将技术素养融入科学探究与创新意识培养的教学设计

张玉娟

摘要：结合《普通高中化学课程标准（2017年版）》，以苏教版选修模块《实验化学》中“水果中维生素C的测定”的教学內容为例，阐释了基于技术素养培养学生科学探究与创新意识的教学设计。

关键词：技术素养;科学探究;创新意识;教学设计;维生素C的测定

文章编号：1008-0546（2020）06-0049-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.013

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（简称《标准》，下同）中指出，“科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实验活动;能发现和提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验等方法进行实验探究;勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新”。随着科学与技术的高速发展，科学与技术的相互依存性不断加强，现代技术在社会生产和生活中的作用和地位日益突出，技术素养已经成为人们必备的基本素养。2001年我国颁布的《基础教育课程改革纲要（试行）》就强调将“技术”确定为一个“基础的学习领域”，以技术素养的培养和提升为上位目标，要求学生在更加广阔的视野下认识化学科学与技术进步和社会发展的关系，培养学生的社会责任感和创新精神。

本文以苏教版选修模块《实验化学》专题六中拓展课题6-2“水果中维生素C含量的测定”的内容为教学内容，基于技术素养的角度对高中化学实验教学进行重新审视、分析和定位，通过充分挖掘课本中的实验，结合技术创新，帮助学生认识和初步掌握与化学相关的技术问题，使学生在科学探究过程中，创新能力与意识得到全面提升。

一、教学设计的前端分析

1.教材分析与教学设计思路

苏教版选修模块《实验化学》专题六的主题是物质的定量分析，该专题以融生活和化学知识及实验于一体的课题，介绍定量分析的一般过程、定量分析实验方案的设计方法、常用定量分析仪器的使用方法，以及如何记录和处理实验数据，如何书写物质的定量分析实验报告等内容。“水果中维生素C的测定”是生活中有意义的化学问题，通过学生自主研究和探索让学生感受到化学就在身边，学化学是为了用化学解决实际问题，从而激发学生学习化学的兴趣，提高科学探究能力。结合我校实际实验条件及学生的实际操作水平，水果中维生素C（Vc）的测定方法可以选择以数字化信息系统（DIS）为研究平台的碘滴定法和高效液相色谱法（HPCL），通过使学生接触现代仪器分析技术，强化学生技术意识，最终实现培养和提升学生勇于创新的技术素养的目的。

2.教学目标与核心素养水平

（1）基于已有知识和经验解决生活中的问题，完成定性测定水果中是否有Vc的简单实验设计，依据《标准》提升科学探究与创新意识素养之水平2，即能对简单化学问题的解决提出可能的假设，依据假设设计实验方案，基于实验事实得出结论。

（2）基于定性实验设计的基础进一步解决生活中的实际问题，完成半定量比较不同水果中Vc含量的实验设计，依据《标准》提升科学探究与创新意识素养之水平3，即能在与同学讨论的基础上，完成实验，收集实验证据，基于现象和数据进行分析并得出结论，交流自己的探究成果。

（3）基于现代技术解决综合性的探究课题，完成定量测定水果中Vc含量的实验设计。依据《标准》提升科学探究与创新意识素养之水平4，即能依据文献，提出多种探究方案，用数据、图表等处理实验信息，对实验进行反思。

二、教学流程

1.定性测定

引入：在我国最新的居民平衡膳食建议指南中，水果蔬菜占据了人体每日饮食量的半壁江山。为什么水果蔬菜如此重要？在同学们的自由发言中，引出同学们熟悉的具有抗坏血病作用的Vc。

任务1：如何定性检测水果中有Vc呢？

[资料1]根据Vc的结构，发现Vc中含有烯醇式结构。它具有极强的还原性，可以和H₂O₂、酸性KMnO₄等强氧化剂反应，也可以和FeCl₃、I₂等弱氧化剂反应。

[学生1]提供方案：可以利用酸性KMnO₄与Vc的反应检测水果中有维生素C。因为酸性KMnO₄呈紫红色，所以Vc能使酸陸KMnO₄褪色，现象明显。

[学生2]提出质疑：水果中会不会有其他还原性的物质也可以使酸性KMnO₄褪色？

[资料2]查阅文献：《探究高锰酸钾定性检测维生素C的影响因素》（靳飞）。文献中指出，Vc和酸性KMnO₄反应速率最快，远远大于其他被测物。葡萄糖、草酸等大多数的还原剂遇到酸性KMnO₄，lmin时都没有明显现象，维生素B类与酸性KMnO₄在lmin时才能有明显现象。

[教師]酸性KMnO₄确实可以作为初步检测水果中Vc的一种方法。如果为了降低维生素B类物质对Vc检测的影响，大家有没有更好的方法？

[学生3]提供另一方案：以淀粉为指示剂，利用碘水与Vc的反应检测水果中有Vc。

[实验]取1-2mL碘水于试管中，加入几滴淀粉溶液，溶液变蓝;用滴管移取压榨的橙汁，滴入上述的蓝色淀粉与碘水混合溶液中，发现溶液蓝色褪去，说明橙子中有Vc。

设计意图：实验探究活动要结合学生认知发展特点，引导学生根据已有知识和生活经验、资料等做出预测和假设，设计实验方案，引导学生对实验方案进行自评、互评从而优化方案，顺利完成实验，基于实验事实得出结论。

2.半定量测定

任务2：如何半定量比较不同水果中Vc含量呢？

[学生实验]讨论并实验。用移液枪分别移取lmL碘水于两支试管中，加入相同滴数的淀粉溶液;将压榨的橙汁、柠檬汁分别滴入上述混合溶液中，根据蓝色溶液褪色时滴人的滴数的多少比较橙子、柠檬中Vc含量的相对大小。

[学生活动]汇报、交流结果，得出结论：同体积的柠檬汁液中含有Vc的量与橙汁相近。

[学生4]提出质疑：做了两次平行实验，发现第二次滴入的橙汁、柠檬汁的滴数都比第一次多，但是结论不变。

[学生5]Vc在空气中很容易被氧化，所以两次测定的滴数会略有所不一样。

[教师]Vc的氧化速度与pH、氧浓度及温度等因素有关。为了防止Vc氧化，取样后应尽快测定，也可将样品溶在2%草酸或2%盐酸中，低温保存。

设计意图：实验探究活动应紧密结合具体的化学知识来实施，通过引导学生开展证据与推理具有学科特质的学习活动，使化学知识的学习、科学探究能力的形成与化学学科核心素养的发展有机结合起来。教学中，应引导学生通过合作进行实验设计与探究，引导学生学会基于现象和数据对实验中的“异常”进行反思、质疑。

3.定量测定

任务3：如何定量测定水果中Vc含量呢？

[学生活动]查阅文献，以数字化信息系统（DIS）为研究平台的碘滴定法和高效液相色谱法（HPCL）分别设计了两种实验方案，小组合作完成实验，对实验中的数据进行处理。

[实验1]

（1）实验原理：橙汁、Vc标准液中的Vc浓度之比等于消耗碘水体积之比。

（2）实验装置：如图1。

仪器和药品：计算机、LabQuest数据采集器、Ver-nier滴数传感器（型号：VDC-BTD）、塑料滴定管、Vc标准品、2%草酸、约0.002m01·L^-1碘水、淀粉试液、橙子。

（3）实验步骤：

①将Vc标准品溶于2%的草酸，配制0.5000mg·mL-1的Vc标准液。

②准确移取lmL Vc标准液于锥形瓶中，加人30mL 2%草酸溶液和几滴淀粉溶液，用约0.002m01`L-1碘水溶液进行滴定（如图1），记录消耗碘水的体积V₁。

③用榨汁机压榨橙汁，纱布过滤，减压过滤，取lmL汁液于锥形瓶中，加入30mL 2%草酸溶液和几滴淀粉溶液，用约0.002m01·L^-1碘水溶液进行滴定（如图1），记录消耗碘水的体积V₂。

（4）实验记录：VI=1.107mL、V2=1.0490mL

[实验2]

（1）实验原理：高效液相色谱仪（HPLC）以液体为流动相，采用高压输液系统，将溶液等流动相泵人装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。

（2）主要仪器和药品：Perkin Elmer高效液相色谱仪（型号：Flexar）、Vc标准品、0.1%草酸、超纯水、0.45um滤膜。

（3）实验步骤：

①调试Perkin Elmer高效液相色谱仪。色谱柱：Brownlee Validated C18（5txm，150x4.6mm）;流动相：0.1%草酸;流速：1.0mL·min^-1;进样量：10uL;检测波长：248nm;柱温：室温。

②标准储备液配制。称取0.05000gVc，用0.1%草酸溶解、稀释并定容到50mL棕色容量瓶中，密封保存。

③标准曲线制备。用0.1%草酸把标准储备液逐级稀释到0.0ug·mL^-1、40.01ug·mL^-1、80.0ug·mL^-1、100.0ug·mL^-1、160.0ug·mL^-1的标准工作液，注入液相色谱仪，测定峰面积，以进样的Vc浓度（x）对峰面积（y）回归分析（如图2）。

④橙汁用布氏漏斗过滤，量取1.000 mL样品于25 mL容量瓶中，用0.1%草酸定容摇匀，用0.45um滤膜过滤，进样，测定峰面积，带人线性回归方程计算得到Vc浓度。

（4）实验记录：峰面积：232756.43，进样的Vc浓度=18.94txg·mL^-1

水果中Vc含量=18.94ug·mL^-1x10^-3mg·ug-1x25=0.4735mg·mL^-1

教學意图：《标准》中指出应精心设计学生必做实验，适当增加数字化实验、定量实验和创新实践活动，让学生在实验探究中学习科学方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值。教学中，师生共同开展了基于技术素养培养的创新实验教学，让学生在真实的DIS和HPLC的技术运用过程中学习技术知识、提高技术能力、养成技术理性，最终培养和提高学生创新能力。

三、设计反思

1.循序渐进，达成教学目标

从教育学、心理学的角度分析，整个设计与皮亚杰的认知发展理论和建构主义理论相契合。教学设计从学生已有的知识和生活经验出发，引导他们讨论设计实验，从水果中Vc的定性检测到不同水果中Vc含量的半定量比较，最后深入到定量测定水果中Vc含量，按照学生的认知发展特点，循序渐进地达成教学目标，使学生初步掌握了一些定性和定量的基本实验方法和思路，了解了包括数字化实验、高效液相色谱仪在内的一些仪器的原理和使用方法，使知识和实验技能系统化、结构化。

2.以生为本，开展实验探究

实验探究是一种重要的实践活动，是化学学科核心素养的构成要素之一。通过实验探究活动，有利于学生的可持续发展。整个教学设计都是以学生为中心，使学生自觉地、主动地探索，着重学习和体验科学研究的思路和方法，同时将化学知识的学习融合在以实验为主的课题中，使学生主动建构实验基本原理、方法手段及操作技能方面的有关知识。

3.技术引领，提升创新能力

高中教育要为学生接受高等教育奠基，中学实验教学中迫切需要引入高校实验室中的技术，促进中学实验教学改革的方向能够紧跟时代。DIS和HPLC的技术的引入能够使学生以新时代科技的视角对传统实验教学内容进行重新诠释，不仅实现了基础实验教学与前沿科学研究很好的对接，更重要的是帮助了学生体会到了科技进步对社会发展的重要贡献，真正培养了学生对化学世界无穷无尽的好奇心，从而激发创新意识与能力。