)氧化性的影響，使學(xué)生深入理解不同條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性并能使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，提高學(xué)生在設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)上的類比推理能力，鞏固定量思維。

3 總結(jié)與反思

本研究從Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性入手，挖掘了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的定量功能。在探究不同濃度的Fe（NO3）3溶液中氧化劑的氧化性強(qiáng)弱過程中，存在著較多變量和影響因素，學(xué)生需要使用定量、定性相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，大部分學(xué)生通過定量實(shí)驗(yàn)理解了不同條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性強(qiáng)弱，學(xué)會(huì)了如何通過數(shù)據(jù)分析和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出可靠的科學(xué)結(jié)論，在這一過程中學(xué)生可以明顯地意識到定量思維的重要性，并能更好地理解和應(yīng)用定量分析的方法；課后的探究活動(dòng)進(jìn)一步要求學(xué)生靈活運(yùn)用定量方法來解決新問題，起到了鞏固學(xué)習(xí)成果的效果。總體來說，本設(shè)計(jì)在發(fā)展學(xué)生定量思維方面起到了顯著的作用。

然而，由于某些學(xué)困生所具有的與探究任務(wù)相關(guān)的圖式較少，在加工處理相同的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，會(huì)比其他學(xué)生產(chǎn)生更多的內(nèi)在認(rèn)識負(fù)荷［7］。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)困生對氧化性概念的把握存在偏差，不能正確理解何為“比較氧化性強(qiáng)弱”；另有部分學(xué)困生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力不足，導(dǎo)致本設(shè)計(jì)對他們來說難度較大。

這提示我們：后續(xù)將考慮把探究任務(wù)細(xì)化成一系列的學(xué)習(xí)片段，再依次呈現(xiàn)給學(xué)生，希望從總體上降低探究任務(wù)的認(rèn)知負(fù)荷，通過這樣的調(diào)整，可以使更多學(xué)生受益于定量思維的培養(yǎng)，從而提升教學(xué)效果。

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