如何进行高中化学定量实验的教学

Question

如题所述

Answer 1

定量实验是利用专用仪器和化学反应计量关系来认识客观世界的一种化学方法，是以定性实验为基础的研究。
定量实验的教学应包括对实验设计的教学及误差分析等内容。定量实验的核心是“定量”，因而实验的设计应围绕“定什么量？”、“如何定量？”、“如何精确定量？”展开，实验设计的教学中应引导学生实现下列三个原理的整合：
①实验原理：定量实验中采用的化学原理（包括反应原理、定义式）和化学计量关系。
②操作原理：为准确实现实验原理采用的操作步骤和专用仪器使用要求配套的操作步骤。
③仪器原理：定量实验中专用仪器的设计原理和使用方法。
高中化学定量实验教学设计是将实验原理、操作原理和仪器原理进行整合，使学生形成实验过程和思维。在教学中帮助学生寻找到需要测定什么量，在将目标量转化为可测量的过程中，形成实验原理，围绕实验原理选择甚至设计出测定这些量的操作和仪器，而操作原理和仪器原理通过相互修正来共同实现实验原理。
高中定量实验教学可分为定量验证和定量分析，在不同的实验中思维上有所不同，设计也有所差异。
第一、定量验证：如一定物质的量浓度溶液的配制和气体摩尔体积的测定，这类实验可深化对概念的理解。其实验原理即是已有的概念和相关的定义式，因此需要测定的目标量是十分明确的。要解决的是如何通过实验完成对目标量的确定，如果目标量无法直接测定的话，需要利用化学反应，依据化学计量关系将目标量转化为可测定的量。
一定物质的量浓度溶液的配制》教学为例，简单流程如下：
以复习质量分 以待测量为依据 以量筒为量器 从精度要求切入引
数引入教学 确定仪器和步骤 修改操作步骤 出容量瓶完成设计
以复习质量分数引入教学，从浓度的定义引出实验原理：确定“溶液体积”和“溶质物质的量”。
由于这两个量可转换成溶质质量和溶液体积，是有现成仪器可测量的，学生得出了使用天平和烧杯。根据仪器原理，学生就设计出计算、称量、溶解和定容的操作步骤。此时由实验原理得到的配套仪器（学生已有知识范围内）和主要操作步骤已经成型。
教师接着提问：“烧杯定容准确吗？”转入能否精确定量的讨论，引出实验原理对仪器的更精确要求。学生想到了用量筒替代，由于使用了量筒，实验步骤必须添加转移和洗涤，以确保溶质的量不变，这一环节体现了仪器原理对操作原理的修正过程。教师在分析了量筒的缺点后，学生提出修正意见：要密封容器，要更细一点，要有一定容积；于是，容量瓶被学生设计出来。通过专用实验仪器的设计，对操作原理提出了进一定的改良和修正，同时实验仪器又满足了操作原理的需求。这样在操作原理和仪器原理的共同作用下，实现了实验原理，完成了实验设计。
第二、定量分析：如硫酸铜晶体中结晶水含量的测定和酸碱中和滴定等。这类实验中实验原理的设计需要先找到合适的相关反应并确定计量关系，然后围绕实现实验原理、测准实测量展开关于操作原理和仪器原理的讨论，完成实验设计。

例如：《硫酸铜晶体中结晶水含量的测定》教学简单流程如下：
寻找合适反应 设计基本步骤 就测定结果是否 修改实验步骤
确立计量关系 确定配套仪器 准确进行讨论 完成实验设计
流程第一模块中从定性实验“如何证明晶体中有结晶水？”引入，通过“如何测定有多少结晶水？”“要测定什么量？”实现从定性到定量的转化，学生利用相关化学反应，建立起待测目标量与实验实测量的计量关系，完成对实验原理的讨论。
第二模块中，在实验原理的指导下，学生很快完成了基本步骤的设计（即称量、加热、称量）和配套仪器的选择（即酒精灯、坩埚及配套仪器）。
教师接着提问：“要结果准确操作中的关键是什么？”进入流程第三模块，以是否能准确测定实测量为切入，对实验操作步骤和仪器使用展开进一步讨论。由于本实验对实验仪器的要求不高，而对称量及加热操作和判断实验终点有较高要求，因此在这个流程中，教师通过“你准备怎样称量？”“怎样确保完全分解？”“如何判断完全分解？”的提问，帮助学生进一步将实验操作具体化，从而寻找到步骤中的漏洞和仪器的需求。
讨论后，学生相继提出了“用坩埚代替称量纸”、“要进行研磨”、“冷却不能在空气中”、“重复加热至质量不变”，“加热程度即需要充分又需要适宜”的问题，依据这些思考，学生得到了研磨、冷却、恒重操作这些重要的操作原理。明确了使用坩埚直接称量，使用干燥器冷却这些实验仪器使用中的原理。通过修改和完善，形成了实验设计。
这样的教学过程，为学生提供了解决问题的真实情景，使学生始终处于解决问题的思维模式中，让学生在完成实验设计的同时，建构起化学的学科思维。
课改对实验的提出更高的要求，定量实验的比重和要求也不断提高，突显出配套实验仪器的精确性对学生实验的感知的重要性。虽然教师能够引导学生形成对定量实验思维，并对误差的存在进行分析，引导学生关注方法而不是结论。但是学生在体验实验后，绝大多数是以自己的定量是否精确来认知方法的可行性。实验仪器的不配套造成学生难以形成认知，如：缺少分析天平，量气装置，pH计等，学生也说道：从来没用过电子天平，怎么设计出选择电子天平啊？教材中新的实验方法只能停留在纸上谈兵的尴尬境地，如何解决定量实验不定量的矛盾，是亟待解决的问题。
通过教学后发现学生对定量实验仍有畏难情绪，比如在可供选择的习题训练中相当多的学生回避了定量实验设计题。我认为这个问题的根源是学生由于缺少实践，因而不能做到理论联系到实际，难以真正内化相关的知识。如何寻找新的实验教学的载体，提供学生更多的实践机会，使教学成果进一步内化，克服畏难情绪，值得进一步进行探索。