◎ 張德貴

《上海市高中化學(xué)學(xué)科教學(xué)基本要求（試驗本）》對高中化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容進行了調(diào)整，其中“結(jié)晶水合物中結(jié)晶水含量的測定”成為滬科技版《化學(xué)（試用本）》高中階段學(xué)習(xí)的第一個化學(xué)定量實驗，是幫助學(xué)生認(rèn)識化學(xué)定量測定分析方法、技能和態(tài)度，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。教材選擇硫酸銅晶體即膽礬作為測定對象，運用熱重法測定膽礬結(jié)晶水含量。實驗?zāi)康氖谴_定膽礬化學(xué)式CuSO4·xH2O中x的值，但是在實驗操作過程中卻從未直接測量水的任何物理量，具有“求水卻不測水”的特點。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》凝練了“宏觀辨識與微觀探析” “變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”5個方面的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，并明確提出“課堂貼近生活”“創(chuàng)設(shè)真實情境”和“發(fā)揮化學(xué)實驗獨特價值”等教學(xué)實施建議。奧蘇伯爾（D. P. AuSubel）于1963年在有意義言語學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上提出認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論，認(rèn)為一切有意義的學(xué)習(xí)都是在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，不受原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)影響的有意義學(xué)習(xí)是不存在的。一切有意義的學(xué)習(xí)必然包括遷移，遷移是以認(rèn)知結(jié)構(gòu)為中介進行的，先前學(xué)習(xí)所獲得的經(jīng)驗，通過影響原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的有關(guān)特征影響新學(xué)習(xí)。學(xué)生學(xué)習(xí)新知識時，原認(rèn)知結(jié)構(gòu)可利用性高、可辨別性大、穩(wěn)定性強，就能促進對新知識學(xué)習(xí)的遷移。根據(jù)認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論，教師希望在課堂中引導(dǎo)學(xué)生進行有意義學(xué)習(xí)的關(guān)鍵便是準(zhǔn)確定位學(xué)生“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”，“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”與新知識應(yīng)具有高匹配度的可遷移性。而將學(xué)生的生活經(jīng)驗作為“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”，并以此為基礎(chǔ)遷移新知識是一種符合“課堂貼近生活”和“創(chuàng)設(shè)真實情境”理念的有效可行的教學(xué)設(shè)計策略。

筆者嘗試基于奧蘇伯爾認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論，將學(xué)生橙汁含量測定的生活經(jīng)驗作為“原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)”，使其遷移至膽礬結(jié)晶水含量測定的原理建構(gòu)過程。同時根據(jù)本實驗“求水卻不測水”等特點，設(shè)計測定対象選擇、實驗原理分析、實驗數(shù)據(jù)設(shè)計和實驗步驟操作與分析等教學(xué)環(huán)節(jié)，以期幫助學(xué)生更好地理解該實驗設(shè)計的原理，并在學(xué)習(xí)過程中發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、生活情境導(dǎo)入——如何測定橙汁含量？

1.問題1：如何測定一個橙子的橙汁含量？（教師拿出一個橙子）

生：把橙子榨汁，根據(jù)橙汁和橙子質(zhì)量計算。

【展示】橙汁和殘渣（榨汁機的殘渣罐內(nèi)）。

2.問題2：假設(shè)這個橙子100g，榨得橙汁60g和一些殘渣，橙汁含量是多少？

生：60%。

【展示】教師現(xiàn)場喝掉橙汁。

3.問題3：如果教師面對誘人可口的橙汁，榨完就直接喝了，忘記稱量橙汁質(zhì)量，怎么辦？

生：通過稱量殘渣質(zhì)量也可以間接計算。

4.問題4：怎么稱量？把殘渣從罐子里挖出來？麻煩且不精確，有沒有更好的辦法稱量殘渣？

生：榨汁前先稱量空罐質(zhì)量，再稱空罐和橙子總質(zhì)量，榨汁后稱量空罐和殘渣總質(zhì)量。（學(xué)生完成學(xué)案、投影展示交流，具體內(nèi)容見表1）

表1 測定橙汁含量實驗數(shù)據(jù)表設(shè)計

師：非常好！在無法直接測量橙汁質(zhì)量的情況下，同學(xué)們依然通過空罐和殘渣等質(zhì)量間接計算出了橙汁含量。

【設(shè)計說明】情境導(dǎo)入是教師通過語言描述或演示創(chuàng)設(shè)問題情境，以誘發(fā)學(xué)生的探究心理，引起其解決問題的欲望和興趣，促使其思維的積極活動。生活情境導(dǎo)入能極大地調(diào)動學(xué)生思維的積極性，有利于學(xué)生情感的激發(fā)，也有利于學(xué)生主動地介入教學(xué)活動，激發(fā)其智慧潛能。本環(huán)節(jié)教師在上課之初拿出了一個橙子，并以“如何得知其橙汁含量？”創(chuàng)設(shè)了一個生活情境，學(xué)生對此問題顯得特別興奮，興奮的原因不外乎大家都有這樣的生活經(jīng)驗。教師同時以四個循序漸進的問題啟動了學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生將測定橙汁含量的“普通方法”逐步發(fā)展成“求橙汁卻不測橙汁”的“特殊方法”，測定方法演變過程中既考慮了“無法直接測定橙汁”的客觀障礙，又重視了“準(zhǔn)確測定殘渣質(zhì)量”的準(zhǔn)確性要求，體現(xiàn)了化學(xué)定量實驗“準(zhǔn)”的內(nèi)涵和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)核心素養(yǎng)，同時也為后續(xù)膽礬結(jié)晶水測定過程中“求水卻不測水”作思維鋪墊。

二、選擇測定對象——為何膽礬“拔得頭籌”？

師：在實驗室中，我們可以通過剛才測定橙汁含量類似的方法測定結(jié)晶水合物中結(jié)晶水的含量。請同學(xué)們列舉我們學(xué)習(xí)過的結(jié)晶水合物有哪些。

生：CuSO4·5H2O、Na2CO3·10H2O、KAl（SO4）2·12H2O、Na2SO4·10H2O 等。

【展示】用多媒體展示常見結(jié)晶水合物失水前后的變化（見圖1）。

圖1 常見結(jié)晶水合物失水前后的變化

1.問題5：如果讓你從中選擇一種作為測定對象，你選什么？為什么？

生：膽礬，因為其他結(jié)晶水合物及其分解產(chǎn)物大多顏色相近，不容易觀察。

師：膽礬失去水分后從藍色變?yōu)榘咨?，便于觀察，作為初學(xué)者，確實是我們學(xué)習(xí)測定結(jié)晶水合物中結(jié)晶水含量方法的明智選擇。那么膽礬的化學(xué)式是前人告訴我們的，他們是怎么測定出來的呢？今天我們就以CuSO4·5H2O作為測定對象，學(xué)習(xí)熱重法測定其結(jié)晶水含量的定量實驗方法，暫時先假設(shè)膽礬化學(xué)式是CuSO4·xH2O。

2. 問題6：膽礬不是橙子，不能放入榨汁機，如何讓膽礬失去水分？

【學(xué)生完成學(xué)案、板書交流】

實驗原理：

【多媒體投影展示】膽礬在不斷加熱過程中會發(fā)生以下變化，如圖2所示。

圖2 膽礬受熱變化過程

3.問題7：根據(jù)反應(yīng)原理，應(yīng)該加熱到什么現(xiàn)象出現(xiàn)？為什么？

生：加熱到固體全部變白，此時膽礬失去全部結(jié)晶水，也沒有加熱過度。

4.問題8：如果加熱不足或者過度，可能看到什么現(xiàn)象？

生：加熱不足固體會有些許藍色，加熱過度固體可能出現(xiàn)黑色甚至磚紅色。

師：從膽礬受熱變化過程可以發(fā)現(xiàn)，膽礬除了有失水變色的特點外，在260—650℃很大的溫度范圍內(nèi)，只發(fā)生完全失水的過程，沒有其他副反應(yīng)，這就使實驗的可控性大大提升。因此從這個角度來看，我們初學(xué)熱重法測定結(jié)晶水合物結(jié)晶水含量時選擇膽礬作為測定對象確實也是明智之舉。

【設(shè)計說明】為什么化學(xué)教材講到測結(jié)晶水總是拿膽礬入門？含結(jié)晶水的晶體數(shù)量眾多，膽礬究竟有什么獨特之處才能“拔得頭籌”？本環(huán)節(jié)教師沒有直接要求學(xué)生把膽礬作為測定對象，而是提供了一些資料讓學(xué)生自行選擇，顯然學(xué)生被膽礬“失水明顯變色”的特點深深吸引了，異口同聲地都選擇了它。當(dāng)然并非沒有顏色變化的結(jié)晶水合物就不能作為測定對象，但作為初學(xué)者的學(xué)生們顯然已經(jīng)意識到實驗可觀察性對于新手的重要性。

通過膽礬加熱反應(yīng)方程式的書寫，學(xué)生很容易理解實驗的原理，而教師用多媒體展示膽礬受熱的豐富變化過程后，學(xué)生也意識到必須加熱至固體全部變白才能保證實驗的準(zhǔn)確性。而這一過程中，學(xué)生也認(rèn)識到了CuSO4在260—650℃這一較大溫度范圍的熱穩(wěn)定性，從實驗可控性角度再次驗證了選擇膽礬作為測定對象的正確性。而能夠從實驗可觀察性和可控制性角度考量實驗設(shè)計問題正是“宏觀辨識與微觀探析”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)的具體表征。

三、設(shè)計實驗數(shù)據(jù)表——從橙子到膽礬的認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移

師：膽礬加熱需使用坩堝。（展示坩堝和蒸發(fā)皿）

坩堝和蒸發(fā)皿一般都是陶瓷材質(zhì)，較耐高溫。蒸發(fā)皿敞口大，像湯碗，用于液體的加熱蒸發(fā)，比如食鹽水的蒸發(fā)結(jié)晶，使用溫度一般不超過400℃；坩堝敞口小，底深，用于固體的灼燒，比蒸發(fā)皿更耐高溫，一般可以達到800℃，配有蓋子防止固體濺出。坩堝可以放在泥三角上直接加熱，還配有坩堝鉗，便于夾持。坩堝常常用于重量法的定量實驗測定中，有較高精度，因此無論冷熱都需用坩堝鉗夾持，不能用手直接觸碰。坩堝就是我們今天實驗用的“榨汁機”。

1.問題9：膽礬代替橙子，坩堝代替榨汁機，請借鑒剛才測定橙子含汁量的方法，利用坩堝加熱膽礬晶體測定結(jié)晶水含量需要測量哪些數(shù)據(jù)？

【學(xué)生完成學(xué)案、投影展示交流，需測量數(shù)據(jù)見表1、表2】

表2 測定結(jié)晶水含量實驗數(shù)據(jù)表設(shè)計

2.問題10：通過類比我們獲得了膽礬結(jié)晶水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計算方法，那么如何計算x值？

【學(xué)生完成學(xué)案、板書交流】根據(jù)化學(xué)方程式計算x值

【設(shè)計說明】膽礬無法通過榨汁機失水，怎么辦？坩堝就這樣順其自然地被引出了。坩堝在本節(jié)課中的出現(xiàn)也是中學(xué)階段第一次在實驗中應(yīng)用坩堝，因此教師將其與同是陶瓷材質(zhì)但學(xué)生已學(xué)的蒸發(fā)皿進行了比較，通過儀器材質(zhì)、形狀和適用情況等方面的分析，幫助學(xué)生理解實驗儀器的設(shè)計和使用都是有理可依的。本實驗操作過程中不便直接測量水的量，因此全程從未測量水的任何物理量，具有“求水卻不測水”的特點。如何幫助學(xué)生理解這樣的實驗設(shè)計呢？通過上課之初教師喝掉橙汁后再求橙汁含量的情境遷移，膽礬代替橙子，坩堝代替榨汁機，學(xué)生很快正確設(shè)計出了膽礬結(jié)晶水測定實驗的數(shù)據(jù)記錄表，再結(jié)合初中就掌握的化學(xué)方程式計算方法，很快獲得了x值和實驗測定值的轉(zhuǎn)換公式?；蛟S就像奧蘇伯爾所說，學(xué)生學(xué)習(xí)新知識時，原認(rèn)知結(jié)構(gòu)可利用性高、可辨別性大、穩(wěn)定性強，就能促進對新知識學(xué)習(xí)的遷移。

四、分析實驗過程——感受定量實驗的精準(zhǔn)之美

師：根據(jù)上述公式，我們只需通過實驗準(zhǔn)確稱量m0、m1和m2即可。

1.問題11：膽礬的晶體形狀很美，但這樣的美麗外表是否對實驗存在影響？

生：膽礬晶體雖美，但較大外形不利于內(nèi)部充分失去水分，也容易碎裂飛濺，最好將膽礬晶體加工成粉末。

師：為了讓膽礬受熱均勻，失水充分，我們需要用研缽將膽礬研磨成粉末。

2.問題12：至此，可以測定哪些數(shù)據(jù)？如何操作？數(shù)據(jù)精度確定為多少？

生：可以稱量空坩堝質(zhì)量m0和坩堝+膽礬晶體質(zhì)量m1，用電子天平稱量，精度為0.001g。

【教師演示加熱裝置】

3.問題13：加熱到什么程度？把固體加熱到漂亮的紅色好不好？

生：不行，變紅CuSO4已經(jīng)分解，加熱到固體全部變白即可。

師：根據(jù)測定原理，應(yīng)該加熱至藍色完全變白即可，變紅或者變黑都已過度加熱，就像橙渣也掉進了橙汁里一樣。

4.問題14：加熱完成，幾百度高溫的坩堝直接放上電子天平稱量可以嗎？

生：當(dāng)然不行，電子天平不是一次性玩具。

5.問題15：那放在實驗桌上等它冷卻？

生：至少應(yīng)該墊石棉網(wǎng)，但空氣中有水氣，滾燙的硫酸銅已成為優(yōu)質(zhì)的吸水劑。

【教師展示】干燥器，干燥器底部有變色硅膠，吸水后會從藍色變成紅色，取出硅膠放在微波爐中加熱即可變回藍色，循環(huán)使用。加熱好的坩堝要放在干燥器中冷卻，防止吸水。

6.問題16：在一次實驗加熱過程中，教師通過肉眼觀察，認(rèn)為膽礬固體已經(jīng)完全變白，冷卻后稱量為6.824g；小明看了覺得還沒有完全變白，又拿去加熱、冷卻后稱量為6.817g；小花覺得小明操作也還沒有完全變白，又拿去加熱、冷卻、稱量還是6.817g。

那么上述實驗中m2質(zhì)量究竟為多少？通過這個過程大家能獲得什么結(jié)論？

生：m2數(shù)據(jù)應(yīng)該為6.817g。肉眼觀測固體變白并不準(zhǔn)確，最好有定量數(shù)據(jù)支持，要反復(fù)加熱、冷卻、稱量到質(zhì)量不變。

師：小明和小花無意中進行了一個定量實驗中非常重要的操作：恒重。定量實驗關(guān)鍵就是要準(zhǔn)，僅通過肉眼觀察固體變白顯然誤差很大，恒重便是再次將坩堝加熱、冷卻、稱量直至連續(xù)兩次質(zhì)量差不超過0.001g，這樣再出意外的概率就會小很多。通過恒重操作后，便可以記錄坩堝和無水CuSO4質(zhì)量m2了。

7.問題17：至此我們已經(jīng)通過實驗準(zhǔn)確測量m0、m1和m2了，根據(jù)公式便可計算x值。請同學(xué)們歸納完整的實驗步驟（見圖3）。

【設(shè)計說明】精心選擇了測定對象，設(shè)計了實驗數(shù)據(jù)表是否就大功告成了呢？當(dāng)然不是，在實驗操作環(huán)節(jié)中也必須“步步為營”方能最大程度地提高實驗的準(zhǔn)確性。本環(huán)節(jié)教師圍繞定量實驗“準(zhǔn)”的獨特魅力，在每一步的實驗環(huán)節(jié)中通過一個個啟發(fā)性的問題引導(dǎo)學(xué)生思考：究竟如何做才能保證每一步的萬無一失呢？在恒重問題的突破上，教師通過小明和小花的有趣經(jīng)歷，讓學(xué)生意識到雖然反應(yīng)原理顯示加熱到固體全部變白即可，但是如果缺少了定量數(shù)據(jù)的支持，每個人眼中不同的“白”將造成巨大的誤差，無形中恒重操作的教學(xué)難點也就迎刃而解了。學(xué)生們在教師的引導(dǎo)下，共同對實驗之“準(zhǔn)”產(chǎn)生至臻至極的追求，這無疑也是學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)發(fā)展的顯性表征。

圖3 實驗步驟

五、進一步思考

教師要重視教學(xué)情境的作用，在教學(xué)中要盡可能地創(chuàng)設(shè)知識產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用的情境，同時也要兼顧學(xué)生這一能動的因素，使學(xué)生能夠和創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境互動，以此達到教學(xué)情境促進學(xué)生認(rèn)知、發(fā)展學(xué)生思維的目的，使化學(xué)課程的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生形成支持未來長期發(fā)展的素養(yǎng)。本節(jié)課上課之初教師便拿出了一個橙子問學(xué)生如何得知其含汁量，學(xué)生因有這樣共同的生活經(jīng)驗而興奮，師生間有了互動感悟，啟動了思維，明確了方向。整堂課以“橙”為線，妙趣橫生。形式上橙是主角，實質(zhì)上卻是處處類比膽礬。將橙分為兩部分，即橙汁和橙渣，分別類比膽礬中的結(jié)晶水和無水硫酸銅，在類比中學(xué)習(xí)新知，在對比中闡述原理。

這堂課其實很平實，平實到不需要出現(xiàn)深奧難懂的化學(xué)術(shù)語，沒有出乎意料的測定方法。測定的要求是準(zhǔn)確，如何實現(xiàn)這樣的要求呢？必須渣是渣，汁是汁，不能拖泥帶水，這就對儀器和方法提出了要求，所以用到了電子天平、坩堝和干燥器等，所有這些步驟、方法和儀器選用都是有理可循的。整堂課教師提出的17個問題無疑都是圍繞實驗的可觀察性、可控性和準(zhǔn)確性啟發(fā)學(xué)生思考，通過精心設(shè)計的問題“啟動”和“推進”學(xué)生思維，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。