基于证据推理的定量测定实验教学
时间：2021-02-11 10:04:03 来源：达达文档网 本文已影响 人 
鲁衍旭
摘 要：作为高中化学选择性必修教材中的一个必做定量测定实验，酸碱中和滴定依托的是化学反应的定量关系，这种关系普遍存在。但并非所有的定量关系都可直接用于测定，需要利用定量关系确定化学计量点进行证据收集，基于证据进行推理，从而建立定量测定实验的认知模型。
关键词：证据推理;定量测定;中和滴定
实验方法是化学学科最基础和最重要的研究方法，高中化学教育要发展学生基于证据推理形成结论的思维能力，发展学生通过实验探究解决与化学相关实际问题的能力。《普通高中化学课程标准（2017年版）》规定必修课程有9个学生必做实验，其中有1个定量实验，就是配制一定物质的量浓度的溶液[1]。选择性必修课程也有9个学生必做实验，也有1个定量实验，就是酸碱中和滴定实验。前一个定量实验可以配制所需浓度的溶液，后一个实验则是以酸碱中和反应中的定量关系为基本原理形成的定量分析测定方法，它所体现的“用已知推未知”也渗透着哲学思想，是人们认识事物的方法论。
证据推理，是化学学科的思想和方法，也是化学学科的重要核心素养。酸碱中和滴定实验要求学生能从定性与定量结合上收集证据，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，通过定性分析和定量计算推出合理的结论，建立定量测定实验的认知模型。
一、教材与学情分析
（一）教材分析
本节课“酸碱中和滴定”选自苏教版选修4教材《化学反应原理》中的专题3《溶液中的离子反应》第二单元的第2节。该单元第1节是“溶液的酸碱性”，介绍了溶液酸碱性与溶液中H+、OH-浓度的关系，pH的概念及与溶液酸碱性的关系，常用的测量溶液pH的方法。第2节则从原理、实验方法等角度介绍了一种常用的测定酸碱浓度的方法——酸碱中和滴定，教材前后知识联系紧密。教材中关于实验必备仪器（滴定管）和指示剂的知识补充较为详细，而对滴定原理的叙述比较精练，尤其是对滴定终点如何确定的解释比较抽象，学生对定量实验的化学计量点的如何选择难以理解。
（二）学情分析
学生通过之前的学习已经能够理解酸碱中和反应的本质，从而比较容易建立酸碱中和完全反应时的定量关系。通过本单元第1节“溶液酸碱性”的学习，学生已经知道酸碱性与H+、OH-浓度的关系，学会用酸碱指示剂、pH试纸和pH计等方法可以测量溶液酸碱性。定量测定，就是通过已知和未知的定量关系而得到未知，找到合适的化学计量点非常关键。酸碱中和反应的现象不明显，如何把隐性的反应进程显性化，再从显性化的现象（数据）里找到化学计量点。学生的困惑就是恰好完全反应点难以控制，如何找到合适化学计量点比较困难。
此外，该实验中能够较精确测量溶液体积的仪器——滴定管，学生也是第一次接触，该仪器不同于学生熟悉的量筒的结构，也有别于量筒的操作方法。不过作为实验操作技能，可以通过多操作练习，就能消除学生的生疏，让学生准确、熟练地操作。
二、教学目标
1.通过中和滴定实验操作，学会使用滴定管，独立、合作完成实验操作，从实验中收集实验证据，基于证据推断想要的结论。
2.根据酸碱中和反应的本质，从定性（反应过程中酸碱性的变化）与定量（反应过程中pH的变化）结合上收集证据，建立定量测定的认知模型。
3.通过滴定发展史的介绍以及食物是否变质检测方案的设计，理论联系实际，感受化学对社会发展的贡献，增强社会责任感。
三、教学流程图
从信息加工理论看，推理时所依据的“信息”即“证据”，常常与数据和知识相关联[2]。证据推理意指从问题情境及已有知识经验中识别、转换形成观点，并多方收集证据、利用证据进行推理，从而获得结论[3]。本节课从史实中、实验中、数据中以及应用中获得证据，建立中和滴定乃至定量测定实验的原理模型。本课的教学流程如图1所示。
四、教学过程
（一）创设认知情境，产生认知需要
认知需要是人类的需要和动机之一，美国学者马斯洛指出：人具有解决疑难和理解问题的欲望，探索各种事物的需求。在本节课的开始，通过对人体体液、土壤、海水的pH值的介绍，让学生了解人与自然需要酸碱的平衡与控制，生产生活与科学研究需要测定和控制溶液的酸碱性，激发学生去了解测定溶液酸碱性的经典方法——酸堿中和滴定。
化学史实既能使学生深刻理解知识本身发生的过程，也能让学生从科学家艰辛探究的历程中为新知学习收集证据。
课堂中，给学生展现了如表1的史实材料。
根据上述材料，引发学生思考和寻找证据。为什么早期研究，利用盐和酸反应也可以测定未知物的浓度？1729—1877年，氧化还原滴定和沉淀滴定发展比较快，而酸碱中和滴定却进展不大。当指示剂合成后，促使了中和滴定的发展。
引导学生推理得出：任何化学反应都存在定量关系，都可以用来从已知测未知，关键是定量关系的确定。在中和滴定实验中，关键就是确定滴定的终点。
（二）化隐性为显性，用已知测未知
1.从酸碱中和反应的本质推理定量关系。通过问题的递进，由一般到特殊再到一般，推理酸碱中和反应的定量关系（如图2），建立从已知测未知的测量原理。
2.从定量关系推理实验关键。给出具体测量实例（用已知浓度的NaOH溶液测定未知浓度的HCl溶液），结合定量关系，寻找中和滴定实验的关键（如图3）——体积的测量和终点的确定。“需测量”中溶液体积的测量，联系过去学过测溶液体积的方法，量筒的精确度不高，可以使用精确度更高的滴定管。同时从滴定管的构造、使用等方面介绍与量筒的差别，让学生以小组为单位练习使用滴定管测量溶液的体积。“需控量”中“=”何时取到，就是关键之关键了。
3.隐性进程显性化，滴定终点可视化。酸碱中和反应因没有明显现象，实验过程中的反应进程难以知晓，无法建立酸碱之间的定量关系。因而，需要将隐性的反应进程显性化，怎么显性呢？随着反应的进行，溶液的酸碱性是变化的，酸碱性是可测的，可以通过指示剂定性判断，也可以通过pH计测定pH值（如图4），将中和反应的进程显性化，进而可以判断滴定的终点，使滴定终点可视化。在推理终点确定的证据上，主要从理论计算、实验操作进行收集，同时辅以动画演示，让学生更易理解。
根据上述证据的收集进行推理，通过追问引发学生讨论、思考、推理。（1）NaOH溶液与HCl溶液反应时，判断反应的进程，比较简单的方法是什么？（通过滴加指示剂，观察溶液颜色变化）（2）根据滴定曲线，0.1000 mol/L NaOH溶液滴定0.1000 mol/L HCl溶液时，判断有没有完全反应，选用的指示剂何时变色最佳？（3）若以滴入19.98mL、20.02 mL作为滴定终点，相对误差有多大？可不可以作为滴定终点？（4）选用的指示剂的变色范围可不可以扩大？变色范围可以为多少？
另外再辅以数据变化的flash动画予以说明，进而得到滴定终点可以选择在突跃范围内比较方便，此时可以滴加在突跃范围内变色的指示剂，通过溶液颜色的变化判断滴定的终点。
通过上述过程，就可以建立从已知测未知的认知模型，即建立定量关系、找准化学计量点、测准用仪器可测的数据。
（三）学生分组实验，理解滴定原理
通过四人一组的分组实验，用0.1000 mol/L HCl测定NaOH溶液的物质的量浓度，提供了型”等素养紧紧相扣。在解读中，教师能理解教材多元表征的意义所在。教师在对课标的比较中才能理顺教学中应该“教什么”“为什么教”这两个问题，把教学之关键“力”用在刀刃上。
二、透·析·悟之教材比较中整合能力的提升
胡丹老师在《中美小学数学教材“两位数乘两位数”的比较研究》一文中提到，在知识的准备比较中，MM教材采用画一画、说一说、练一练、用一用、写一写的方式，让学生更好地借助面积模型把两位数乘两位数转化为已学过的一位数乘整十数和一位数乘两位数的旧知。这样的教学方式值得教师在教学中斟酌思考，人教版教材在教学两位数乘两位数时，教师是否太过于注重学生对于算法的掌握，而忽略了让学生在动手操作中进行更深入的理解。因此，在教学《两位数乘两位数》时，教师应更注重让学生在动手操作中理解与运用。同时人教版教材将《两位数乘两位数》编排在三年级下册《面积》之前进行教学，这是否有必要？值得再深入分析思考。另外，人教版教材在图形表征上的呈现更加多样化，在计算过程中让学生在形象生动和剥离抽象中找到共性，掌握算法。透过以上内容的比较，分析两版教材对于同一教学内容在实践操作、计算方法和几何直观上的不同，挖掘教材内涵，能让教师整合教材的能力得到很好的提升，以更好地为开展教学、提高学生的数学素养服务。
张耀胜老师在《中美小学数学教材“用数对确定位置”的比较研究》一文中指出，“用数对确定位置”将代数与几何领域进行联系，為解析几何的学习奠定了一定的基础。在人教版教材和MM版教材的比较中，思考教学时应更注重如人教版教材中数对知识的学习是与生活的紧密联系，还是如MM版教材中侧重规范的数学表达，呈现准确的数学名词。追根溯源，数学的核心素养应更加注重培养学生用数学的眼光观察，用数学的语言表达，用数学的思维思考。在数对的教学中，如果只是简单地用数对进行位置上的描述，那么低年级学生利用前、后、左、右即可描述，这样就体现不出学习数对的必要性与价值性。MM版教材在数对的学习上呈现了如“数轴”“坐标平面”“原点”等数学名词，并对数对的概念也用较为准确的数学语言进行描述定义。同时在让学生语言描述上，MM版教材引导学生先标明原点以及列和行的刻度，精准地进行语言描述“先从左往右看横坐标，再从下往上看纵坐标”，教师在教学数对内容时可以对MM版教材这块内容进行借鉴。透过两个版本教材的比较，教师在分析中提升自身解读教材的能力，同时悟出对于教材的理解，从而提升了教师重新整合教材的能力。
三、透·析·悟之整合能力提升的注意点
在教材比较整合的过程中，教师应注意以下几个角度。
（一）内容视角
在不同版本教材比较整合的过程中，教师要会化繁为简。有意识地对教材进行删减，及时精准地抓出不同版本教材中的“核心内容”，抓住整合的必要性与价值性，以达到教材整合的意义所在。
（二）学生视角
教育教学的本质是发展学生和成就学生，教师只有站在学生的视角来审视和研究不同版本的教材，研究才具有意义。所以在对不同版本教材的比较整合研究中，教师要时时刻刻站在学生的视角进行思考，思考如何整合不同版本的教材才更加有利于学生的发展。
（三）教学视角
比较不同版本的教材，整合教材中值得留存的内容，从而在教学中设计有效活动。教师在研读时，观察不同版本教材给出的提示，运用整合能力，在有效对接学生的具体情况的前提下，时时考虑从教学视角上设计有效活动。
培养教师对于不同版本教材进行整合的能力，不仅要有意识，更要有积极思考、探索、研究的兴趣。而本期中不同版本教材的比较研究正好给我们的探究整合提升引导了一个方向。
（浙江省温州道尔顿小学 325000）
