三阶段“粗盐提纯”实验背后的人才培养思考

耿凤华,徐茂田

(1.河南省生物分子识别与传感重点实验室,河南 商丘 476000； 2.河南省化学生物传感与重大疾病早期诊断国际联合实验室,河南 商丘 476000； 3.商丘师范学院 化学化工学院,河南 商丘 476000)

在大力推进中学素质教育和努力开展大学生创新创业教育的今天,化学实验不仅是学生学习的主要内容,也是化学学习的主要方式和途径,同时也是实现素质教育和创新人才培养目标的重要教学环节.综观人教版九年级下册《化学》教科书和普通高中课程标准实验教科书《化学》以及北师大版《无机化学实验》教材不难发现,“粗盐提纯”这一化学实验内容在九年级、高一年级和化学及相关专业的大学一年级实验课中均有设置,这充分说明了该实验在化学教学中的重要性和基础性.

1 “粗盐提纯”实验在化学教学中的要求

在初中化学课程标准(2011版)第3部分“课程内容”中有多处涉及“粗盐提纯”实验及相关内容[1]：“科学探究”一级主题下面二级主题“完成基础的学生实验”里面明确提出了学生“至少要完成的化学实验活动”,其中包括“粗盐中难溶性杂质的去除”.新修订的2017版普通高中化学课程标准[2],必修模块主题1 “化学实验”中要求学生“初步学会物质的检验、分离、提纯和溶液配制等化学实验基础知识和基本技能”,在主题2中明确规定“用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子”作为学生必做实验,“教学提示”下面的学习活动建议中,把“用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子”作为一项实验及探究活动.以上这些都充分体现了“粗盐提纯实验”在化学教学中的重要性和基础性.

2 “粗盐提纯”实验在教材中的编排方式及实验目的

2.1 “粗盐提纯”实验在初中化学教材中的作用及目的

依据课程标准的要求,从人教版初中化学教材内容的编排来看,在初中“粗盐提纯”实验内容是除去粗盐中以泥沙为主的难溶性杂质,其实验目的是：(1)通过实验,体验固体混合物初步分离提纯的实验过程；(2)初步学习过滤和蒸发实验操作技能；(3)学会物质的溶解、过滤、加热等基本实验操作技能.

2.2 “粗盐提纯”实验在高中化学教材中的作用及目的

学生进入高中后,在人教版必修模块《化学1》中的第1章从实验学化学第1节“化学实验基本方法”实验1-1再次接触到“粗盐的提纯”实验.其这样编排的目的是[3]：(1)从学生已有经验出发,既可起到复习的作用,又可降低实验的难度,逐步深入；(2)该实验中包含着较多的分离操作,而且过滤是所有分离方法中最常用的,有必要让学生掌握；(3)粗盐经溶解、过滤后所得的滤液并不只是NaCl的溶液,仍然含有少量可溶性杂质,需要进一步检验并除去.这样学生就可以借助这一实验进一步学习离子检验的方法.所以其学习内容在巩固初中所学的溶解、过滤和蒸发等操作技能的基础上,还加入了除去粗盐中可溶性杂质的任务.高中粗盐的提纯实验学生应着重于“掌握溶液中可溶性杂质的去除方法”,这样体现了不同学段教学内容的进阶.其实验目的是：(1)通过实验,巩固用物理方法除去粗盐中的不溶性杂质；(2)通过实验掌握溶解、过滤、蒸发等基本操作；(3)通过实验,初步学会溶液中可溶性杂质的去除方法,明确从混合物中分离和提纯物质的思想和方法；(4)通过实验探究,认识到学好化学,服务于社会,学有所用,增强学习化学的兴趣.

2.3 “粗盐提纯”实验在大学化学实验教材中的作用及目的

无机化学实验不仅是化学实验的重要分支,也是学生学习化学及相关专业的一门基础实验课程.“粗盐提纯”实验一般放在物质的分离和提纯专题下,其目的是使学生学会正确选择无机物的分离、提纯和分析鉴定方法,熟练掌握这些基本操作技能.众所周知,自然界中的无机化学试剂或化工初级产品常含有一些杂质,故采用过滤或重结晶等基本方法来纯化该类物质十分必要.因此,过滤、蒸发和结晶等技术也成为无机化学实验中必须掌握的最基本的也是非常重要的提纯方法.

学生在初高中“粗盐的提纯”实验基础上,(1)掌握粗盐提纯的原理和方法以及产品的产率的计算和测定；(2)了解盐类溶解度知识及沉淀溶解平衡原理在该实验中的应用；(3)熟练掌握称量、溶解、过滤、蒸发、浓缩、结晶等基本操作；(4)学会定性检验产品纯度的方法；(5)初步学习NaCl含量分析及杂质限量分析方法.教学内容是复习高中所学实验原理,进一步巩固溶解、过滤、蒸发、浓缩结晶等操作技能,拓展溶解、过滤等操作方法,初步学习用目视比色法进行限量分析的原理和方法.

3 不同阶段“粗盐提纯”实验教学策略

从三个阶段的实验学习内容和学习目标来看,在知识的阶梯上学生拾级而上,难度逐渐加大,内容逐渐增多,层层深入,循序渐进,体现了学习进阶,这样的设计符合学生思维发展的特点,也符合学习的特点.如何实现这种进阶呢？笔者认为根据不同阶段的培养目标,采用不同的教学模式和教学策略.

3.1 初中阶段“粗盐提纯”实验教学策略

初中阶段,主要培养学生学习化学的兴趣,了解物质分离提纯的目的和意义,让学生掌握物质分离提纯的一般方法,可以通过开展有教师指导的探究学习活动来完成本实验.教师在指导学生开展探究活动时,注意联系学生的已有经验和生活实际,努力创设生动真实的问题情景,激发学生的好奇心和求知欲,并鼓励学生自己发现和提出问题,提高学生参与探究的自主性.

3.2 高中阶段“粗盐提纯”实验教学策略

学生进入高中后,开篇以学生熟悉的“粗盐提纯”实验为切入点既渗透高中的实验要点,又能使学生循序渐进学习该内容,充分感受到学习探究的乐趣.在开展实验教学前教师即要首先让学生了解粗盐提纯的历史背景,如古代制盐法的简介,充分挖掘其蕴含的教育价值,使学生认识到化学知识对创造物质财富的重大贡献,激发学生的热爱化学,勇于探索科学知识的精神,同时为学生开展自主探究学习做好了铺垫.

实验教学要注重实践性,以切实提高学生的化学核心素养为目标,最有效的方式就是采用实验探究学习,以学生自主探究为主,教师指导为辅,可以采用“提出问题—猜想假设—制定方案—进行实验—得出结论—交流评价”的教学过程.教师是学生探究的指导者和协助者,可以先向学生提出要解决的问题：如何从粗盐中制备精盐？为了保证学生实验探究的时效性,在粗盐提纯实验教学中,教师应围绕本次实验的核心内容和重要环节,设计学习任务和学习活动：(1)利用初中所学知识,如何除去粗盐中的难溶性杂质？(2)初次提纯后的粗盐中仍然含有可溶性的杂质,如何设计实验方案除去呢？学生围绕着这两个具有驱动性的问题展开整个探究实验.学习任务(1)要注意引导联系学生已有的化学知识开展活动,使学生对知识形成深层理解.

由于可溶性杂质的检验和除杂,思维要求较高,教师可以引导学生利用教材正文所提供的“钡离子的检验方法”“思考与交流”学习栏目和“提示一些物质溶解性”的资料卡片等内容,设计实验方案,除去粗盐中的钙离子、镁离子和硫酸根等可溶性的杂质.学生通过分析问题、收集证据、并基于证据分析推理,对粗盐中杂质的成分作出假设,设计方案进行实验加以证实或证伪,经历一系列的探究活动,明确从混合物中分离和提纯物质的思想和方法,如根据物质性质的差异选择物质分离的实验方法,最后收集实验证据做出解释等.教师 “励其行、促其思、放其手”,学生在教师的组织、指导下,独立思考,主动发挥学习的主体作用,培养创新精神和实践能力.

学生根据老师创设的真实且丰富的学习情境及进阶性问题,追溯究源,深层剖析氯化钠精盐的制取过程,通过科学探究感受到化学实验的作用和价值,从而建立正确的实验观,通过实验探究亲身体验“粗盐提纯”,既可以掌握基本操作技能又能培养一定的科学探究能力,最后通过师生、生生的相互评价,自我反思认识自身的设计能力及实验操作能力的优缺点.

3.3 大学阶段“粗盐提纯”实验教学策略

由于大学生的学习时间相对中学生来说自由时间较多,而且学生基本上都具备了自主学习能力,所以,在大学无机化学实验课中,老师一般会至少提前一两周给学生布置预习实验内容,要求学生先看书,查阅相关资料,写出预习报告,然后才能进实验室.大学的实验条件比较好,不再像中学那样进行分组实验,基本上是单人单组,而且实验时间比较充足,一般实验课上老师会至少把三分之二的时间交给学生,而老师主要指导和帮助学生解决实验中的一些疑难问题和突发事件.

根据往届的经验,笔者发现虽然粗盐的提纯内容学生相对比较熟悉,但由于刚刚从中学升入大学,开始独立操作化学实验,大多数学生动手能力不强,相当一部分学生在规定的时间里完不成实验,粗盐的提纯实验步骤又比较繁琐,教师在实验教学中有必要采取一些有效的教学策略和措施,指导学生顺利操作,高效完成实验.

为了提高产品的纯度和收率,就要在过滤环节下手,本实验主要探究影响第2次过滤实验时间长短的因素.

在具体的操作中第一步是溶解,先让学生思考如何使固体物质溶解？加快溶解的方法有哪些(把固体研碎、玻璃棒搅拌或加热)？在控制溶剂量的条件下,主要是采用加热,比如酒精灯加热,水浴加热、恒温磁力搅拌器加热等,结合实验室条件,你准备采用哪种方法？为了趁热快速采用什么过滤方法？学生经过讨论决定用恒温磁力搅拌器加热,并用减压过滤即抽滤(优点是防止降温时溶液中的溶质析出,加快过滤速度,得到较干燥晶体),这样缩短了实验时间,提高了实验效率,顺利高效的完成了第一次过滤.

第二次过滤之后得到的仍然是溶液,若要得到NaCl晶体,需要对溶液进行蒸发浓缩、冷却结晶,在这步操作可以提示学生蒸发需要哪些仪器？学生根据课前预习已经解决了这些问题.不仅要让学生知其然更要知其所以然,可以引导学生深入思考：(1)为什么不能蒸干？这个问题稍微思考应该能够回答上来(蒸干会造成晶体迸溅且不能除去K+)；(2)一般来说从溶液中析出晶体的方法有哪些？学生思考回答老师总结可以得出：蒸发结晶、冷却热的饱和溶液、加入有机溶剂以及利用溶度积规则等知识使晶体析出.此时还可以更进一步引导学生提前预习；(3)对于含结晶水的晶体如硫酸亚铁铵的制备,如何让其从溶液中析出？如果是易水解的盐呢? 通过这种问答方式有意识地培养学生化学类别概念和联想思维,体会盐类溶解度的知识在无机物提纯中的应用,使其学然后知不足.

为了得到更纯净的NaCl 晶体,还要进行晶体洗涤.关于晶体洗涤,实验前给学生提出以下4个问题[4]：(1)为什么要洗涤？(2)用什么洗涤？为什么？(3)怎么洗涤？(4)如何证明已洗干净？为了得到干燥的晶体还需要对洗涤后的晶体干燥除水,你知道实验室有哪些干燥方法？你想选择哪种？说明理由.这些问题对于大学生来说相当于复习中学知识,并适当有所拓宽所学内容,解答难度不大.

最后还要计算收率,进行产品纯度检验,此步骤让学生了解什么是目视比色法,其分析原理和方法是什么,拓展学生常规分析知识,并知道其优缺点和应用.

4 结论和反思

总之,过滤和蒸发浓缩结晶是提纯固体无机物的重要方法.通过三阶段粗盐提纯实验学生不仅可以比较全面的熟练掌握溶液的溶解、蒸发、浓缩、结晶以及过滤、洗涤和干燥等基本操作,同时还能够把相关的理论知识和实验操作结合起来,提升学生知识迁移能力,而且从实验方法和实验手段上不断进行实验创新,提高“粗盐提纯”的时效、纯度和产率.当然,对粗盐提纯实验的研究还需要逐步深化和细化,重点仍然是提高精盐提纯收率和纯度,减小实验误差.