“濃度計算”貫穿實驗全過程的教學(xué)設(shè)計

周言鳳,雷春桃,佘慧娟

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

濃度計算常常貫穿分析檢驗工作全過程,從 “實驗準備配制試劑”—— “實驗方案設(shè)計選擇”—— “實驗結(jié)果計算分析”,都離不開濃度計算的應(yīng)用,可以說,濃度計算是分析檢驗類專業(yè)的核心能力。然而,高職學(xué)生計算基礎(chǔ)普遍簿弱,盡管濃度計算在中學(xué)階段早有基礎(chǔ)、大一年級的 《無機化學(xué)》和《定量化學(xué)分析》課程也已重點學(xué)習(xí),但到大二階段 《儀器分析》課程,發(fā)現(xiàn)仍有大部分學(xué)生遇到計算就心生畏懼,甚至還有一部分學(xué)生根本不知怎么動筆。濃度計算的傳統(tǒng)教學(xué),通常是老師講解計算公式、配合例題精講演練,學(xué)生再結(jié)合作業(yè)進行鞏固。在這種教學(xué)模式下,學(xué)生處于被動灌輸?shù)臓顟B(tài),知識的學(xué)習(xí)也往往停留在作業(yè)考試層面,高職技能型學(xué)生通常在中學(xué)階段就掉隊了。

如何讓高職學(xué)生重拾計算的信心和興趣,讓學(xué)生從 “被動學(xué)習(xí)、畏懼計算”—— “主動探究、樂意去算”的轉(zhuǎn)變?想辦法以具體實驗為載體,將濃度計算理論知識融合到真實的實驗任務(wù)中,發(fā)揚高職學(xué)生樂意動手的特點,幫助學(xué)生在提升實驗操作技能的同時,掌握理論知識、提升計算能力。本文以基礎(chǔ)的光譜分析定量實驗——標準曲線法測定物質(zhì)含量系列實驗為例,教學(xué)過程分設(shè) “配試劑”、“定方案”、“算結(jié)果”等任務(wù)。教師課前發(fā)布任務(wù),學(xué)生探究分解任務(wù)、主動觀看濃度計算微課視頻、小組互助計算通關(guān),通過任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法,幫助學(xué)生建構(gòu)并內(nèi)化濃度計算理論,重點培養(yǎng)學(xué)生的濃度計算能力[1-5]。

1 教學(xué)過程

1.1 配試劑

任務(wù)要求:實驗室提供市售的試劑藥品,實驗過程所需的試劑溶液均要求學(xué)生在課前配制。

課前:教師在課前發(fā)布任務(wù)、實驗方案、濃度計算微課視頻,引導(dǎo)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)。學(xué)生接到實驗任務(wù)后,主動預(yù)習(xí)實驗方案、學(xué)習(xí)微課視頻、探究計算方法,并結(jié)合方案所需的試劑濃度和估算用量,計算試劑的配制方案,小組共同探討思考并在線提交計算方案,經(jīng)老師驗證方案正確后,運用計算方案配制溶液。

課中:引導(dǎo)學(xué)生思考討論:(1）根據(jù)實驗中配制試劑的溶質(zhì)狀態(tài)分類,有哪幾類?(2）不同的溶質(zhì)狀態(tài),常用的濃度表示方法有哪些?請舉例并計算。教師進行點評、歸納總結(jié),并按不同的溶質(zhì)狀態(tài)進行分類講解,幫助學(xué)生拓展?jié)舛扔嬎愕膽?yīng)用視野。

課后:發(fā)布講解視頻和講義文檔,供不同基礎(chǔ)的學(xué)生課后反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。講解視頻和講義文檔內(nèi)容概要:根據(jù)取用不同狀態(tài)溶質(zhì)來配制溶液的方法,通常可歸為3類。

(1）固體溶質(zhì)溶解在液體溶劑中

將固體溶質(zhì)配成需要濃度的溶液,典型的濃度表示方法有:物質(zhì)的量濃度(cB）、質(zhì)量分數(shù)(w）、質(zhì)量濃度(ρB）。

例:如需配制1 mol/L NaOH溶液1 L,應(yīng)稱取NaOH多少克?如需質(zhì)量分數(shù)為4%NaOH溶液1000 g,應(yīng)稱取 NaOH多少克呢?如質(zhì)量濃度為0.04 g/mL NaOH溶液1 L,應(yīng)稱取NaOH多少克呢?

解: ①mNaOH=cVM=1×1×40=40 g

②mNaOH=wNaOH×m總=4%×1000=40 g

③mNaOH=ρNaOH×V=0.04×1×1000=40 g

注意:如果溶質(zhì)是混合物或含結(jié)晶水的化合物,需將計算出的純?nèi)苜|(zhì)的質(zhì)量換算成相應(yīng)混合物或含結(jié)晶水的化合物的質(zhì)量。

(2）液體溶質(zhì)溶解在液體溶劑中

液體溶質(zhì)溶解在液體溶劑中,也就是將濃溶液稀釋成稀溶液的過程。典型的濃度表示方法有:物質(zhì)的量濃度(cB）、比例濃度、體積分數(shù)(φB）。

①物質(zhì)的量濃度(cB）配制的計算

例:如需配制1 mol/L的硫酸溶液0.5 L,需取用密度為1.84 g·mL-1、質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸多少毫升?

解:設(shè)需取用濃硫酸xmL,根據(jù)

②比例濃度配制的計算

例:如需配制(1+3）HNO31000 mL,問需取多少毫升的濃硝酸,多少毫升的水?

解:設(shè)需取用濃硝酸溶液xmL,則水的體積為3xmL。

③體積分數(shù)(φB）配制的計算

例:現(xiàn)需配制500 mL消毒用酒精溶液,需無水酒精多少毫升?

解:已知消毒用酒精溶液中酒精的體積分數(shù)φC2H5OH=0.75,得:

VC2H5OH=VφC2H5OH=500 mL×0.75=375 mL量取375 mL無水酒精,用水稀釋至500 mL,即可得到消毒酒精。

(3）拓展:氣體溶質(zhì)溶解在液體溶劑中

例:將標準狀況下a L HCl(g）溶于1000 g水中,得到鹽酸密度為b g·cm-3,那么鹽酸的質(zhì)量分數(shù)是多少?物質(zhì)的量濃度呢?

解:鹽酸的質(zhì)量分數(shù):

鹽酸物質(zhì)的量濃度:

1.2 定方案

任務(wù)要求:根據(jù)光譜儀測量信號的適宜吸光度范圍和最小誤差測量值,計算標準曲線配制方案、樣品稀釋方案。要求:(1）7個點的標準曲線,要求不少于5個點的吸光度A在0.2～0.8之間(標準儲備液——標準使用液——標準曲線系列）；(2）待測樣品吸光度約為0.434。

課前:教師發(fā)布任務(wù)、實驗方案、適宜吸光度測定范圍和測量最小誤差微課視頻、標準曲線配制方案和樣品稀釋方案計算微課視頻,引導(dǎo)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)。學(xué)生接到任務(wù)后,主動學(xué)習(xí)微課視頻、探究計算方法,并結(jié)合鐵標準儲備液濃度和估計樣品濃度,計算標準曲線配制方案、樣品稀釋方案,小組共同探討思考并在線提交方案。

課中:引導(dǎo)學(xué)生上臺講解標準曲線配制方案的計算、樣品稀釋方案的計算。老師點評講解計算方法和思路,并將標準曲線配制方案、樣品稀釋方案的計算方法,列出計算步驟并形成文字,幫助計算基礎(chǔ)簿弱接受慢的學(xué)生,有據(jù)可依地理解計算過程。

課后:發(fā)布講解視頻和講義文檔,供不同基礎(chǔ)的學(xué)生課后反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。講解視頻和講義文檔內(nèi)容概要:當(dāng)T=0.368時,A=0.434,測量的相對誤差為最小。當(dāng)T為15%～65%時,即A在0.2～0.8時測量的相對誤差≤±2%,能滿足分析測定的要求,故吸光度在0.2～0.8為測量的適宜范圍。

(1）標準曲線配制方案計算過程(標準儲備液——標準使用液——標準曲線系列）

①根據(jù)測定的已知濃度鐵標的吸光度A,由A=kbc,計算出k值；

②根據(jù)適宜吸光度范圍A=0.2～0.8,算出標準系列最小濃度c小、最大濃度c大；

③根據(jù)稀釋公式c1V1=c2V2,算出移取標準儲備液最小體積V小、最大體積V大；

④推算標準儲備液的稀釋倍數(shù),確定標準使用液的移取系列體積數(shù):V1、V2、V3、V4、V5、V6,得到標準曲線配制方案。

注:第①步和第②步也可通過公式:AS/A小=cS/c小,AS/A大=cS/c大,求出標準系列最小濃度c小、最大濃度c大。

(2）樣品稀釋方案計算過程(對于已知濃度范圍的樣品）

①根據(jù)測定的已知濃度鐵標的吸光度A,由A=kbc,計算出k值；

②根據(jù)最小誤差吸光度A=0.434,算出樣品測定最小誤差時的濃度c樣測；

③根據(jù)稀釋公式c1V1=c2V2,算出移取樣液最合適的體積V樣；

④推算樣液的稀釋倍數(shù),確定稀釋后樣品的移取體積數(shù)V樣稀,得到樣液稀釋方案。

注:第①步和第②步也可通過公式:AS/A樣=cS/c樣,求出樣品測定最小誤差時的濃度c樣測。

1.3 算結(jié)果

任務(wù)要求:(1）計算標準曲線系列濃度；(2）查圖法計算含量；(3）回歸方程法計算含量。

課前:教師在課前發(fā)布標準曲線系列濃度的計算和樣品含量的計算微課視頻,引導(dǎo)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)。學(xué)生接到任務(wù)后,主動學(xué)習(xí)微課視頻、探究計算方法,小組共同探討思考并在線提交實驗結(jié)果；

課中:引導(dǎo)學(xué)生上臺講解樣品含量的計算方法,教師點評講解,總結(jié)計算思路,并將查圖法計算含量、回歸方程法計算含量的計算方法,列出計算步驟并形成文字,幫助學(xué)生理解計算過程；

課后:發(fā)布講解視頻和講義文檔,供不同基礎(chǔ)的學(xué)生課后反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。微課視頻和講義文檔內(nèi)容概要:

(1）計算標準曲線系列濃度:運用濃度稀釋公式c1V1=c2V2,計算標準系列濃度；

(2）查圖法計算含量:

①繪制標準曲線:以標準系列濃度為橫坐標,對應(yīng)的吸光度為縱坐標,繪制標準曲線；

②根據(jù)測定的樣品吸光度,從繪制的標準曲線上找出與之對應(yīng)的測定組分的濃度cx,結(jié)合待測樣液的稀釋倍數(shù)n,計算出原始樣品含量c樣=ncx。

(3）回歸方程法計算含量:

①應(yīng)用excel軟件繪制標準曲線:以標準系列濃度為橫坐標,對應(yīng)的吸光度為縱坐標,得到標準曲線和對應(yīng)的回歸方程y=a+bx。

②將測定的樣液吸光度代入回歸方程y,計算出的x值為測定組分濃度cx,結(jié)合待測樣液的稀釋倍數(shù)n,計算出原始樣品含量c樣=ncx。

2 教學(xué)反思

(1）將濃度計算方法,結(jié)合實際配制溶液過程,進行總結(jié)歸納,并按不同的溶質(zhì)狀態(tài)進行分類講解,幫助學(xué)生拓展?jié)舛扔嬎愕膽?yīng)用視野；

(2）將標準曲線配制方案、樣品稀釋方案、查圖法計算含量、回歸方程法計算含量的計算方法,列出計算步驟并形成文字,幫助計算基礎(chǔ)簿弱接受慢的學(xué)生,循序漸進地理解計算過程；

(3）將濃度計算從理論層面的知識學(xué)習(xí),轉(zhuǎn)為應(yīng)用層面的能力學(xué)習(xí),尤其適合高職學(xué)生的學(xué)情特點；

(4）將濃度計算融合到實驗任務(wù)中,在實驗任務(wù)中反復(fù)學(xué)習(xí)應(yīng)用,幫助計算底子簿弱的學(xué)生反復(fù)強化計算。結(jié)合教學(xué)視頻和教學(xué)講義在線發(fā)布,幫助學(xué)生反復(fù)多次觀看學(xué)習(xí),從而突破教學(xué)難點；

(5）采用 “翻轉(zhuǎn)課堂”模式,通過 “任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法”,讓學(xué)生由 “被動灌輸學(xué)習(xí)”向 “主動探究學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變,一方面有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,解決問題、分析問題的能力,另一方面提高了學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣,同時也增強了教師的教學(xué)成就感,真正實現(xiàn)了 “學(xué)的快樂教的輕松”；

(6）小組合作教學(xué),有利于強弱搭配互幫互助,但同時也給少數(shù)偷懶的同學(xué)提供了便利,還需要想辦法讓每個小組成員都能夠獨立完成學(xué)習(xí)任務(wù)。