曹 葵 王俊秀2

（1中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080；2北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院 北京 100083）

將對照實(shí)驗(yàn)思想貫穿到探究式實(shí)驗(yàn)中
——以測定可樂中磷酸為例

曹 葵1王俊秀12

（1中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080；2北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院 北京 100083）

對照實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的一種重要方法，在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅要把實(shí)驗(yàn)方法讓學(xué)生掌握，更重要的是掌握科學(xué)研究的思路，設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思維在教學(xué)中仍有待加強(qiáng)，教師應(yīng)該在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程中增強(qiáng)這部分的內(nèi)容，通過設(shè)置測定可樂中磷酸含量的課題，多次使用對照實(shí)驗(yàn)和空白實(shí)驗(yàn)方法，從而提高學(xué)生的科研思維能力，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。

探究教學(xué)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；對照實(shí)驗(yàn)

探究式教學(xué)以發(fā)現(xiàn)問題為基礎(chǔ)，以解決問題為目的。對于中學(xué)生來說，科學(xué)思維的形成需要教師的正確引導(dǎo)，潛移默化的形成。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師把實(shí)驗(yàn)問題，實(shí)驗(yàn)方法等直接講述給學(xué)生，這樣會禁錮學(xué)生的思維發(fā)展，不利于學(xué)生形成有效科學(xué)思維方式，遇到新問題就不會解決。而探究式教學(xué)，課堂以學(xué)生為主，問題引入以及解決方法都由學(xué)生思考討論來完成，教師放手學(xué)生，正確引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，這種探究式實(shí)驗(yàn)，不僅讓學(xué)生學(xué)到的是知識，更是學(xué)到了科學(xué)思維的方法以及提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，這樣才更有利于青少年的發(fā)展。

對于學(xué)生來說，他們掌握的知識有限，所以需要在教師引導(dǎo)下進(jìn)行自然科學(xué)和教育科學(xué)相結(jié)合的科學(xué)探究。在教學(xué)中，教師要根據(jù)學(xué)生已掌握的知識來引出新的知識，在無形中讓學(xué)生接受新的知識。在每一次學(xué)習(xí)新知識和新技能的時(shí)候，學(xué)生往往首先要從已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識中尋找突破口，這是人們思維的邏輯慣性，教師就要利用這個(gè)思維慣性。

探究的過程必然伴隨著科學(xué)思想與方法，對照實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行研究的最基本方法，對照實(shí)驗(yàn)就是指設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)組，通過對比結(jié)果的比較分析，來探究各種因素與實(shí)驗(yàn)對象的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。在探究教學(xué)中，教師要有意識地設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生不斷和原來的知識進(jìn)行對比，從而不斷地進(jìn)步，讓學(xué)生在實(shí)踐中體會對照實(shí)驗(yàn)的使用方法和意義，為將來主動運(yùn)用打下基礎(chǔ)。

下面僅以探究可樂中的磷酸含量課題為例，介紹如何將對照實(shí)驗(yàn)方式融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、第一次對照——讓學(xué)生認(rèn)識到如何去除雜質(zhì)干擾

一說到研究磷酸，尤其是研究磷酸含量，學(xué)生都會意識到應(yīng)該使用酸堿滴定的方法，因?yàn)榻滩闹凶鲞^鹽酸和氫氧化鈉的滴定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自然會將磷酸與鹽酸相聯(lián)系。

拿到課題，多數(shù)學(xué)生并不敢立即開始實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷W(xué)生有個(gè)重要的疑問，對于有色飲料來做滴定，能判斷滴定終點(diǎn)嗎？可樂中除了顏色之外，其他物質(zhì)對滴定有干擾嗎？因?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)過的滴定實(shí)驗(yàn)是無色溶液，這就形成了第一個(gè)對照系。如何將有色溶液變?yōu)闊o色溶液。

此時(shí)在課上開始第一次討論——如何去除這些干擾因素？這里涉及到兩個(gè)干擾因素，一個(gè)是CO2，一個(gè)是顏色，而顏色的主要來源是焦糖。對于CO2來說，處理起來比較簡單，學(xué)生都會想到采用加熱煮沸的方法，問題的關(guān)鍵在于可樂顏色。

學(xué)生在初三學(xué)習(xí)過水處理時(shí)使用過活性炭過濾，現(xiàn)在就需要進(jìn)行對照，活性炭能處理污水是否能讓可樂脫色？在學(xué)習(xí)活性炭處理污水時(shí)，初三老師一般不介紹活性炭吸附的特點(diǎn)，即對分子量大的物質(zhì)吸附力大于分子量小的物質(zhì)，在水中吸附力大于有機(jī)溶劑，對含有極性基團(tuán)多的有機(jī)物吸附力大于極性基團(tuán)少的，對芳香烴的吸附力大于脂肪烴。學(xué)生因?yàn)闆]有相關(guān)的知識儲備，也就導(dǎo)致一些學(xué)生不敢動手操作，因?yàn)閾?dān)心磷酸被吸附而無法測定，此時(shí)就需要先讓學(xué)生自己動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，首先要解決是否可以使用活性炭脫色？因?yàn)椴唤鉀Q脫色問題就不可能進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

二、第二次對照——確定活性炭最佳用量

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)證明活性炭可以使可樂脫色，然而問題并沒有完結(jié)，可以脫色僅僅是定性的結(jié)果，對于這個(gè)實(shí)驗(yàn)來說，每次實(shí)驗(yàn)應(yīng)該使用多少活性炭呢？活性炭是不是越多越好，對于絕大多數(shù)學(xué)生來說，中學(xué)階段只有滴定實(shí)驗(yàn)才是定量實(shí)驗(yàn)，其他都是定性的。而在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生非常有必要有定量思想，必須確定活性炭的最佳用量，用量過少，脫色不完全，用量太多，不僅僅是浪費(fèi)問題，粉狀活性炭會影響過濾速度，同時(shí)還存在最初學(xué)生擔(dān)心的會不會吸附磷酸的問題，如果活性炭吸附焦糖色后再吸附磷酸，活性炭用量過多就會導(dǎo)致無法檢測到磷酸。因此學(xué)生就需要試驗(yàn)相同體積的可樂使用活性炭脫色的最佳用量，也就是剛剛能脫色的用量。

在這個(gè)測試過程中，學(xué)生需要運(yùn)用控制變量思想，每次可樂用量一樣，僅僅調(diào)整活性炭用量，檢測出恰好可以使焦糖被吸附的用量。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，還存在一個(gè)技巧，其實(shí)也是一次對比。如果每一次實(shí)驗(yàn)都按照正式實(shí)驗(yàn)用量（因?yàn)榱姿岷亢苌?，要滴定出比較合理的結(jié)果，可樂用量需要100mL左右）進(jìn)行，如果實(shí)驗(yàn)失敗，浪費(fèi)的時(shí)間更多。此時(shí)，可以采用每次取樣品10mL，也就是取小樣的過程。學(xué)生只需要看過濾液是否有顏色，不需要做后續(xù)滴定，可樂用量不必太多，節(jié)約時(shí)間。首先取一定量的活性炭，如果過濾后濾液無色，就將活性炭用量減半再試驗(yàn)，如果濾液有顏色，就將活性炭用量增加一半，直到找到添加的活性炭恰好使得濾液無色。而取小樣做預(yù)實(shí)驗(yàn)也是科研中經(jīng)常使用的方法，這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，也就將科學(xué)方法沉浸在課堂教學(xué)中，將枯燥的方法融入到學(xué)生解決問題的實(shí)踐活動中。

三、第三次對照——測量體積如何確定

由于可樂中磷酸含量比較少，測定時(shí)可樂取樣要100mL左右，問題隨之而來，我們測量時(shí)用的體積是最初取樣的體積還是過濾后的體積？

如果用取樣體積計(jì)算，加熱蒸發(fā)CO2、濾紙吸附導(dǎo)致實(shí)際測量體積偏小，數(shù)據(jù)結(jié)論偏小，這個(gè)偏差對實(shí)驗(yàn)有多少影響？如果有影響應(yīng)該如何消除？

反之如果選用過濾后體積計(jì)算，數(shù)據(jù)會不會偏大。如果有影響，影響有多大，如何消除影響？

兩種方法哪個(gè)因素的影響大？如何解決這個(gè)問題使得誤差最小。

最終的辦法還是通過對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測量過濾前后體積差來解決。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加熱去除CO2的過程確實(shí)有少量的水分揮發(fā)，每100mL可樂加熱后體積大約減少1-2mL，可以說這個(gè)體積變化不能忽略，而每個(gè)人實(shí)驗(yàn)時(shí)加熱的程度不完全一致，這就必須使用開始的體積作為測定標(biāo)準(zhǔn)，而過濾是濾紙會吸附一些水分，就需要通過蒸餾水潤洗的方式將吸附的溶液沖洗下來，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。

四、第四次對照——活性炭是否吸附磷酸

經(jīng)過三次對比實(shí)驗(yàn)，絕大部分學(xué)生完成了實(shí)驗(yàn)測定，有的學(xué)生以為已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)，其實(shí)不然。此時(shí)最關(guān)鍵的問題——脫色用的活性炭有沒有吸附磷酸？依然沒有解決。這個(gè)問題不解決，那么前面做的所有實(shí)驗(yàn)其實(shí)都是無效的，必須補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)證明沒有吸附作用。

立刻有學(xué)生提出測定已知濃度磷酸通過活性炭前后的濃度，如果濃度沒有變化，就說明沒有吸附作用。

然而問題并沒有這么簡單，老師隨后追問：是隨意拿任意濃度的磷酸就可以嗎？

學(xué)生顯然沒有想到這個(gè)問題，但是當(dāng)老師提出問題，結(jié)論就擺在那里了——必須使用和可樂中磷酸濃度一樣的磷酸溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)活性炭適量，恰好使得可樂脫色的情況下，其對磷酸基本沒有吸附作用，使用活性炭吸附磷酸的實(shí)驗(yàn)方案可行。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和進(jìn)行中，教師設(shè)計(jì)了一系列的對照實(shí)驗(yàn)，濃度對照、干擾對照、體積對照……教師適當(dāng)?shù)靥岢鰡栴}引導(dǎo)學(xué)生思考，逐步遞進(jìn)，問題層層深入，也漸漸達(dá)到我們探究教學(xué)的目的，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中掌握科學(xué)思維方法。正如很多學(xué)生知道設(shè)置平行對照實(shí)驗(yàn)來增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。同樣，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也應(yīng)該設(shè)置玄機(jī)，把科學(xué)思維滲入到實(shí)驗(yàn)思路中，讓學(xué)生真正在無形中掌握科學(xué)思維方式，這才更加有利于學(xué)生未來的學(xué)習(xí)發(fā)展。如我們在實(shí)驗(yàn)中也設(shè)置“陷阱”，教師所提供的磷酸是5g/L，而可樂中磷酸含量只有約0.5%，如果學(xué)生不思考直接依照可樂取樣的量來做滴定實(shí)驗(yàn)，不僅是浪費(fèi)太多時(shí)間在滴定過程中，因?yàn)闈舛炔灰恢?，其說服力也大幅度下降，如果通過活性炭前后測量值相差0.01g/L，對于5g/L可以忽略，而對于0.5%初始濃度來說就不能忽略了。這就要求學(xué)生必須將對比實(shí)驗(yàn)使用的純磷酸稀釋到上一步實(shí)驗(yàn)測定的磷酸含量相同的濃度。

教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，如果多思考，即使很小的一個(gè)生活問題，也能讓學(xué)生掌握科學(xué)研究思維。愛因斯坦說：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要”，生活處處是化學(xué)，在學(xué)生的探究研究實(shí)驗(yàn)中，教師把生活中的問題帶到課堂，增加課堂的趣味性，增加學(xué)生的研究興趣。

對照實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究方法中非常重要的一種研究方法，如果在做可樂磷酸測定用活性炭過濾可樂時(shí)，學(xué)生不設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)，只做平行實(shí)驗(yàn)的話，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難讓人信服。

對照實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段，是從臨床診斷和治療引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功案例之一，無論是現(xiàn)在使用的中學(xué)化學(xué)教材，還是目前對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ蔫b定和評價(jià)，對照實(shí)驗(yàn)都占了很大的比重。關(guān)于對照實(shí)驗(yàn)的考查內(nèi)容主要是學(xué)生關(guān)于對照實(shí)驗(yàn)的條件設(shè)置、過程設(shè)計(jì)、現(xiàn)象觀察和結(jié)論分析等的認(rèn)識和掌握。這就要求教師在以對照實(shí)驗(yàn)為方法的教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生深入剖析對照實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵，理清對照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，掌握對照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，從而更徹底地解決實(shí)際問題，以達(dá)到提高解決問題能力和科學(xué)素養(yǎng)的目的。對照實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，如何開展有效的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)愈來愈引起化學(xué)教育工作者的關(guān)注，對照作為一種科學(xué)學(xué)習(xí)方法，對于學(xué)生的思維能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用，實(shí)驗(yàn)過程中則需要學(xué)生手、腦、眼并用，在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作、仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)觀察和嚴(yán)密的邏輯推理后得出科學(xué)結(jié)論。對照實(shí)驗(yàn)開展讓教師更關(guān)注學(xué)生嚴(yán)密和謹(jǐn)慎的科學(xué)探究態(tài)度和習(xí)慣的培養(yǎng)，使學(xué)生能有效且熟練地解決實(shí)際問題，從而培養(yǎng)出創(chuàng)新性全面發(fā)展的人。

［1］ 吳俊明.發(fā)展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究需要大智慧——在《化學(xué)教學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)高級研修班上的講話［J］.化學(xué)教學(xué),2013（2）:3-5

［2］ 黃文君.創(chuàng)設(shè)條件經(jīng)歷探究體會科研［J］.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2014（8）:14-16

［3］ 李進(jìn)京.生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中對照實(shí)驗(yàn)的分析及應(yīng)用［J］.中學(xué)生物學(xué)，2008（1）:43-48

［4］ 馬路平.對照實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2013：1-16

1008-0546（2017）10-0078-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.025