大學化學實驗“水的硬度測定”三重表征的FC教學設計

肖博涵+　徐安貝　張雨婷　鄭興

摘 要 在大學化學實驗“水的硬度測定”教學中，采用翻轉課堂為主線，情境教學和實驗探究等方法為支線的二維教學模式，突出反應原理的三重表征進行教學設計。有效突破難點，激發學習興趣，彰顯“STS”教育思想，培養三重表征的化學思維，有利于實現教學目標。

關鍵詞 化學實驗 三重表征 翻轉課堂 教學設計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.054

Abstract In the teaching of "determination of water hardness" in college chemistry experiment， the paper uses flipped classroom as the main line， situational teaching and experimental inquiry as the two-dimensional teaching mode of the branch， and emphasizes the triple representation of the reaction principle in teaching design. The effective breakthrough difficulty， stimulates the study interest， manifests "the STS" the education thought， trains the chemical thought which the threefold representation， is advantageous in realizes the teaching goal.

Keywords chemistry experiment； triple characterization； flipped classroom； teaching design

1 問題的提出

化學是以實驗為基礎的自然學科，大學化學實驗包含化學理論知識與實驗操作技能，是大學一年級一門獨立必修課程。滴定分析是大學化學實驗的基礎操作，實驗要點多，操作繁瑣，教師講解時間過長，學生操作時間少，對于大學一年級的學生，難度較大。有些實驗項目，如“水的硬度測定”，涉及滴定分析、配合物穩定性等原理，與實際生活相關，實驗現象不容易判斷，知識進階過大，[1]傳統課堂難以調動學生邏輯思維、創新思維，實驗完成后學生仍然不能透徹理解在微觀水平上的反應機理，不能用符號表示出該反應的方程式；難以在三維表征之間自由地轉換思維。

化學物質涉及三重表征，是指宏觀知識、微觀知識及符號知識外在的呈現形式和在頭腦中的加工與呈現形式。宏觀表征指物質及其性質、化學反應過程和現象等；微觀表征指微觀模型、微觀粒子，如分子、原子和離子等；符號表征指化學元素符號、化學結構式等。在學生學習化學的過程中，宏觀表征是物質外在呈現最直觀的，也是最容易被學生接受的表征形式；微觀表征是無法直接觀察到的微粒（如：分子、原子、離子）的運動及其相互作用，物質的組成及結構等微觀概念；符號表征是化學學習的標記，也是傳播化學知識的重要手段。[2]對于大學化學實驗課程，三重表征的教學策略可歸納為以下三方面：合理利用微觀模擬；理解符號表征的意義；加強表征之間的轉換意識和能力。

由“水的硬度測定”具體內容，基于化學三重表征，采用翻轉課堂（Flipped Classroom ，簡寫為FC）教學模式進行教學設計，借助信息技術，“反轉”知識的傳遞與內化環節，利用微課將知識在課前進行傳遞，在課上進行內化，著重提升學生的實驗操作和問題的解決能力，激發思考，提高教學效果。

在相關理論的基礎上，結合學生特點，以本課題組葉夢倩[3]所構建的“以問題為基礎的大學化學實驗翻轉課堂”為教學設計模型。

2 水的硬度測定教學設計

2.1 教學內容價值

本次實驗計劃4學時。內容主要包括“配位滴定”、“EDTA法測定水中鈣、鎂離子的含量”等實驗操作技術；“配位滴定原理”、“水的總硬度測定原理”、“水中鈣鎂含量測定原理”等原理；是在學習酸堿滴定、氧化還原滴定實驗之后，滴定分析最后一個實驗項目，與實際生活相關，綜合性較強。有利于學生鞏固分析化學實驗原理，提高實驗操作能力、鍛煉分析問題和解決問題的能力。由本節課的內容特點及作用價值，適合采用構建學生三重表征思維模式的FC教學策略。[4]

2.2 基于三重表征的FC教學設計

2.2.1 教學目標

教學目標作為實際教學中的導航，對后期教學以及評價都具有一定指導作用，是檢查、評價教學成效的尺度和標準。基于①課程標準；②教學內容；③學生分析等三方面要素制定三維教學目標。

知識與技能：（1）知道EDTA在不同pH值下與鈣、鎂離子的結合順序及其產物的穩定性。（2）了解常用儀器的干燥及洗滌，溶液的配制，滴定管的使用及洗滌。（3）理解基礎化學課程中配位滴定原理，遷移到常見配合物的穩定性，鞏固滴定的實驗操作和實驗方法。

過程與方法：（1）熟練掌握配位滴定法的原理，EDTA法測定的原理及實驗操作。（2）通過實驗過程中問題的思考及解決，能解釋實驗中的現象和原理。

情感態度價值觀：（1）通過微課視頻的學習，形成對配位滴定實驗的興趣，增強理論聯系實際的能力，體會由微觀反應到宏觀現象的表征轉換。（2）通過水的硬度測定結果，查閱資料了解生活用水是否符合標準，體驗化學與生活的緊密聯系，樹立在生活中關注環境，保護環境的意識。

2.2.2 教學重難點

通過對學生知識水平和認識水平的勘察確立教學重難點。由教學目標制定教學重點，由目標和學生障礙點確定教學難點；（1）重點：①EDTA與Ca2+、Mg2+進行配位反應的實驗原理；②配位滴定實驗規范的操作；③實驗滴定終點顏色的判斷。（2）難點：①實驗顯色原理體現出配合物的穩定性關系；②微觀表征過渡到符號表征的思考過程；③水中鈣鎂離子含量的計算方法。[5]endprint

2.2.3 教學流程（如圖1所示）

3 教學設計討論

3.1 詳解反應過程的三重表征

在微課階段，從宏觀、微觀、符號三重表征，詳細分析了實驗過程中的原理，實際的實驗現象和微觀動畫結合，使學生突破難點，建構模型思維。

宏觀現象：在pH=10.0的氨性緩沖溶液中，水樣鈣鎂含量越高，消耗的EDTA越多。無色水樣中加入鉻黑T后，顯酒紅色，用EDTA滴定到達終點時顯藍色。

微觀圖示（圖2）：

微觀解釋：水樣中加入鉻黑T后，顯酒紅色，是由于鎂離子與鉻黑T結合生成了酒紅色物質，滴入EDTA（H2Y2-）后，EDTA與鈣離子結合，終點前鈣離子、剩余的鎂離子全部都與EDTA結合。終點時EDTA奪取與與鉻黑T結合的鎂離子，使鉻黑T釋放出來，顯示其本身的藍色。

符號表示：

滴定前：Mg2+ +HIn2-（藍色）=MgIn-（酒紅色）終點前：Ca2+ +Mg2++2H2Y2-= CaY2-+ MgY2-+4H+

終點時：MgIn- +H2Y2-=MgY2- +HIn2-+H+（藍色）

溶液中EDTA與Ca2+、Mg2+配位結合使顯色物質游離進而顯色（微觀）、溶液顏色在酒紅色和藍色之間轉換（宏觀）、反應方程式（符號）三重表征，建立三者由微觀化學反應體現宏觀現象，再用符號方程式表示實驗原理，對形成良好的認知結構和化學科學觀念具有重要作用。

3.2 提高學生知識遷移能力

水的硬度與生活密切相關，課前提出水的硬度對生活的影響等問題，聯系生活實際激發學生的實驗興趣，教授學生判斷水硬度的依據這一知識點的應用，體現了水的硬度的宏觀表征，形成更完整的認知結構，有利于將本實驗中學習的知識應用到生活、未來工作中，提高了知識遷移能力。

3.3 節約課堂時間，增大課堂容量

通過FC教學模式，學生課前觀看微課視頻，已經熟悉了實驗反應原理和實驗操作步驟，明確了實驗的正確操作方法，教師僅在課堂上講解學生課前學習中存在的問題，盡可能地讓學生進行多次多次操作，培養動手能力。

通過微課視頻，課前為學生展示實驗中溶液顏色在酒紅色和藍色之間的變化的實驗現象，體現了EDTA在溶液中結合鈣、鎂離子從而顯色的原理，學生通過實驗現象理解實驗原理，又明確了滴定終點的判斷方法，增大了課堂的容量。

4 結語

由內容特點出發，圍繞反應原理的三重表征進行教學設計，采用FC教學為主線，情境教學和實驗探究等方法為支線的二維教學模式。增加了課堂的容量，減輕了學生在課中的學習負擔；有利于突破難點減少學生課上學習不透徹導致實驗失敗的幾率。基于三重表征化學實驗的FC實驗教學設計，有利于實現教學目標。

參考文獻

[1] 邸欣.分析化學實驗指導[M].人民衛生出版社，2016.

[2] 張丙香，畢華林.化學三重表征的含義及其教學策略[J].中國教育學刊，2013（2）：73-76.

[3] 葉夢倩.基于“翻轉課堂”模式的大學化學實驗教學設計與應用研究——以滴定分析為例[D]，延邊大學，2017.

[4] 劉蘇莉.翻轉課堂的教學設計與應用——基于大學分析化學實驗的案例分析[J].大學教育，2016（5）：113-115，133.

[5] 傅源，李鋒.生活用水硬度的測定教學設計探析[J].職業技術，2016（12）：87-89.endprint