李 瑾
(上海市第三女子中學(xué),上海200050)
定量實驗是物質(zhì)分析的一個重要內(nèi)容。在高二教材和高三拓展教材中,定量實驗作為獨立的章節(jié)呈現(xiàn)在教師和學(xué)生面前,它對學(xué)生的化學(xué)思維能力、綜合分析能力、動手操作能力等都有較高的要求。因此,定量實驗一直是化學(xué)實驗教學(xué)中的難點。
上海高二化學(xué)教材中,學(xué)生在學(xué)習(xí)了中和滴定的基本原理,進(jìn)行過實際操作,并已經(jīng)初步掌握中和滴定的簡單計算,會進(jìn)行簡單誤差分析的基礎(chǔ)上,需要做這樣一道題:運用中和滴定的原理設(shè)計一個實驗方案,用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液測定家用食醋的濃度。資料提供:食醋中含有醋酸,化學(xué)式為CH3COOH,是一元弱酸。提示:強(qiáng)堿滴定弱酸,滴定終點的pH大于7,但仍可用酚酞做指示劑。[1]蘇教版高三化學(xué)實驗化學(xué)專題六中也將該實驗作為一個專題來研究。雖然學(xué)生已經(jīng)能夠比較熟練地進(jìn)行操作和簡單計算,可是面對這樣的命題依舊無所適從,不知道該如何下手,筆者認(rèn)為這個問題值得思考與研究。
清華大學(xué)宋心琦教授曾說過,一項化學(xué)實驗,不論是演示實驗、教學(xué)實驗還是科學(xué)探究性實驗,都可以歸納為三部分:一是作為實驗對象的物質(zhì)體系(若目的在于探究化學(xué)變化過程,也可以稱作化學(xué)體系);二是適當(dāng)?shù)膬x器裝置和必要的安全措施;三是合理的實驗步驟和規(guī)范的操作技術(shù)。三者不可或缺,但是從學(xué)科教育的角度來評價,應(yīng)當(dāng)認(rèn)為它們的重要性是不等同的,而是依次遞減的。筆者認(rèn)為,宋教授所言的化學(xué)體系應(yīng)該是指對化學(xué)原理的理解,只有深刻理解了原理,才能選擇適當(dāng)?shù)膬x器與實驗步驟。
而現(xiàn)在的化學(xué)實驗教學(xué)中,因為實驗體系來自教材或教參,使得教師實施時往往把注意力放在第二、第三方面,化學(xué)體系選擇反而成為次要甚至被忽略,于是除去通過實驗?zāi)軌蚣由顚δ硞€實驗現(xiàn)象的印象外,學(xué)生受到的教育僅僅側(cè)重于對所用儀器裝置的認(rèn)識和基本操作訓(xùn)練過程中受到的科學(xué)作風(fēng)培育。[2]
比如在中和滴定實驗的教學(xué)中,教師可能會把較多的精力用于糾正學(xué)生的操作是否規(guī)范、會不會誤差分析、會不會計算,往往忽略了原理的分析。而且學(xué)生們操作的時候用的都是教師已經(jīng)配好的藥品、試劑,只是模仿、重復(fù),很少有自己的思考。操作技能雖有所提高,可思維品質(zhì)缺乏顯著提升。因此碰到生活中實實在在的醋的時候,就亂了陣腳,不知道該如何處理。加之中和滴定在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的應(yīng)用,筆者認(rèn)為這樣的研究對于學(xué)生今后的發(fā)展很有意義。
上海教材中原題的要求是“測醋酸的濃度”,但是生活中食醋的標(biāo)簽中標(biāo)明的都是總酸含量(以醋酸計,g/L)。什么是總酸含量?為什么標(biāo)簽上是這樣注明的?學(xué)生們通過閱讀和查找資料不難發(fā)現(xiàn)食醋中含醋酸(CH3COOH)3%~5%(質(zhì)量/體積),此外還有少量乳酸等有機(jī)酸弱酸。用NaOH溶液滴定時,實際測出的是總酸量,即食品中所有酸性成分的總量。它包括未離解的酸和已離解的酸,而分析結(jié)果通常用含量最多的醋酸來表示。因此在蘇教版高中化學(xué)教材中,課題為《醋酸中總酸含量的測定》,筆者認(rèn)為這樣是比較合適,更為科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>
同時取消了原題的資料提供和提示。(原題的資料提供和提示是,“資料提供:食醋中含有醋酸,化學(xué)式為CH3COOH,是一元弱酸。提示:強(qiáng)堿滴定弱酸,滴定終點的pH大于7,但仍可用酚酞做指示劑。”)這樣處理的目的是,學(xué)生學(xué)習(xí)中和滴定的時候,使用的試劑都是強(qiáng)酸強(qiáng)堿,從原理上選擇甲基橙或者酚酞都可以,而選擇指示劑時比較強(qiáng)調(diào)的是,顏色的變化如何有利于人觀察,因而堿滴酸時常選擇酚酞,原理講得比較少。直接告知學(xué)生的話,學(xué)生們就失去了一次獨立思考的機(jī)會。經(jīng)過對反應(yīng)原理的分析和查閱資料,學(xué)生們發(fā)現(xiàn)恰好完全反應(yīng)的時候,溶液中的溶質(zhì)是醋酸鈉,溶液呈堿性,因此選擇酚酞是比較合適的,用甲基橙的話誤差會很大。這個問題是學(xué)生力所能及的,可以解決的,筆者覺得就應(yīng)該放手讓他們思考。這種“互動過程”有助于學(xué)生們不斷深化對物質(zhì)世界的認(rèn)識,對化學(xué)的陌生感也會逐漸消失。
整個實驗中,使學(xué)生們覺得無所適從的另一個重要原因是教師提供了好幾種濃度的氫氧化鈉溶液,學(xué)生們不知道該如何選擇。
這樣設(shè)計的原因在于日常的教學(xué)中,實驗教學(xué)的教育功能定位不夠全面,例如把實驗的教育功能主要歸之于培養(yǎng)動手能力和驗證原理或某個規(guī)律。學(xué)生們完成實驗的目的,似乎只是為了驗證某個原理或規(guī)律,而驗證性實驗一定會把注意力集中于結(jié)論或結(jié)果,對于過程的思考時常被忽略。只有關(guān)注過程,才能通過實驗進(jìn)一步明確科學(xué)原理和結(jié)論只有在確定的實驗條件下才一定是確定的,從而真正體驗到什么是科學(xué)。在該實驗中,學(xué)生們大多尋求經(jīng)驗,在以往的實驗報告中發(fā)現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)液的濃度大多為0.1000mol/L,學(xué)生們自然也選定了這個濃度。而此時幾種不同濃度的氫氧化鈉溶液擺在面前,他們必然會想應(yīng)該選哪一種,為什么平時都選這個濃度?
此時教師再給學(xué)生們滴定的突躍范圍以及不同的濃度到達(dá)滴定終點時所帶來的誤差,她們很快就理解了。常規(guī)的教學(xué)中,滴定的突躍范圍時常是一個難點,大多是教師領(lǐng)著學(xué)生計算多滴一滴或少滴一滴時溶液pH計算結(jié)果,學(xué)生并不是很理解為什么要算,甚至有些學(xué)校干脆將這個內(nèi)容規(guī)避不講,但是這樣會使學(xué)生對于中和滴定的準(zhǔn)確性產(chǎn)生質(zhì)疑,時常會有學(xué)生問,指示劑的變色范圍在8~10(以酚酞為例),并不在7,為什么教師會說中和滴定很精準(zhǔn),而現(xiàn)在這樣處理最大的一個好處是,由原來教師的“我要完成這個教學(xué)任務(wù)”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的“我想學(xué)這個知識”。學(xué)生的主動性得以充分地發(fā)揮,教學(xué)自然變得更有效。
提高實驗教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵在于提升對科學(xué)實驗重要性的認(rèn)識。中和滴定作為一個定量實驗,在工業(yè)生產(chǎn)上有著廣泛的應(yīng)用。真正模仿技術(shù)人員測定的過程,比起單純地操作更能激發(fā)學(xué)生的思維,也更能深化其對科學(xué)精神的認(rèn)識。
學(xué)生們很少能主動想到對待測液進(jìn)行處理,因為沒有這個經(jīng)驗,以往的實驗課上標(biāo)準(zhǔn)液、待測液都已經(jīng)放在實驗桌上,只要取用就可以了。這時候,教師如果直接告訴學(xué)生需要稀釋,顯得很突兀,同時也不利于學(xué)生思考,即使學(xué)生有這樣的疑問,這種思考也是非常被動的。這時候可以這樣處理:放手讓學(xué)生親自實踐,學(xué)生自然會從最初的模仿,直接取20.00mL醋直接進(jìn)行滴定,但是她們很快會發(fā)現(xiàn)問題實驗的結(jié)果令人很驚訝,原來按照原來的濃度消耗的標(biāo)準(zhǔn)液的體積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一根滴定管的容量,那么怎么處理?有人提出少取點標(biāo)準(zhǔn)液,因為有了剛才對標(biāo)準(zhǔn)液濃度的選擇,馬上有人質(zhì)疑可能實驗帶來的誤差較大,計算也比較麻煩,很快有學(xué)生會提出,可以對標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行稀釋。那么如何稀釋?稀釋幾倍?稀釋倍數(shù)少,需要消耗的堿很多,稀釋太多倍,消耗的堿很少是否可以?這樣一個個難題就在學(xué)生們的討論中迎刃而解。最后是學(xué)生實驗,親手檢測,得出結(jié)論。這樣處理的好處是,學(xué)生由簡單地重復(fù)前人的成果、驗證實驗的正確性,轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^自己的思考對實驗進(jìn)行思考、改進(jìn),這樣才能持續(xù)地產(chǎn)生科學(xué)教育和激勵創(chuàng)新的動力。
很多教師可能會質(zhì)疑這樣會耗費太多的課時,但是整個科學(xué)發(fā)展史實際上是由千千萬萬個科學(xué)實驗集成的。學(xué)生們只有通過親身實踐,才能真正理解許多操作的意圖,也才有可能在今后的學(xué)習(xí)中有所創(chuàng)新,筆者想這就是人們常說的“操作技能是可以模仿的,而創(chuàng)新能力是無法模仿的”。
教材中將這節(jié)內(nèi)容放在中和滴定部分,因此大多數(shù)學(xué)生自然只想到用中和滴定的方法,這說明我們平時的教學(xué)時常會無意間造成學(xué)生的思維定勢。其實,中和滴定對于本課題是否是最佳的方案?有沒有其他的方法?這個結(jié)論應(yīng)該是由學(xué)生自己經(jīng)過思考得出,而非教師直接告知,變成記憶性的結(jié)論。長此以往,一旦遇到新情景,學(xué)生們往往不知道該如何處理。所以,教師應(yīng)該適時創(chuàng)造機(jī)會,讓學(xué)生發(fā)散思維,培養(yǎng)良好的思維品質(zhì)。從不同角度去反思實驗設(shè)計、篩選實驗方案,有利于學(xué)生在表達(dá)與交流過程中增強(qiáng)對科學(xué)探究的理解??梢龑?dǎo)學(xué)生在實驗方案中設(shè)計實驗藥品、裝置的選擇以及實驗方案的評價等問題,讓學(xué)生感悟到“如何想?怎樣做?”這樣才能使其發(fā)展探究能力,鞏固實驗數(shù)據(jù)處理方法,能培育科學(xué)素養(yǎng),促進(jìn)學(xué)生反思學(xué)習(xí)活動,獲取自主學(xué)習(xí)的方法。
同時,作為化學(xué)教師也有義務(wù)將一些新科技、新技術(shù)介紹給學(xué)生,開拓學(xué)生的眼界。比如本實驗也可以采用電導(dǎo)滴定法。電導(dǎo)滴定法是根據(jù)滴定過程中被滴定溶液電導(dǎo)的變化來確定滴定終點的一種容量分析方法。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)取決于溶液中離子的種類和離子的濃度。在電導(dǎo)滴定中,由于溶液中離子的種類和濃度發(fā)生了變化,因而電導(dǎo)也發(fā)生了變化,據(jù)此可以確定滴定終點。
食醋中的酸主要是乙酸。用氫氧化鈉滴定食醋,滴定開始時,部分高摩爾電導(dǎo)的氫離子被中和,溶液的電導(dǎo)略有下降。隨后,由于形成了乙酸-乙酸鈉緩沖溶液,氫離子濃度受到控制,隨著摩爾電導(dǎo)較小的鈉離子濃度逐漸增加,在化學(xué)計量點以前,溶液的電導(dǎo)開始緩慢上升。在接近化學(xué)計量點時,由于乙酸的水解,轉(zhuǎn)折點不太明顯?;瘜W(xué)計量點以后,高摩爾電導(dǎo)的氫氧根離子濃度逐漸增大,溶液的電導(dǎo)迅速上升。作兩條電導(dǎo)上升直線的近似延長線,其延長線的交點即為化學(xué)計量點。
電導(dǎo)法的主要優(yōu)點就是判斷滴定終點比較準(zhǔn)確。指示劑法用的是人眼來判斷滴定終點,誤差較大;而電導(dǎo)滴定法是根據(jù)滴定過程中被滴定溶液電導(dǎo)的變化來確定滴定終點的一種容量分析方法,它用儀器來滴定,并用作圖法來確定食醋的含量,誤差小。
手持技術(shù)是一種應(yīng)用最先進(jìn)的實用技術(shù)和教育理念、集數(shù)據(jù)采集與分析于一體的實驗系統(tǒng)。將手持技術(shù)應(yīng)用于研究性學(xué)習(xí),既體現(xiàn)了新一輪基礎(chǔ)教育改革的思想和理念,又符合學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律。該系統(tǒng)能采集的理科數(shù)據(jù)包括電流、電壓、光強(qiáng)度、溫度、力、氣壓、磁場、音量、距離、Ph、溶解氧、電導(dǎo)率、多種離子的濃度、相對濕度、心電圖、光強(qiáng)度等。手持技術(shù)最突出的特點有以下幾點:便攜;數(shù)據(jù)采集器和傳感器都比較小,在手掌上就可以操作,可采集多種數(shù)據(jù),故形象地稱為手持技術(shù)儀器。其便攜性可讓師生能隨時隨地進(jìn)行定量的探究活動,并將實驗的過程及結(jié)果儲存。[3]
中學(xué)階段主要采用酸堿指示劑來確定滴定終點,但學(xué)生常因指示劑的選取不當(dāng)或過早估計終點等問題而造成較大的實驗誤差。利用pH傳感器和手持技術(shù),研究酸堿中和滴定過程中pH值的變化趨勢,從而準(zhǔn)確判斷出滴定終點,代替了傳統(tǒng)的指示劑判斷滴定終點的方法。手持技術(shù)的優(yōu)點使其可以更廣泛地應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實驗中。例如根據(jù)上面的酸堿滴定實驗,我們可以設(shè)計實驗來同時滴定強(qiáng)酸與弱酸或者同時滴定強(qiáng)堿與弱堿,用所得的圖表可以清晰準(zhǔn)確地表示出這兩種酸堿性不同的物質(zhì)的區(qū)別。
化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)代化能讓學(xué)生生動地感受、體驗現(xiàn)代化學(xué)和現(xiàn)代化學(xué)實驗在泛分子水平上開展的微觀探究、深入化學(xué)過程探究、強(qiáng)化理論指導(dǎo)作用以及研究的跨學(xué)科性等重要特點?;趥鞲衅鞯膫鞲袑嶒灴梢源龠M(jìn)化學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)代化,讓學(xué)生感受現(xiàn)代氣息,幫助學(xué)生了解現(xiàn)代化學(xué),減少學(xué)生對傳統(tǒng)化學(xué)實驗麻煩以及恐懼的認(rèn)識,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平,因而應(yīng)該適當(dāng)?shù)靥岢屯茝V。當(dāng)然,一般說來,它更適宜在研究型課程和拓展型課程中使用,不太適宜在基礎(chǔ)型課程中使用。它在教師演示實驗中使用的機(jī)會可能比學(xué)生實驗多一些。關(guān)于傳感實驗的研究有待于進(jìn)一步拓展和深入。其他過程和操作的現(xiàn)代化裝備也需要研究。
對于中和滴定的傳統(tǒng)的誤差分析,主要集中在操作的過程中引發(fā)的種種誤差。而研究的過程中,學(xué)生們想到NaOH在稱量過程中會不可避免地吸收空氣中的二氧化碳,使得配制的NaOH溶液濃度比真實值偏高,最終使實驗測定結(jié)果偏高。如何使實驗結(jié)果更精準(zhǔn),學(xué)生們自主查閱了資料。
經(jīng)過查閱資料,學(xué)生們了解到NaOH易吸潮,易吸收空氣中的CO2而影響其純度,因此在配制的時候就應(yīng)用間接法配制。為了配制不含CO32—的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液,通常先將NaOH配成標(biāo)準(zhǔn)溶液,不溶的Na2CO3沉于底部,取上層清液稀釋成所需配制的濃度。標(biāo)定堿標(biāo)準(zhǔn)溶液的基準(zhǔn)物質(zhì)有鄰苯二甲酸氫鉀(KHP)、草酸(H2C2O4·2H2O)等,[4]但最常用的是鄰苯二甲酸氫鉀,這種基準(zhǔn)物容易用重結(jié)晶法制得純品,不含結(jié)晶水,不吸潮,容易保存,其式量大于草酸,標(biāo)定時由于稱量而造成的誤差也很小,是一種良好的基準(zhǔn)物。鄰苯二甲酸氫鉀與NaOH的反應(yīng)如圖1所示:
圖1 鄰苯二甲酸氫鉀與NaOH的反應(yīng)
化學(xué)計量點時,溶液的pH為9.1,可選用酚酞作指示劑。
高中化學(xué)教學(xué)的內(nèi)容多、時間緊,很多教師會爭分奪秒地“講”,但很多時候我們也發(fā)現(xiàn),并不是教師講得越多,學(xué)生們就學(xué)得越多或越好。因為對于學(xué)習(xí)者而言,知識有一個自主構(gòu)建的過程,學(xué)生不是接受知識的“容器”,這個過程中需要學(xué)生對已有的知識進(jìn)行梳理和整合,需要將新舊知識加以聯(lián)系、分析,進(jìn)而進(jìn)行判斷重組,得出自己的結(jié)論。這些都需要時間與空間,而且是不能僅靠教師清晰的講解替代的。
而經(jīng)過學(xué)生自主思考、自行琢磨,討論“打造”的結(jié)論,學(xué)生會印象深刻,知識也容易遷移。筆者作過這樣的調(diào)查,高二的兩個班級(微課程班和傳統(tǒng)授課班)在學(xué)習(xí)過中和滴定的知識后,用下題進(jìn)行檢測比較。
題目(部分):
將試劑初步提純后,準(zhǔn)確測定其中Ba(OH)2·8H2O的含量。實驗如下:
(1)配制250ml約0.1mol·L-1Ba(OH)2溶液:準(zhǔn)確稱取w克試樣,置于燒杯中,加適量蒸餾水,
1.1,將溶液轉(zhuǎn)入 1.2,洗滌,定容,搖勻。
(2)滴定:準(zhǔn)確量取25.00ml所配制Ba(OH)2溶液于錐形瓶中,滴加指示劑,將 2.1
(填“0.0200”、“0.1000”、“0.1980”或“0.5000”)mol·L-1鹽酸裝入50ml酸式滴定管,滴定至終點,記錄數(shù)據(jù)。重復(fù)滴定2次。平均消耗鹽酸Vml。計算Ba(OH)2·8H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)= 2.2只列出算式,不做運算)。
檢測結(jié)果如下:
表1 高二兩個班級的試題檢測結(jié)果比較
通過研究不難發(fā)現(xiàn),通過微課程研究的學(xué)生,會理解濃度的大小所帶來的問題,會對實驗的結(jié)果進(jìn)行預(yù)判斷。除了關(guān)注理論之外,研究的過程中,他們也了解了儀器的特點,能夠較好地完成;而傳統(tǒng)授課的班級對于“0.1000”、“0.1980”或“0.5000”這三個答案不能很好地分析,失分較多。
課堂教學(xué)的時間畢竟是有限的,不可能每節(jié)課、每個內(nèi)容都完全放手讓學(xué)生自由研究,而且每位學(xué)生的基礎(chǔ)以及他對知識的理解及學(xué)習(xí)的欲望是不同的。有些內(nèi)容是要求每一位學(xué)生都要掌握的,而有的內(nèi)容或許課程標(biāo)準(zhǔn)中沒有要求,但部分學(xué)生有興趣、想了解,筆者覺得作為教師也有這樣的責(zé)任保護(hù)好學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,并盡可能地創(chuàng)造條件讓他們學(xué)習(xí)。
由于教學(xué)時間有限,在常規(guī)實驗課上和非實驗課上都不允許過多地涉獵拓展的教學(xué)內(nèi)容。而且,許多實驗教學(xué)內(nèi)容的拓展都有其獨立性,不同的學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)也有差異。如果能將一個大的內(nèi)容分成一個個小的拓展課題(實驗微課)組合成系列,供學(xué)生選修,就可以實現(xiàn)實驗教學(xué)內(nèi)容的拓展,適合學(xué)生自主地探究、實驗和提高學(xué)習(xí)興趣。[5]
微課程就是這樣一個平臺,在本案例中,教師預(yù)設(shè)了三個微課程引發(fā)學(xué)生思考,其實就是對于基礎(chǔ)掌握的知識加以拓展與延伸部分的三個內(nèi)容,就是針對部分對化學(xué)有興趣的學(xué)生在課后對該實驗進(jìn)行的再思考與再開發(fā)。而微課程從一定程度上拓寬了課堂的時空,使化學(xué)學(xué)習(xí)從課堂內(nèi)延伸到課堂外。
化學(xué)實驗教學(xué)方法不但需要“回歸探究”,更需要創(chuàng)新、改革和超越。在對學(xué)生經(jīng)驗基礎(chǔ)和有關(guān)心理展開研究的基礎(chǔ)上,設(shè)置若干微實驗系列;改革實驗教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生參與實驗設(shè)計,增強(qiáng)學(xué)生對實驗方案的理解,發(fā)展學(xué)生的實驗思維和創(chuàng)新能力;嘗試建立實驗教室[6]等,都是化學(xué)實驗教學(xué)方法現(xiàn)代化的重要舉措和內(nèi)容,應(yīng)該深入研究、廣泛實行。同時,還需要在實驗教學(xué)制度、實驗教材以及實驗教學(xué)研究方法的改進(jìn)、創(chuàng)新和發(fā)展等方面全面和深入地作出努力。
[1] 陳基福.新思路輔導(dǎo)與訓(xùn)練:化學(xué)(高中二年級第一學(xué)期)[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,2015.
[2] 宋心琦.再談中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)改革(上)——在《化學(xué)教學(xué)》“中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)高級研修班”上的講話[J].化學(xué)教學(xué),2013,(3).
[3] 吳俊明.關(guān)于實驗教學(xué)現(xiàn)代化的幾個問題(下)[J].化學(xué)教學(xué),2013,(11).
[4] 郭曉航.分析化學(xué)[M].鄭州:鄭州大學(xué)出版社,2004,(8).
[5] 熊枝金.高中化學(xué)實驗微型課程開發(fā)的策略及初步實踐[J].化學(xué)教學(xué),2014,(5).
[6] 吳俊明.發(fā)展化學(xué)實驗教學(xué)研究需要大智慧[J].化學(xué)教學(xué),2013,(2).