“濃度計算”貫穿實驗全過程的教學設計

周言鳳,雷春桃,佘慧娟

（湖南有色金屬職業技術學院，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”—— “實驗方案設計選擇”—— “實驗結果計算分析”,都離不開濃度計算的應用,可以說,濃度計算是分析檢驗類專業的核心能力。然而,高職學生計算基礎普遍簿弱,盡管濃度計算在中學階段早有基礎、大一年級的 《無機化學》和《定量化學分析》課程也已重點學習,但到大二階段 《儀器分析》課程,發現仍有大部分學生遇到計算就心生畏懼,甚至還有一部分學生根本不知怎么動筆。濃度計算的傳統教學,通常是老師講解計算公式、配合例題精講演練,學生再結合作業進行鞏固。在這種教學模式下,學生處于被動灌輸的狀態,知識的學習也往往停留在作業考試層面,高職技能型學生通常在中學階段就掉隊了。

如何讓高職學生重拾計算的信心和興趣,讓學生從 “被動學習、畏懼計算”—— “主動探究、樂意去算”的轉變?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中,發揚高職學生樂意動手的特點,幫助學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。本文以基礎的光譜分析定量實驗——標準曲線法測定物質含量系列實驗為例,教學過程分設 “配試劑”、“定方案”、“算結果”等任務。教師課前發布任務,學生探究分解任務、主動觀看濃度計算微課視頻、小組互助計算通關,通過任務驅動教學法,幫助學生建構并內化濃度計算理論,重點培養學生的濃度計算能力[1-5]。

1 教學過程

1.1 配試劑

任務要求: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生在課前配制。

課前:教師在課前發布任務、實驗方案、濃度計算微課視頻,引導學生自主探究學習。學生接到實驗任務后,主動預習實驗方案、學習微課視頻、探究計算方法,并結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,經老師驗證方案正確后,運用計算方案配制溶液。

課中:引導學生思考討論:(1）根據實驗中配制試劑的溶質狀態分類,有哪幾類?(2）不同的溶質狀態,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,并按不同的溶質狀態進行分類講解,幫助學生拓展濃度計算的應用視野。

課后:發布講解視頻和講義文檔,供不同基礎的學生課后反復觀看學習。講解視頻和講義文檔內容概要:根據取用不同狀態溶質來配制溶液的方法,通常可歸為3類。

(1）固體溶質溶解在液體溶劑中

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

例:如需配制1 mol/L NaOH溶液1 L,應稱取NaOH多少克?如需質量分數為4%NaOH溶液1000 g,應稱取 NaOH多少克呢?如質量濃度為0.04 g/mL NaOH溶液1 L,應稱取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:如果溶質是混合物或含結晶水的化合物,需將計算出的純溶質的質量換算成相應混合物或含結晶水的化合物的質量。

(2）液體溶質溶解在液體溶劑中

液體溶質溶解在液體溶劑中,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:物質的量濃度(cB）、比例濃度、體積分數(φB）。

①物質的量濃度(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、質量分數為98%的濃硫酸多少毫升?

解:設需取用濃硫酸xmL,根據

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:設需取用濃硝酸溶液xmL,則水的體積為3xmL。

③體積分數(φB）配制的計算

例:現需配制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,那么鹽酸的質量分數是多少?物質的量濃度呢?

解:鹽酸的質量分數:

鹽酸物質的量濃度:

1.2 定方案

任務要求:根據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:教師發布任務、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,引導學生自主探究學習。學生接到任務后,主動學習微課視頻、探究計算方法,并結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:引導學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,幫助計算基礎簿弱接受慢的學生,有據可依地理解計算過程。

課后:發布講解視頻和講義文檔,供不同基礎的學生課后反復觀看學習。講解視頻和講義文檔內容概要:當T=0.368時,A=0.434,測量的相對誤差為最小。當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,確定標準使用液的移取系列體積數: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,確定稀釋后樣品的移取體積數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 算結果

任務要求:(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,引導學生自主探究學習。學生接到任務后,主動學習微課視頻、探究計算方法,小組共同探討思考并在線提交實驗結果；

課中:引導學生上臺講解樣品含量的計算方法,教師點評講解,總結計算思路,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,幫助學生理解計算過程；

課后:發布講解視頻和講義文檔,供不同基礎的學生課后反復觀看學習。微課視頻和講義文檔內容概要:

(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,對應的吸光度為縱坐標,繪制標準曲線；

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

(3）回歸方程法計算含量:

①應用excel軟件繪制標準曲線:以標準系列濃度為橫坐標,對應的吸光度為縱坐標,得到標準曲線和對應的回歸方程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,結合待測樣液的稀釋倍數n,計算出原始樣品含量c樣=ncx。

2 教學反思

(1）將濃度計算方法,結合實際配制溶液過程,進行總結歸納,并按不同的溶質狀態進行分類講解,幫助學生拓展濃度計算的應用視野；

(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,幫助計算基礎簿弱接受慢的學生,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習,轉為應用層面的能力學習,尤其適合高職學生的學情特點；

(4）將濃度計算融合到實驗任務中,在實驗任務中反復學習應用,幫助計算底子簿弱的學生反復強化計算。結合教學視頻和教學講義在線發布,幫助學生反復多次觀看學習,從而突破教學難點；

(5）采用 “翻轉課堂”模式,通過 “任務驅動教學法”,讓學生由 “被動灌輸學習”向 “主動探究學習”轉變,一方面有利于培養學生的自主學習能力,解決問題、分析問題的能力,另一方面提高了學生的積極性和學習興趣,同時也增強了教師的教學成就感,真正實現了 “學的快樂教的輕松”；

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