將技術(shù)素養(yǎng)融入科學探究與創(chuàng)新意識培養(yǎng)的教學設(shè)計

張玉娟

摘要：結(jié)合《普通高中化學課程標準（2017年版）》，以蘇教版選修模塊《實驗化學》中“水果中維生素C的測定”的教學內(nèi)容為例，闡釋了基于技術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識的教學設(shè)計。

關(guān)鍵詞：技術(shù)素養(yǎng);科學探究;創(chuàng)新意識;教學設(shè)計;維生素C的測定

文章編號：1008-0546（2020）06-0049-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.013

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（簡稱《標準》，下同）中指出，“科學探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應用的科學實驗活動;能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學實驗等方法進行實驗探究;勤于實踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”。隨著科學與技術(shù)的高速發(fā)展，科學與技術(shù)的相互依存性不斷加強，現(xiàn)代技術(shù)在社會生產(chǎn)和生活中的作用和地位日益突出，技術(shù)素養(yǎng)已經(jīng)成為人們必備的基本素養(yǎng)。2001年我國頒布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》就強調(diào)將“技術(shù)”確定為一個“基礎(chǔ)的學習領(lǐng)域”，以技術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升為上位目標，要求學生在更加廣闊的視野下認識化學科學與技術(shù)進步和社會發(fā)展的關(guān)系，培養(yǎng)學生的社會責任感和創(chuàng)新精神。

本文以蘇教版選修模塊《實驗化學》專題六中拓展課題6-2“水果中維生素C含量的測定”的內(nèi)容為教學內(nèi)容，基于技術(shù)素養(yǎng)的角度對高中化學實驗教學進行重新審視、分析和定位，通過充分挖掘課本中的實驗，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，幫助學生認識和初步掌握與化學相關(guān)的技術(shù)問題，使學生在科學探究過程中，創(chuàng)新能力與意識得到全面提升。

一、教學設(shè)計的前端分析

1.教材分析與教學設(shè)計思路

蘇教版選修模塊《實驗化學》專題六的主題是物質(zhì)的定量分析，該專題以融生活和化學知識及實驗于一體的課題，介紹定量分析的一般過程、定量分析實驗方案的設(shè)計方法、常用定量分析儀器的使用方法，以及如何記錄和處理實驗數(shù)據(jù)，如何書寫物質(zhì)的定量分析實驗報告等內(nèi)容?！八芯S生素C的測定”是生活中有意義的化學問題，通過學生自主研究和探索讓學生感受到化學就在身邊，學化學是為了用化學解決實際問題，從而激發(fā)學生學習化學的興趣，提高科學探究能力。結(jié)合我校實際實驗條件及學生的實際操作水平，水果中維生素C（Vc）的測定方法可以選擇以數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）為研究平臺的碘滴定法和高效液相色譜法（HPCL），通過使學生接觸現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，強化學生技術(shù)意識，最終實現(xiàn)培養(yǎng)和提升學生勇于創(chuàng)新的技術(shù)素養(yǎng)的目的。

2.教學目標與核心素養(yǎng)水平

（1）基于已有知識和經(jīng)驗解決生活中的問題，完成定性測定水果中是否有Vc的簡單實驗設(shè)計，依據(jù)《標準》提升科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)之水平2，即能對簡單化學問題的解決提出可能的假設(shè)，依據(jù)假設(shè)設(shè)計實驗方案，基于實驗事實得出結(jié)論。

（2）基于定性實驗設(shè)計的基礎(chǔ)進一步解決生活中的實際問題，完成半定量比較不同水果中Vc含量的實驗設(shè)計，依據(jù)《標準》提升科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)之水平3，即能在與同學討論的基礎(chǔ)上，完成實驗，收集實驗證據(jù)，基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行分析并得出結(jié)論，交流自己的探究成果。

（3）基于現(xiàn)代技術(shù)解決綜合性的探究課題，完成定量測定水果中Vc含量的實驗設(shè)計。依據(jù)《標準》提升科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)之水平4，即能依據(jù)文獻，提出多種探究方案，用數(shù)據(jù)、圖表等處理實驗信息，對實驗進行反思。

二、教學流程

1.定性測定

引入：在我國最新的居民平衡膳食建議指南中，水果蔬菜占據(jù)了人體每日飲食量的半壁江山。為什么水果蔬菜如此重要？在同學們的自由發(fā)言中，引出同學們熟悉的具有抗壞血病作用的Vc。

任務1：如何定性檢測水果中有Vc呢？

[資料1]根據(jù)Vc的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Vc中含有烯醇式結(jié)構(gòu)。它具有極強的還原性，可以和H₂O₂、酸性KMnO₄等強氧化劑反應，也可以和FeCl₃、I₂等弱氧化劑反應。

[學生1]提供方案：可以利用酸性KMnO₄與Vc的反應檢測水果中有維生素C。因為酸性KMnO₄呈紫紅色，所以Vc能使酸陸KMnO₄褪色，現(xiàn)象明顯。

[學生2]提出質(zhì)疑：水果中會不會有其他還原性的物質(zhì)也可以使酸性KMnO₄褪色？

[資料2]查閱文獻：《探究高錳酸鉀定性檢測維生素C的影響因素》（靳飛）。文獻中指出，Vc和酸性KMnO₄反應速率最快，遠遠大于其他被測物。葡萄糖、草酸等大多數(shù)的還原劑遇到酸性KMnO₄，lmin時都沒有明顯現(xiàn)象，維生素B類與酸性KMnO₄在lmin時才能有明顯現(xiàn)象。

[教師]酸性KMnO₄確實可以作為初步檢測水果中Vc的一種方法。如果為了降低維生素B類物質(zhì)對Vc檢測的影響，大家有沒有更好的方法？

[學生3]提供另一方案：以淀粉為指示劑，利用碘水與Vc的反應檢測水果中有Vc。

[實驗]取1-2mL碘水于試管中，加入幾滴淀粉溶液，溶液變藍;用滴管移取壓榨的橙汁，滴入上述的藍色淀粉與碘水混合溶液中，發(fā)現(xiàn)溶液藍色褪去，說明橙子中有Vc。

設(shè)計意圖：實驗探究活動要結(jié)合學生認知發(fā)展特點，引導學生根據(jù)已有知識和生活經(jīng)驗、資料等做出預測和假設(shè)，設(shè)計實驗方案，引導學生對實驗方案進行自評、互評從而優(yōu)化方案，順利完成實驗，基于實驗事實得出結(jié)論。

2.半定量測定

任務2：如何半定量比較不同水果中Vc含量呢？

[學生實驗]討論并實驗。用移液槍分別移取lmL碘水于兩支試管中，加入相同滴數(shù)的淀粉溶液;將壓榨的橙汁、檸檬汁分別滴入上述混合溶液中，根據(jù)藍色溶液褪色時滴人的滴數(shù)的多少比較橙子、檸檬中Vc含量的相對大小。

[學生活動]匯報、交流結(jié)果，得出結(jié)論：同體積的檸檬汁液中含有Vc的量與橙汁相近。

[學生4]提出質(zhì)疑：做了兩次平行實驗，發(fā)現(xiàn)第二次滴入的橙汁、檸檬汁的滴數(shù)都比第一次多，但是結(jié)論不變。

[學生5]Vc在空氣中很容易被氧化，所以兩次測定的滴數(shù)會略有所不一樣。

[教師]Vc的氧化速度與pH、氧濃度及溫度等因素有關(guān)。為了防止Vc氧化，取樣后應盡快測定，也可將樣品溶在2%草酸或2%鹽酸中，低溫保存。

設(shè)計意圖：實驗探究活動應緊密結(jié)合具體的化學知識來實施，通過引導學生開展證據(jù)與推理具有學科特質(zhì)的學習活動，使化學知識的學習、科學探究能力的形成與化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展有機結(jié)合起來。教學中，應引導學生通過合作進行實驗設(shè)計與探究，引導學生學會基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)對實驗中的“異?！边M行反思、質(zhì)疑。

3.定量測定

任務3：如何定量測定水果中Vc含量呢？

[學生活動]查閱文獻，以數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）為研究平臺的碘滴定法和高效液相色譜法（HPCL）分別設(shè)計了兩種實驗方案，小組合作完成實驗，對實驗中的數(shù)據(jù)進行處理。

[實驗1]

（1）實驗原理：橙汁、Vc標準液中的Vc濃度之比等于消耗碘水體積之比。

（2）實驗裝置：如圖1。

儀器和藥品：計算機、LabQuest數(shù)據(jù)采集器、Ver-nier滴數(shù)傳感器（型號：VDC-BTD）、塑料滴定管、Vc標準品、2%草酸、約0.002m01·L^-1碘水、淀粉試液、橙子。

（3）實驗步驟：

①將Vc標準品溶于2%的草酸，配制0.5000mg·mL-1的Vc標準液。

②準確移取lmL Vc標準液于錐形瓶中，加人30mL 2%草酸溶液和幾滴淀粉溶液，用約0.002m01`L-1碘水溶液進行滴定（如圖1），記錄消耗碘水的體積V₁。

③用榨汁機壓榨橙汁，紗布過濾，減壓過濾，取lmL汁液于錐形瓶中，加入30mL 2%草酸溶液和幾滴淀粉溶液，用約0.002m01·L^-1碘水溶液進行滴定（如圖1），記錄消耗碘水的體積V₂。

（4）實驗記錄：VI=1.107mL、V2=1.0490mL

[實驗2]

（1）實驗原理：高效液相色譜儀（HPLC）以液體為流動相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將溶液等流動相泵人裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)各成分被分離后，進入檢測器進行檢測，從而實現(xiàn)對試樣的分析。

（2）主要儀器和藥品：Perkin Elmer高效液相色譜儀（型號：Flexar）、Vc標準品、0.1%草酸、超純水、0.45um濾膜。

（3）實驗步驟：

①調(diào)試Perkin Elmer高效液相色譜儀。色譜柱：Brownlee Validated C18（5txm，150x4.6mm）;流動相：0.1%草酸;流速：1.0mL·min^-1;進樣量：10uL;檢測波長：248nm;柱溫：室溫。

②標準儲備液配制。稱取0.05000gVc，用0.1%草酸溶解、稀釋并定容到50mL棕色容量瓶中，密封保存。

③標準曲線制備。用0.1%草酸把標準儲備液逐級稀釋到0.0ug·mL^-1、40.01ug·mL^-1、80.0ug·mL^-1、100.0ug·mL^-1、160.0ug·mL^-1的標準工作液，注入液相色譜儀，測定峰面積，以進樣的Vc濃度（x）對峰面積（y）回歸分析（如圖2）。

④橙汁用布氏漏斗過濾，量取1.000 mL樣品于25 mL容量瓶中，用0.1%草酸定容搖勻，用0.45um濾膜過濾，進樣，測定峰面積，帶人線性回歸方程計算得到Vc濃度。

（4）實驗記錄：峰面積：232756.43，進樣的Vc濃度=18.94txg·mL^-1

水果中Vc含量=18.94ug·mL^-1x10^-3mg·ug-1x25=0.4735mg·mL^-1

教學意圖：《標準》中指出應精心設(shè)計學生必做實驗，適當增加數(shù)字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動，讓學生在實驗探究中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學科學的重要價值。教學中，師生共同開展了基于技術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)的創(chuàng)新實驗教學，讓學生在真實的DIS和HPLC的技術(shù)運用過程中學習技術(shù)知識、提高技術(shù)能力、養(yǎng)成技術(shù)理性，最終培養(yǎng)和提高學生創(chuàng)新能力。

三、設(shè)計反思

1.循序漸進，達成教學目標

從教育學、心理學的角度分析，整個設(shè)計與皮亞杰的認知發(fā)展理論和建構(gòu)主義理論相契合。教學設(shè)計從學生已有的知識和生活經(jīng)驗出發(fā)，引導他們討論設(shè)計實驗，從水果中Vc的定性檢測到不同水果中Vc含量的半定量比較，最后深入到定量測定水果中Vc含量，按照學生的認知發(fā)展特點，循序漸進地達成教學目標，使學生初步掌握了一些定性和定量的基本實驗方法和思路，了解了包括數(shù)字化實驗、高效液相色譜儀在內(nèi)的一些儀器的原理和使用方法，使知識和實驗技能系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化。

2.以生為本，開展實驗探究

實驗探究是一種重要的實踐活動，是化學學科核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素之一。通過實驗探究活動，有利于學生的可持續(xù)發(fā)展。整個教學設(shè)計都是以學生為中心，使學生自覺地、主動地探索，著重學習和體驗科學研究的思路和方法，同時將化學知識的學習融合在以實驗為主的課題中，使學生主動建構(gòu)實驗基本原理、方法手段及操作技能方面的有關(guān)知識。

3.技術(shù)引領(lǐng)，提升創(chuàng)新能力

高中教育要為學生接受高等教育奠基，中學實驗教學中迫切需要引入高校實驗室中的技術(shù)，促進中學實驗教學改革的方向能夠緊跟時代。DIS和HPLC的技術(shù)的引入能夠使學生以新時代科技的視角對傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容進行重新詮釋，不僅實現(xiàn)了基礎(chǔ)實驗教學與前沿科學研究很好的對接，更重要的是幫助了學生體會到了科技進步對社會發(fā)展的重要貢獻，真正培養(yǎng)了學生對化學世界無窮無盡的好奇心，從而激發(fā)創(chuàng)新意識與能力。