基于问题驱动的化学定量实验观念教学

喻俊 唐乐天

摘要： 实验思维能力是化学实验能力的核心，是“科学探究与创新意识”素养的重要内容。以沪科版教材定量实验中“测定1mol气体的体积”教学为例，提出“定量实验测定的结果要精准”这一核心思想观念，通过确立“子观念”和“子问题”，以问题驱动的方式引导学生逐步建立解决定量实验问题的一般方法和思维模型，提升对定量实验的设计及处理能力，形成可持续和具有迁移价值的关键能力。

关键词： 问题驱动; 定量实验; 核心素养; 核心观念; 教学策略

文章编号： 1005-6629（2019）11-0038-06            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

1  问题背景

《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]明确提出包括“科学探究与创新意识”在内的化学学科核心素养，充分凸显了化学是以实验为基础的学科。化学课程对实验教学的要求经历了从把“实验作为一种技能”到“实验作为一种能力”再到新课程把“实验作为科学探究的重要方式”“实验能力是科学探究的必备能力”的演变[2]。化学实验有定性实验和定量实验之分。定量实验的教学内容不同于定性实验，它包括实验原理、化学计量关系、专用仪器、药品用量、数据处理及误差分析等内容，要顺利完成定量实验需要学生具有较高水平的实验思维能力。

“定量实验”是高中化学教学的重点和难点。研究表明，高中生对实验仪器和基本操作的认知能力较强，具备了一定的对实验事实进行加工和

处理的基本能力，但对实验原理的理解和运用能力并不高，实验方案的设计和评价能力还较弱。教师虽然把“实验原理和实验方案设计”作为实验教学的核心，但由于大多数教师一般采用的是直接运用科学语言阐释实验原理并给定实验方案的教学方法，更加关注实验试题的训练，从而忽视了对学生实验探究能力的培养[3]，弱化了定量实验在化学学习中的独特作用和价值。

2  教学分析

“测定1mol气体的体积”实验选自沪科版高二化学教材[4]第十章，该章分3节，包括“测定1mol气体的体积”、“结晶水合物中结晶水含量的测定”和“酸碱滴定”。因不同的实验目的、实验对象和实验原理，代表了定量测定中三种基本的实验方法，即气体体积法、重量法和容量法，三个定量测定的科学方法在价值地位上是并列的。该章教学旨在帮助学生形成定量实验的一般思维程序，即“定什么量”、“如何定量”和“如何精准定量”，让学生在实践活动中发现“定量”对于实验及学科本质的重要性，主动建构“定量”概念，逐渐形成“定量”的科学思维和习惯，感受“定量”的价值所在。

“测定1mol气体的体积”的实验原理是用镁带制备氢气： Mg（s）+H2SO4（aq）MgSO4（aq）+H2（g），通过称量参与反应的镁带质量，并与过量的稀硫酸反应，推算出产生氢气的物质的量的理论值;再通过实验测得气体产物（氢气）的相关数据（温度、压强）进行计算，求得氢气摩尔体积的实验值，最后与理论值进行比较。实践证明，“测定1mol气体的体积”的实验设计有诸多不完善的地方，如测定误差较大，需要进行两次抽气和一次加料，三次都要用到注射器，不僅操作繁琐，而且很容易出现漏气现象;再者，将该套装置中液体量瓶（下文图2中的C）装好液体（至满刻度）后倒出，精确地测定其体积，发现该量瓶存在2～5mL的体积误差。此外，该实验储液瓶（图2中的B）的设计和读数方法存在一个难以忽视的误差问题[5]。基于此，荣凤娜老师通过引入手持技术，设计新的方案，将上述影响因素进行规避，以提高测定气体摩尔体积实验的准确性[6]。

“定量实验”一直被学生视为化学学习中的难点，主要表现在遇到定量实验问题时找不到解决的思路，在选择反应原理、建立定量关系、选择实验仪器、确定实验步骤、分析实验数据诸方面都有困惑。究其原因，主要是没有掌握定量实验的一般规律，形成正确的思维顺序。因此，初步建立处理定量实验问题的一般方法和思维模型，不仅是本单元的教学目标，也是定量实验的教学价值所在——提升对定量实验的设计及处理能力。为了解决这一问题，可以联系或寻找一种有效的基于核心观念的教学方式或策略[7]。

3  教学策略

林恩·埃里克森认为，核心观念是居于学科中心，具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值的关键性概念、原理或方法，能随着时间的推移被应用于许多其他的探究和问题，以及学校以外的情境。在学科教学中，核心观念通常表现为一个有用的概念、主题、理论、有争议的结论或观点、基本假设、理解或原则[8]，是学生通过对学科中某一领域的学习所获得的对该领域的总观性的认识和理解。从广义范畴看待知识，这种认识和理解也可称作观念性知识[9]。

笔者认为，结合定量实验的学习价值，可以确立定量实验的核心观念是“定量实验测定的结果要精

准”。这是因为这样的观念涉及的是： 哪些因素会影响实验结果的精准？如何提高实验结果的精准？这也是学生在定量实验情境中必须面对的核心问题。学生通过逐步解决与实验结果精准有关的问题，将有助于形成有价值有意义的学习。

针对化学定量实验细节多等特点，为达成定量实验的核心观念，建立定量实验的基本认识视角，应当寻找一种有效的教学方式。问题驱动式教学法是教师从学生所拥有的原始观念出发，创设情境，设置一系列问题，并对这些问题进行分析并予以解决，让学生在思维参与中体验到许多的概念、定理、解决问题的思想方法是有原因的、有道理的，让学生在问题驱动下理解知识的本质，构建新的知识网络。其基本教学模式是： 提出问题——解决问题——反思过程[10]。根据问题驱动的内涵，利用问题驱动方式设计和实施“测定1mol气体的体积”教学，即通过科学设计问题链，引发学生进行深度思考，主动参与实验各环节的设计，初步体会“定量实验”的一般程序和认识视角，促成核心观念的落实。

首先，基于“测定1mol气体的体积”设计教学，通过积极开展定量的探究性实验，为学生搭建“定量”学习的平台;其次，从“量”的角度出发设计实验，围绕“定什么量”、“如何定量”以及“如何精准定量”逐渐展开，以“树型问题驱动”的模式完成教学。“树型问题驱动”采用“观念—问题”的分析方式，即先根据教学目标审视并确定要达成的观念，并探索在达成观念的过程中需要通过哪些问题来实现，然后将观念按照教学环节分为子观念，同时设计与子观念相适应的子问题或子问题链，驱动学生思维，帮助学生获得知识、掌握方法，以达到最终的教学目标。图1归纳呈现了这节课各个环节的“子观念”和“子问题”。

图1  “测定1mol气体体积”教学中的子观念与子问题

由图1可见，本节课在总观念和總问题的指引下，各环节对应的“子目标”与“子问题”双线并行，环环相扣，步步推进，引导学生最终建立“定量实验”研究的认识视角，形成解决（包括其他定量实验情境中）实际问题所需要的关键能力和思想方法。

4  教学过程

《上海市高中化学学科教学基本要求》[11]对“气体摩尔体积的测定”提出了具体的要求： （1）设计1mol H2体积的测定方案并完成操作;（2）比较和评价各种测定方案的优缺点。为了更好地以探究的方式开展本节课的教学，在正式教学前先让学生展开对该主题内容的思考，具体形式为课前发放学习任务单，让学生围绕任务单上的问题进行思考、回答。这期间学生不用预习课本，以避免课本内容对学生思维的干扰。

4.1  环节观念1： 实验原理要可行

承接总的学习观念，联系学生已有知识基础，结合课前学生完成的任务单上的相关问题，开展第一环节的教学。

[课前问题]要测定1mol H2的体积，你打算通过什么反应来获得H2？需要测定哪些量？请说明你的理由（见表1）。

表1  学生设计的“测定1mol气体的体积”的实验方案

组别实验方案评    价

①该方案未提出直接可行的方法，如用什么金属、什么酸、如何获得H2等，只是提出了大体思路，但是学生能够明确提出需要测定相应的温度和压强，说明学生深刻理解了外在因素对气体体积是有影响的。

②该方案依据无副反应和物质间反应的定量关系，提出了选择金属钠的原因，但是忽视了化学反应速率、钠容易变质且不易称量等因素对实验的影响，说明学生在对反应物的选择上认识还不足。

③该方案提出了反应物的难挥发性、纯度、不易变质是保证实验结果准确性的关键，对反应物的选择考虑比较全面。该方案同时提出需要产生1mol气体才能达到实验目的，说明学生倾向通过直接法来测定。

续  表

组别实验方案评    价

④该方案设计的理由比较充分、详实，考虑到了原料的选择（如收集气体需要考虑反应物的挥发性、反应物的浓度）、实验结果的测定方法（排水法，直接收集并测定1mol气体的体积）、实验数据的精确性（1mol镁的质量为24.3g），具有很好的讨论价值。

⑤该方案在形式上比较新颖，能够想到通过电解水的方法获得H2，并提出了氢气体积的测定方法。但是学生并未考虑到“水的导电性差”“不易准确控制反应中生成的气体是1mol”等问题。

从学生的作答中可以看出，学生的思维是活跃的、开放的，能够与自己所学内容相联系。当把学生的想法在课堂上进行深入讨论后，学生能够发现自己在实验方案设计上的正确方向和不足之处，如要考虑气体的纯度（不选择易挥发的反应物）、反应物的稳定性（不选择不稳定易变质的反应物）、反应的速率（不选择反应太快的物质或太慢的物质）、反应量的控制（不选择纯度太低或无法准确控制气体量的方法）、外界条件的影响（要测定实际的温度和压强）、气体体积的测定方法（直接测定法或间接测定法）。细致梳理这些问题后，有助于增强学生对课本提出的实验原理、实验操作等形成客观理性的认识，即理解其中的为什么，通过处理这些实验的细节培养学生严谨的科学态度，促进学科观念的落实。

4.2  环节观念2： 实验定量要简约

本环节主要是根据学生前面的设计思路进行深入讨论。从前一环节可以看出，学生分别就各自的实验原理和大体实验方案给出了理由。其中，对于气体体积的测定都一致提到了需要收集“1mol气体”，这样的想法反映出学生倾向于通过直接测定法进行实验。

[问题1]在标准状况下，1mol气体的体积约为22.4L，折合为22400mL。在实际测定时1mol气体的体积常大于22400mL。应当使用什么量器才能满足实验的要求呢？

[学生]体积太大了，已经学过的仪器中没有能满足该要求的，或者可能会使用一个特制的新仪器。

[问题2]要测定1mol气体的体积，一定要收集1mol气体吗？为什么？

[学生]不一定。可以收集少于1mol的气体，然后按照数量关系进行换算……

[问题3]你认为收集多少合适？你的理由是什么？

[学生]要收集的气体体积与收集容器的“量程”有关。只要气体体积在量程范围内都可以……

在定量的测定实验中，绝大多数都不是直接测定法，而是间接测定法。如果采用直接测定法，不仅工作量大，而且还可能会由于实验操作中的错误而引起较大的实验试剂浪费，以此引导学生进一步感受化学定量实验的特点。通过对“是否需要收集1mol气体体积”的讨论可以发现，解决这一问题的途径并不是唯一的，学生也能顺利理解，为什么课本上的实验方案并未称量24.000g镁条，而是一个更小的质量范围。

4.3  环节观念3： 实验装置要精密

[课前问题]请设计测定1mol气体体积的装置，并画出简图。表2是部分学生设计的实验装置。

[问题1]这些不同类型的实验装置由哪些部分构成？

[学生]发生装置、吸收装置、收集装置、测定装置。

[问题2]将这些不同类型的实验装置相互对比，有什么特点？

表2  学生设计的“测定1mol气体的体积”的实验装置图

组别abcd

装置简图

[学生]b与a、 c相比，多了吸收装置，误差要相对小一些;如果将b中的稀盐酸换成稀硫酸，可以不用吸收装置;c、 d用针筒收集并测定气体体积，但是如果针筒气密性不好就容易引起实验误差。

[问题3]设计a的同学认为量筒内水的体积就是气体的体积。你同意该观点吗？

[学生]不同意。发生装置中的气体进入集气瓶后，由于压强增大，会将水从导管压向量筒。如果气体停止产生，导管中残留的水就无法进入量筒，因此导管内水的体积无法量取，会使得测定结果偏小。

[问题4]如何解决这个问题？

[学生]根据导管内径大小，通过测定导管内水的长度，计算这部分水的体积;气体不再产生后，移开量筒，用手堵住导管右侧端口，此时导管内的水便不会流出，可以将装有残留水的导管移至量筒上方，再松开导管右侧口的手使水流入量筒内，计算最终的液体体积。

[问题5]如果用d进行实验，测定气体的体积与c有何区别？

[学生]相比之下d可以较准确测出气体的体积，前提是要保证针筒的气密性。

定量化学实验中，装置的设计可以是多种形式，重要的是要选择一种实验结果准确的、操作起来简便的装置。通过展示学生课前自行设计的实验装置可以发现，大多数学生对测定气体体积想到的方法是排水法，只有极个别学生想到了直接测定气体体积的方法。课堂上通过生生、师生互动，全面、细致评价各种实验装置方案的优缺点，学生能够自主发现，由于a本身引起的实验误差，以及针对d提出的“要保证针筒不漏气”的要求，为后续课程认识课本实验装置（气体发生器、储液瓶和液体量瓶）、实验操作（用针筒抽气来计算导管内残留气体的体积）和优化后的实验装置（图3）及其作用埋下伏笔，顺利突破了后续课程的教学难点。因为借助专用仪器或引入关键的实验操作是定量型实验的重要手段和方法，如果直接采用传统教学仅对仪器的用途和操作方法作简单介绍，通过实验反复练习达到熟练使用，这只是一种“实验技能”而不是一种“实验能力”。

4.4  环节观念4： 实验结果要准确

实验的各个环节与实验结果的准确性密切相关。传统教学中往往采用教师先“全盘托出”，然后逐项分析讲解操作步骤和注意事项，学生主要是机械地记住实验操作步骤，基本无法说清这些实验操作步骤的必要性，更谈不上对隐含在实验操作中“精准定量”这一线索的理解。因此，若要深入思考实验结果的准确性，需要学生在掌握实验原理、认识新仪器、熟悉实验操作后完成实验，再进行评价、总结和反思。

实验时学生发现，由于储液瓶上需要插入数字温度计，由于数字温度计体积较大，质量也不小，因此数字温度计由于重力的作用会略往下倾斜，造成装置的气密性不好。同时，气体发生器的橡胶塞如果已经用针头扎过（如前面的学生用过），也会使装置的气密性不好而漏气。这些问题启发学生认识到实验结果的准确性与实验过程中的各个细节紧密相关，同时也是影响实验误差的重要因素。

解决了气密性问题后，由于该实验两次抽气和一次加料，三次都要用到注射器，实验过程仍旧相对繁琐。可见，教材对该实验的设计并非特别完美。基于此，当学生通过图2的装置完成实验后，再引导学生关注图3的实验装置，解释其实验测定原理，预测实验步骤，并将预测步骤（尤其是反应物的用量和读数要求）和参考步骤进行对比，然后完成实验。通过两种实验操作和实验结果的比较，不仅可以巩固前述的知识内容，还能以削弱书本的“权威”性方式为学生的创新性思维提供了可能。

图2  教材的实验装置图

图3  优化后的实验装置图

5  教学思考

本节课实施的是基于问题驱动的教学策略，这些问题来源于学生、讨论也在学生，整个课堂既充分体现了学生在学习中的主体地位，又展现了教师在教学中的主导作用，学生在师生交互的过程中逐步发展定量实验观念。这些观念对于学生学习后续的“结晶水合物中结晶水含量的测定”、“酸碱滴定”两个实验具有很强的指引作用和迁移价值（见表3）。围绕这些观念，设计一系列问

表3  重量法和容量法实验中的定量实验观念和问题

实验名称

问题

观念结晶水合物中结晶水含量的测定酸碱滴定

实验原理要可行為什么结晶水合物选择的是五水硫酸铜而不是其他的结晶水合物？为什么要选择稀盐酸和氢氧化钠溶液的反应？

实验定量要简约为什么称量的晶体质量是约2g？为什么量取的待测液是约20mL？

实验装置要精密为什么要使用瓷坩埚、电子天平和干燥器？为什么要使用滴定管？

实验结果要准确为什么要进行恒重操作？

为什么要进行重复实验？

哪些因素会影响实验结果？为什么要选择合适的指示剂？

为什么要进行重复实验？

哪些因素会影响实验结果？

题，有助于更好地落实学习重点，突破学习难点。

可以发现，定量实验观念在第一个实验中已逐步形成，在第二个和第三个实验中又不断得到强化。化学原理、仪器原理和操作原理在三个定量实验中的复杂性各不相同，在处理各种细节问题中培养了学生严谨的科学态度。值得一提的是，每个定量实验的实验误差分析非常重要，是对化学实验原理的实践检验。通过分析实验数据促使学生对自己的实验操作进行反思，有助于学生把握实验的关键、理解操作要领。同时也可以设置如“为什么说任何定量测定的实验结果都存在一定的误差？”“误差是怎样产生的？”等问题引发学生深入思考，以此有效提升学生在化学实验和科学探究方面的素养。

参考文献：

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