高中化學必做實驗的實驗體系及教育價值探析

汪阿戀 吳新建 張賢金 葉燕珠

摘要： 參照《普通高中化學課程標準（2017年版）》中對學生必做實驗的要求，以“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”為例，比較、分析國內(nèi)三版高中化學新教材中必做實驗的實驗體系的異同，梳理實驗所承載的教育功能和教學價值，由此提出若干教學建議。

關(guān)鍵詞： 必做實驗; 物質(zhì)的量濃度; 溶液配制; 實驗體系; 教育價值

文章編號： 1005-6629（2021）10-0060-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

學生實驗作為一種實踐體驗性的教學活動，是深化學生理解化學學科知識、培養(yǎng)學生實驗探究能力的重要途徑和方式。但在目前的教學實踐中，由于課時緊張、實驗室硬件設施不足、實驗教學評價導向不明等各種原因，學生分組實驗做得少或者不做，或者僅按教材安排做一些簡單的動手實驗，缺乏實驗教學過程的精心設計。為了改變這種現(xiàn)狀，真正落實“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）中明確規(guī)定了學生必做實驗，確保學生必須進行的基本實驗活動，為培養(yǎng)學生應達到的實驗素養(yǎng)水平提供了保障。教師作為開展和實施學生實驗的主導者，需系統(tǒng)地深刻地認識每個必做實驗的體系特點與所承載的教育價值，在此基礎上進行實驗的教學設計和實施，才能真正發(fā)揮實驗的育人功能。本文將以“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗為例進行對比分析。

1? 新課標中必做實驗的要求

新課標對《普通高中化學課程標準（實驗版）》中“內(nèi)容標準”及“活動與探究建議”的實驗進行了精選和細化，在課程內(nèi)容各主題下的內(nèi)容要求中設置了“學生必做實驗”（必修課程及選擇性必修課程分別9個，總計18個必做實驗）[1]。這些實驗分布在不同的內(nèi)容板塊、選修及必修課程模塊，內(nèi)容結(jié)構(gòu)具有合理性及完整性，基本覆蓋了高中階段的核心知識點，涵蓋了基礎操作、物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化、物質(zhì)制備等不同類型的實驗，從不同方面承載了高中階段化學學習的功能，注重學生實驗能力培養(yǎng)的全面性。新課標強化了對學生實驗的要求，除了明確規(guī)定學生必做實驗，在“學業(yè)要求”中也明確提出對于化學實驗學生需要達到的水平，同時在實施建議中指出，學校和教師必須努力創(chuàng)造條件，認真組織學生完成課標中要求的必做實驗，從機制上保障必做實驗教學的順利開展。

2? 理解化學實驗體系和教育價值的必要性

對于新課標精心設置的必做實驗，如何發(fā)揮其效能從而真正提高學生的科學探究水平和創(chuàng)新意識，作為組織者的教師其實驗教學能力起著至關(guān)重要的作用。教師對化學實驗及其教育價值，包括化學實驗的知識體系、原理、方法、功能及其教育價值的理解和選擇，是其實驗教學能力構(gòu)成的重要維度[2]?；瘜W實驗教學功能的發(fā)揮在很大程度上取決于教師對實驗教學內(nèi)容和教育價值的理解，以及對學生應達成的學習結(jié)果和發(fā)展目標的認識和期待[3]。宋心琦教授提出的化學實驗體系[4]揭示了化學實驗的原理、裝置、操作等要素及其相互關(guān)系，基于化學實驗體系三要素開展的實驗教學活動，也是實驗教學多重價值的實現(xiàn)及其功能全面發(fā)揮的關(guān)鍵。

“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”是高中必修課程中重要的定量實驗，但是在對學生的考察評價中，發(fā)現(xiàn)學生對該實驗的理解不深，從2020年高考全國卷第27題第1小題學生的作答中可看出。題目要求由FeSO4·7H2O固體配制0.10mol·L-1 FeSO4溶液，選擇需要的儀器有藥匙、玻璃棒、（從下列圖中選擇，寫出名稱）。

該題目的核心測量目標是讓學生根據(jù)所提供的情境來正確選擇溶液配制所需的儀器。題中所要求配制的0.10mol·L-1 FeSO4溶液是作為電解液，對溶液濃度的精度要求不高，故無需使用精確度達0.01mL的容量瓶，粗略配制即可。但很多學生在答案中都錯誤地填上容量瓶，盡管題中的圖片并沒有提供容量瓶。這是因為教材中“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗所使用的定量容器是容量瓶，況且在平時教學中教師更重視核心知識的傳授和實驗技能的訓練，對該實驗的價值和功能的認識并不很透徹，忽略了學生基于實驗體系的整體理解來解決實際問題能力的發(fā)展，造成學生形成對該實驗整體認識的定勢思維，遷移應用能力不足。如何基于課程標準梳理實驗的教育功能和價值，基于價值理解和實驗體系來開展實驗教學？本文將以此實驗為例展開探討。

3? 三版高中化學新教材中“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗體系的分析

從新出版的高中化學教材中發(fā)現(xiàn)，不同版本的教材對該實驗的實驗體系選擇、教育功能設計及呈現(xiàn)的實驗目的，各有不同的側(cè)重。因此，教師有必要對不同版本教材中的實驗體系進行比較，準確理解實驗的教育價值和教材編寫意圖，在教學中優(yōu)選實驗體系，從而更好地發(fā)揮實驗教學的功能。有關(guān)人教版[5]、蘇教版[6]和魯科版[7]新版教材中“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”的實驗體系比較如表1所示。

3.1? 物質(zhì)體系的比較分析

三版教材中，人教版和魯科版所采用的溶質(zhì)都是NaCl，蘇教版使用的是Na2CO3，使用的溶劑都是最常用的溶劑——蒸餾水。教材所使用的溶質(zhì)都是物質(zhì)組成與化學式相符、性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)，是定量分析中常用的基準物質(zhì)，且都是學生在初中已經(jīng)接觸過的物質(zhì)，對溶質(zhì)的性質(zhì)有一定的了解。美國一些主流高中化學教材配制一定物質(zhì)的量濃度溶液的實驗，大多選用的是有顏色且摩爾質(zhì)量較大的固體物質(zhì)，如CuSO4·5H2O、 KMnO4、 K2CrO4等，便于初學者觀察整個配制過程，稱樣量大，配制溶液的準確度高、誤差小[8]。我國教材中使用的NaCl、 Na2CO3，配制的溶液為無色，不易直觀認識每一步操作的意義，但是較美國教材中使用的溶質(zhì)，NaCl、 Na2CO3的價格比較低廉，配制溶液后固體溶質(zhì)比較容易回收，這對于我國大量的學生開展必做實驗，可以節(jié)約不少經(jīng)費。另外，NaCl、 Na2CO3都是容易溶解于水的物質(zhì)，配制過程中不需要加熱來促進溶解，配制的溶液為稀溶液，溶質(zhì)的稱樣量小，溶解速度快、沒有明顯的熱效應，溶解的溶液無需恒定至室溫即可轉(zhuǎn)移到容量瓶中，這對于初次使用容量瓶配制溶液的學生的實驗技巧和操作熟練程度要求較低。三版教材所使用的物質(zhì)體系都是容易獲取、價格低廉、危險性低、環(huán)境友好的物質(zhì)，大量學生實驗配制的溶液若無進一步的使用，無需特殊處理即可倒入水槽，學校是否具備處理廢液的能力都沒有太大影響，能夠以較為低廉、安全的實驗方式確保這個必做實驗的順利開展。

3.2? 儀器裝置的比較分析

溶液配制根據(jù)實際需要的不同，有粗配和精配兩種方法。粗配通常濃度只要一位或兩位有效數(shù)字，可用普通天平來稱量物質(zhì)，用量筒量取液體;而精配要求濃度具有4位有效數(shù)字，必須使用精密儀器，如分析天平、容量瓶、移液管等。人教版和蘇教版中要求配制的溶液濃度的有效數(shù)字為三位，使用電子分析天平來稱量以匹配精度要求，同時注明對于條件有限的學校，可以使用托盤天平來代替分析天平，用量筒來代替移液管;而魯科版要求配制的溶液濃度僅1位有效數(shù)字，故僅需使用托盤天平進行稱量。

新課標沒有明確規(guī)定需使用何種定量容器來配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液，三版教材都選擇使用容量瓶作為定容容器，將認識和學會容量瓶的使用方法作為該實驗的一個重要學習目標。初中階段配制溶液所使用的定量儀器一般為量筒和燒杯，教學中通過對比初中學習過的定量容器，逐步建立容量瓶的儀器模型，可以發(fā)展學生的定量分析思維和“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。容量瓶有多種規(guī)格，三版教材都選擇用100mL容量瓶來定容，主要考慮配制的溶液為稀溶液，體積太小則溶質(zhì)的量少，不易稱量;體積太大，配制后的溶液沒有實際的用途，易造成浪費。在其他儀器的選擇上，教材的處理也存在一些差異。用來溶解固體溶質(zhì)的燒杯，僅蘇教版有規(guī)定其具體的容量（體積為100mL，與容量瓶的規(guī)格相匹配），其他兩版教材則沒有注明。由于容量瓶不能用于存放配制好的溶液，故魯科版教材中提供的實驗器材中包含試劑瓶和標簽紙，用于盛放配制好的溶液，而人教版和蘇教版則沒有提供。三版教材選擇的儀器均與其實驗任務相匹配，因教學側(cè)重點的不同存在一些差異，其中共同的核心點是讓學生了解使用容量瓶來配制一定物質(zhì)的量濃度溶液的一般步驟，故容量瓶的介紹和使用方法為重點。涉及溶液精確度的儀器應按照實際情況來選定，需讓學生明白，儀器精度和配制的溶液濃度的有效數(shù)字之間的正確關(guān)聯(lián)。

3.3? 實驗步驟的比較分析

不同教材對濃度配制的任務要求及選擇的實驗儀器不同，實驗步驟在設置上也存在異同。三版教材該實驗中都包括有稱量、溶解、轉(zhuǎn)移、定容四個基本步驟。首先是固體溶質(zhì)的計算稱量，然后都要求將固體溶質(zhì)放置在燒杯中進行溶解，而后將溶液轉(zhuǎn)移到容量瓶中定容。人教版和蘇教版中定容后都有搖勻溶液的操作，而魯科版則沒有這個操作步驟。人教版和魯科版都要求將配制好的溶液從容量瓶轉(zhuǎn)移到其他容器中，人教版在實驗步驟中作了明確規(guī)定，魯科版還通過給出試劑瓶和標簽紙兩個器材來提示學生，而蘇教版則沒有與此相關(guān)的實驗步驟。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，人教版和蘇教版對該實驗的每個步驟都給出了詳細的操作方法，而魯科版僅列出實驗操作的步驟要點，對于每個步驟所需要的儀器和詳細操作，則需要學生根據(jù)“思考”欄目的問題以及“方法導引”欄目提供的信息自行探究設計。

4? “配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗的教育功能和價值分析

通過對三版新教材中實驗體系的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗在建構(gòu)概念、深化認識、掌握實驗基本技能、初步形成定量研究的思路和方法、培養(yǎng)科學態(tài)度與價值觀等方面都有重要的功能和價值。

4.1? 促進學生認識發(fā)展

學習物質(zhì)的量濃度可以發(fā)展學生對溶液組成的定量認識，對溶液組成的認識不再局限于初中的溶質(zhì)和溶液的質(zhì)量關(guān)系，而發(fā)展到溶質(zhì)物質(zhì)的量和溶液體積的關(guān)系，而“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗為學生深入認識物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度等抽象的概念提供了真實的情境和活動的平臺，建構(gòu)不同濃度溶液配制的方法和思路。

按人教版和蘇教版教材中的編排，學生在學習了物質(zhì)的量濃度概念的基礎上，通過配制溶液前的相關(guān)計算，確定溶質(zhì)的質(zhì)量和溶液的體積，從而深化學生對物質(zhì)的量濃度概念的理解。魯科版教材的編排是在學生未學習過物質(zhì)的量濃度概念的情況下，通過必做實驗探究，基于實驗過程中涉及的量，讓學生建構(gòu)起物質(zhì)的量濃度的概念，認識溶液的濃度可以由物質(zhì)的量和溶液的體積之間的比例關(guān)系來表示。用其他表征溶液濃度的方法探究溶液組成的過程中，可以進一步認識到可以用溶質(zhì)、溶劑、溶液三者中的任意兩者的任意物理量（質(zhì)量、物質(zhì)的量、體積等）來表征溶液的定量組成。實驗后通過對配制好的溶液標簽的書寫和制作，認識溶液組成的不同表示方式及其相互關(guān)系、不同的溶液濃度表示方式以及使用的范圍等，從而進一步理解溶液濃度的本質(zhì)意義。

4.2? 訓練基本實驗操作技能

在初中階段，化學實驗更多地是通過一些顯性的實驗現(xiàn)象讓學生感性地認識化學反應的過程，而到了高中階段，學生對化學反應的本質(zhì)認識需要從定性水平發(fā)展到定量水平，如使用酸堿滴定法定量測定物質(zhì)的含量。準確配制一定濃度的溶液是定量表征化學反應的基礎，而“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗作為高中化學必修課程必做實驗中唯一的定量實驗，是整個高中化學乃至后續(xù)學習化學的重要基石。需要通過該實驗的訓練讓學生掌握配制一定物質(zhì)的量濃度溶液的基本方法和操作技能，包括配制溶液所需儀器的選擇，天平、容量瓶等定量儀器的正確使用以及配制過程中的基本操作步驟、注意事項等。

4.3? 培養(yǎng)科學態(tài)度，建構(gòu)學科觀念

這是一個訓練使用定量儀器的實驗，通過了解不同天平的稱量精密度，比較容量瓶與其他容器如燒杯、量筒的精度差異，讓學生在選擇儀器的過程中認識影響溶液配制精確度的因素，初步體會定量研究的思路。為保證所配制溶液濃度的準確性，使用玻璃棒進行溶液的轉(zhuǎn)移、溶解溶質(zhì)的燒杯要多次洗滌并將洗滌液全部轉(zhuǎn)入容量瓶中等操作，可讓學生認識到化學實驗中秉持嚴謹、認真態(tài)度的重要性。

該實驗對于學生建構(gòu)學科觀念有重要的作用。物質(zhì)的量濃度在化學定量研究中有十分重要的意義，配制一定物質(zhì)的量濃度溶液是源于生產(chǎn)生活實際的需要同時服務于生產(chǎn)生活。三版教材所使用的物質(zhì)體系都為價廉易得、環(huán)境友好的物質(zhì)，為避免造成浪費，配制溶液的體積都為100mL，可培養(yǎng)學生的節(jié)約精神和環(huán)保意識。根據(jù)所選擇的儀器精度與正確表達溶液濃度的過程中，讓學生了解精確配制和粗略配制的意義，無論是粗略配制還是精確配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液，都有其適用的情境及其重要的應用價值，按需配制才是最符合科學研究需要的。

三版教材中的實驗體系存在異同，體現(xiàn)的實驗教學功能和價值也各有側(cè)重。人教版和蘇教版教材中都給出了該實驗的詳細的操作步驟，可操作性強，對實驗的準確性和操作的規(guī)范化要求較高，所使用的儀器精度也要求較高，側(cè)重于對學生實驗操作技能的培養(yǎng)，在實驗過程中深化物質(zhì)的量濃度概念的認識。而魯科版教材僅列出實驗操作的步驟要點，對于所使用的儀器精度要求較低，側(cè)重于通過實驗的自主設計和實施來建構(gòu)物質(zhì)的量濃度的概念，提高學生基于物質(zhì)的量對溶液組成的認識。

5? 對“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗的教學實施建議

（1） 教師在該實驗的教學設計及實施過程中要兼顧學生多方面能力的培養(yǎng)，不僅要重視學生實驗操作的規(guī)范性，更要關(guān)注學生認識的發(fā)展，要引導學生進行實驗方案設計、概括解釋等高水平的探究活動，促進學生高階思維的發(fā)展。要注重基于實驗體系整體理解下開展實驗教學，讓學生建立實驗目的原理—試劑儀器的選擇—實驗操作步驟—實驗結(jié)果表達之間的聯(lián)系，提高真實情境下解決問題的能力。

（2） 課標中對該實驗的要求是學生要初步學會溶液的配制。配制溶液是一門很深的學問，例如有些溶質(zhì)不易溶解，需要通過加熱促進溶解，見光易分解的須在棕色容量瓶中配制等等，而高中階段所配制溶液的濃度精度要求不高，故學生初步學會配制溶液即可。在教學中，教師可根據(jù)實驗室的條件，合理地選擇試劑和儀器，對于實驗條件有限的學校，可用自來水代替蒸餾水，量取液體溶質(zhì)時使用量筒代替移液管，也可使用托盤天平進行稱量，只須在最后表示溶液濃度時正確保留有效數(shù)字的位數(shù)即可，重點在于讓學生了解溶液配制的基本步驟，掌握容量瓶的使用方法，對實驗的細節(jié)、誤差分析等不宜過分強調(diào)。

（3） 溶液配制的實驗技能屬于動作技能，教師在實驗教學過程中要先整體分析實驗操作的原理，示范操作后，再讓學生模仿進行動手實驗，同時要明確每個

操作的意義，避免機械地模仿。例如要讓學生理解固體溶質(zhì)放在燒杯中溶解的目的和意義，因為若溶質(zhì)易溶解且溶解時沒有明顯的熱效應，可將溶質(zhì)直接放到容量瓶中溶解，可通過在容量瓶瓶口上放置一潔凈干燥的小漏斗，將溶質(zhì)傾入漏斗中，再用洗瓶將它全部洗入容量瓶中[9]，這樣操作步驟更為簡單，且能避免初步溶解后轉(zhuǎn)移造成溶質(zhì)的損失，而不一定先放在燒杯中溶解。另外，溶液配制作為一個重要的操作技能，學生還是要熟練掌握的，所以有條件的學?？梢試L試使用有顏色的溶質(zhì)來配制溶液，凸顯溶液配制中每一步操作的意義。另外，除了讓學生使用固體溶質(zhì)配制一定物質(zhì)的量濃度溶液外，也可把溶質(zhì)換成其他實驗需用的試劑（包括液體溶質(zhì)），配制成不同濃度梯度的溶液，以便在后續(xù)實驗學習時使用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]何彩霞. 指向化學實驗教學能力提升的教師培訓課程設計與實踐[J]. 化學教學， 2019， （5）： 11～16.

[3]何彩霞. 教給學生解決問題的思路與方法——對“探究二氧化碳與水是否反應”教學案例的分析[J]. 教育與裝備研究， 2016， （6）： 49～53.

[4]宋心琦. 化學實驗教學改革建議之一[J]. 化學教學， 2012， （4）： 3～8.

[5]王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學必修（第一冊、第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019.

[6]王祖浩主編. 普通高中教科書·化學必修（上冊， 下冊）[M]. 南京： 江蘇鳳凰教育出版， 2020.

[7]王磊， 陳光巨主編. 普通高中教科書·化學必修（第一冊、第二冊）[M]. 濟南： 山東科學技術(shù)出版社， 2019.

[8]孟海燕， 王艷， 李寶玉. 再議“一定物質(zhì)的量濃度溶液配制”實驗[J].化學教育， 2018， （15）： 57～60.

[9]《化學分析基本操作規(guī)范》編寫組編. 化學分析基本操作規(guī)范[M]. 北京： 高等教育出版社， 1984： 34～35.