基于真实问题情境的实验教学探究

［摘 要］文章基于《义务教育化学课程标准（2022 年版）》提供的情境素材，选取“测定某补钙剂中碳酸钙的含量”为实验教学主题，从实验原理的确定、影响实验成功的因素、实验方案的设计、实验装置的改进与创新、实验探究的不断改进、建构误差分析模型等角度进行实验复习教学，以期提高学生的科学精神、问题解决能力和创新意识，并为实验教学的选题提供有意义的参考。

［关键词］真实问题情境；实验教学；碳酸钙含量

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）20-0070-04

一、实验教学现状分析

在基础教育阶段，实验教学不仅有助于学生对知识的理解和掌握，同时也是培养学生的科学精神、问题解决能力和创新意识的重要手段[1]。然而，部分教师在参加实验教学说课比赛时，却面临选题困难，受限于已有改进或学校条件，难以展现真正的创新。

《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出将生命安全与健康等重大主题教育有机融入课程[2]，提倡真实问题情境与“做中学”，这为实验教学提供了丰富的教学建议。本文以“测定某补钙剂中碳酸钙的含量”为例，展示从实验原理到数据处理的全过程，旨在提高学生的科学素养和创新能力，并为实验教学选题提供参考。

经查阅文献发现，在中学阶段与本实验教学主题相关的文献主要有李俊红[3]的项目式实验复习教学，引导学生通过实验探究、数据处理、模型建构等三个学习任务测定碳酸钙 D3颗粒中的钙含量；鲍军[4]以教材习题“胃药中碳酸钙含量测定”为例，引导学生设计了五种实验方案，并给出了实验的装置图，从理论上讨论了实验方案的优缺点，但未进行真实的实验探究；蒋鹏、丁伟[5]选择将三通管和注射器组装成一体化实验仪器，采用络合滴定和测定二氧化碳体积的方法来测定鸡蛋壳中碳酸钙的含量，其中络合滴定的分析方法在初中化学中并未出现；李小静[6]设计了石头纸中碳酸钙的定性检测和定量测定的探究性实验，构建混合物中主要成分检测的一般思维模型。

上述文献均以高中学生的学情为出发点，或部分展示科学探究的过程，或仅从理论上讨论实验方案的可行性，或采用高中化学知识进行实验探究。本文结合九年级学生的学情，以“测定某补钙剂中碳酸钙的含量”为例，探究基于真实问题情境的实验教学模式。

二、教学背景

（一）学情分析

学生在新课阶段已经学习了空气中氧气含量的测定实验，能根据化学方程式进行简单的计算，能够运用简单的装置和方法制取二氧化碳，能观察实验现象、如实记录、处理实验数据、撰写实验报告，知道碳酸盐的检验方法，知道压强、摩擦力的相关知识，具备简单地收集资料的能力；但在解决复杂的、有挑战性的真实问题时，实验探究、创新和误差分析的能力仍有待提高。

（二）实验原理

通过稀盐酸和补钙剂中碳酸钙的反应，测量出生成的二氧化碳的质量或体积，进而计算出碳酸钙的含量。

（三）教学目标

（1）能设计实验方案，能分析实验实施的合理性，培养严谨求实、敢于质疑的科学态度；（2）构建定量实验探究的误差分析模型，发展问题解决能力，并通过制作简单装置，培养创新意识。

（四）教学重难点

教学重点在于分析实验方案的合理性，动手实验以及构建误差分析思路；教学难点在于自制简易的量气装置。

三、教学过程

环节一：创设情境，提出问题

[资料展示]我国居民钙的摄入量普遍较低，部分人群需要补充钙制剂。但钙摄入过量或不足均不利于人体健康，补钙一定要定量而行。市场上的补钙剂的主要成分是碳酸钙。我们今天选择的某品牌固体补钙剂的有效成分是碳酸钙，其他成分均不与稀盐酸反应。那么如何测定该补钙剂中碳酸钙的含量呢？

设计意图：选取学生熟悉的日常生活事件为切入口，让学生体会到用化学学科知识解决真实问题的魅力。

环节二：确立原理，设计方案

[教师提问]测定补钙剂中碳酸钙含量的原理是什么？你能从教材中的哪些实验得到启发？

设计意图：引导学生回顾教材知识，即测定空气中氧气的含量，二氧化碳的制取、收集和测量方法等。立足学生的最近发展区，引导学生运用已学知识解决问题。

[学生1]首先称量一定质量的补钙剂，将其与稀盐酸充分反应，测量出生成的二氧化碳的质量，再根据化学方程式计算出碳酸钙的质量，进而计算出碳酸钙的含量。

[学生2]测量二氧化碳的体积，再由体积和质量的关系计算出二氧化碳的质量。

[教师引导]如何测量二氧化碳的质量或体积呢？各小组在设计实验装置时，注意探讨影响实验的因素：（1）若实验中提供的量气仪器量程为50 mL，请先估算出碳酸钙的最大质量，并推算出补钙剂的最佳取用量。（2）为加快反应速率和提高实验的准确性，实验前可对补钙剂进行怎样的处理？（3）盐酸的浓度对实验结果有没有影响？（4）利用排空气法测量体积时，可能会有哪些因素影响测量结果，如何改进？（5）利用排液法测量体积时，可能会有哪些因素影响测量结果，如何改进？（6）测量二氧化碳质量时，可能会有哪些干扰因素？

[学生活动]进行小组合作，设计出实验装置图（如图1、图2）。

[学生活动]各小组展示实验方案。

[学生小组1]图1（1）设计的是测量二氧化碳质量的方案。装置甲、乙、丙、丁的作用分别是制备二氧化碳、干燥二氧化碳、吸收二氧化碳、吸收空气中的水蒸气和二氧化碳。实验步骤：实验前检查装置的气密性→打开弹簧夹，通入一段时间的氮气，关闭弹簧夹→称量装置丙的质量记为[m1]→打开分液漏斗的活塞，缓缓滴入足量稀盐酸→不再有气体产生后打开弹簧夹，通入一段时间的氮气，关闭弹簧夹→称量装置丙的质量记为[m2]。[m2]与[m1]的差值即为二氧化碳的质量。

[学生小组2]图1（2）设计的装置是通过测量不参加反应的杂质的质量，从而求出碳酸钙的质量。

[学生小组3]图2（1）采用排空气法测量二氧化碳的体积。用注射器收集并测量二氧化碳的体积，因生成的二氧化碳中混有水蒸气，会使测量结果偏大，所以在发生装置和收集装置之间连接一个干燥装置，从而减少误差。

[学生小组4]图2（2）采用排液法测量二氧化碳的体积。因加入的稀盐酸有一定的体积，会使测量结果偏大，所以在分液漏斗和锥形瓶之间连接一根橡胶管，确保装置内外压强相同；为了避免生成的二氧化碳中混有氯化氢气体，要用浓度较小的盐酸进行实验；二氧化碳气体能溶于水，会使测定结果偏小，因此要在水面上加一层植物油。

[教师]请同学们对这四个实验方案进行评价。

[学生3]图1（1）设计很严谨，理论上是可行的，但实验仪器较多、步骤烦琐，需要反应前通空气、除杂、干燥，反应后继续通空气、称量，会增加实验误差。

[学生4]图1（2）的设计也要过滤、洗涤、干燥、称量，实验步骤也很多，误差会较大。

[学生5]图2（1）、图2（2）测量二氧化碳体积的方案比较严谨，可减少误差。

[教师提问]如果实验中注射器的最大量程是50 mL，取用多少克补钙剂较为合适呢？

[学生6]如果收集50 mL二氧化碳，则二氧化碳的质量为[1.977 g/L×0.05 L=0.099 g]，需要碳酸钙0.225 g。考虑到补钙剂中含有杂质，实验中取用0.3 g补钙剂比较合适。

[学生7]为了使碳酸钙与稀盐酸充分反应，还应该将补钙剂研碎。

[教师]我们就采用排空气法和排液法分别测量二氧化碳的体积。

设计意图：让学生在相互评价交流中发现实验方案的优点和存在的问题，并对实验方案进行改进，初步形成优化实验方案的意识，培养质疑能力、创新意识、合作能力；在确定补钙剂用量时，巩固化学式的相关计算，发展元素守恒观，并初步形成根据实验仪器量程进行定量计算的意识。

环节三：实验探究，改进创新

[学生实验]学生分组进行实验探究，测量二氧化碳的体积。

第一小组采用排空气法测量二氧化碳的体积，实验装置如图3所示。在实验中出现如下异常现象：（1）气泡从漏斗口向外逸散；（2）注射器的活塞没有向右移动。经分析，学生认为是注射器活塞与注射器内壁之间的阻力太大造成的，应在活塞上涂植物油。改进后重新进行实验，活塞向右移动。0.3 g的补钙剂充分反应后，收集到了24 mL的气体。但进行三次平行实验后，发现实验数据不够稳定。这表明采用排空气法测定二氧化碳的体积，实验误差较大。

第二小组同学采用排液法测量二氧化碳的体积，实验装置如图4所示。实验结束后有一段液体残留在导管内，这会使测得的二氧化碳体积偏小，从而导致计算出的碳酸钙含量偏低。实验记录如表1所示。

设计意图：让学生在真实的实验探究中，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力和勤于实践、严谨求实的品质。

[教师引导]这两次实验探究的结果均不够理想，我们能否自制装置，让气体的发生、收集、测量一体化，从而消除阻力和压强差带来的误差呢？

向学生展示图5简易的产气、量气装置。左侧的塑料注射器和带有铜制燃烧匙的橡胶塞为气体的发生装置和收集装置；右侧的塑料注射器为量气装置，中间用耐酸碱腐蚀的硅胶管相连接，并用金属管夹固定；100 mL注射器的最小刻度为5 mL，对注射器的最小量程重新进行标定；借助水平仪对反应前后液体的体积进行读数。

[教师提问]如何使用这套简易的产气、量气装置进行实验探究呢？

[实验步骤]（1）在注射器内加入足量稀盐酸，借助水准仪调整注射器左、右两端液面齐平，然后读数；（2）在铜制燃烧匙内装入研碎的补钙剂粉末，用橡胶塞塞紧左侧注射器；（3）缓慢下压燃烧匙，使补钙剂与稀盐酸充分反应；（4）反应结束后，借助水平仪再次调整注射器左、右两端液面齐平，然后读数；（5）两次读数的差值即为二氧化碳的体积。

[学生实验]学生分小组继续进行实验探究。

学生采用自制装置再次进行实验探究。0.3 g的补钙剂充分反应后，收集到了50 mL的气体。经计算，实验结果与标签标注的含钙量基本一致，误差较小。实验记录如表2所示。

设计意图：使学生学会综合运用化学、工程、物理等学科知识制作简易装置解决实际问题，并发展创新意识。

环节四：分析实验，建构模型

[教师引导]结合实验方案设计和实验探究中出现的异常现象，找出影响碳酸钙含量的因素，建构误差分析认知模型。

[学生活动]从反应物预处理、实验装置、操作步骤、药品选择、杂质去除等角度思考影响因素，建构误差分析认知模型（如图6）。

设计意图：通过三次实验探究，培养学生基于实验事实建构模型的能力。

四、教学评价

首先，创设情境，通过实验测定出补钙剂中碳酸钙的含量，提升学生的科学探究和实践能力。其次，引导学生基于实验事实进行证据推理和模型建构，在解决与化学相关的真实问题中培养创新意识。最后，将生命安全与健康教育融入课堂，帮助学生建立正确的“健康生活观”，提升其科学态度和社会责任感。

（一）实验方式创新

由于100 mL的注射器最小刻度是5 mL，刻度不够精细，课前部分学生进行了最小量程的标定，且进行了多次校准，并从压强的角度探讨出读数前需要将两支注射器内的液面调整至同一水平面，然后借助水平仪进行读数。教学中引导学生跨学科学习，促进其创造性思维的发展。

（二）实验装置创新

自制的量气装置所使用的仪器在普通的实验室和五金店都能找到，实现了仪器的简易化和可推广化。实验操作较为简单，实验结果较为准确。同时，其他固液不加热型的实验室制取气体的方法也可以采用这套装置，如实验室制取氧气、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氯气等。

五、教学反思

针对教师在参加实验教学说课比赛时面临的实验选题困难的问题，谢明阳、鲍亚培[7]建议选题时可以响应新课标要求，以综合实践为抓手，选择学生感兴趣的主题，丰富实验创新角度。本实验教学设计了真实问题情境的学习任务，实验主题从生活中来，实验原理和装置源自教材内容的拓展和延伸；选题参考了新课标学习主题“科学探究与化学实验”中提供的情境素材，避免了局限于教材实验选题、重复改进教学实验装置等问题。结合本文的阐述，同行们亦可以深挖课标，找出合适的实验教学选题，促进学生主动学习，提高学生的学习能力。

［   参   考   文   献   ］

[1]［7］  谢明阳，鲍亚培.义务教育新课标视域下的化学实验教学创新：浅析第六、第七、第八届全国中小学实验教学说课活动[J].中国教育技术装备，2023（5）：26-30.

[2]  中华人民共和国教育部 .义务教育化学课程标准：2022年版[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[3]  李俊红.基于项目式学习的初中化学实验复习：以“测定碳酸钙D3颗粒中的钙含量”为例[J].化学教学，2022（8）：60-65，69.

[4]  鲍军.活用教材习题 提升思维能力：以“胃药中碳酸钙含量测定”为例[J].中学化学教学参考，2023（15）：64-66.

[5]  蒋鹏，丁伟.测定鸡蛋壳中碳酸钙含量的创新实验[J].教育与装备研究，2022（2）：53-55.

[6]  李小静.石头纸中碳酸钙的定性检测和定量测定[J].化学教与学，2022（12）：47-49，34.

（责任编辑 罗 艳）