迁移生活情境，发展核心素养
——以化学实验“胆矾结晶水含量测定”为例

2019-05-21 01:30张德贵

上海课程教学研究 2019年5期

◎ 张德贵

《上海市高中化学学科教学基本要求（试验本）》对高中化学实验教学内容进行了调整，其中“结晶水合物中结晶水含量的测定”成为沪科技版《化学（试用本）》高中阶段学习的第一个化学定量实验，是帮助学生认识化学定量测定分析方法、技能和态度，发展“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养的重要载体。教材选择硫酸铜晶体即胆矾作为测定对象，运用热重法测定胆矾结晶水含量。实验目的是确定胆矾化学式CuSO4·xH2O中x的值，但是在实验操作过程中却从未直接测量水的任何物理量，具有“求水却不测水”的特点。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》凝练了“宏观辨识与微观探析” “变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”5个方面的化学学科核心素养，并明确提出“课堂贴近生活”“创设真实情境”和“发挥化学实验独特价值”等教学实施建议。奥苏伯尔（D. P. AuSubel）于1963年在有意义言语学习理论的基础上提出认知结构迁移理论，认为一切有意义的学习都是在原有认知结构的基础上产生的，不受原有认知结构影响的有意义学习是不存在的。一切有意义的学习必然包括迁移，迁移是以认知结构为中介进行的，先前学习所获得的经验，通过影响原有认知结构的有关特征影响新学习。学生学习新知识时，原认知结构可利用性高、可辨别性大、稳定性强，就能促进对新知识学习的迁移。根据认知结构迁移理论，教师希望在课堂中引导学生进行有意义学习的关键便是准确定位学生“原有认知结构”，“原有认知结构”与新知识应具有高匹配度的可迁移性。而将学生的生活经验作为“原有认知结构”，并以此为基础迁移新知识是一种符合“课堂贴近生活”和“创设真实情境”理念的有效可行的教学设计策略。

笔者尝试基于奥苏伯尔认知结构迁移理论，将学生橙汁含量测定的生活经验作为“原有认知结构”，使其迁移至胆矾结晶水含量测定的原理建构过程。同时根据本实验“求水却不测水”等特点，设计测定対象选择、实验原理分析、实验数据设计和实验步骤操作与分析等教学环节，以期帮助学生更好地理解该实验设计的原理，并在学习过程中发展化学学科核心素养。

一、生活情境导入——如何测定橙汁含量？

1.问题1：如何测定一个橙子的橙汁含量？（教师拿出一个橙子）

生：把橙子榨汁，根据橙汁和橙子质量计算。

【展示】橙汁和残渣（榨汁机的残渣罐内）。

2.问题2：假设这个橙子100g，榨得橙汁60g和一些残渣，橙汁含量是多少？

生：60%。

【展示】教师现场喝掉橙汁。

3.问题3：如果教师面对诱人可口的橙汁，榨完就直接喝了，忘记称量橙汁质量，怎么办？

生：通过称量残渣质量也可以间接计算。

4.问题4：怎么称量？把残渣从罐子里挖出来？麻烦且不精确，有没有更好的办法称量残渣？

生：榨汁前先称量空罐质量，再称空罐和橙子总质量，榨汁后称量空罐和残渣总质量。（学生完成学案、投影展示交流，具体内容见表1）

表1 测定橙汁含量实验数据表设计

师：非常好！在无法直接测量橙汁质量的情况下，同学们依然通过空罐和残渣等质量间接计算出了橙汁含量。

【设计说明】情境导入是教师通过语言描述或演示创设问题情境，以诱发学生的探究心理，引起其解决问题的欲望和兴趣，促使其思维的积极活动。生活情境导入能极大地调动学生思维的积极性，有利于学生情感的激发，也有利于学生主动地介入教学活动，激发其智慧潜能。本环节教师在上课之初拿出了一个橙子，并以“如何得知其橙汁含量？”创设了一个生活情境，学生对此问题显得特别兴奋，兴奋的原因不外乎大家都有这样的生活经验。教师同时以四个循序渐进的问题启动了学生的思维，引导学生将测定橙汁含量的“普通方法”逐步发展成“求橙汁却不测橙汁”的“特殊方法”，测定方法演变过程中既考虑了“无法直接测定橙汁”的客观障碍，又重视了“准确测定残渣质量”的准确性要求，体现了化学定量实验“准”的内涵和“科学探究与创新意识”的化学核心素养，同时也为后续胆矾结晶水测定过程中“求水却不测水”作思维铺垫。

二、选择测定对象——为何胆矾“拔得头筹”？

师：在实验室中，我们可以通过刚才测定橙汁含量类似的方法测定结晶水合物中结晶水的含量。请同学们列举我们学习过的结晶水合物有哪些。

生：CuSO4·5H2O、Na2CO3·10H2O、KAl（SO4）2·12H2O、Na2SO4·10H2O 等。

【展示】用多媒体展示常见结晶水合物失水前后的变化（见图1）。

图1 常见结晶水合物失水前后的变化

1.问题5：如果让你从中选择一种作为测定对象，你选什么？为什么？

生：胆矾，因为其他结晶水合物及其分解产物大多颜色相近，不容易观察。

师：胆矾失去水分后从蓝色变为白色，便于观察，作为初学者，确实是我们学习测定结晶水合物中结晶水含量方法的明智选择。那么胆矾的化学式是前人告诉我们的，他们是怎么测定出来的呢？今天我们就以CuSO4·5H2O作为测定对象，学习热重法测定其结晶水含量的定量实验方法，暂时先假设胆矾化学式是CuSO4·xH2O。

2. 问题6：胆矾不是橙子，不能放入榨汁机，如何让胆矾失去水分？

【学生完成学案、板书交流】

实验原理：

【多媒体投影展示】胆矾在不断加热过程中会发生以下变化，如图2所示。

图2 胆矾受热变化过程

3.问题7：根据反应原理，应该加热到什么现象出现？为什么？

生：加热到固体全部变白，此时胆矾失去全部结晶水，也没有加热过度。

4.问题8：如果加热不足或者过度，可能看到什么现象？

生：加热不足固体会有些许蓝色，加热过度固体可能出现黑色甚至砖红色。

师：从胆矾受热变化过程可以发现，胆矾除了有失水变色的特点外，在260—650℃很大的温度范围内，只发生完全失水的过程，没有其他副反应，这就使实验的可控性大大提升。因此从这个角度来看，我们初学热重法测定结晶水合物结晶水含量时选择胆矾作为测定对象确实也是明智之举。

【设计说明】为什么化学教材讲到测结晶水总是拿胆矾入门？含结晶水的晶体数量众多，胆矾究竟有什么独特之处才能“拔得头筹”？本环节教师没有直接要求学生把胆矾作为测定对象，而是提供了一些资料让学生自行选择，显然学生被胆矾“失水明显变色”的特点深深吸引了，异口同声地都选择了它。当然并非没有颜色变化的结晶水合物就不能作为测定对象，但作为初学者的学生们显然已经意识到实验可观察性对于新手的重要性。

通过胆矾加热反应方程式的书写，学生很容易理解实验的原理，而教师用多媒体展示胆矾受热的丰富变化过程后，学生也意识到必须加热至固体全部变白才能保证实验的准确性。而这一过程中，学生也认识到了CuSO4在260—650℃这一较大温度范围的热稳定性，从实验可控性角度再次验证了选择胆矾作为测定对象的正确性。而能够从实验可观察性和可控制性角度考量实验设计问题正是“宏观辨识与微观探析”和“科学态度与社会责任”素养的具体表征。

三、设计实验数据表——从橙子到胆矾的认知结构迁移

师：胆矾加热需使用坩埚。（展示坩埚和蒸发皿）

坩埚和蒸发皿一般都是陶瓷材质，较耐高温。蒸发皿敞口大，像汤碗，用于液体的加热蒸发，比如食盐水的蒸发结晶，使用温度一般不超过400℃；坩埚敞口小，底深，用于固体的灼烧，比蒸发皿更耐高温，一般可以达到800℃，配有盖子防止固体溅出。坩埚可以放在泥三角上直接加热，还配有坩埚钳，便于夹持。坩埚常常用于重量法的定量实验测定中，有较高精度，因此无论冷热都需用坩埚钳夹持，不能用手直接触碰。坩埚就是我们今天实验用的“榨汁机”。

1.问题9：胆矾代替橙子，坩埚代替榨汁机，请借鉴刚才测定橙子含汁量的方法，利用坩埚加热胆矾晶体测定结晶水含量需要测量哪些数据？

【学生完成学案、投影展示交流，需测量数据见表1、表2】

表2 测定结晶水含量实验数据表设计

2.问题10：通过类比我们获得了胆矾结晶水质量分数的计算方法，那么如何计算x值？

【学生完成学案、板书交流】根据化学方程式计算x值

【设计说明】胆矾无法通过榨汁机失水，怎么办？坩埚就这样顺其自然地被引出了。坩埚在本节课中的出现也是中学阶段第一次在实验中应用坩埚，因此教师将其与同是陶瓷材质但学生已学的蒸发皿进行了比较，通过仪器材质、形状和适用情况等方面的分析，帮助学生理解实验仪器的设计和使用都是有理可依的。本实验操作过程中不便直接测量水的量，因此全程从未测量水的任何物理量，具有“求水却不测水”的特点。如何帮助学生理解这样的实验设计呢？通过上课之初教师喝掉橙汁后再求橙汁含量的情境迁移，胆矾代替橙子，坩埚代替榨汁机，学生很快正确设计出了胆矾结晶水测定实验的数据记录表，再结合初中就掌握的化学方程式计算方法，很快获得了x值和实验测定值的转换公式。或许就像奥苏伯尔所说，学生学习新知识时，原认知结构可利用性高、可辨别性大、稳定性强，就能促进对新知识学习的迁移。

四、分析实验过程——感受定量实验的精准之美

师：根据上述公式，我们只需通过实验准确称量m0、m1和m2即可。

1.问题11：胆矾的晶体形状很美，但这样的美丽外表是否对实验存在影响？

生：胆矾晶体虽美，但较大外形不利于内部充分失去水分，也容易碎裂飞溅，最好将胆矾晶体加工成粉末。

师：为了让胆矾受热均匀，失水充分，我们需要用研钵将胆矾研磨成粉末。

2.问题12：至此，可以测定哪些数据？如何操作？数据精度确定为多少？

生：可以称量空坩埚质量m0和坩埚+胆矾晶体质量m1，用电子天平称量，精度为0.001g。

【教师演示加热装置】

3.问题13：加热到什么程度？把固体加热到漂亮的红色好不好？

生：不行，变红CuSO4已经分解，加热到固体全部变白即可。

师：根据测定原理，应该加热至蓝色完全变白即可，变红或者变黑都已过度加热，就像橙渣也掉进了橙汁里一样。

4.问题14：加热完成，几百度高温的坩埚直接放上电子天平称量可以吗？

生：当然不行，电子天平不是一次性玩具。

5.问题15：那放在实验桌上等它冷却？

生：至少应该垫石棉网，但空气中有水气，滚烫的硫酸铜已成为优质的吸水剂。

【教师展示】干燥器，干燥器底部有变色硅胶，吸水后会从蓝色变成红色，取出硅胶放在微波炉中加热即可变回蓝色，循环使用。加热好的坩埚要放在干燥器中冷却，防止吸水。

6.问题16：在一次实验加热过程中，教师通过肉眼观察，认为胆矾固体已经完全变白，冷却后称量为6.824g；小明看了觉得还没有完全变白，又拿去加热、冷却后称量为6.817g；小花觉得小明操作也还没有完全变白，又拿去加热、冷却、称量还是6.817g。

那么上述实验中m2质量究竟为多少？通过这个过程大家能获得什么结论？

生：m2数据应该为6.817g。肉眼观测固体变白并不准确，最好有定量数据支持，要反复加热、冷却、称量到质量不变。

师：小明和小花无意中进行了一个定量实验中非常重要的操作：恒重。定量实验关键就是要准，仅通过肉眼观察固体变白显然误差很大，恒重便是再次将坩埚加热、冷却、称量直至连续两次质量差不超过0.001g，这样再出意外的概率就会小很多。通过恒重操作后，便可以记录坩埚和无水CuSO4质量m2了。

7.问题17：至此我们已经通过实验准确测量m0、m1和m2了，根据公式便可计算x值。请同学们归纳完整的实验步骤（见图3）。

【设计说明】精心选择了测定对象，设计了实验数据表是否就大功告成了呢？当然不是，在实验操作环节中也必须“步步为营”方能最大程度地提高实验的准确性。本环节教师围绕定量实验“准”的独特魅力，在每一步的实验环节中通过一个个启发性的问题引导学生思考：究竟如何做才能保证每一步的万无一失呢？在恒重问题的突破上，教师通过小明和小花的有趣经历，让学生意识到虽然反应原理显示加热到固体全部变白即可，但是如果缺少了定量数据的支持，每个人眼中不同的“白”将造成巨大的误差，无形中恒重操作的教学难点也就迎刃而解了。学生们在教师的引导下，共同对实验之“准”产生至臻至极的追求，这无疑也是学生“证据推理与模型认知”素养发展的显性表征。

图3 实验步骤

五、进一步思考

教师要重视教学情境的作用，在教学中要尽可能地创设知识产生、发展及应用的情境，同时也要兼顾学生这一能动的因素，使学生能够和创设的教学情境互动，以此达到教学情境促进学生认知、发展学生思维的目的，使化学课程的学习能够帮助学生形成支持未来长期发展的素养。本节课上课之初教师便拿出了一个橙子问学生如何得知其含汁量，学生因有这样共同的生活经验而兴奋，师生间有了互动感悟，启动了思维，明确了方向。整堂课以“橙”为线，妙趣横生。形式上橙是主角，实质上却是处处类比胆矾。将橙分为两部分，即橙汁和橙渣，分别类比胆矾中的结晶水和无水硫酸铜，在类比中学习新知，在对比中阐述原理。