談實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)操作的可行性

陳方

摘要：通過對(duì)“硫酸銅溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度的測(cè)定”中各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的分析與反思，指出設(shè)計(jì)的科學(xué)性及實(shí)驗(yàn)操作的可行性等方面存在的問題，并提出改進(jìn)方法和建議，為教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究提供參考和借鑒，以促進(jìn)教師的專業(yè)成長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；科學(xué)性；可行性

文章編號(hào)：1008-0546（2017）04-0080-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.027

一、問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（實(shí)驗(yàn)）在第二部分“課程目標(biāo)”“一、知識(shí)與技能”中有如下表述：2.獲得有關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)研究的方法，能設(shè)計(jì)并完成一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在第三部分“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”《化學(xué)1》主題2“化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)”中又有如下表述：5.初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)條件控制、數(shù)據(jù)處理等方法在化學(xué)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中的應(yīng)用[1]。顯然，對(duì)于高中化學(xué)教師而言，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)并完成一些基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)是必須具備的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能。

最近參與了某地“高中化學(xué)中青年教師基本功大賽”的評(píng)委工作，其中實(shí)驗(yàn)為大賽的一項(xiàng)內(nèi)容。評(píng)委組老師出了一道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題：“根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，選用必要的實(shí)驗(yàn)器材及試劑，按規(guī)定內(nèi)容和要求對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并操作”（每人可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備15分鐘，操作展示不超過40分鐘）。

實(shí)驗(yàn)課題：硫酸銅溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度的測(cè)定。

要求：

1. 書寫出實(shí)驗(yàn)方案步驟。

2. 按各自的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行符合規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作。

3. 測(cè)定結(jié)果保留兩位有效數(shù)字。

評(píng)委老師對(duì)各位參賽老師實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及實(shí)驗(yàn)操作的可行性、規(guī)范性和熟練程度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性等進(jìn)行評(píng)判和考核（以百分制形式判分）。（具體細(xì)則略）

各位參賽老師可謂“八仙過海，各顯神通”，設(shè)計(jì)了各種各樣的方案，并各自進(jìn)行操作，評(píng)委老師在考核的過程中，發(fā)現(xiàn)了參賽老師在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)操作的可行性等方面形形式式的問題。這引發(fā)了我們的分析與反思。

二、對(duì)問題的分析與反思

各位參賽老師的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要有以下不同的方案。

方案1. 取一定體積（各位參賽老師所取溶液的體積有異，下同）的CuSO4溶液，加熱蒸發(fā)獲得CuSO4·5H2O晶體，再將晶體加熱脫水得到無水CuSO4，稱量其質(zhì)量，進(jìn)行計(jì)算。

方案2.取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的2mol·L-1 NaOH溶液反應(yīng)得到Cu（OH）2沉淀，過濾、洗滌并干燥，將固體移入坩堝中灼燒分解得到CuO，稱量其質(zhì)量，進(jìn)行計(jì)算。

方案3.取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的2mol·L-1 BaCl2溶液反應(yīng)得到BaSO4沉淀，過濾、洗滌并烘干，將沉淀轉(zhuǎn)移至托盤天平（兩托盤墊有相同質(zhì)量的紙片），稱量其質(zhì)量，進(jìn)行計(jì)算。

方案4.取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的2mol·L-1 Ba（OH）2溶液反應(yīng)得到BaSO4和Cu（OH）2混合沉淀，過濾洗滌干燥，稱量其質(zhì)量，進(jìn)行計(jì)算。

方案5. 取一定體積的CuSO4溶液，再與足量的1.00mol·L-1 KI溶液反應(yīng)，得到I2單質(zhì)，用1%的淀粉溶液作指示劑，用1.00mol·L-1 Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，由消耗Na2S2O3溶液的體積，進(jìn)行計(jì)算。【注：相關(guān)反應(yīng)原理為（1）2CuSO4+4KI[=]2CuI↓+I2+2K2SO4（2）I2+ 2Na2S2O3[=]2NaI+ Na2S4O6】

評(píng)委組老師對(duì)各方案實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)操作的可行性等方面進(jìn)行了思考與反思，達(dá)成了一些基本的共識(shí)。

方案1中：有老師認(rèn)為，不易控制加熱的溫度。當(dāng)加熱溫度不同時(shí)，CuSO4·5H2O分解可得到CuSO4·xH2O（x﹤5）或CuO，故不能準(zhǔn)確得到CuSO4的質(zhì)量。反思：（1）經(jīng)查證，CuSO4·5H2O到216.06～288.33℃時(shí)完全失水成為無水硫酸銅，而無水硫酸銅在650℃才分解得到CuO，其間有400℃左右相隔[2]。顯然以上思考欠妥，實(shí)際上該方案是可行的，結(jié)果也相當(dāng)準(zhǔn)確。（2）該方案中得到CuSO4·5H2O晶體后，可直接稱量其質(zhì)量。如考慮蒸發(fā)皿中的晶體不易轉(zhuǎn)移干凈，可先稱量干凈蒸發(fā)皿的質(zhì)量，再稱量蒸發(fā)皿與晶體的質(zhì)量，由此得到晶體質(zhì)量。后經(jīng)評(píng)委老師親自實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)得到的結(jié)果是較為準(zhǔn)確的。所以，有時(shí)看似基本且簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，可能也是較科學(xué)且可行的方案。

方案2中：濾紙上的沉淀不易全部轉(zhuǎn)移入坩堝，坩堝中也有部分CuO殘留，稱量出CuO的質(zhì)量偏小；若將濾紙灼燒后有灰份殘留，不易準(zhǔn)確得到CuO質(zhì)量。反思：該方案中可將濾紙改為無灰濾紙（中學(xué)階段一般不用），在坩堝中灼燒后，稱量坩堝與CuO的質(zhì)量（可先稱量干凈坩堝的質(zhì)量），最后再得到CuO的質(zhì)量。該方案應(yīng)是中學(xué)階段常用且可靠的方案。

方案3中：參賽老師想利用所得到的BaSO4相對(duì)分子質(zhì)量較大的特點(diǎn)，減小實(shí)驗(yàn)誤差。問題是：濾紙上的沉淀不易全部轉(zhuǎn)移，稱量出的質(zhì)量偏小。反思：類似方案2中，可將濾紙改為無灰濾紙，將沉淀和濾紙置于坩堝中灼燒后，稱量坩堝與BaSO4的質(zhì)量（可先稱量干凈坩堝質(zhì)量），最后再得到BaSO4的質(zhì)量。該方案也可作如下改進(jìn)：可先用兩張等質(zhì)量的濾紙，一張用作過濾，待將沉淀過濾、洗滌并烘干后，將濾紙和沉淀合并稱量，另一張濾紙可作稱量時(shí)的平衡用紙。后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為準(zhǔn)確。

方案4中：參賽老師認(rèn)為，該方案與方案2、方案3相比沉淀的總質(zhì)量更大，誤差更小。但由于Ba（OH）2·8H2O溶解度很小（298K時(shí)，Ksp=2.55×10-4[3]）（這與一般中學(xué)化學(xué)老師的猜想不符），所能配制的Ba（OH）2溶液濃度太小（約0.04mol·L-1，根本達(dá)不到2mol·L-1），要使溶液中Cu2+、SO42-完全沉淀，所需Ba（OH）2溶液體積較大，且沉淀顆粒小，過濾速度慢，過濾后濾液仍然渾濁，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較長(zhǎng)（超過要求中的40分鐘）。反思：錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往會(huì)使實(shí)驗(yàn)操作不可行。化學(xué)實(shí)驗(yàn)必須注意理論與實(shí)際相結(jié)合，那些脫離實(shí)際的“想象性實(shí)驗(yàn)”只能是紙上談兵。

方案5中：該方案是高考命題中經(jīng)常涉及的方案。想到該方案的老師較少，該方案在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及實(shí)驗(yàn)操作的可行性及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性等方面都是較為理想的。反思：定性與定量相結(jié)合是化學(xué)學(xué)習(xí)和研究中常用的學(xué)科思想。對(duì)于常見的定量實(shí)驗(yàn)，如稱量、一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制、滴定（包括中和滴定及氧化還原滴定）等，應(yīng)重點(diǎn)研究其方法與原理，還需關(guān)注實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差分析等。對(duì)中學(xué)階段較少涉及的配位（絡(luò)合）滴定，沉淀滴定等實(shí)驗(yàn)，教師應(yīng)有所了解，以進(jìn)一步拓展我們的視野，豐富并充實(shí)教學(xué)資源。

三、結(jié)語

化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中必須對(duì)問題進(jìn)行全面的思考與分析。如：如何正確選擇實(shí)驗(yàn)用品和試劑、實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)是否合理和簡(jiǎn)潔、如何控制實(shí)驗(yàn)條件、怎樣通過有關(guān)現(xiàn)象和有關(guān)數(shù)據(jù)得出正確結(jié)論等。通過以上案例，也為我們中學(xué)化學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究工作提供了一種思路和方法；同時(shí)，此類活動(dòng)的開展對(duì)培養(yǎng)教師的發(fā)散思維能力及創(chuàng)新精神能起到很好的推動(dòng)作用。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（實(shí)驗(yàn)）在第一部分“二、課程的基本理念”中有如下表述：8.為化學(xué)教師創(chuàng)造性地進(jìn)行教學(xué)和研究提供更多的機(jī)會(huì)，在課程改革的實(shí)踐中引導(dǎo)教師不斷反思，促進(jìn)教師的專業(yè)發(fā)展[4]。我們常說：要給學(xué)生一瓢水，自己就要有一桶水。但是大家設(shè)想一下，如果自己總是那一桶水，能夠無休止的往外舀嗎？如果自己總是那一桶水，舀出來的還是活水嗎？老師需要與時(shí)俱進(jìn)，在不斷的學(xué)習(xí)中汲取豐富的營(yíng)養(yǎng)，更新自己的老舊知識(shí)，豐富并完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，使自己的學(xué)識(shí)在教學(xué)過程中不斷得到提升。此外，在高中化學(xué)教學(xué)中，教師要以改革的精神搞好教學(xué)，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀點(diǎn)，經(jīng)常反思自己的教學(xué)活動(dòng)，針對(duì)教學(xué)中遇到的實(shí)際問題開展教學(xué)研究。如：如何結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)？如何根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)解決化學(xué)問題的實(shí)驗(yàn)方案，并予以評(píng)價(jià)和優(yōu)化[5]？這也是新課程改革賦予教師的職責(zé)所在。

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